第五章土的壓縮性

第五章

土的壓縮性荷載作用下土體的壓縮性;土的壓縮試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn);土的壓縮性指標(biāo)及獲得方法;

應(yīng)力歷史對(duì)壓縮性的影響。主要內(nèi)容:重點(diǎn)：土的壓縮性和壓縮性指標(biāo)的確定;幾個(gè)經(jīng)典試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理?！?.1概述§5.2固結(jié)試驗(yàn)及壓縮性指標(biāo)

§5.3應(yīng)力歷史對(duì)壓縮性的影響§5.4土的變形模量§5.5土的彈性模量§5.1概述土具有壓縮性荷載作用地基發(fā)生沉降荷載大小土的壓縮特性地基厚度一致沉降（沉降量）差異沉降（沉降差）建筑物上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力影響結(jié)構(gòu)物的安全和正常使用土的特點(diǎn)（碎散、三相）沉降具有時(shí)間效應(yīng)－沉降速率1、土的壓縮性-土體在壓力的作用下體積縮小的特性。地基土產(chǎn)生壓縮的原因外因：1.建筑物荷載作用，這是普遍存在的因素；2.地下水位大幅度下降，相當(dāng)于施加大面積荷載；3.施工影響，基槽持力層土的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)；4.振動(dòng)影響，產(chǎn)生震沉；5.溫度變化影響，如冬季冰凍，春季融化；6.浸水下沉，如黃土濕陷，填土下沉。內(nèi)因：1.固相礦物本身壓縮，極小，物理學(xué)上有意義，對(duì)建筑工程來(lái)說(shuō)沒(méi)有意義的；2.土中液相水的壓縮，在一般建筑工程荷載

（100-600）Kpa作用下，很小，可不計(jì)；3.土中孔隙的壓縮，土中水與氣體受壓后從孔隙中擠出，使土的孔隙減小。2產(chǎn)生壓縮的原因3壓縮量的組成及固結(jié)土的壓縮性是指土在壓力作用下體積縮小的特性壓縮量的組成固體顆粒的壓縮土中水的壓縮土中空氣的壓縮（封閉氣體少）空氣的排（擠）出水的排（擠）出占總壓縮量的1/400不到，忽略不計(jì)壓縮量主要組成部分。說(shuō)明：土的壓縮被認(rèn)為只是由于孔隙體積減小的結(jié)果。無(wú)粘性土粘性土透水性好，水易于排出壓縮穩(wěn)定很快完成透水性差，水不易排出壓縮穩(wěn)定需要很長(zhǎng)一段時(shí)間土的固結(jié)：土體在壓力作用下，壓縮量隨時(shí)間增長(zhǎng)的過(guò)程，也稱(chēng)為土的壓密。對(duì)研究粘性土是有意義的，無(wú)粘性土意義不大。（1）固結(jié)試驗(yàn)（壓縮試驗(yàn)）：定義：研究土的壓縮性大小及其特征（不考慮時(shí)間）的室內(nèi)試驗(yàn)方法

4.1、室內(nèi)試驗(yàn)

4試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介特點(diǎn)：土處于側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)，又稱(chēng)Ko固結(jié)，（Ko為土的靜止側(cè)壓力系數(shù)）；操作簡(jiǎn)單、實(shí)用。

測(cè)定壓縮性指標(biāo)：壓縮系數(shù)α、壓縮模量Es等壓縮性指標(biāo)。

（2）三軸壓縮試驗(yàn)或無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)

測(cè)定壓縮性指標(biāo)：彈性模量E、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。（1）現(xiàn)場(chǎng)（靜）載荷試驗(yàn)（深層平板載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)）4.2、原位測(cè)試（室外試驗(yàn)）

