土的工程特性分析-土的压缩性(地基基础施工课件)

土的压缩性（固结实验）一、基本概念土的压缩性(compressibility)：是指土在压力作用下体积缩小的特性。固体土颗粒被压缩；土中水及封闭气体被压缩；水和气从孔隙中被挤出；土的固结(consolidation)：土体在外力作用下，压缩随时间增长的全过程，称为土的固结。研究土的压缩性的方法压缩试验：研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法称为压缩试验，室内试验简单方便，费用较低；

室内压缩试验：单向压缩试验三轴压缩试验：真三轴常规三轴

原位试验：载荷试验

e-logp曲线二、压缩试验和压缩性指标（一）压缩试验和压缩曲线1、侧限压缩试验2、变形表达式（孔隙比计算）假定：受压前后土粒体积不变、土样横截面面积不变。压缩前压缩后3、绘制压缩曲线e-p曲线(二)压缩系数和压缩指数

e-p曲线愈陡,说明土的压缩性愈高。所以，曲线上任意一点的切线斜率a就表示了相应于压力作用下土的压缩性：设压力由P1增至P2，相应的孔隙比由e1减小到e2，此时，土的压缩性可用割线M1M2的斜率表示：压缩系数：式中：a:土的压缩系数，p1：一般指土中自重应力；p2：自重应力加附加应力；e1：相应于p1下压缩稳定后的孔隙比；e2：相应于p2下压缩稳定后的孔隙比。压缩性评价：为了便于应用和比较，通常采用压力间隔由增加到所得的压缩系数来评定土的压缩性：a1-2<0.1Mpa-1

属低压缩性土。0.1≤a1-2<0.5Mpa-1属中压缩性土。a1-2≥0.5Mpa-1

属高压缩性土。

压缩指数：曲线的后半段接近直线，其斜率称为压缩指数：越大，土的压缩性越高；低压缩性土；高压缩性土。（三）压缩模量

压缩前压缩后所以：（三）试验操作

试验原理：土的压缩就是土在压力作用下体积逐渐缩小的过程，压缩试验是将土样放在金属容器内，在有侧限的条件下施加压力，观察在不同压力下的压缩就变形量，以测定土的压缩系数，压缩模量等有关压缩指标，了解土的压缩特性，作为设计计算依据。

一般压缩固结仪有杠杆式、磅秤式、气压式三种。杠杆式压缩仪是用砝码通过杠杆加压，压力仅为0.4～0.6MPa，基本上能满足一般工程要求，且数台仪器可装在一个试验台架上,占地面积小，便于管理，目前被广泛采用。磅秤式压缩仪是通过带有加压框架的磅秤施加压力,仪器压力可达5Mpa，适用于较大工程，可以用来测定压缩指数和前期固结压力、固结系数等指标。气压式压缩仪是通过空气压缩机来施加压力的，加压范围大，适用于各类工程。压缩固结试验中，后一级压力的施加均是在前一级荷载下压缩达到稳定后施加的，但所谓稳定是相对的，按照稳定标准的不同，通常将固结试验分为两类。

（1）稳定压缩：每级压力下持续24h为压缩稳定标准；测记试样高度变化后，即可施加下级压力。这是各类规范的常规标准。对某些渗透系数大于10-5cm/s的粘性土，以1h内试样变形量不大于0.005mm作为相对稳定标准，结果能够满足工程要求。（2）快速压缩：在各级压力下，压缩时间规定为1h，仅在最后一级压力下，除测记1h变形量外，还需测读达到稳定标准(24h)时的变形量。在整理资料时，根据最后一级变形量，校正前几级压力下的变形量。当试验要求精度不高时，可采用快速压缩法。主要设备：固结仪，如下图所示：其他：环刀（面积50cm2、高2cm）、天平、测微表、秒表、烘箱、修土刀、称量盒、滤纸等。实验内容：1、确定土样实验前的密度。2、确定土样实验前的含水率。3、对土样进行加压实验。操作步骤1．首先检查压缩容器及设备是否齐全，然后将大护环、大透水石下护环按顺序放好，将滤纸放上，把切好的土样连同环刀放入压缩盒内（环刀刃口朝下）在套上小护环放滤纸及透水石加压缩盒盖。2．检查仪器是否灵敏，后将装好土样的压缩盒放入仪器内，调整杠杆水平，装上百分表。3．施加予压，以保证试样与仪器上下之间各个部位接触良好（施加1kPa的预压或手指轻点击），然后调整百分表至零位。4．加压。一般按照0.05、0.1、0.2、0.3、0.4MPa顺序加压，每级按15min读数一次（此为按学时数灵活掌握），在每次加压后应立即调整杠杆之水平。5．当实验结束以后，先退去荷载，后拆除百分表，再取出土样，并将仪器擦净。计算公式计算试样的初始孔隙比e0

