第5章土的压缩性

1、第五章 土的压缩性土木与建筑工程学院土木与建筑工程学院15 土的压缩性自重应力压缩稳定自重应力压缩稳定附加应力导致地基土体变形附加应力导致地基土体变形体积变形体积变形形状变形形状变形形状变形主要由剪应力引起，当剪应力超形状变形主要由剪应力引起，当剪应力超过一定限度时，土体将产生剪切破坏，此过一定限度时，土体将产生剪切破坏，此时的变形将不断发展。通常在地基中是不时的变形将不断发展。通常在地基中是不允许发生大范围剪切破坏的。允许发生大范围剪切破坏的。讨论重点讨论重点由正应力引起，会使土的体积缩小压密，由正应力引起，会使土的体积缩小压密，不会导致土体破坏不会导致土体破坏25 土的压缩性土的压缩性：土

2、的压缩性：在外力作用下土体积缩小的特性称为土的压缩性。在外力作用下土体积缩小的特性称为土的压缩性。土体受外力作用发生压缩变形包括三部分：土体受外力作用发生压缩变形包括三部分：（1 1）土固体颗粒自身变形；）土固体颗粒自身变形；（2 2）孔隙水的压缩变形；）孔隙水的压缩变形；（3 3）土中水和气从孔隙中被挤出从而使孔隙体积减小。）土中水和气从孔隙中被挤出从而使孔隙体积减小。一般工程土体所受压力为一般工程土体所受压力为100100600kPa600kPa，颗粒的体积变化，颗粒的体积变化不及全部土体积变化的不及全部土体积变化的1/4001/400，可不予考虑；水的压缩变，可不予考虑；水的压缩变形也很

3、小，可以忽略。所以，土的压缩变形，主要是由于形也很小，可以忽略。所以，土的压缩变形，主要是由于孔隙体积减小而引起的。孔隙体积减小而引起的。因此，土的压缩过程可看成是孔因此，土的压缩过程可看成是孔隙体积减小和孔隙水或气体被排出的过程。隙体积减小和孔隙水或气体被排出的过程。35 土的压缩性土的压缩性包含了两方面的内容：土的压缩性包含了两方面的内容：（1 1）最终压缩变形量最终压缩变形量-引起建筑物的最终沉降量引起建筑物的最终沉降量或变形量或变形量（2 2）压缩变形随时间而变化的过程压缩变形随时间而变化的过程-土的固结土的固结对于粘性土，其透水性对于粘性土，其透水性很差，在荷载作用下，土中水很差，在

4、荷载作用下，土中水和气体只能慢慢地排出。因此，和气体只能慢慢地排出。因此，粘性土的固结过程所需的时间粘性土的固结过程所需的时间比砂土和碎土长得多，有时需比砂土和碎土长得多，有时需十几年或几十年才能完成。十几年或几十年才能完成。对于透水性较大对于透水性较大的的砂土和碎石土砂土和碎石土，在荷，在荷载作用下，孔隙中的水载作用下，孔隙中的水很快排出了。因此，其很快排出了。因此，其固结过程在很短的时间固结过程在很短的时间内就可结束。内就可结束。45 土的压缩性5固结实验及压缩性指标应力历史对压缩性的影响土的变形模量土的弹性模量5 土的压缩性Pt1p2pSt1e2e0e3e1s2s3sel适用条件：适用条

5、件：大面积均布荷载，或大面积均布荷载，或土层不太厚。土层不太厚。l试验仪器：试验仪器：压缩仪（固结仪）。压缩仪（固结仪）。l试验过程：试验过程：如图示。如图示。l试验结果：试验结果：曲线。曲线。a(kP ) 0100200 3004000.60.70.80.91.0e e固结实验及压缩性指标固结实验及压缩性指标一、固结试验一、固结试验65 土的压缩性v压缩曲线压缩曲线是室内压缩实验的成果，它是土的孔隙比是室内压缩实验的成果，它是土的孔隙比e e与所受与所受压力压力P P的关系曲线。的关系曲线。（5-15-1）a a（5-15-1）b b（5-15-1）c c式中式中: e0=ds（1+0)(w

6、/0)-1压缩前后压缩前后VsVs、A A均不变均不变有：有：固结实验及压缩性指标固结实验及压缩性指标一、固结试验一、固结试验75 土的压缩性压缩系数压缩系数是表征土压缩性大小的主要指标是表征土压缩性大小的主要指标固结实验及压缩性指标固结实验及压缩性指标二、土的压缩系数和压缩指数二、土的压缩系数和压缩指数02004000.60.81.0e edededpdpPP1 1、压缩系数、压缩系数压缩系数：压缩系数：曲线上任一点的切线斜率。曲线上任一点的切线斜率。可表示为：可表示为：式中负号表示随着压力式中负号表示随着压力p的增加，的增加，e逐渐逐渐减少。压缩性不同的土，其压缩曲线的减少。压缩性不同的土