4試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介特點(diǎn)：一般淺層平板載荷試驗(yàn)可以模擬在半空間地基表面上作用著局部的均布荷載。設(shè)備笨重、操作繁雜、時(shí)間較長(zhǎng)、費(fèi)用較大。（2）其它試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)等。測(cè)定壓縮性指標(biāo)：測(cè)定地基承載力、土的變形模量Eo、利用沉降與壓力的關(guān)系，反算土的變形模量。土的壓縮性——土體在壓力的作用下體積縮小的特性室外試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)壓縮性測(cè)試側(cè)限壓縮三軸壓縮荷載試驗(yàn)旁壓試驗(yàn)其它試驗(yàn)試驗(yàn)的直接成果—壓縮曲線(xiàn)，是土的孔隙比與所受壓力的關(guān)系曲線(xiàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理結(jié)果—得到土的壓縮性指標(biāo)。1、固結(jié)試驗(yàn)和壓縮曲線(xiàn)研究土的壓縮性大小及其特征的室內(nèi)試驗(yàn)方法，亦稱(chēng)固結(jié)試驗(yàn)（又稱(chēng)壓縮試驗(yàn)）§5.2固結(jié)試驗(yàn)及壓縮性指標(biāo)試驗(yàn)儀器—固結(jié)儀室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定土的壓縮性指標(biāo)，常用不允許土樣產(chǎn)生側(cè)向變形，即側(cè)限條件的固結(jié)試驗(yàn)，非飽和土只用于壓縮，亦稱(chēng)壓縮試驗(yàn)。土的固結(jié)試驗(yàn)可以測(cè)定土的壓縮系數(shù)a、壓縮模量Es等壓縮性指標(biāo)。室內(nèi)土樣在側(cè)限條件下完成的固結(jié)常稱(chēng)為K0固結(jié)，天然土層在自重應(yīng)力下或在大面積荷載作用下所完成的固結(jié)均為K0固結(jié)。固結(jié)試驗(yàn)的成果是壓縮曲線(xiàn)，即土的孔隙比與所受壓力的關(guān)系曲線(xiàn)。三聯(lián)固結(jié)儀1.1室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過(guò)程介紹固結(jié)儀剛性護(hù)環(huán)加壓活塞透水石環(huán)刀底座透水石土樣荷載注意：土樣在豎直壓力作用下，由于環(huán)刀和剛性護(hù)環(huán)的限制，只產(chǎn)生豎向壓縮，不產(chǎn)生側(cè)向變形固結(jié)儀示意圖用環(huán)刀切取扁圓柱體，一般高2厘米，試樣連同環(huán)刀一起裝入護(hù)環(huán)內(nèi)，上下有透水石以便試樣在壓力作用下排水。在進(jìn)水石頂部放一加壓上蓋，所加壓力通過(guò)加壓支架作用在上蓋，同時(shí)安裝一只百分表用來(lái)量測(cè)試樣的壓縮。由于試樣不可能產(chǎn)生側(cè)向變形而只有豎向壓縮。于是，我們把這種條件下的壓縮試驗(yàn)稱(chēng)為單向壓縮試驗(yàn)或側(cè)限壓縮試驗(yàn)。研究土在不同壓力作用下，孔隙比變化規(guī)律Vv＝e0Vs＝1H0/(1+e0)H0Vv＝eVs＝1Hi/(1+e)pHiΔHip1.2試驗(yàn)結(jié)果（孔隙比）的推導(dǎo)、分析土樣在壓縮前后變形量為ΔHi，整個(gè)過(guò)程中土粒體積和面積不變H0-Hi＝ΔHi或土粒的體積和橫截面不變壓縮曲線(xiàn)壓縮曲線(xiàn)可按兩種方式繪制：2試驗(yàn)結(jié)果整理—壓縮曲線(xiàn)根據(jù)不同壓力p作用下，達(dá)到穩(wěn)定的孔隙比e，繪制e-p曲線(xiàn)，為壓縮曲線(xiàn)p1p2p3e1e2e3ep2.1、e-p曲線(xiàn)e0eppe根據(jù)e-p曲線(xiàn)可以確定土壓縮系數(shù)、壓縮模量等壓縮性指標(biāo)。壓縮性不同的土曲線(xiàn)形狀不同曲線(xiàn)愈陡，土的壓縮性愈高曲線(xiàn)A曲線(xiàn)B曲線(xiàn)A壓縮性＞曲線(xiàn)B壓縮性e0eppe根據(jù)壓縮曲線(xiàn)可以得到三個(gè)壓縮性指標(biāo)壓縮系數(shù)壓縮模量Es

