第五章土的压缩性

低压缩性土 中压缩性土 高压缩性土
Cc越大土的压缩性越大
4 土的压缩模量和体积压缩系数
4.1压缩模量Es

压缩模量Es ：土 体侧限条件下竖向 附加应力与竖向应 变的比值(Mpa)， 也称侧限模量。其 大小反映了土体在 单向压缩条件下对 压缩变形的抵抗能 力。
Es表示土抵抗变形能力的力学性指标
P
§5.3 应力历史对压缩性的影响
一、先期固结压力
先期固结压力：天然土层历史上所经受过最大固结压力，（指土 体在固结过程中所有的最大竖向有效应力），根据应力历史将土 分为三类正常固结土（在历史上所经受的先期固结压力等于现有 覆盖土重）、超固结土（历史上曾经受过大于现有覆盖土重的先 期固结压力）、欠固结土（先期固结压力小于现有的覆盖土重）。
3 压缩量的组成及固结
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 土中水的压缩 土中空气的压缩（封闭气体少） 空气的排（挤）出 水的排（挤）出 占总压缩量的1/400不到，忽略不计
压缩量主要组成部分。
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
超固结比（先期固结压力与现在覆盖土重之比）： pc OCR=1：正常固结 OCR OCR>1：超固结 p1 OCR<1：欠固结

over consolidated ratio---OCR
OCR越大表示超固结作用越大，1.0~1.2时，视为正常。
应力历史对粘性土压缩性的影响
OCR=1：正常固结。 A类土，由于经历了漫 长的地质年代，在土 的自重的作用下已经 达到了固结稳定状态， 其先期固结压力等于 现有的覆盖土的自重 应力。
刚性护环
土样
透水石
底座
1. 2试验结果（孔隙比）的推导、分析
研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律
Δ Hi
p Vv＝e 土粒的体 积和横截 面不变
Vv＝e0
H0 H0/(1+e0)
Vs＝1
Hi Hi/(1+e)
Vs＝1
H0 - Hi＝ΔHi
土样在压缩前后变形量为ΔHi，整个过程中土粒体积和面积不变 H0 Hi Hi eo ei Hi ei e0 (1 e0 ) 1 e0 1 ei 或 H 0 1 e0 H
p
孔隙
e1
1+e1 e2
av 1 e1
1+e2
土粒
1
5 土的回弹再压缩曲线

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(残余变形）组成。并且以后者 为主。




土的变形以残余变形为主 基底面积和埋深较大的基坑开挖后受到较大 的减压，造成坑底反弹，在预估这类基础沉 降时，应当考虑基坑地基土的回弹。 利用e-p曲线确定回弹模量，其定义为：土 体在侧限条件下卸荷或再加荷时竖向附加应 力与竖向应变之比值（Mpa）。 利用压缩、回弹、再压缩的e-lgp曲线，可 以分析应力历史对土的压缩性的影响。
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。
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。
先期固结压力pc的确定：Casagrande 法
进行高压固结试验，试验成果用e-lgp曲线表示。
(a) 在e-lgp压缩试验曲 线上，找曲率最大点 A (b) 作水平线A1 (c) 作A点切线A2 (d) 作A1,A2 的角分线A3 (e) A3与试验曲线的直线 段的延长线交于点B (f) B点对应于先期固结压 力 pc D pc e C A E B
三联固结仪
固结仪
荷载 加压活塞

透水石 环刀


固结仪示意图 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

用环刀切取扁圆柱体，一般高2 厘米，试样连同环刀一起装入 护环内，上下有透水石以便试 样在压力作用下排水。 在进水石顶部放一加压上盖， 所加压力通过加压支架作用在 上盖，同时安装一只百分表用 来量测试样的压缩。 由于试样不可能产生侧向变形 而只有竖向压缩。于是，我们 把这种条件下的压缩试验称为 单向压缩试验或侧限压缩试验。
特点：土处于侧限应力状态，又称Ko固结，（Ko为土的静止侧压力系
数）；操作简单、实用。
测定压缩性指标：压缩系数α、压缩模量Es等压缩性指标。 （2）三轴压缩试验或无侧限抗压试验 测定压缩性指标：弹性模量E、抗剪强度指标。
4 试验方法简介
4.2、原位测试（室外试验）
（1）现场（静）载荷试验（深层平板载荷试验、旁压试验） 测定压缩性指标：测定地基承载力、土的变形模量Eo、利用沉降与压力 的关系，反算土的变形模量。 特点：一般浅层平板载荷试验可以模拟在半空间地基表面上作用着局部 的均布荷载。设备笨重、操作繁杂、时间较长、费用较大。 （2）其它试验方法 标准贯入试验、圆锥动力触探试验、静力触探试验等。
土的压缩性——土体在压力的作用下体积缩小 的特性
侧限压缩
室内试验 压缩性测试 室外试验
三轴压缩 荷载试验 旁压试 验 其它试验
§5.2固结试验及压缩性指标 1、固结试验和压缩曲线
研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法，亦称 固结试验（又称压缩试验）
试验仪器—固结仪
室内试验测定土的压缩性指标，常用不允 许土样产生侧向变形，即侧限条件的固结试 验，非饱和土只用于压缩，亦称压缩试验。 土的固结试验可以测定土的压缩系数a、压 缩模量Es等压缩性指标。
地下水位上升 超固 土层剥蚀 结土： 冰川融化 引起卸载， 使土处于回弹状态
正常固结土：
欠固结土：
2.由原始压缩曲线确定土的压缩性指标

