土的压缩性及固结理论

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1、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,第5章 土的压缩性形,5.1 概述,研究土的压缩性目的:主要是为了研究地基的沉降。 基底地基土由于压缩而引起的竖直方向的位移称为沉降。 建筑物地基沉降包括两个方面内容：（1）绝对沉降量（2）沉降与时间的 关系- 固结理论,土体压缩性土在压力（附加应力或自重应力）作用下体积缩小的特性。 土体压缩包括：（1）土粒本身和孔隙水的压缩； （2）孔隙气体的压缩； （3）孔隙水、气排出，使得孔隙体积减小。 上面（1）的压缩不到压缩量的1/400（2）的压缩量也很小,土的固结土体在压力作用

2、下其压缩量随时间增长的过程。,侧限限制土样侧向变形，土样只能发生竖向压缩变形。通过金属环刀来实现。 试验目的研究测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力，或孔隙比和压力的关系，变形和时间的关系，以便计算土的各项压缩指标。,1.固结试验和压缩曲线,5.2 固结试验及压缩性指标 5.2.1 固结试验及压缩性指标,Cell,Loading cap,Load,Displacement measuring device,Soil sample,water,Porous disks,试验设备固结仪（压缩仪）。 试验方法：逐级加压固结，以便测定各级压力 作用下土样压缩稳定后的孔隙比 。 侧限压缩试验分为：

3、（1）慢速压缩试验法；（2）快速压缩试验法 常规试验中，一般按P=50kPa 、100 kPa、200 kPa 、300 kPa 、400 kPa 五级加 荷，测定各级压力下的稳定变形量 ，然后计算相应的孔隙比 。,* ep曲线 要绘制ep曲线，就必须求出各级压力 作用下的孔隙比 。 如何求 ？看示意图： 设试样截面积为A，如图：依侧限压缩试验原理可知：土样压缩前后试样截面积A不变，土粒体积 不变，令 ，有,分别为土粒比重、土样的初始含水量和初始密度。,N3,利用上式计算各级荷载作用 下达到的稳定孔隙比 ，可绘制如下图所示的ep曲线，该曲线亦被称为压缩曲线。,ep曲线可确定土的压缩系数 、压缩

4、模量 。elog p曲线可确定土的压缩指数 。,2土的压缩系数和压缩指数 （1）压缩系数 压缩系数土体在侧限条件下孔隙比减小量与竖向有效压应力增量的比值。即ep曲线中某一压力段的割线斜率。ep曲线上任一点的切线斜率 表示相应于压力p作用下土的压缩性。 压缩系数，kP a1或MP a1，负号表e随P的增长而减小。 当压力变化范围不大时，土的压缩曲线可近似用图中的M1M2割线代替。 越大，土的压缩性越高。,p1增压前使试样压缩稳定的压力强度，一般指地基中某深处土中原有的竖向自重应力， kPa或MPa ；P1 p2增压后使试样所受的压力强度，一般为地基某深处自重应力与附加应力之和，kPa或 MPa；

5、P2,【讨论】土的压缩系数是唯一的吗？ 从上图可看出，压缩系数值与土所受的荷载大小有关，不是唯一的。 压缩系数a是表征土的压缩性的重要指标之一。压缩系数越大，表明土的压缩性越大。为方便应用和比较，建筑地基基础设计规范提出用P1100 kPa (0.1Mpa)、P2200 kPa(0.2Mpa) 时相对应的压缩系数a12来评价土的压缩性，具体规定为： 0.1MPa1， 为低压缩性土； 0.1MPa1 0.5MPa1 时，为中压缩性土； 0.5MPa1 时， 为高压缩性土。,（2）压缩指数 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。即elogp曲线中某一压力段的直线

6、斜率。 把土的e-p曲线改绘成半对数压缩曲线e-logp曲线时，它的后段接近直线，其斜率 为土的压缩指数。,值越大，土的压缩性越高。 0.4 高压缩性土,3.土的压缩模量 （侧限压缩模量）和体积压缩系数 压缩模量 压缩模量土在完全侧限条件下的竖向应力增量 （如从 增至 ） 与相应的应变增量 的比值(kPa或MPa)。,ES与a成反比。即ES 愈大，a 愈小，土体的压缩性愈低; ES 愈小，土 的压缩性愈大高。,推导 （如图）：,又,则,讨论：同压缩系数一样，压缩模量不是常数，在压力小的时候，压缩系数大，压缩模量小；在压力大的时候，压缩系数小，压缩模量大。因此在运用到沉降计算时，比较合理的做法是

7、根据实际竖向应力的大小在压缩曲线上取相应的值计算这些指标。, 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压应力增量之比，即在单位压力增量作用下土体单位体积的体积变化。 同压缩系数 与压缩指数 一样， 值越大，土的压缩性越高。,3,4.回弹曲线和再压缩曲线,压缩曲线特征： (1)卸荷时，试样不是沿初始压缩曲线，而是沿曲线bc回弹，可见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两部份组成。 (2)回弹曲线和再压线曲线构成一迴滞环，土体不是完全弹性体； (3)回弹和再压缩曲线比压缩曲线平缓得多。 (4)当再加荷时的压力超过b点，再压缩曲线就趋于初始压缩曲线的延长线,土体变形机

