第四章 土的压缩与固结(一)2015.10
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第4章土的压缩性及固结理论
侧限压缩试验（又称固结试验）：在压缩过程 侧限压缩试验（又称固结试验）：在压缩过程 ）： 中只发生竖向变形，不发生侧向变形。 中只发生竖向变形，不发生侧向变形。
（1）试验装置： 试验装置：
4
（2）试验方法： 试验方法：
常规压缩试验（慢速压缩试验法），分 级 常规压缩试验（慢速压缩试验法），分5级 ）， 加荷： 、 加荷：50、100、200、300、400 KPa 每级荷 、 、 、 载恒压24h 或变形速率 或变形速率<0.005mm/h，测定每级 载恒压 ， 荷载稳定时的总压缩量 ⊿h ，计算出相应的稳定 孔隙比。 孔隙比。
30
∂u ∂u cv 2 = − ∂z ∂t
2
奥地利学者太沙基（K．Terzaghi，1925）公式 可用于求解一维侧限应力状态下，饱和粘性土地基 受外荷载作用下发生渗流固结过程中任意时刻的土 骨架及孔隙水的应力分布情况。
31
该方程属抛物线型偏微分方程，用分离变量法解此方 程，得通解为：
初始条件、边界条件如下：
24
（5）孔隙比的变化与有效应力的变化成正比即压缩 系数a保持不变。 （6）外荷载一次瞬时施加，且在固结过程中保持不 变。 （7）土体变形完全是孔隙水压力消散引起的。
25
2. 一维固结微分方程的建立 外荷一次施加后单位时间内流入和流出微单元体的 水量：
26
∂h q′ = kiA = k − dxdy ∂z 2 ∂h ∂ h q′′ = k − − 2 dxdy ∂z ∂z
18
4.2.3 弹性模量及其试验测定 弹性模量E： 弹性模量 ：正应力与弹性（即可恢复）正应变的比值。 测定方法： 测定方法：采用三轴仪进行三轴重复压缩试验，以应力一
《土的压缩与固结》课件
课程目标
01
掌握土的压缩和固结的基本原理和计算方法。
02
了解土的压缩和固结的工程应用和实践案例。
03
培养学生的实际操作能力和解决实际问题的能力。
CHAPTER
02
土的压缩性
土的压缩性定义
土的压缩性是指土在 压力作用下体积减小 的性质。
土的压缩性是评价土 的工程性质的重要指 标之一。
土的压缩过程是不可 逆的，与土的固结不 同。
详细描述
在隧道工程建设中，土的压缩与固结对隧道 开挖面的稳定性和支护结构的受力状态具有 重要影响。隧道开挖过程中，需考虑土的压 缩性以控制隧道收敛和变形；同时，固结过 程会影响土体强度和隧道支护结构的稳定性 。因此，了解土的压缩与固结规律对于隧道
工程的安全施工和稳定性控制至关重要。
土的压缩与固结在边坡工程中的应用
固结系数的确定
固结系数是描述孔隙水排出速 度的参数，与土体的渗透系数 、压缩性和边界条件等因素有 关。
确定固结系数的方法包括室内 试验、原位试验和数值模拟等 。
固结系数的确定对于准确预测 土体的固结过程和工程安全具 有重要的意义。
CHAPTER
04
土的固结试验
固结试验设备
固结仪
用于模拟土体在压力作用 下的固结过程，通常由压 力室、加压系统、排水系 统等组成。
对未来研究的展望
01 02 03 04
随着工程建设的不断发展，土的压缩与固结的研究将越来越受到重视 。
未来研究可以进一步探讨土的压缩与固结的微观机制和本构模型，提 高土力学模型的精度和适用性。
此外，未来研究还可以加强土的压缩与固结与环境因素的相互作用， 如气候变化、污染物排放等对土的压缩与固结的影响。
04第四章土的压缩性和固结理论土力学课件.ppt
微分方程的建立
dt时间内微单元体内孔隙体
积Vv的变化（减少）为：
dVv
Vv t
dt
eVs
t
dt
1 e dxdydzdt (3 40) 1 e t
由dQ=dVv，得
1 e q (3 41) 1 e1 t z
微分方程的建立
根据达西定律：
q ki k hw k u (3 42)