體積壓縮系數(shù)mv曲線(xiàn)A曲線(xiàn)B根據(jù)不同壓力p作用下，達(dá)到穩(wěn)定的孔隙比e，繪制e-lgp半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)，為e-lgp壓縮曲線(xiàn)p1p2p3e1e2e3elgpCc2.2、e-lgp曲線(xiàn)根據(jù)壓縮曲線(xiàn)可以得到壓縮指數(shù)Cc等壓縮性指標(biāo)3.1壓縮系數(shù)a壓縮系數(shù)：用“單位壓力增量所引起的孔隙比的改變”表示。即：負(fù)號(hào)表示隨著壓力p的增長(zhǎng)，孔隙比e逐漸減小。實(shí)用上，通常用割線(xiàn)M1M2的斜率表示，則：3土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)土體在側(cè)限條件下孔隙比減少量與豎向壓應(yīng)力增量的比值1-2＜0.1MPa-1低壓縮性土0.1MPa-1≤

1-2＜0.5MPa-1中壓縮性土《規(guī)范》用p1＝100kPa、p2＝200kPa對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)

1-2評(píng)價(jià)土的壓縮性

1-2≥0.5MPa-1高壓縮性土越大土的壓縮性越大注意：壓縮曲線(xiàn)不是直線(xiàn)，即使是同一種土，其壓縮系數(shù)也不是常量。粘性土的Cc值一般在0.1—1.0之間3.2土的壓縮指數(shù)Cc壓縮指數(shù)：土體在側(cè)限條件下孔隙比減小量與豎向有效壓應(yīng)力常用對(duì)數(shù)值增量的比值。CC＜0.2

低壓縮性土0.2≤Cc＜0.4

中壓縮性土

Cc≥0.4

高壓縮性土Cc越大土的壓縮性越大4.1壓縮模量Es壓縮模量Es：土體側(cè)限條件下豎向附加應(yīng)力與豎向應(yīng)變的比值(Mpa)，也稱(chēng)側(cè)限模量。其大小反映了土體在單向壓縮條件下對(duì)壓縮變形的抵抗能力。4土的壓縮模量和體積壓縮系數(shù)

Es表示土抵抗變形能力的力學(xué)性指標(biāo)（5-7）

Es與a成反比

Es愈大，a愈小，土的壓縮性愈低壓縮模量公式推導(dǎo)壓縮模量Es

：為土體在無(wú)側(cè)向變形條件下，豎向應(yīng)力

與豎向應(yīng)變之比。

孔隙

土粒

e1體積

1

1+e1e21+e24.2體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù)：土體在側(cè)限條件下體積應(yīng)變與豎向與豎向應(yīng)力增量的比，即單位應(yīng)力增量作用下土體單位體積的變化。初始孔隙比或mv愈大，土的壓縮性愈高物理意義：在單位壓力增量作用下，土體單位體積的體積變化。體積壓縮系數(shù)mV：土體在單位應(yīng)力作用下單位體積

