第5章 土的压缩性

第五章土的压缩性土木与建筑工程学院1自重应力压缩稳定附加应力导致地基土体变形体积变形形状变形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。讨论重点由正应力引起，会使土的体积缩小压密，不会导致土体破坏2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：（1）土固体颗粒自身变形；（2）孔隙水的压缩变形；（3）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100～600kPa，颗粒的体积变化不及全部土体积变化的1/400，可不予考虑；水的压缩变形也很小，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。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。3土的压缩性包含了两方面的内容：（1）最终压缩变形量---引起建筑物的最终沉降量或变形量（2）压缩变形随时间而变化的过程---土的固结对于粘性土，其透水性很差，在荷载作用下，土中水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比砂土和碎土长得多，有时需十几年或几十年才能完成。对于透水性较大的砂土和碎石土，在荷载作用下，孔隙中的水很快排出了。因此，其固结过程在很短的时间内就可结束。45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适用条件：大面积均布荷载，或

土层不太厚。试验仪器：压缩仪（固结仪）。试验过程：如图示。试验结果：ｅ～ｐ曲线。01002003004000.60.70.80.91.0e固结实验及压缩性指标一、固结试验6压缩曲线是室内压缩实验的成果，它是土的孔隙比e与所受压力P的关系曲线。（5-1）a（5-1）b（5-1）c式中:e0=ds（1+ω0)(ρw/ρ0)-1∵压缩前后Vs、A均不变∴有：固结实验及压缩性指标一、固结试验7压缩系数是表征土压缩性大小的主要指标固结实验及压缩性指标二、土的压缩系数和压缩指数02004000.60.81.0ededpP1、压缩系数压缩系数：曲线上任一点的切线斜率。可表示为：式中负号表示随着压力p的增加，e逐渐减少。压缩性不同的土，其压缩曲线的形状是不一样的。曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高。8固结实验及压缩性指标二、土的压缩系数和压缩指数1、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p1增加到外荷作用下的土中应力p2

(自重应力与附加应力之和)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，则：式中：a—土的压缩系数，MPa-1；

p1—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，MPa；

e1—相应于p1作用下压缩稳定后的孔隙比；

e2—相应于p2作用下压缩稳定后的孔隙比。9固结实验及压缩性指标二、土的压缩系数和压缩指数1、压缩系数为了便于应用和比较，通常采用压力由p1＝100kPa增加到p2＝200kPa时所得的压缩系数a1-2来评定土的压缩性：

a1-2<0.1MPa-1时，低压缩性土0.1≤a1-2<0.5MPa-1时，中压缩性土

a1-2≥0.5MPa-1时，高压缩性土10粘性土的Cc值一般在0.1—1.0之间固结实验及压缩性指标二、土的压缩系数和压缩指数2、压缩指数11（5-7）固结实验及压缩性指标三、土的压缩模量和体积压缩指数1、土的压缩模量压缩模量(侧限压缩模量）：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（MPa)。即：12定义：土体在侧限条件下体积应变与竖向压应力增量的比值。即：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。固结实验及压缩性指标三、土的压缩模量和体积压缩指数2、体积压缩系数（mv）13土的压缩变形由弹性变形和残余变形两部分组成，其中以残余变形为主。回弹指数ce回弹模量EeCe<<Cc，一般Ce≈0.1-0.2Cc固结实验及压缩性指标四、回弹曲线和再压缩曲线1415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先期固结压力：历史上所经受到的最大压力