地基沉降：在荷载作用下，地基表面（基底）的竖向位移。
地基沉降计算包括两方面内容： 1)最终沉降量； 2)沉降量与时间的关系。
§4.2 土的压缩性
测定方法
室内试验 原位试验
压缩试验 三轴试验
载荷试验 旁压试验
§4.2 土的压缩性
一、压缩试验和相应的压缩性指标 二、载荷试验和土的变形模量 三、变形模量与压缩模量的关系 四、弹性模量及试验测定
一、压缩试验和相应的压缩性指标
压缩试验：又称侧限压缩试验或固结试验。
压缩仪
加荷方式
p =50,100,200,400kPa 四级加荷（e -p 曲线）
或p =12.5,25,50,100,200,400,800,1600,3200kPa (e -lgp 曲线) 相应的土样压缩稳定后的下沉量为s1,s2,s3,…
的常数；
(6)外荷载是一次在瞬时施加的。加载期间，饱和土层还 来不 及变形；而在加载以后，附加应力沿深度始终均匀分布。
二、一维固结微分方程及其解答
微分方程的建立
微单元体在dt 时间内水量Q的变化为：
dQ Q dt t
qdxdy
q
q z
dz
dxdydt
q dxdydzdt (3 39) z
第四章 土的压缩性和固结理论
土的压缩与固结
第四章土的压缩与固结4.1简介固结的过程经常与压实的过程相混淆。
通过减少空隙中空气的体积，压实过程增加非饱和土的密度（参见图4.1）。
然而，固结是一个与时间相关的，通过排出空隙中的水，而使饱和土的密度增加的过程（参见图4.1）。
固结通常与粉砂和粘土等幼粒土有关。
粗粒土，如砂和砾石，由于其高渗透性，也经历了固结，但在以更快的速度。
饱和粘土的固结由于其低渗透速度却慢得多。
固结理论预测的沉降量与沉降速度，以确保成立可压缩土层结构的可维护性。
4.2单向固结模型因为水可以在饱和土中任何方向流动，固结的过程中基本上三维。
然而，在大多数领域的情况下，因为在水平方向上土的区域巨大，土中水将不能够通过水平流动流出。
因此，水流的方向主要是竖向或一维的。
结果是，土层在竖向方向进行单向固结沉降（1-D）。
图4.2显示了一个简单的单向固结模型。
弹簧是类似于土骨架。
弹簧越不易弯曲，它将越难压缩。
因此，硬土将比软土经受更少的压缩。
土的硬度影响其固结沉降的幅度。
阀门开口尺寸类似于土的渗透性。
较小的开口，将需要更长的时间来排水和消散压力。
因此，幼粒土的完全固结比粗粒土需要花费更长的时间。
土壤的渗透性，影响其固结的速度。
4.3单向固结试验一维（1-D）固结试验由固结仪执行。
固结仪如图4.3所示。
土样是在一个环刀中（通常高度为20毫米和直径80毫米），它被限制在钢性护环，沉浸在水浴中。
竖向荷载用于压缩试样，并允许水排出放置在样本顶部和底部的透水石。
4.3.1时间相关的固结对于每一个竖向荷载增量，土样的竖向沉降通过百分表来记录。
图4.4显示了竖向沉降的时间关系，竖向总应力，超孔隙水压力和竖向有效应力。
最初，竖向载荷的100％是由孔隙水来承担，因为土样低渗透性，孔隙水是无法很快地流出空隙。
因此，立即加竖向荷载后，土样很少有沉降。
只有当有一个有效应力增加，土壤的沉降是有可能的，这反过来又要求通过驱逐孔隙水，减少土的孔隙率。
几秒钟后，孔隙水开始流出空隙。
土力学课件-第四章：土的压缩性与固结理论解析
形。
若再重新逐级加压，则可测得再压缩曲线。土在重复
荷载作用下，在加压与卸压的每一级重复循环中都将走新
的路线，形成新的滞后环。
二、土的载荷试验及变形模量
1、载荷试验
堆重-千斤顶式
地锚-千斤顶式
出现下列情况之一时，可终
止加载
•承载板周围的土明显侧向挤出 或发生裂纹； •沉降s急剧增大，荷载-沉降曲线 出现陡降段；
4.1
一、基本概念
概述
土的压缩性(compressibility)：是指土在压力作用下体积缩小的
特性。 •固体土颗粒被压缩； •土中水及封闭气体被压缩；
•水和气从孔隙中被挤出；