的體積變化。

體積壓縮系數(shù)公式推導(dǎo)孔隙

土粒

e1體積

1

1+e1e21+e25土的回彈再壓縮曲線(xiàn)土體的變形是由可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的塑性變形(殘余變形）組成。并且以后者為主。土的變形以殘余變形為主基底面積和埋深較大的基坑開(kāi)挖后受到較大的減壓，造成坑底反彈，在預(yù)估這類(lèi)基礎(chǔ)沉降時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮基坑地基土的回彈。利用e-p曲線(xiàn)確定回彈模量，其定義為：土體在側(cè)限條件下卸荷或再加荷時(shí)豎向附加應(yīng)力與豎向應(yīng)變之比值（Mpa）。利用壓縮、回彈、再壓縮的e-lgp曲線(xiàn)，可以分析應(yīng)力歷史對(duì)土的壓縮性的影響?！?.3應(yīng)力歷史對(duì)壓縮性的影響一、先期固結(jié)壓力先期固結(jié)壓力：天然土層歷史上所經(jīng)受過(guò)最大固結(jié)壓力，（指土體在固結(jié)過(guò)程中所有的最大豎向有效應(yīng)力），根據(jù)應(yīng)力歷史將土分為三類(lèi)正常固結(jié)土（在歷史上所經(jīng)受的先期固結(jié)壓力等于現(xiàn)有覆蓋土重）、超固結(jié)土（歷史上曾經(jīng)受過(guò)大于現(xiàn)有覆蓋土重的先期固結(jié)壓力）、欠固結(jié)土（先期固結(jié)壓力小于現(xiàn)有的覆蓋土重）。OCR=1：正常固結(jié)OCR>1：超固結(jié)OCR<1：欠固結(jié)超固結(jié)比（先期固結(jié)壓力與現(xiàn)在覆蓋土重之比）：OCR越大表示超固結(jié)作用越大，1.0~1.2時(shí)，視為正常。overconsolidatedratio---OCR應(yīng)力歷史對(duì)粘性土壓縮性的影響OCR=1：正常固結(jié)。A類(lèi)土，由于經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代，在土的自重的作用下已經(jīng)達(dá)到了固結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)，其先期固結(jié)壓力等于現(xiàn)有的覆蓋土的自重應(yīng)力。OCR>1：超固結(jié)。B類(lèi)土，歷史上在土的自重的作用下已經(jīng)達(dá)到了固結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)，后來(lái)由于流水或冰川等剝蝕作用而形成現(xiàn)在的地表，其先期固結(jié)壓力大于現(xiàn)有的覆蓋土的自重應(yīng)力。OCR＜1：超固結(jié)。B類(lèi)土，歷史上在土的自重的作用下還沒(méi)有達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)，在自重應(yīng)力作用下，仍然繼續(xù)固結(jié)沉降，其先期固結(jié)壓力小于現(xiàn)有的覆蓋土的自重應(yīng)力。eBCDArmin123先期固結(jié)壓力pc的確定：Casagrande法(f)B點(diǎn)對(duì)應(yīng)于先期固結(jié)壓力pc(b)作水平線(xiàn)A1(c)作A點(diǎn)切線(xiàn)A2(d)作A1,A2的角分線(xiàn)A3(e)A3與試驗(yàn)曲線(xiàn)的直線(xiàn)段的延長(zhǎng)線(xiàn)交于點(diǎn)B(a)在e-lgp壓縮試驗(yàn)曲線(xiàn)上，找曲率最大點(diǎn)ApclgP進(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)成果用e-lgp曲線(xiàn)表示。E卡薩格蘭德法局限性1、對(duì)土質(zhì)量要求很高2、繪制e-lgp曲線(xiàn)時(shí)要選用適當(dāng)?shù)谋壤?、找到突變點(diǎn)A點(diǎn)難度比較大4、得出的結(jié)果不一定可靠。因此:需要結(jié)合場(chǎng)地地形、地貌等形成歷史的調(diào)查資料加以判斷。二、原位壓縮曲線(xiàn)及原位再壓縮曲線(xiàn)地下水位上升土層剝蝕冰川融化引起卸載，使土處于回彈狀態(tài)正常固結(jié)土：超固結(jié)土：欠固結(jié)土：現(xiàn)場(chǎng)原始?jí)嚎s曲線(xiàn)是指現(xiàn)場(chǎng)土在其沉積過(guò)程中由上覆土重原本存在的壓縮曲線(xiàn)。用原始?jí)嚎s曲線(xiàn)確定土的壓縮指標(biāo)比較符合實(shí)際情況。2.由原始?jí)嚎s曲線(xiàn)確定土的壓縮性指標(biāo)

