第5章 土的压缩性与固结理论

在压缩试验过程中。我们可以通过百分表测量出土样的高度 变化S（即土样的压缩量），如下图所示。 土样的初始高度 为h0，横截面面积为A，初始孔隙比为e0。在第i级竖向应力作
用下，变形稳定后的压缩量为si，土样高度变为h0 - si ，土样
的孔隙比从e0减小到ei，此时 变； 由于在试验过 程中土样不能侧向变形，所以压缩前后土样横截面积A保持不

使用；不均匀沉降则会造成路堤开裂、路面不平，对超静定结构桥梁产生较
大附加应力等工程问题，甚至影响其正常和安全使用。因此，为了确保路桥 工程的安全和正常使用，既需要确定地基土的最终沉降量，也需要了解和估
计沉降量随时间的发展及其趋于稳定的可能性。

在工程设计和施工中，如能事先预估并妥善考虑地基的变形而 加以控制或利用，是可以防止地基变形所带来的不利影响的。 如某高炉，地基上层是可压缩土层，下层为倾斜岩层，在基础
第五章 土的压缩性与固结理论
§5.1 概 述
一、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。
土是三相体，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。因此，土的压缩性包含了两 方面的内容：
（2）压缩指数Cc

室内侧限压缩试验结果分析中也可以采用
e lg
曲线。用这种形式表示试验结果的优点是在应力达到一定值后，
曲线接近直线，该直线的斜率 Cc称为压缩指数，即 e lg
类似于压缩系数，压缩指数Cc值也可以用来判断土的压缩性 大小。

低压缩性土； Cc 0.2 0.2 Cc 0.4 中压缩性土
性变形。

若接着重新逐级加压，则可测得土样在各级荷载作用下再压
缩稳定后的土样高度，换算成孔隙比后可绘制出再压缩曲线，
如上图中的cdf曲线。可以发现，再压缩曲线的df段是ab段的 延续，但再压缩曲线与回弹曲线不重合，也不通过原卸载点b。

对于半对数直角坐标系的e-lgp曲线，也有类似的过程，如上 图所示。卸载曲线和再压缩曲线的平均斜率（图中虚线的斜 率）称为回弹指数或再压缩指数，用Ce表示。一般情况下， Ce =(0.1~0.2)Cc。
压活塞施加在土样上的，

环刀内径通常有6.18cm和8cm两种，相应的截面积为30cm2 和50cm2，高度为2cm。

做饱和土样的压缩试验时，容器内要放满水，以保证在试验过
程中土样处于饱和状态。

由于土样受到环刀、刚性护环的约束，在压缩过程中只能发生 竖向变形，不能发生侧向变形，所以这种试验方法称为侧限压 缩试验。
试验过程和结果分析： 土样制备和装样； 分级施压，给出竖向变形与时间关系； 给出压缩变形量与荷载关系曲线；

试验仪器示意图如下图所示。

试验时，用金属环刀取天然土样，并放于刚性很大的压缩环 内，来限制土样的侧向变形；在土样的上、下表面垫两块透
水石，以使在压缩过程中土中水能顺利排出。压力是通过加
（4）压缩模量Es和体积压缩系数mv ①定义：土在完全侧限条件下，竖向附加应力增量
z 与相应竖向应变增量 z之比值，用Es表示，

即可绘制出卸载阶段的关系曲线，如图中bc曲线所示，称为 回弹曲线（或膨胀曲线）。可以看到不同于一般的弹性材料 的是，回弹曲线不和初始加载的曲线ab重合，卸载至零时， 土样的孔隙比没有恢复到初始压力为零时的孔隙比e0。这就 表明土在荷载作用下残留了一部分压缩变形，称之为残余变 形（或塑性变形），但也恢复了一部分压缩变形，称之为弹

对于地基土，在修建建筑物 之前就存在有效自重应力 1 cz 。建筑物修建后， 地基中的应力发生了变化， 由原来的 1 增加到 2 1 z ，相应的孔隙比由原来 的减少到，如右图所示。由 2 1 z 于修建建筑物所引起的应力增加量一般不大， =100～300 kPa，故M1至M2的一小段曲线可以近似用 M 1 M 2 直线来代替，其误差是工程允许的。
i
ei——土样在第级竖向应力 作用下变形稳定后的孔隙比。