土的固结(consolidation)：土体在外力作用下，压缩随时间增长
的全过程，称为土 的固结。
研究土的压缩性的方法
用百分表测出土样稳定
后的变形量si,可按下式 计算出各级荷载下的孔 隙比ei
土样原始高度：H0，受压后高度：H，H=H0-△H △H：外压力p作 用下土样压缩至稳定的变形量。
假设土粒体积Vs 不变， Vs=1则土样孔隙体积在压缩前为e0，在压缩
稳定后为e。利用受压后土粒体积不变和土样横截面积不变的两个 条件，得出：
缩性越高 。
3、土的回弹与再压缩曲线 在室内压缩试验过程 中， 如加压到某值pi后不再加 压，相反地，逐级进行退 压，可观察到土样的回弹。 回弹稳定后的孔隙比与压
力的关系曲线，称为回弹
曲线。
回弹曲线bc并不沿压缩曲线回升，而要平缓得多，这 其中可恢复的部分称为弹性变形，不能恢复的称为残余变
说明土受压缩发生变形，卸压回弹，但变形不能全部恢复，
H1 H 2 H1 H 1 e1 1 e2 1 e2
土的压缩性及固结理论
第4章土的压缩性及固结理论基本内容这是本课程的重点。
在学习土的压缩性指标确定方法的基础上，掌握地基最终沉降量计算原理和地基固结问题的分析计算方法。
学习要求：1. 掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法；2．掌握有效应力原理；3．掌握太沙基一维固结理论；4.1 概述(outline)土在自重应力或附加应力作用下，地基土要产生附加变形，包括体积变形和形状变形。
对于土来说，体积变形通常表现为体积缩小。
我们把这种在外力作用下土体积缩小得特性称为土的压缩性(compressibility)。
It is well recognized that the deformations will be induced in ground soil under self-weight or net contact pressure. The load-induced soil deformations can be divided into volumetric deformation and deviatoric deformation (namely, angular distortion or deformation in shape). The volumetric deformation is mainly caused by the normal stress, which compact the soil, resulting in soil contraction instead of soil failure. The deviatoric deformation is caused by the shear stress. When the shear stress is large enough, shear failure of the soil will be induced and soil deformation will develop continuously. Usually shear failure over a large area is not allowed to happen in the ground.土的压缩性主要有两个特点：（1）土的压缩性主要是由于孔隙体积减少而引起的；（2）由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘土来说需要时间，将土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。
第四章土的压缩与固结
n
Es
S = Si
i=1
i1 p0
b
a
i p0
zi-1
e zi f
zi Hi
c
d
附加应力分布图面积
αi ,αi-1 —为平均附加应力系数（可查表4.4.1）