e壓縮曲線(xiàn)再壓縮曲線(xiàn)回彈曲線(xiàn)由于應(yīng)力歷史對(duì)粘土的壓縮性具有較大的影響，而鉆探取樣獲得土樣經(jīng)過(guò)擾動(dòng)或應(yīng)力釋放，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)得到的壓縮曲線(xiàn)已經(jīng)不能代表地基中現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線(xiàn)，所以壓縮曲線(xiàn)的起始段實(shí)際上是一條再壓縮曲線(xiàn)。因此必須對(duì)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)所得的壓縮曲線(xiàn)進(jìn)行修正，得到符合原位土體壓縮性的現(xiàn)場(chǎng)原始?jí)嚎s曲線(xiàn)，由此計(jì)算得到的地基沉降才會(huì)更符合實(shí)際。利用e~lgp曲線(xiàn)可以推出現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線(xiàn)，從而進(jìn)行更為準(zhǔn)確的沉降計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)曲線(xiàn)可以很直觀地反應(yīng)出先期固結(jié)應(yīng)力，從而清晰地考慮地基的應(yīng)力歷史對(duì)沉降的影響現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線(xiàn)是由直線(xiàn)或折線(xiàn)組成，通過(guò)Cc或Ce兩個(gè)壓縮性指標(biāo)即可計(jì)算，使用方便正常固結(jié)土擾動(dòng)對(duì)壓縮性的影響原位壓縮曲線(xiàn)的近似推求①確定先期固結(jié)壓力pc=p1②過(guò)e0作水平線(xiàn)與pc作用線(xiàn)交于B。由假定①知，B點(diǎn)必然位于原狀土的初始?jí)嚎s曲線(xiàn)上；③以0.42e0在壓縮曲線(xiàn)上確定C點(diǎn)，由假定②知，C點(diǎn)也位于原狀土的初始?jí)嚎s曲線(xiàn)上；正常固結(jié)土原位壓縮曲線(xiàn)的近似推求④通過(guò)B、C兩點(diǎn)的直線(xiàn)即為所求的位壓縮曲線(xiàn)?？梢园丛摱涡甭蚀_定壓縮指數(shù)CclgPb.超固結(jié)土b.超固結(jié)土①確定p1，pc的作用線(xiàn)；②過(guò)e0作水平線(xiàn)與p1作用線(xiàn)交于D點(diǎn)；⑤過(guò)B和C點(diǎn)作直線(xiàn)即為原始?jí)嚎s曲線(xiàn)的直線(xiàn)段。③過(guò)D點(diǎn)作斜率為Ce的直線(xiàn)，與pc作用線(xiàn)交于B點(diǎn)，DB為原位再壓縮曲線(xiàn)④過(guò)0.42e0作水平線(xiàn)與e-lgP曲線(xiàn)交于點(diǎn)C；lgPp1pc淺層平板載荷實(shí)驗(yàn)是指現(xiàn)場(chǎng)（靜）載荷試驗(yàn)，它是工程地質(zhì)勘察工作中一項(xiàng)基本的地基土的原位測(cè)試。試驗(yàn)前先在現(xiàn)場(chǎng)試坑中豎立載荷架，使施加的荷載通過(guò)承壓板傳到地層中，以便測(cè)試淺部地基附加應(yīng)力影響范圍內(nèi)土的力學(xué)性質(zhì)。承壓板應(yīng)有足夠剛度、承壓板的底面積不應(yīng)小于0.25平方米，對(duì)軟土不應(yīng)小于0.5平方米（正方形或者圓形），基坑寬度不應(yīng)小于承壓板寬度或者直徑的三倍。§

5.4土的變形模量5.4.1淺層平板載荷試驗(yàn)及變形模量現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)原位測(cè)試方法適用于：地基土為粉、細(xì)砂、軟土，取原狀土樣困難。國(guó)家一級(jí)工程、規(guī)模大或建筑物對(duì)沉降有嚴(yán)格要求。原位測(cè)試方法包括：載荷試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)等加荷穩(wěn)定裝置反力裝置觀測(cè)裝置試驗(yàn)設(shè)備反壓重物反力梁千斤頂基準(zhǔn)梁荷載板百分表

載荷試驗(yàn)示意圖變形模量E0計(jì)算ω—沉降影響系數(shù)，對(duì)剛性承壓板應(yīng)取ωr=0.886（方形壓板）或0.785（圓形壓板）。b—承壓板的邊長(zhǎng)或直徑（m）。p1—所取定的比例界限荷載（kpa）s1—與所取定的比例界限荷載p1相對(duì)應(yīng)的沉降，有時(shí)p~s曲線(xiàn)不出現(xiàn)起始的直線(xiàn)段，可取s1=(0.010~0.015)b(低壓縮性土取低值，高壓縮性土取高值)變形模量—土體在無(wú)