第五章 土的压缩性和地基沉降计算

饱和土体在某一压力作用下的固结过程就是土体中各 点的超静孔隙水应力不断消散、附加有效应力相应增加的 过程，或者说超静孔隙水应力逐渐转化为有效应力的过程， 而在转化过程中，任一时刻任一深度处的应力始终遵循有 效应力原理。
室内固结试验与压缩曲线
由于刚性护环所限
百分表
，试样只能在竖向 产生压缩，而不能
传压板 水槽 环刀 护环
即OCR=pc/ poˊ。
（五）应力历史对粘性土压缩性的影响
一般来说，沉积时间较长的土层经历固结时间长，比较密实， 压缩性较低；而沉积时间较短的土层经历固结时间短，比较疏 松，压缩性较高。

OCR>1，超固结土，前期应力大于自重作用。

OCR=1，正常固结土，在自重作用下固结稳定。
OCR<1，欠固结土，在自重作用下未完全固结。
（七）应力历史对粘性土压缩性的影响 应力历史：土体在历史上曾经受到过的应力状态。
固结应力：能够使土体产生固结或压缩的应力，以p0表示。
前期固结应力：土在历史上曾受到过的最大有效应力， 以pc表示。 超固结比：前期固结应力与现有有效应力poˊ之比， 以OCR（over
consolidated ratio ）表示，
土具有压缩性
荷载作用 荷载大小
地基发生沉降
土的压缩特性 地基厚度 土的特点 （碎散、三相）
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
沉降具有时间效应－沉降速率
2 压缩性 一、土的压缩与固结
压缩：在外力作用下，土体体积缩小的现象。 在外力作用下，土体体积为什么会缩小呢？ 1、土粒本身和孔隙中水的压缩变形； 2、孔隙气体的压缩变形； 3、孔隙中的水和气体有一部分向外排出。 固结：土的压缩随时间增长的过程。
体积
p
孔隙
e1
1+e1 e2
av 1 e1
1+e2
土粒
1
（五）压缩模量 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。
z 1 e1 z z Es z e1 e2 A e1 e2
体积
z
1 e1 A z 1 e1 1 e1


如果地基土各部分的竖向变形不相同， 则在基础的不同部位会产生沉降差，使 建筑物基础发生不均匀沉降。 基础的沉降量或沉降差(或不均匀沉降) 过大不但会降低建筑物的使用价值，而 且往往会造成建筑物的毁坏。



为了保证建筑物的安全和正常使用，我们必须预 先对建筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差 进行估算。 如果建筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差， 在规定的允许范围之内，那么该建筑物的安全和 正常使用一般是有保证的；否则，是没有保证的。 对后一种情况，我们必须采取相应的工程措施以 确保建筑物的安全和正常使用。
3 单向固结模型
p
h p w
p
h h
p
h 0
t0
附加应力:σz=p 超静孔压: u0 = σz=p 有效应力:σ’z=0
0t
附加应力:σz=p 超静孔压: u <p 有效应力:
t
附加应力:σz=p 超静孔压: u =0 有效应力:σ’z=p
0 < σ ’z < p
3 单向固结模型
2 压缩性 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 占总压缩量的1/400不到， 土中水的压缩 忽略不计 空气的排出 压缩量主要组成部分 水的排出 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 透水性差，水不易排出

（五）应力历史对粘性土压缩性的影响
现有固结应力 p0 'z
' 现有有效应力 p0 'z
' 前期固结应力 pc p0 ' pc p0 p0 OCR 1
冲蚀前地面
现有固结应力 p0 'z ' 现有有效应力 p0 'z 前期固结应力 pc 'h ' pc p0 =p0 OCR 1 现地面
' p0 'z
现有固结应力 p0 ' z ' 现有有效应力 p0 'z
' 前期固结应力 pc p0 p0 ' pc p0 p0 OCR 1 OCR <1
地面
p0 ' z
h
地面
pc
z
z
z
岩层 A土层
岩层 B土层
岩层 C土层
正常固结土
超固结土
欠固结土
5-3

对于控制要求较高的 建筑物，瞬时沉降可 用弹性理论估算。

主固结与主固结沉降


在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致土体体 积随时间逐渐减小，有效应力逐渐增加，这一过程 称为主固结 随着时间的增加，孔隙水应力逐渐消散，有效应力 逐渐增加并最终达到一个稳定值，此时孔隙水应力 消散为零，主固结沉降完成，这一过程所产生的沉 降为固结沉降。
1 概述
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。
地 基 土 产 生 压 缩 的 原 因
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。
lg
0.7
100 1000
e~lgp曲线
p(lg，kPa )
（三）压缩指数与回弹再压缩指数
e
塑性 变形 弹性 变形
回弹曲线 初始压缩曲线
e
1 Cs
1
Cc
A
再压缩曲线
初始压缩曲线
P(kPa)
p(lg，kPa )
（四）体积压缩系数 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。
V 1 e1 1 e2 mV pV p 1 e1 e1 e2 e 1 p 1 e1 p 1 e1
p(kPa )
e~lgp曲线
p(lg，kPa )
4 土的压缩性指标
（二）压缩系数
e
1.0
e1 e2
0.9 0.8 0.7 0.6
e
p
e1 e2 e av p 2 p1 p
p1 p2 e~p曲线
p(kPa )
e
1.0
a v1 2
e
p
p1
土的类别
e1 e2 p 2 p1 1
z
z
z
2 2 z 2 2 E 1 Es 1 z 1 1
单向压缩试验的各种参数的关系
已知
求解
av mv Es
av
—— av /(1+e1) (1+e1)/ av
mv
mv(1+e1) —— 1/mv
Es
(1+e1)/Es 1/Es ——
e av 1 mv
孔隙
e1
1+e1 e2 1+e2
土粒
1
（六）变形模量 变形模量E ：土体在无侧限条件下应力与应变之比。
E


z z

广义虎克定律
x x E E y z y y x y E E z z E E x y
单向压缩量公式
一、无侧向变形条件下单向压缩量计算假设
（1）土的压缩完全是由于孔隙体积减小导致骨架变形的
结果，土粒本身的压缩可忽略不计；
（2）土体仅产生竖向压缩，而无侧向变形；
（3）土层均质且在土层厚度范围内，压力是均匀分布的。
2 压缩性

2.e-p曲线 研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律
p
s
Vv＝e0
压缩稳定很快完成 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
体积变形 土体变形 形状变形
在附加应力作用下，地基土将产生体积缩小，从而引起 建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降。

沉降：


在附加应力作用下，地基土产生体积缩小， 从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或 下沉）称为沉降 某些特殊性土由于含水量的变化也会引起体 积变形，如湿陷性黄土地基，由于含水量增 高会引起建筑物的附加下沉，称湿陷沉降。 相反在膨胀土地区，由于含水量的增高会引 起地基的膨胀，甚至把建筑物顶裂。
室内固结试验
现场原位试验（荷载试验、旁压试验）
2 压缩性
荷载 加压活塞 刚性护环 透水石 环刀
土样
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
透水石

底座
压缩仪示意图
2. 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。
产生侧向变形，故
称为单向固结试验 或侧限固结试验。
透水石
试样
4 土的压缩性指标
（一）室内固结试验与压缩曲线
P