Zi、 zi-1 —为从基底算至所求土层i的底面、顶面
沉降计算深度： S / 0.025 S
S /由计算深度向上取厚度为 z 的土层沉降计算值；
Es
Β查表4.3.1
4.3、用e～p曲线法计算地基的最终沉降量 4.3.1分层总和法
分层总和法的基本思路是： 将压缩层范围内地基分层， 计算每一分层的压缩量， 地面
然后累加得总沉降量。
➢分层总和法有两种基本方法： e~p曲线法和e～lgp曲线法。
S e1 e2 H 1 e1
d
基底
➢基础中心处的沉降代表基础的沉降。
Δp
s/h1
e1 e2 a e1 e2
1 e1
S
h2
e2
e1
s h1
(1
e1 )
a e1 e2 p2 p1
1 e1 a
Vv 2
hv 2
Vs
hs
侧限状态下地基土的压缩变形计算
s
S
e1
e2
e2
H
e1
h1
(1
e1 )
1 e1
S a / (p2 p1 ) H
a e1 e2
d p0
d
基底
σci
σci
σci1 2
σ zi
σ zi
σzi1 2
si
zi
Hi
附加应力
沉降计算深度
土力学课件-第四章：土的压缩性与固结理论
u wh 9.81 6 58.86KPa ' A A u A 18.9 (10 H ) 58.86
解得H 6.89m
4.4 土的单向固结理论 一、饱和土的渗透固结
渗透固结：饱和土在附加压力作用下，孔隙中相应的 一些自由水将随时间而逐渐被排出，同时孔隙体积也 随着缩小，这个过程称为饱和土的渗透固结。
第四章
土的压缩性与固结理论
Compressibility of soils and consolidation theory
§4.1 概述
§4.2 土的压缩性
§4.3 饱和土中有效应力 §4.4 土的单向固结理论
学习要求
1. 掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法
2．掌握有效应力原理 3．掌握太沙基一维固结理论 4．掌握地基沉降随时间变化规律
2、压缩性指标
压缩系数a、压缩性指数Cc、压缩模量Es、体积模量Mv
（1）压缩系数a
是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e-p曲线中某一段的割线斜率。
de a dp
e e1 e2 a tan p p2 p1
a1-2<0.1MPa-1时， 低压缩性土； 0.1≤a1-2<0.5MPa-1时，中压缩性土； a1-2>0.5MPa-1时， 高压缩性土
孔隙压力：通过土中孔隙传递
的压应力称为孔隙压力。
A s As uw Aw ua Aa
对于饱和土
ua 0 Aa 0
A s As uw Aw s As uw ( A As )
s As
A As u w 1 A
形。
土力学课件第四章土的压缩与固结
堤防的沉降和滑坡风险。
THANKS
感谢观看
房屋建设中的土的压缩与固结问题
总结词
房屋建设中的土的压缩与固结问题主要表现在地基沉降和建筑物开裂两个方面。
详细描述
在房屋建设中，地基的沉降会导致建筑物开裂，影响建筑物的安全性和使用寿命。为了解决这个问题，需要在施 工前进行土质勘察和试验，了解土的压缩性和固结性，采取适当的措施进行地基处理，如桩基、扩基等，以减小 地基沉降。
表示土体的固结性能越好。
土的固结系数与土的渗透性、压 缩性、应力历史等因素有关。
土的固结系数可以通过室内试验 和原位观测等方法进行测定。
03 土的压缩与固结 的关系
土的压缩与固结的相互影响
土的压缩
土在压力作用下体积减小的性质 。主要由于土中孔隙体积减小。
土的固结
土体在外力作用下，经过排水、排 气、气泡的破裂和合并等过程，使 孔隙体积减小，土体逐渐被压缩的 过程。
土压力计算
在挡土墙设计、基坑支护等工程中， 需要考虑土压力对结构的影响，而土 压力与土的压缩和固结密切相关。
土的压缩与固结的研究展望
深入研究土的微观结构和孔隙分布对 压缩和固结的影响机制，建立更为精 确的理论模型。