7、，其压缩曲线的形状是不一样的。曲线愈陡，说明随着形状是不一样的。曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高。因而土的压缩性愈高。dpdea85 土的压缩性固结实验及压缩性指标固结实验及压缩性指标二、土的压缩系数和压缩指数二、土的压缩系数和压缩指数1 1、压缩系数、压缩系数为了实用方便，一般研究土中某点由原来的自重应力为了实用方便，一般研究土中某点由原来的自重应力p1增加增加到外荷作用下的土中应力到外荷作用下的土中应力p2 (自重应力与附加应力之和自重应力与附加应力之和)这一这一压力间隔所表征的压缩性，土的压缩性可用割线斜率代替，压力

8、间隔所表征的压缩性，土的压缩性可用割线斜率代替，则：则：式中：式中：a 土的压缩系数，土的压缩系数，MPa-1； p1 地基某深度处土中竖向自重应力，地基某深度处土中竖向自重应力，MPa； p2 地基某深度处土中自重应力与附加应力之和，地基某深度处土中自重应力与附加应力之和，MPa； e1 相应于相应于p1作用下压缩稳定后的孔隙比；作用下压缩稳定后的孔隙比； e2 相应于相应于p2作用下压缩稳定后的孔隙比。作用下压缩稳定后的孔隙比。1221ppeepea95 土的压缩性固结实验及压缩性指标固结实验及压缩性指标二、土的压缩系数和压缩指数二、土的压缩系数和压缩指数1 1、压缩系数、压缩系数为了便于

9、应用和比较，通常采用压力由为了便于应用和比较，通常采用压力由p p1 1100kPa100kPa增加到增加到p p2 2200kPa200kPa时所得的压缩系数时所得的压缩系数a a1-21-2来评定土的压缩性：来评定土的压缩性： a1-2 0.1MPa-1时，低压缩性土时，低压缩性土0.1a1-20.5MPa -1时，中压缩性土时，中压缩性土 a1-2 0.5MPa -1时，高压缩性土时，高压缩性土105 土的压缩性高压缩性土低压缩性土土的压缩性越大。越大，压缩指数曲线后段直线段的斜率4 . 02 . 0 lg-lg-logp-e 1221ccccCCCppeeC粘性土的粘性土的Cc值一般在

10、值一般在0.11.0之间之间固结实验及压缩性指标固结实验及压缩性指标二、土的压缩系数和压缩指数二、土的压缩系数和压缩指数2 2、压缩指数、压缩指数115 土的压缩性0HHsEPe11eaeEs11pea（5-7）固结实验及压缩性指标固结实验及压缩性指标三、土的压缩模量和体积压缩指数三、土的压缩模量和体积压缩指数1 1、土的压缩模量、土的压缩模量压缩模量压缩模量(侧限压缩模量）侧限压缩模量）：土在完全侧限条件下的竖向：土在完全侧限条件下的竖向附加压应力与相应的应变增量之比值（附加压应力与相应的应变增量之比值（MPa)。即：。即：SE125 土的压缩性定义：定义：土体在侧限条件下体积应变与竖向压应

11、力增量的土体在侧限条件下体积应变与竖向压应力增量的比值。即：比值。即：物理意义：物理意义：在单位压力增量作用下，土体单位体积的体积在单位压力增量作用下，土体单位体积的体积 变化。变化。固结实验及压缩性指标固结实验及压缩性指标三、土的压缩模量和体积压缩指数三、土的压缩模量和体积压缩指数2 2、体积压缩系数（、体积压缩系数（mmv v）135 土的压缩性土的压缩变形由土的压缩变形由弹性变形弹性变形和和残余变形残余变形两部分组成，其中两部分组成，其中以以残余变形为主残余变形为主。回弹指数回弹指数ce回弹模量回弹模量EeCe s：超固结土：超固结土 p1：超固结超固结OCR1：欠固结欠固结相同相同s