式中：ρw——水的密度，g/cm3GS——土的比重；

ρ0——试样的初始密度，g/cm3W0——试样初始含水量。

各级荷载下的孔隙比ei

式中：h0试样的高度为20mm。压缩系数av:

压缩模量Es

注意事项1．切削试样时，应十分耐心操作，尽量避免破坏土的结构，边削边压环刀，不允许直接将环刀压入土中。2．在削去环刀两端余土时不允许用刀来回涂抹土面，避免孔隙被堵塞。

3．不要振碰压缩台及周围地面，加荷或卸荷时均应轻放或轻取砝码，以避免冲击力。平板载荷试验载荷试验（P1ateLoadTest，简称PLT）：是在现场通过一定面积的刚性承压板向地基逐级施加荷载，测定天然地基、单桩或复合地基的沉降随荷载的变化，借以确定地基土的承载能力和变形特征的现场试验。载荷试验

平板载荷试验PlateLoadingTestoa段：载荷试验的适用条件浅层平板载荷试验适用于地表浅层地基土（包括各种填土和碎石土）深层平板载荷试验适用于埋深等于或大于3.0m和地下水位以上的地基土螺旋板载荷试验适用于深层地基或地下水位以下的土层载荷试验的优点对地基土不产生扰动，确定地基承载力最可靠、最具代表性，可直接用于工程设计，还可用于预估建筑物的沉降量，对大型工程、重要建筑物，载荷试验一般不可少，是世界各国用以确定地基承载力的最主要方法，也是比较其它原位测试成果的基础。

载荷试验

浅层平板静力载荷试验的基本原理

载荷试验

平板载荷试验糯扎渡现场碾压平板载荷试验现场载荷试验按地基载荷试验确定地基的承载力特值

载荷试验

（1）直线变形阶段

p-s呈线性关系

p0——比例界限压力

（2）剪切（塑性）变形阶段

p-s关系为曲线，斜率逐渐变大

pu——极限压力

（3）破坏阶段

当荷载大于极限压力pu，即使荷载维持不变，沉降也会持续发展或急剧增大，始终达不到稳定标准。

载荷试验

典型的平板载荷试验p-s曲线浅层平板静力载荷试验的仪器设备

载荷试验

承压板承压板是模拟建筑物的基础，将施加的荷载通过承压板传递给地基土，其刚度和尺寸应与建筑物基础接近。承压板的刚度要求容易达到，可采用加肋的厚钢板、铸铁板、混凝土板或钢筋混凝土板，常用的是加肋钢板。无论选用什么样材质的承压板，都要求承压板具有足够的刚度、板底平整光滑、板的尺寸中心和传力重心一致、搬运和安装方便，在使用过程中不易变形。承压板的形状有圆形和方形的两种，也有根据试验的具体要求采用矩形承压板。

承压板的尺寸要与实际基础接近则难于达到，因为承压板的面积太大，对设备的质量要求也越高；而承压板面积过小，则影响地基土的沉降量和极限荷载值。一般来说，地基土的极限荷载会因承压板的宽度或直径b过小而降低（s增大），但b值过大极限荷载增加也不明显，因此，在确定承压板尺寸时，既不能过小，也不必太大。由于承压板的尺寸大小对评定地基土承载力有一定的影响。为统一试验条件，使试验结果具有可比性。我国的大部分勘察规范规定承压板面积以0.25-0.50㎡为主，另外还有0.1和1.0㎡。

载荷试验

选择承压板尺寸时，可根据地基土质情况，强度低、变形大的土层宜采用大尺寸的承压板；强度高、变形小的土层则采用小尺寸的承压板。一般情况下，可参照下面的经验值选取：（1）对于软土、新近沉积土和人工填土，或用载荷试验确定黄土湿陷性时，承压板尺寸不应小于0.50㎡；（2）对于一般粘性土地基，常用0.25-0.5㎡的承压板；（3）对于碎石类土，承压板直径（或宽度）应为最大碎石直径的10～20倍；（4）对于岩石类土或均质密实土，如老粘土或密实砂土，以0.10㎡为宜.