将二式相除可得

则

这样，只要测定了土样在各级压力 作用下的稳定变形量后，
i
就可以按上式计算出孔隙比。以竖向有效应力
为横坐标，
孔隙比为纵坐标，绘制出孔隙比与有效应力的关系曲线，即 压缩曲线，又称 坐标绘图，则得到 ，如下图 e 曲线 a所示。如用半对数直角 曲线，如下图 b所示。 e lg
3、饱和土体压缩过程
土的颗粒越粗，孔隙越大，则透水性越大，因而土中水的挤出 和土体的压缩越快，粘土颗粒很细，则需要很长时间。 饱和土体的孔隙中全部充满着水，要使孔隙减小，就必须使土 中的水被挤出。亦即土的压缩与土孔隙中水的挤出，是同时发生的 。由于土的颗粒很细，孔隙更细，土中的水从很细的弯弯曲曲的孔 隙中挤出需要相当长的时间，这个过程称为土的渗流固结过程，也 是土与其它材料压缩性相区别的一大特点。 4、蠕变的影响
试验结果（土的压缩曲线图片）
土的压缩曲线
压缩曲线（e-p曲线）
压缩曲线（e-lgp曲线）
2、压缩曲线：土的孔隙比与所受压力的关系曲线。
在一般工程中，常遇到的压力 =100~600kPa.土粒的 体积变化不及全部土体积变化的1/400因此，土的全部压缩量 可认为是由于土的孔隙体积缩小引起的。因此，可以用孔隙 比与所受压力的关系曲线说明土的压缩过程。

令
，称为压缩系数

式中：
1
——地基某深度处土中有效竖向自重应力；

2 ——地基某深度处土中有效竖向自重有力与有效竖向附加
应力之和；

e1——作用下压缩稳定后土的孔隙比，即土的天然孔隙比；
e2——作用下压缩稳定后土的孔隙比，即土的最终孔隙比； a ——土的压缩系数，kPa-1。

1、土的压缩性大
2、地基土产生压缩的原因 ⑴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σ =(γ γ ’)h 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。
2、地基土产生压缩的原因
粘性土长期受荷载作用下，变形随时间而缓慢持续的现象称为 蠕变。这是土的又一特性。次固结过程
三、研究土压缩性的意义

从工程意义上来说，地基沉降有均匀沉降和不均匀沉降之分。当建筑物基础 均匀下沉时，从结构安全的角度来看，不致有什么影响，但过大的沉降将会
严重影响建筑物的使用与美观，

如造成设备管道排水倒流，甚至断裂等；当建筑物基础发生不均匀沉降时， 建筑物可能发生裂缝、扭曲和倾斜，影响使用和安全，严重时甚至使建筑物 倒塌。因此，在不均匀或软弱地基上修建建筑物时，必须考虑土的压缩性和 地基变形等方面的问题。 对于道路和桥梁工程，一般来说，均匀沉降对路桥工程的上部结构危害也较 小，但过量的均匀沉降也会导致路面标高降低、桥下净空的减少而影响正常

从上图可以看出，用半对数坐标绘制的 e lg 曲线，在后半 部出现明显的直线段，这已被大量的实验所证实。

对于不同的土，其压缩曲线的形状不同，压缩曲线越陡，说
明随着压力的增加，土中孔隙比的减小越显著，土的压缩性 也就越高。从上图可以看出，软粘土的压缩性要比密实砂土 的压缩性高得多。
另外，土的压缩曲线一般随压力的增大而逐渐趋于平缓，即 在侧限条件下土的压缩性逐渐减小。 3．压缩性指标 （1）要参数， a值越大，曲线 越陡，土的压缩性越高。延长直线M 1 M 2与e坐标轴相交得截距 eA，则直线的 M 1 M 2 方程为
e e A a

上式即为土力学中的重要定律之一，即压缩定律，说明了在 一定应力范围内（ 1 2 应力 ）,土的孔隙比e与其所受

从上图可以看出，压缩系数a与先后作用于土上的有效应力 试验方法标准》规定采用 =100kPa， =200kPa所得到 的a1-2作为评定土压缩性高低的指标。
1 2
呈线性变化。
1 和 2有关，即a不是一个常数。为了统一标准，《土工
*
为了便于比较，通常采用压力段由 p1=100kPa 增加到p2=200kPa 时的压缩系 数a1-2来评定土的压缩性如下：
底面积范围内，土层厚薄不均，在修建时有意使高炉向土层薄
的一侧倾斜，建成后由于土层较厚的一侧产生较大的变形，结 果使高炉恰好恢复其竖向位置，保证了安全生产，节约了投资。
§5.2
一、压缩试验及压缩性指标
1．压缩试验

土的压缩特性
在实验室用侧限压缩仪（亦称固结仪）进行压缩试验，是研究土压 缩性的最基本方法。
Cc 0.4
高压缩性土。
但压缩指数Cc与压缩系数a又有所不同，a值随应力的变化而 变化，而Cc在应力超过一定值时为常数，在某些情况下使用 较为方便，如国外广泛采用 e lg 曲线来研究应力历史对土
压缩性的影响。
（3）回弹指数Ce

上面在室内侧限压缩试验中连续递增加压，得到了常规的压
缩曲线。现在如果加压到某一值 （相应于下图曲线上的 b点） i 后不再加压，而是逐级进行卸载直至为零，并且测得各卸载 等级下土样回弹稳定后土样高度，进而换算得到相应的孔隙 比，
0.1
a12 / MPa1
0.5
低压缩性
中压缩性