考虑环境因素对土的压缩和固结的影 响，如温度、湿度、气候变化等。
发展新型的试验技术和测试方法，以 更准确地测定土的压缩和固结性能。
01
02
03
04
土的矿物成分
不同矿物成分的土具有不同的 压缩性，例如粘土矿物具有较
高的压缩性。
孔隙比
孔隙比越大，土的压缩性越高 。
含水率
含水率越高，土的压缩性越大 。
应力状态
在较低应力水平下，土的压缩 性较小，随着应力水平的增加
THANKS
感谢观看
房屋建设中的土的压缩与固结问题
总结词
房屋建设中的土的压缩与固结问题主要表现在地基沉降和建筑物开裂两个方面。
详细描述
在房屋建设中，地基的沉降会导致建筑物开裂，影响建筑物的安全性和使用寿命。为了解决这个问题，需要在施 工前进行土质勘察和试验，了解土的压缩性和固结性，采取适当的措施进行地基处理，如桩基、扩基等，以减小 地基沉降。
表示土体的固结性能越好。
土的固结系数与土的渗透性、压 缩性、应力历史等因素有关。
土的固结系数可以通过室内试验 和原位观测等方法进行测定。
03 土的压缩与固结 的关系
土的压缩与固结的相互影响
土的压缩
土在压力作用下体积减小的性质 。主要由于土中孔隙体积减小。
土的固结
土体在外力作用下，经过排水、排 气、气泡的破裂和合并等过程，使 孔隙体积减小，土体逐渐被压缩的 过程。
土压力计算
在挡土墙设计、基坑支护等工程中， 需要考虑土压力对结构的影响，而土 压力与土的压缩和固结密切相关。
土的压缩与固结的研究展望
深入研究土的微观结构和孔隙分布对 压缩和固结的影响机制，建立更为精 确的理论模型。
考虑环境因素对土的压缩和固结的影 响，如温度、湿度、气候变化等。
发展新型的试验技术和测试方法，以 更准确地测定土的压缩和固结性能。
01
02
03
04
土的矿物成分
不同矿物成分的土具有不同的 压缩性，例如粘土矿物具有较
高的压缩性。
孔隙比
孔隙比越大，土的压缩性越高 。
含水率
含水率越高，土的压缩性越大 。
应力状态
在较低应力水平下，土的压缩 性较小，随着应力水平的增加
第四章土的压缩性及固结理论
土力学
第4章 土的压缩性及固结理论
Consolidation
《土力学》 第4章 土的压缩性及固结理论
§4.1 概述
Dr. Han WX
土的压缩性是指土体在压力作用下体积缩小的特性。
试验研究表明，在一般压力(100一600kPa)作用下，土粒和土中水的压缩 量与土体的压缩总量之比是很微小的，可以忽略不计，很少量封闭的土中气被 压缩，也可忽略不计。
3
《土力学》 第4章 土的压缩性及固结理论
§4.1 概述
Dr. Han WX
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时，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。 室内土样在侧限条件下所完成的固结，常称为K0固结，K0为土的静止侧压力系 数，它是水平向有效应力与竖向有效应力之比的比例系数。通过室内土的三轴 压缩试验，可以测定土的弹性模量E,还可测定K0固结抗剪强度指标。
§4.2 土的压缩性 4.2.1 固结试验及压缩性指标
Dr. Han WX
正常固结线
回弹再压缩线
e Cc logz '
e Cs logz '
15
《土力学》 第4章 土的压缩性及固结理论
§4.2 土的压缩性
Dr. Han WX
4.2.2 现场载荷试验及变形模量
土的压缩性指标，除从室内试验测定外，还可以通过现场原位测试取得。
Dr. Han WX
1．浅层平板载荷试验及变形模量
(2)当出现下列情况之一时，即可终让加载：①承压板周围的土有明显的侧向挤出(砂 土)或发生裂纹(粘性土和料土)；②沉降s急骤增大，荷载—沉降(p-s)曲线出现陡降段； ③在某一级荷载下，24小时内沉降速率不能达到稳定标准；④s／b＞0.06(b为承压板的 宽度或直径)。
