第五章土的压缩性

第五章

土的压缩性荷载作用下土体的压缩性;土的压缩试验和固结试验;土的压缩性指标及获得方法;

应力历史对压缩性的影响。主要内容:重点：土的压缩性和压缩性指标的确定;几个经典试验过程及试验数据的整理。§5.1概述§5.2固结试验及压缩性指标

§5.3应力历史对压缩性的影响§5.4土的变形模量§5.5土的弹性模量§5.1概述土具有压缩性荷载作用地基发生沉降荷载大小土的压缩特性地基厚度一致沉降（沉降量）差异沉降（沉降差）建筑物上部结构产生附加应力影响结构物的安全和正常使用土的特点（碎散、三相）沉降具有时间效应－沉降速率1、土的压缩性-土体在压力的作用下体积缩小的特性。地基土产生压缩的原因外因：1.建筑物荷载作用，这是普遍存在的因素；2.地下水位大幅度下降，相当于施加大面积荷载；3.施工影响，基槽持力层土的结构扰动；4.振动影响，产生震沉；5.温度变化影响，如冬季冰冻，春季融化；6.浸水下沉，如黄土湿陷，填土下沉。内因：1.固相矿物本身压缩，极小，物理学上有意义，对建筑工程来说没有意义的；2.土中液相水的压缩，在一般建筑工程荷载

（100-600）Kpa作用下，很小，可不计；3.土中孔隙的压缩，土中水与气体受压后从孔隙中挤出，使土的孔隙减小。2产生压缩的原因3压缩量的组成及固结土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性压缩量的组成固体颗粒的压缩土中水的压缩土中空气的压缩（封闭气体少）空气的排（挤）出水的排（挤）出占总压缩量的1/400不到，忽略不计压缩量主要组成部分。说明：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果。无粘性土粘性土透水性好，水易于排出压缩稳定很快完成透水性差，水不易排出压缩稳定需要很长一段时间土的固结：土体在压力作用下，压缩量随时间增长的过程，也称为土的压密。对研究粘性土是有意义的，无粘性土意义不大。（1）固结试验（压缩试验）：定义：研究土的压缩性大小及其特征（不考虑时间）的室内试验方法

4.1、室内试验

4试验方法简介特点：土处于侧限应力状态，又称Ko固结，（Ko为土的静止侧压力系数）；操作简单、实用。

测定压缩性指标：压缩系数α、压缩模量Es等压缩性指标。

（2）三轴压缩试验或无侧限抗压试验

测定压缩性指标：弹性模量E、抗剪强度指标。（1）现场（静）载荷试验（深层平板载荷试验、旁压试验）4.2、原位测试（室外试验）

4试验方法简介特点：一般浅层平板载荷试验可以模拟在半空间地基表面上作用着局部的均布荷载。设备笨重、操作繁杂、时间较长、费用较大。（2）其它试验方法标准贯入试验、圆锥动力触探试验、静力触探试验等。测定压缩性指标：测定地基承载力、土的变形模量Eo、利用沉降与压力的关系，反算土的变形模量。土的压缩性——土体在压力的作用下体积缩小的特性室外试验室内试验压缩性测试侧限压缩三轴压缩荷载试验旁压试验其它试验试验的直接成果—压缩曲线，是土的孔隙比与所受压力的关系曲线。试验数据的整理结果—得到土的压缩性指标。1、固结试验和压缩曲线研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法，亦称固结试验（又称压缩试验）§5.2固结试验及压缩性指标试验仪器—固结仪室内试验测定土的压缩性指标，常用不允许土样产生侧向变形，即侧限条件的固结试验，非饱和土只用于压缩，亦称压缩试验。土的固结试验可以测定土的压缩系数a、压缩模量Es等压缩性指标。室内土样在侧限条件下完成的固结常称为K0固结，天然土层在自重应力下或在大面积荷载作用下所完成的固结均为K0固结。固结试验的成果是压缩曲线，即土的孔隙比与所受压力的关系曲线。三联固结仪1.1室内试验设备及试验过程介绍固结仪刚性护环加压活塞透水石环刀底座透水石土样荷载注意：土样在竖直压力作用下，由于环刀和刚性护环的限制，只产生竖向压缩，不产生侧向变形固结仪示意图用环刀切取扁圆柱体，一般高2厘米，试样连同环刀一起装入护环内，上下有透水石以便试样在压力作用下排水。在进水石顶部放一加压上盖，所加压力通过加压支架作用在上盖，同时安装一只百分表用来量测试样的压缩。由于试样不可能产生侧向变形而只有竖向压缩。于是，我们把这种条件下的压缩试验称为单向压缩试验或侧限压缩试验。研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律Vv＝e0Vs＝1H0/(1+e0)H0Vv＝eVs＝1Hi/(1+e)pHiΔHip1.2试验结果（孔隙比）的推导、分析土样在压缩前后变形量为ΔHi，整个过程中土粒体积和面积不变H0-Hi＝ΔHi或土粒的体积和横截面不变压缩曲线压缩曲线可按两种方式绘制：2试验结果整理—压缩曲线根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制e-p曲线，为压缩曲线p1p2p3e1e2e3ep2.1、e-p曲线e0eppe根据e-p曲线可以确定土压缩系数、压缩模量等压缩性指标。压缩性不同的土曲线形状不同曲线愈陡，土的压缩性愈高曲线A曲线B曲线A压缩性＞曲线B压缩性e0eppe根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标压缩系数压缩模量Es