12、时，一般时，一般OCR越大，越大，土越密实，压缩性越小土越密实，压缩性越小超固结比：超固结比：应力历史对压缩性的影响应力历史对压缩性的影响一、沉积土（层）的应力历史一、沉积土（层）的应力历史165 土的压缩性在在a a、b b、c c三个土层现有地面以下同三个土层现有地面以下同一深度一深度z z处，土的现有应力相同，但处，土的现有应力相同，但是由于它们经历的应力历史不是由于它们经历的应力历史不同，因同，因而而在压缩曲线上处于不同的位置：在压缩曲线上处于不同的位置：（1 1）正常固结土）正常固结土：它在沉积过程中：它在沉积过程中巳从巳从e e0 0开始在自重应力作用下沿现场开始在自重应力作用下沿

13、现场压缩曲线至压缩曲线至a a点固结稳定。点固结稳定。（2 2）超固结土）超固结土：它曾在自重应力力：它曾在自重应力力作用下沿现场压缩曲线至作用下沿现场压缩曲线至b b点，后因点，后因上部土层冲蚀，现巳回弹稳定在上部土层冲蚀，现巳回弹稳定在bb点点（3 3）欠固结土）欠固结土：由于在自重应力作：由于在自重应力作用下还未完全固结日前它处于现场用下还未完全固结日前它处于现场压缩曲线上的压缩曲线上的c c点。点。应力历史对压缩性的影响应力历史对压缩性的影响一、沉积土（层）的应力历史一、沉积土（层）的应力历史175 土的压缩性若对三种土再施加相同的固结应若对三种土再施加相同的固结应力力 p p，那么：

14、，那么：（1 1）正常固结和欠固结土）正常固结和欠固结土：将：将分别由分别由a a和和c c点沿现场点沿现场压缩压缩曲线至曲线至d d点固结稳定，点固结稳定，（2 2）超固结土）超固结土：则由：则由bb点沿观点沿观场再压缩曲线至场再压缩曲线至d d点固结稳定。点固结稳定。显然，三者的压缩量是不同的，显然，三者的压缩量是不同的，其中欠固结土最大，超固结土最其中欠固结土最大，超固结土最小，而正常固结土则介于两者之小，而正常固结土则介于两者之间。间。 应力历史对压缩性的影响应力历史对压缩性的影响一、沉积土（层）的应力历史一、沉积土（层）的应力历史185 土的压缩性先期固结压力先期固结压力p的确定：的

15、确定：Casagrande 法（法（1936）(f) B点对应于先期固结压力点对应于先期固结压力 p(b) 作水平线作水平线m1(c) 作作m点切线点切线m2(d) 作作m1,m2 的角分线的角分线m3(e) m3与试验曲线的直线段与试验曲线的直线段交于点交于点B(a) 在在e-lg压缩试验曲线上，压缩试验曲线上，找曲率最大点找曲率最大点 m(lg) e eABCDmrmin1 12 23 3 p p应力历史对压缩性的影响应力历史对压缩性的影响一、沉积土（层）的应力历史一、沉积土（层）的应力历史195 土的压缩性应力历史对粘土的压缩性具有较大的影响，而应力历史对粘土的压缩性具有较大的影响，而钻

16、探取样获得土样经过扰动或应力释放，在实验钻探取样获得土样经过扰动或应力释放，在实验室内得到的压缩曲线已经不能代表地基中现场压室内得到的压缩曲线已经不能代表地基中现场压缩曲线，所以压缩曲线的起始段实际上是一条缩曲线，所以压缩曲线的起始段实际上是一条再再压缩曲线压缩曲线。因此必须对室内固结试验所得的压缩。因此必须对室内固结试验所得的压缩曲线进行修正，得到符合原位土体压缩性的现场曲线进行修正，得到符合原位土体压缩性的现场压缩曲线，由此计算得到的地基沉降才会更符合压缩曲线，由此计算得到的地基沉降才会更符合实际。实际。应力历史对压缩性的影响应力历史对压缩性的影响二、初始二、初始( (原始原始) )压缩曲

17、线压缩曲线205 土的压缩性原始压缩曲线原始压缩曲线是指室内压缩试验是指室内压缩试验e eloglogp p曲线经修正后曲线经修正后得出的符合原始土体孔隙比与有效应力的关系曲线。得出的符合原始土体孔隙比与有效应力的关系曲线。试样的前期固结应力一旦确定，就可通过它与试样现试样的前期固结应力一旦确定，就可通过它与试样现有固结应力有固结应力p pl l的比较，来判定它是正常固结的、超固的比较，来判定它是正常固结的、超固结的、还是欠固结的。然后，再依据室内压缩曲线的结的、还是欠固结的。然后，再依据室内压缩曲线的特征，来推求原始压缩曲线。特征，来推求原始压缩曲线。二、初始二、初始( (原始原始) )压缩