第4章 土的压缩性及固结理论
Consolidation
《土力学》 第4章 土的压缩性及固结理论
§4.1 概述
Dr. Han WX
土的压缩性是指土体在压力作用下体积缩小的特性。
试验研究表明，在一般压力(100一600kPa)作用下，土粒和土中水的压缩 量与土体的压缩总量之比是很微小的，可以忽略不计，很少量封闭的土中气被 压缩，也可忽略不计。
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《土力学》 第4章 土的压缩性及固结理论
§4.1 概述
Dr. Han WX
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时，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。 室内土样在侧限条件下所完成的固结，常称为K0固结，K0为土的静止侧压力系 数，它是水平向有效应力与竖向有效应力之比的比例系数。通过室内土的三轴 压缩试验，可以测定土的弹性模量E,还可测定K0固结抗剪强度指标。
§4.2 土的压缩性 4.2.1 固结试验及压缩性指标
Dr. Han WX
正常固结线
回弹再压缩线
e Cc logz '
e Cs logz '
15
《土力学》 第4章 土的压缩性及固结理论
§4.2 土的压缩性
Dr. Han WX
4.2.2 现场载荷试验及变形模量
土的压缩性指标，除从室内试验测定外，还可以通过现场原位测试取得。
Dr. Han WX
1．浅层平板载荷试验及变形模量
(2)当出现下列情况之一时，即可终让加载：①承压板周围的土有明显的侧向挤出(砂 土)或发生裂纹(粘性土和料土)；②沉降s急骤增大，荷载—沉降(p-s)曲线出现陡降段； ③在某一级荷载下，24小时内沉降速率不能达到稳定标准；④s／b＞0.06(b为承压板的 宽度或直径)。
第四章 土的压缩与固结
超固结比OCR ：前期固结应力与现有有效应力之比,即 OCR＝ pc/p1 正常固结土： OCR=1 pc=p1 超固结土： OCR>1,OCR愈大，土受到的超固结作用愈强， 在其他条件相同的情况下，其压缩性愈低。 pc> p1 欠固结土： OCR<1,土在自重作用下还没有完全固结，土的 固结应力末全部转化为有效应力，即尚有一部分由孔隙水 所承担。 pc< p1
四. 土的应力历史（6）
4.3 地基的沉降计算
一、弹性理论法 （１）
弹性理论法计算地基沉降是基于布辛奈斯克课题的位 移解，其基本假定为地基是均质的、各向同性的、线弹性 的半无限体；此外还假定基础整个底面和地基一直保持接 触。需要指出的是布辛奈斯克课题是研究荷载作用于地表 的情形，因此可以近似用来研究荷载作用面埋置深度较浅 的情况。当荷载作用位置埋置深度较大时（如深基础）， 则应采用明德林课题（Mindlin）的位移解进行弹性理论法 沉降计算。
二. 压缩性指标（１０）
（a）e-p曲线；
（b）e-lgp曲线
图 4-3 土的回弹—在压缩曲线
三、 现场载荷试验及变形模量（１）
1.现场载荷试验方法
现场载荷试验是在工程现场通过千斤顶逐级对置于 地基土上的载荷板施加荷载，观测记录沉降随时间的发 展以及稳定时的沉降量s，将上述试验得到的各级荷载与 相应的稳定沉降量绘制成p～s曲线，即获得了地基土载 荷试验的结果。
点荷载作用下地表沉降
一. 弹性理论法 （２） 布辛奈斯克课题给出了半空间表面作用有一竖向集中
力Q时，半空间内任一点M（x，y，z）的竖向位移w（x，
y，z），运用到半无限地基中，当z取0时，w（x，y，0）
即为地表沉降s：
s= Q(1-m2) Q(1 m2 )(4 6)
四. 土的应力历史（6）
4.3 地基的沉降计算
一、弹性理论法 （１）