体积压缩系数mv曲线A曲线B根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制e-lgp半对数曲线，为e-lgp压缩曲线p1p2p3e1e2e3elgpCc2.2、e-lgp曲线根据压缩曲线可以得到压缩指数Cc等压缩性指标3.1压缩系数a压缩系数：用“单位压力增量所引起的孔隙比的改变”表示。即：负号表示随着压力p的增长，孔隙比e逐渐减小。实用上，通常用割线M1M2的斜率表示，则：3土的压缩系数和压缩指数土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应力增量的比值1-2＜0.1MPa-1低压缩性土0.1MPa-1≤

1-2＜0.5MPa-1中压缩性土《规范》用p1＝100kPa、p2＝200kPa对应的压缩系数

1-2评价土的压缩性

1-2≥0.5MPa-1高压缩性土越大土的压缩性越大注意：压缩曲线不是直线，即使是同一种土，其压缩系数也不是常量。粘性土的Cc值一般在0.1—1.0之间3.2土的压缩指数Cc压缩指数：土体在侧限条件下孔隙比减小量与竖向有效压应力常用对数值增量的比值。CC＜0.2

低压缩性土0.2≤Cc＜0.4

中压缩性土

Cc≥0.4

高压缩性土Cc越大土的压缩性越大4.1压缩模量Es压缩模量Es：土体侧限条件下竖向附加应力与竖向应变的比值(Mpa)，也称侧限模量。其大小反映了土体在单向压缩条件下对压缩变形的抵抗能力。4土的压缩模量和体积压缩系数

Es表示土抵抗变形能力的力学性指标（5-7）

Es与a成反比

Es愈大，a愈小，土的压缩性愈低压缩模量公式推导压缩模量Es

：为土体在无侧向变形条件下，竖向应力

与竖向应变之比。

孔隙

土粒

e1体积

1

1+e1e21+e24.2体积压缩系数体积压缩系数：土体在侧限条件下体积应变与竖向与竖向应力增量的比，即单位应力增量作用下土体单位体积的变化。初始孔隙比或mv愈大，土的压缩性愈高物理意义：在单位压力增量作用下，土体单位体积的体积变化。体积压缩系数mV：土体在单位应力作用下单位体积