8、理非常复杂，不是理想的弹塑性体，而是具弹、粘、塑性的自然历史的产物。,Cs=(0.10.2)Cc 土的压缩性减小 土体如果承受到比现在大的压力，其压缩性将降低，也就是说土的应力历史对压缩性有很大影响,回弹指数,软土地基加固,5.3 应力历史对压缩性的影响,5.3.1 沉积土层的应力历史,先（前）期固结压力 天然土层在历史上所经受过最大的固结压力（指土体在固结过程中所受的最大的有效压力）,应力历史：土体在历史上曾经受过的应力状态 固结应力: 能够使土体产生固结或压缩的应力,自重应力,附加应力,固结应力,新沉积的土或人工填土,大多数天然土,超固结比,（2）作图法确定先期固结压力,步骤： 从e-lo

9、gp曲线上找出曲率半径最小的一点A，过A点作水平线A1和切线A2； 作1 A2的平分线A3，与e-logp曲线中直线段的延长线相交于B点； B点所对应的有效应力就是先期固结压力 。 缺点：难准确找出A点，结果不太准确。,三种土层现有应力相同，但是它们的应力历史不同。 三种土应力增量相同，但由于应力历史不同，所以其压缩量不同。 应力历史对地基沉降产生很大的影响,考虑应力历史对土层压缩性的影响，必须解决： （1）判定土层的固结属正常固结、超固结、欠固结 （2）反映现场土层实际的压缩曲线。 其可行办法为： 通过现场取样，由室内压缩曲线的特征建立室内压缩曲线与现场压缩曲线的关系，从而以室内压缩曲线推求

10、现场压缩曲线。,4,原位（始）压缩曲线室内试验e-logp曲线经修正后得出的符合现场原始土体孔隙比与有效应力的关系曲线，将一般室内压缩曲线加以修正后求得。 （1）正常固结土的原始压缩曲线 （2）超固结土的原始压缩曲线 （3）欠固结土的原始压缩曲线,5.3.2 现场原始压缩曲线及土的压缩性指标,（1）正常固结土的原始压缩曲线,步骤： 绘室内压缩e-logp曲线，确定 先作b点，横坐标为现场自重压力 ， ，纵坐标为现场孔隙比 ， 再作c点，在室内压缩曲线上取 点即为c点。（试验发现将土试样加以不同程度的扰动，得出的不同室内压缩曲线直线段都大致交于一点，纵坐标为 ） 连结bc两点，这线段就是原始压缩

11、曲线的直线段，其斜率为正常固结土的压缩指数 。,4,（2）超固结土的原始压缩曲线 步骤： 绘室内压缩回弹再压缩曲线。 先作 点，横坐标为试样现场自重压力 ，纵坐标为现场孔隙比 过 点作 交 垂线于b点， 即为原始再压缩曲线。 （经验得知，试样受到扰动，初次室内压缩曲线的斜率比原始再压缩曲线的斜率大得多，而室内回弹与再压缩曲线的平均斜率接近于原始再压缩曲线的斜率。） 作c点，室内压缩曲线上孔隙比 点。 连bc直线，bc为原始压缩曲线的直线段，其斜率为超固结土的压缩指数 。,4,（3）欠固结土的原始压缩曲线 近似按正常固结土的方法求得原始压缩曲线，定出 值。,4,5.4 土的变形模量,1. 浅层平

12、板载荷试验及变形模量,测定土的变形模量、地基承载力. 荷载试验的观测标准： （1）每级加载后，按间隔10、10、10、15、15分钟，以后为每隔半小时读一次沉降量，当连续两小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，则认为已趋稳定，可加下一级荷载。 （2）当出现下列情况之一时，即可终止加载：a) 承压板周围的土有明显的侧向挤出（砂土）或发生裂纹（粘性土和粉土）；b) 沉降s急骤增大，荷载沉降（ps)曲线出现降段；c) 在某一级荷载下，24小时内沉降速率不能达到稳定标准；d) （b为承压板的宽度或直径） 满足终止加载的前三种情况之一时，其对应的前一级荷载为极限荷载。 其变形模量：,3.变形模量与压缩

13、模量的关系,三种模量：,1压缩模量 是根据室内侧限压缩试验得到的，它的定义是土在完全侧限的条件下，竖向正应力与相应的变形稳定情况下正应变的比值。 2变形模量 是根据现场载荷试验得到的，指土在侧向自由膨胀条件下正应力与相应的正应变的比值。 3弹性模量 变形模量E0与压缩模量ES的关系： E0=ES 与土的泊松比有关的系数， ；ES土的压缩模量。,广义Hooke定律,证 明,0,0,土的弹性模量土体在无侧限条件下瞬时压缩的应力应变模量。 弹性模量考虑土体没有残余变形，只有弹性变形。弹性模量远大于变形模量 测定方法： （1）室内三轴压缩试验或单轴压缩无侧限抗压强度试验得到的应力应变关系曲线所确定的初始切线模量； （2）现场荷载条件下的再加荷模量。,5.5 土的弹性模量,