18、曲线压缩曲线应力历史对压缩性的影响应力历史对压缩性的影响215 土的压缩性 一般可假定取样过程中试样一般可假定取样过程中试样不发生体积变化，即试样的初始不发生体积变化，即试样的初始孔隙比孔隙比e0就是它的原位孔隙比就是它的原位孔隙比 ； 由由e0 和和 pc值，在值，在elogp坐标坐标上定出上定出b点，此即试样在原始压点，此即试样在原始压缩的起点；缩的起点； 从纵轴坐标从纵轴坐标0.42 e0 处作一水处作一水平线交室内压缩曲线于平线交室内压缩曲线于c点点,连接连接bc即为所求的原始压缩曲线。即为所求的原始压缩曲线。应力历史对压缩性的影响应力历史对压缩性的影响二、初始二、初始( (原始原始)

19、 )压缩曲线压缩曲线若若pc=p1，则试样是，则试样是正常固结土正常固结土，它的原始压缩曲线推求它的原始压缩曲线推求:225 土的压缩性超固结土原始压缩曲线推求超固结土原始压缩曲线推求: (1) 先作先作b1点，其横、纵坐标分别为试点，其横、纵坐标分别为试样的现场自重压力样的现场自重压力p1 和现场孔隙比和现场孔隙比 e0； (2) 过过b1点作一直线，其斜率等于室内点作一直线，其斜率等于室内回弹曲线与再压缩曲线的平均斜率，该回弹曲线与再压缩曲线的平均斜率，该直直线与线与通过通过B点垂线点垂线(其横坐标相应于先期固其横坐标相应于先期固结压力值结压力值)交于交于b 点点, b1 b就作为原始再压

20、缩就作为原始再压缩曲线。其斜率为回弹指数曲线。其斜率为回弹指数Ce； (3) 作作c点，由室内压缩曲线上孔隙比点，由室内压缩曲线上孔隙比等等0.42 e0处确定；处确定； (4) 连接连接bc直线，即得原始压缩曲线的直线，即得原始压缩曲线的直线段，取其斜率作为压缩指标直线段，取其斜率作为压缩指标Cc。 若若pc p1 ，则试样是，则试样是超固结土超固结土。由于超固结土前期固结压力。由于超固结土前期固结压力pc减至现减至现有有效应力有有效应力p1期间期间曾曾在原位经历了回弹。因此，当超固结土后来由受到在原位经历了回弹。因此，当超固结土后来由受到外荷引起的附加应力外荷引起的附加应力 p时，它开始将

21、沿着时，它开始将沿着原始再压缩曲线原始再压缩曲线压缩。如果压缩。如果 p较大，超过较大，超过(pc p1 )，它才会沿，它才会沿原始压缩曲线原始压缩曲线压缩。压缩。应力历史对压缩性的影响应力历史对压缩性的影响二、初始二、初始( (原始原始) )压缩曲线压缩曲线235 土的压缩性若若pc p1，则试样是，则试样是欠固结土欠固结土，由于自重作用，由于自重作用下的压缩尚未稳定，实质上属于正常固结土一类，下的压缩尚未稳定，实质上属于正常固结土一类，它的现场压缩曲线的推求方法完全与正常固结土它的现场压缩曲线的推求方法完全与正常固结土一样。一样。应力历史对压缩性的影响应力历史对压缩性的影响二、初始二、初始

22、( (原始原始) )压缩曲线压缩曲线245 土的压缩性25固结实验及压缩性指标应力历史对压缩性的影响土的变形模量土的弹性模量5 土的压缩性浅层平板载荷试验浅层平板载荷试验变形模量变形模量土体在无侧限条件下，竖向应力与竖向应土体在无侧限条件下，竖向应力与竖向应变的比值。变的比值。试验设备试验设备 加荷稳定装置加荷稳定装置 反力装置反力装置 观测装置观测装置土的变形模量土的变形模量一、浅层平板载荷试验及变形模量一、浅层平板载荷试验及变形模量265 土的压缩性变形模量变形模量E E0 0计算计算（4-9）沉降影响系数，对刚性承压板应取沉降影响系数，对刚性承压板应取r r=0.886=0.886（方形压板）或（方形压板）或 0.7850.785（圆形压板）（圆形压板） b b承压板的边长或直径（承压板的边长或直径（m m）p p1 1 所取定的比例界限荷载（所取定的比例界限荷载（kpakpa）s s1 1 与所取定的比例界限荷载与所取定的比例界限荷载p p1 1相对应的沉降，有时相对应的沉降，有时p-sp-s曲线不出现曲线不出现起始的直线段，可取起始的直线段，可取s s1 1=(0