的体积变化。

体积压缩系数公式推导孔隙

土粒

e1体积

1

1+e1e21+e25土的回弹再压缩曲线土体的变形是由可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形(残余变形）组成。并且以后者为主。土的变形以残余变形为主基底面积和埋深较大的基坑开挖后受到较大的减压，造成坑底反弹，在预估这类基础沉降时，应当考虑基坑地基土的回弹。利用e-p曲线确定回弹模量，其定义为：土体在侧限条件下卸荷或再加荷时竖向附加应力与竖向应变之比值（Mpa）。利用压缩、回弹、再压缩的e-lgp曲线，可以分析应力历史对土的压缩性的影响。§5.3应力历史对压缩性的影响一、先期固结压力先期固结压力：天然土层历史上所经受过最大固结压力，（指土体在固结过程中所有的最大竖向有效应力），根据应力历史将土分为三类正常固结土（在历史上所经受的先期固结压力等于现有覆盖土重）、超固结土（历史上曾经受过大于现有覆盖土重的先期固结压力）、欠固结土（先期固结压力小于现有的覆盖土重）。OCR=1：正常固结OCR>1：超固结OCR<1：欠固结超固结比（先期固结压力与现在覆盖土重之比）：OCR越大表示超固结作用越大，1.0~1.2时，视为正常。overconsolidatedratio---OCR应力历史对粘性土压缩性的影响OCR=1：正常固结。A类土，由于经历了漫长的地质年代，在土的自重的作用下已经达到了固结稳定状态，其先期固结压力等于现有的覆盖土的自重应力。OCR>1：超固结。B类土，历史上在土的自重的作用下已经达到了固结稳定状态，后来由于流水或冰川等剥蚀作用而形成现在的地表，其先期固结压力大于现有的覆盖土的自重应力。OCR＜1：超固结。B类土，历史上在土的自重的作用下还没有达到固结稳定状态，在自重应力作用下，仍然继续固结沉降，其先期固结压力小于现有的覆盖土的自重应力。eBCDArmin123先期固结压力pc的确定：Casagrande法(f)B点对应于先期固结压力pc(b)作水平线A1(c)作A点切线A2(d)作A1,A2的角分线A3(e)A3与试验曲线的直线段的延长线交于点B(a)在e-lgp压缩试验曲线上，找曲率最大点ApclgP进行高压固结试验，试验成果用e-lgp曲线表示。E卡萨格兰德法局限性1、对土质量要求很高2、绘制e-lgp曲线时要选用适当的比例尺3、找到突变点A点难度比较大4、得出的结果不一定可靠。因此:需要结合场地地形、地貌等形成历史的调查资料加以判断。二、原位压缩曲线及原位再压缩曲线地下水位上升土层剥蚀冰川融化引起卸载，使土处于回弹状态正常固结土：超固结土：欠固结土：现场原始压缩曲线是指现场土在其沉积过程中由上覆土重原本存在的压缩曲线。用原始压缩曲线确定土的压缩指标比较符合实际情况。2.由原始压缩曲线确定土的压缩性指标

e压缩曲线再压缩曲线回弹曲线由于应力历史对粘土的压缩性具有较大的影响，而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缩曲线，所以压缩曲线的起始段实际上是一条再压缩曲线。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原始压缩曲线，由此计算得到的地基沉降才会更符合实际。利用e~lgp曲线可以推出现场压缩曲线，从而进行更为准确的沉降计算现场曲线可以很直观地反应出先期固结应力，从而清晰地考虑地基的应力历史对沉降的影响现场压缩曲线是由直线或折线组成，通过Cc或Ce两个压缩性指标即可计算，使用方便正常固结土扰动对压缩性的影响原位压缩曲线的近似推求①确定先期固结压力pc=p1②过e0作水平线与pc作用线交于B。由假定①知，B点必然位于原状土的初始压缩曲线上；③以0.42e0在压缩曲线上确定C点，由假定②知，C点也位于原状土的初始压缩曲线上；正常固结土原位压缩曲线的近似推求④通过B、C两点的直线即为所求的位压缩曲线。可以按该段斜率确定压缩指数CclgPb.超固结土b.超固结土①确定p1，pc的作用线；②过e0作水平线与p1作用线交于D点；⑤过B和C点作直线即为原始压缩曲线的直线段。③过D点作斜率为Ce的直线，与pc作用线交于B点，DB为原位再压缩曲线④过0.42e0作水平线与e-lgP曲线交于点C；lgPp1pc浅层平板载荷实验是指现场（静）载荷试验，它是工程地质勘察工作中一项基本的地基土的原位测试。试验前先在现场试坑中竖立载荷架，使施加的荷载通过承压板传到地层中，以便测试浅部地基附加应力影响范围内土的力学性质。承压板应有足够刚度、承压板的底面积不应小于0.25平方米，对软土不应小于0.5平方米（正方形或者圆形），基坑宽度不应小于承压板宽度或者直径的三倍。§

5.4土的变形模量5.4.1浅层平板载荷试验及变形模量现场原位试验原位测试方法适用于：地基土为粉、细砂、软土，取原状土样困难。国家一级工程、规模大或建筑物对沉降有严格要求。原位测试方法包括：载荷试验、静力触探试验、旁压试验等加荷稳定装置反力装置观测装置试验设备反压重物反力梁千斤顶基准梁荷载板百分表

载荷试验示意图变形模量E0计算ω—沉降影响系数，对刚性承压板应取ωr=0.886（方形压板）或0.785（圆形压板）。b—承压板的边长或直径（m）。p1—所取定的比例界限荷载（kpa）s1—与所取定的比例界限荷载p1相对应的沉降，有时p~s曲线不出现起始的直线段，可取s1=(0.010~0.015)b(低压缩性土取低值，高压缩性土取高值)变形模量—土体在无