载荷试验

加荷系统

加荷系统是指通过承压板对地基土施加额定荷载的装置。常见有四种类型：重物加荷装置油压千斤顶加荷装置重物、机械、液压放大加荷装置电控稳压式加荷装置载荷试验

反力系统

除重物加荷装置外，其它加荷装置均需反力系统配套。载荷试验的反力可由重物、地锚或地锚与重物联合提供。然后再与梁架组合成稳定的反力系统。当在岩体内（如探坑或探槽）进行载荷试验时，可以利用围岩提供所需要的反力。锚固式反力系统中，地锚个数应确保有足够的抗拔力，以免试验中间被拔起。反力梁亦应有足够的刚度。坚硬岩土体内载荷试验反力系统示意图（撑壁式和平洞式）常见的载荷试验反力与加载布置方式1—承压板；2—千斤顶；3—木跥；4—钢梁；5—钢锭；6—百分表；7—地锚；8—桁架；9—立柱；10—分力帽；11—拉杆；12—载荷台；13—混凝土；14—测点（a～d为千斤顶加载方式，e和f为重物加载方式）现场载荷试验

量测系统

测量地基土沉降和承压板周围地面变形的量测系统由观测支架和测量仪表两部分组成。观测支架用来固定量测仪表，由支撑柱、基准梁及其它附件等组成；测量仪表有百分表、位移计、位移传感器等。

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试坑的尺寸及要求试坑宽度或直径不应小于承压板宽度或直径的3倍。试坑底部的岩土应避免扰动，保持其原状结构和天然含水量，在承压板下铺设不超过20mm的砂垫层找平，并尽快安装设备。承压板的尺寸载荷试验宜采用圆形刚性承压板，根据土的软硬或岩体裂隙密度选用合适的尺寸。对于强夯处理后的场地的地基强度测定，有时要求承压板的面积应大于1.0m×1.0m。岩石载荷试验承压板的面积不宜小于0.07㎡。

载荷试验

浅层平板静力载荷试验的试验技术要求

位移量测系统的安装

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基准梁的支撑柱或其他类型的支点应离承压板和地锚一定的距离，以避免再试验过程中地表变形对基准梁的影响。支撑柱与承压板中心的距离应大于1.5d（d为边长或直径），与地锚的距离应不小于0.8m。基准梁架设在支撑柱上时，不应两端固定，以避免由于基准梁杆热胀冷缩引起沉降观测的误差。沉降测量元件应对称地布置在承压板上，百分表或位移传感器的测头应垂直于承压板设置。

加载方式一般采用分级维持荷载沉降相对稳定法（通常称为慢速法）；有地区经验时，也可采用分级加荷沉降非稳定法（通常称为快速法）或等沉降速率法。

加荷等级宜取10～12级，并不应小于8级。最大加载量不应小于地基土承载力设计值的2倍，荷载的量测精度应控制在最大加载量的±1％以内。

第一级荷载（包括设备自重）宜接近挖除土柱的自重，其相应沉降不计。对软土地基每级荷载增量10-25kPa；对一般粘性土和中密砂土地基25-50kPa；对坚硬粘性土、密实砂土和碎石土50-100kPa。加载方式及加荷等级

慢速法：对于土体，每级荷载施加后，间隔5min、5min、10min、10min、15min、15min测读一次沉降，以后间隔30min测读一次沉降，当连续2h、且每小时沉降量不大于0.1mm时，可认为沉降已达到相对稳定标准，施加下一级荷载；对于岩体，间隔lmin、2min、2min、5min测读一次沉降，以后每隔10min测读一次，当连续三次读数之差小于或等于0.01mm时，认为沉降已达到相对稳定标准，可施加下一级荷载。快速法：每加一级荷载按间隔15min观测一次沉降。每级荷载维持2h，即可施加下一级荷载。最后一级荷载可观测至沉降达到上述沉降相对稳定标准或仍维持2h。

等沉降速率法：控制承压板以一定的沉降速率沉降，测读与沉降相应的所施加的荷载，直至试验达到破坏阶段。沉降观测和稳定标准

载荷试验一般应尽可能加荷到试验土层破坏，然后终止试验。当出现下列情况之一时，认为地基已达到破坏阶段，可终止试验：（1）承压板周边的土体出现明显侧向挤出，周边岩土出现明显隆起或径向裂缝持续发展；（2）本级荷载的沉降量急剧增大（大于前级荷载沉降量的5倍），p-s曲线出现陡降段；（3）在某级荷载下24h沉降速率不能达到相对稳定标准；（4）总沉降量与承压板直径（或宽度）之比超过0.06。试验终止条件

原始资料整理载荷试验原始资料包括沉降观测、荷载等级和其他与载荷试验相关的信息，如承压板形状、尺寸、载荷点的试验深度、试验深度处的土性特征，以及沉降观测百分表或传感器在承压板上的位置等（一般以图示的方式标注在记录表上）。在试验过程中，应对原始记录数据及时检查，试验结束后再进行全面检查整理