p（指有效应力）

s=z：自重压力

p=s：正常固结土

p>s：超固结土

p<s：欠固结土OCR=1：正常固结OCR>1：超固结OCR<1：欠固结相同σs时，一般OCR越大，土越密实，压缩性越小超固结比：应力历史对压缩性的影响一、沉积土（层）的应力历史16在a、b、c三个土层现有地面以下同一深度z处，土的现有应力相同，但是由于它们经历的应力历史不同，因而在压缩曲线上处于不同的位置：（1）正常固结土：它在沉积过程中巳从e0开始在自重应力作用下沿现场压缩曲线至a点固结稳定。（2）超固结土：它曾在自重应力力作用下沿现场压缩曲线至b点，后因上部土层冲蚀，现巳回弹稳定在b’点（3）欠固结土：由于在自重应力作用下还未完全固结．日前它处于现场压缩曲线上的c点。应力历史对压缩性的影响一、沉积土（层）的应力历史17若对三种土再施加相同的固结应力

p，那么：（1）正常固结和欠固结土：将分别由a和c点沿现场压缩曲线至d点固结稳定，（2）超固结土：则由b’点沿观场再压缩曲线至d点固结稳定。显然，三者的压缩量是不同的，其中欠固结土最大，超固结土最小，而正常固结土则介于两者之间。应力历史对压缩性的影响一、沉积土（层）的应力历史18先期固结压力σp的确定：

Casagrande法（1936）(f)B点对应于先期固结压力

p(b)作水平线m1(c)作m点切线m2(d)作m1,m2的角分线m3(e)m3与试验曲线的直线段交于点B(a)在e-lgσ’压缩试验曲线上，找曲率最大点meABCDmrmin123

p应力历史对压缩性的影响一、沉积土（层）的应力历史19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压缩曲线，由此计算得到的地基沉降才会更符合实际。应力历史对压缩性的影响二、初始(原始)压缩曲线20原始压缩曲线是指室内压缩试验e~logp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。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pl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特征，来推求原始压缩曲线。二、初始(原始)压缩曲线应力历史对压缩性的影响21一般可假定取样过程中试样不发生体积变化，即试样的初始孔隙比e0就是它的原位孔隙比；由e0

和pc值，在e~logp坐标上定出b点，此即试样在原始压缩的起点；从纵轴坐标0.42e0

处作一水平线交室内压缩曲线于c点,连接bc即为所求的原始压缩曲线。应力历史对压缩性的影响二、初始(原始)压缩曲线若pc=p1，则试样是正常固结土，它的原始压缩曲线推求:22超固结土原始压缩曲线推求:(1)先作b1点，其横、纵坐标分别为试样的现场自重压力p1

和现场孔隙比e0；

(2)过b1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，该直线与通过B点垂线(其横坐标相应于先期固结压力值)交于b

点,b1

b就作为原始再压缩曲线。其斜率为回弹指数Ce；

(3)作c点，由室内压缩曲线上孔隙比等0.42e0处确定；

(4)连接bc直线，即得原始压缩曲线的直线段，取其斜率作为压缩指标Cc。

若pc＞p1

，则试样是超固结土。由于超固结土前期固结压力pc减至现有有效应力p1期间曾在原位经历了回弹。因此，当超固结土后来由受到外荷引起的附加应力

p时，它开始将沿着原始再压缩曲线压缩。如果

p较大，超过(pc－p1)，它才会沿原始压缩曲线压缩。应力历史对压缩性的影响二、初始(原始)压缩曲线23若pc＜p1，则试样是欠固结土，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，它的现场压缩曲线的推求方法完全与正常固结土一样。应力历史对压缩性的影响二、初始(原始)压缩曲线2425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浅层平板载荷试验变形模量—土体在无侧限条件下，竖向应力与竖向应变的比值。试验设备加荷稳定装置反力装置观测装置土的变形模量一、浅层平板载荷试验及变形模量26变形模量E0计算（4-9）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)土的变形模量一、浅层平板载荷试验及变形模量27土的变形模量一、浅层平板载荷试验及变形模量28变形模量（E0）与压缩模量（Es）的关系如果假定土体的应力应变符合线性关系（弹性体），根据广义虎克定律可以证明E0与Es之间有以下关系：μ可由土力学试验中的三轴试验测定μ一般＜0.5