由于应力历史对粘土的压 缩性具有较大的影响，而 压缩曲线 钻探取样获得土样经过扰 e 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 压缩性的现场原始压缩曲 再压缩曲线 线，由此计算得到的地基 沉降才会更符合实际。
Δ H H1 e1 e2 mv Δp (1 e1 )Δ p
初始孔隙比
或
mv愈大，土 的压缩性愈高
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。
体积压缩系数公式推导
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。
体积
V 1 e1 1 e2 mV pV p 1 e1 e1 e2 e 1 p 1 e1 p 1 e1
lgp
3 土的压缩系数和压缩指数
3.1压缩系数a

土体在侧限条件下孔隙比减少量与 竖向压应力增量的比值
负号表示随着 压力p的增长， 孔隙比e逐渐减 小。
压缩系数：用“单位压力增量所 引起的孔隙比的改变”表示。即：
a de dp
实用上，通常用割线M1M2的斜率表 示，则： Δ e e1 e2 a tan Δ p p2 p1
§5.1概述
1、土的压缩性土体在压力的作用下体积缩小的特性。
荷载作用 荷载大小
土具有压缩性
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 产生压缩的原因
地 基 土 产 生 压 缩 的 原 因
OCR>1：超固结。 B类土，历史上在土的 自重的作用下已经达 到了固结稳定状态， 后来由于流水或冰川 等剥蚀作用而形成现 在的地表，其先期固 结压力大于现有的覆 盖土的自重应力。
OCR＜1：超固结。 B类土，历史上在土的 自重的作用下还没有 达到固结稳定状态， 在自重应力作用下， 仍然继续固结沉降， 其先期固结压力小于 现有的覆盖土的自重 应力。
1 e1 A z 1 e1 1 e1
e av 1 mv
体积
z
孔隙
e1
1+e1 e2 1+e2
土粒
1
4.2体积压缩系数

体积压缩系数 mv ：土体在侧限条件下体积应变与竖向与 竖向应力增量的比，即单位应力增量作用下土体单位体 积的变化。
mv
1 a mv Es 1 e1
e e0
来自百度文库曲线A 曲线B
e
p p
根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标



压缩系数 压缩模量Es 体积压缩系数mv
2.2、e-lgp曲线 根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e， 绘制e-lgp半对数曲线，为e-lgp压缩曲线
p1
p2 p3
e1
e2
e
Cc
e3
根据压缩曲线可以得到压缩指数Cc等压缩性指标
3.2 土的压缩指数Cc

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。
e - lgp曲线后段直线段的斜率 e1 - e2 e Cc lg p2 - lg p1 lg(p2/p1)
粘性土的Cc值一般在0.1—1.0之间
CC＜0.2 0.2≤Cc＜0.4 Cc≥0.4
0
2试验结果整理—压缩曲线
压缩曲线
压缩曲线可按两种方式绘制：
2.1、e-p曲线
e
p1
p2 p3
e1
e2 e3
根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e， 绘制e-p曲线，为压缩曲线
p
e e0
曲线A
曲线B
e
根据e-p曲线可以 确定土压缩系数、 压缩模量等压缩 性指标。
p
p
压缩性不同的土 曲线形状不同 曲线愈陡，土的压缩性愈高 曲线A压缩性＞曲线B压缩性
第五章 土的压缩性
主要内容:
荷载作用下土体的压缩性; 土的压缩试验和固结试验; 土的压缩性指标及获得方法; 应力历史对压缩性的影响。
重点：
土的压缩性和压缩性指标的确定;
几个经典试验过程及试验数据的整理。
§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
试验的直接成果—压缩曲线， 是土的孔隙比与所受压力 的关系曲线。
室内土样在侧限条件下完成的固结常称为 K0固结，天然土层在自重应力下或在大面积 荷载作用下所完成的固结均为K0固结。
固结试验的成果是压缩曲线，即土的孔隙 比与所受压力的关系曲线。
试验数据的整理结果—得到 土的压缩性指标。
1.1室内试验设备及试验过程介绍
注意：压缩曲线不是直线，即使是同一种土，其压 缩系数也不是常量。
《规范》用p1＝100kPa、 p2＝200kPa 对应的压缩系数 1-2评价土的压缩性
1-2＜0.1MPa-1 1-2≥0.5MPa-1
低压缩性
土 0.1MPa-1≤ 1-2＜0.5MPa-1 中压缩性土
高压缩性土
越大土的压缩性越大
透水性好，水易于排出 透水性差，水不易排出
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，也称为土的压密。 对研究粘性土是有意义的，无粘性土意义不大。
4 试验方法简介
4.1、室内试验
（1）固结试验（压缩试验）：
定义：研究土的压缩性大小及其特征（不考虑时间）的室内试验方法
1 3
2
lgP
卡萨格兰德法局限性
1、对土质量要求很高 2、绘制e-lgp曲线时要选用适当的比例尺 3、找到突变点A点难度比较大 4、得出的结果不一定可靠。 因此:需要结合场地地形、地貌等形成历史 的调查资料加以判断。

二、原位压缩曲线及原位再压缩曲线
现场原始压缩曲线是指现场土在其沉积 过程中由上覆土重原本存在的压缩曲线。 用原始压缩曲线确定土的压缩指标比较 符合实际情况。
Es
1
e
0
1
H 1 H
1 e1
(45-7 6e ) （ ）
e a p
1 e1 Es a
Es与a成反比
Es愈大， a愈小，土的压缩性愈低
压缩模量公式推导 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