弹性理论法计算地基沉降是基于布辛奈斯克课题的位 移解，其基本假定为地基是均质的、各向同性的、线弹性 的半无限体；此外还假定基础整个底面和地基一直保持接 触。需要指出的是布辛奈斯克课题是研究荷载作用于地表 的情形，因此可以近似用来研究荷载作用面埋置深度较浅 的情况。当荷载作用位置埋置深度较大时（如深基础）， 则应采用明德林课题（Mindlin）的位移解进行弹性理论法 沉降计算。
二. 压缩性指标（１０）
（a）e-p曲线；
（b）e-lgp曲线
图 4-3 土的回弹—在压缩曲线
三、 现场载荷试验及变形模量（１）
1.现场载荷试验方法
现场载荷试验是在工程现场通过千斤顶逐级对置于 地基土上的载荷板施加荷载，观测记录沉降随时间的发 展以及稳定时的沉降量s，将上述试验得到的各级荷载与 相应的稳定沉降量绘制成p～s曲线，即获得了地基土载 荷试验的结果。
点荷载作用下地表沉降
一. 弹性理论法 （２） 布辛奈斯克课题给出了半空间表面作用有一竖向集中
力Q时，半空间内任一点M（x，y，z）的竖向位移w（x，
y，z），运用到半无限地基中，当z取0时，w（x，y，0）
即为地表沉降s：
s= Q(1-m2) Q(1 m2 )(4 6)
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p1 p2
p
p
单一土层一维压缩问题
计算公式：e-lgp曲线 优点:
可使用推定的原位压缩和再压 缩曲线
可考虑土层的应力历史，区分 正常固结土和超固结土分别进 行计算
单一土层一维压缩问题
计算公式：e-lgp曲线-正常固结土
可使用推定的原位 压缩曲线的Cc值进 行计算：
e S H 1 e1 H p2 Cc lg( ) 1 e1 p1
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4 §4.5
概述 土的压缩性测试方法 一维压缩性及其指标 地基的最终沉降量计算 饱和土体的渗流固结理论
概
述
• 自重应力压缩稳定 • 附加应力导致地基土体变形
本章讨论重点
体积变形
由正应力引起，会使土的体积缩小压密，不会导致土体破坏
形状变形
形状变形主要由剪应力引起，当剪应力超过一定限度时， 土体将产生剪切破坏，此时的变形将不断发展。通常在地 基中是不允许发生大范围剪切破坏的。
• 基础沉降量或沉降差的大小首先与土的压缩性有关，易于 压缩的土，基础的沉降大，而不易压缩的土，则基础的沉 降小。 • 基础的沉降量与作用在基础上的荷载性质和大小有关。一 般而言，荷载愈大，相应的基础沉降也愈大；而偏心或倾 斜荷载所产生的沉降差要比中心荷载为大。 • 在这一章里，我们首先讨论土的压缩性；然后介绍目前工 程中常用的沉降讨算方法；最后介绍沉降与时间的关系。
第四章：土的压缩性与固结
本章提要
• 土的压缩性 -测试方法和指标 • 地基的最终沉降量-分层总合法 • 地基的沉降过程-饱和土渗流固结理论 • 有一些较严格的理论 • 有较多经验性假设和公式 • 应力历史及先期固结压力 • 不同条件下的总沉降量计算 • 渗流固结理论及参数
本章特点
学习难点
量测
体变 孔隙水 压力
孔压 量测
围压 力 3
阀门
不固结 孔隙水 不固结 不排水 不排水 压力
马达
阀门
常规三轴压缩试验
一维压缩性及其指标
- p（或）曲线 由侧限压缩试 e – p（或）曲线 验整理得到的 三条常用曲线 e – lgp（或lg）曲线 先期固结压力 原位压缩曲线及原位再压缩曲线
• 除此之外某些大城市，如墨西哥、上海等由于大量开 采地下水使地下水位普遍下队从而引起整个城市的普 遍下沉。这可以用地下水位下降后地层的自重应力增 大来解释。当然，实际问题也是很复杂的，还涉及工 程地质、水文地质方面的问题。
• 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。
压缩曲线上
过D点作斜率为Ce的直线DB，
DB为原位再压缩曲线
0.42e0
C
以0.42e0在压缩曲线上确定C
点，BC为原位初始压缩曲线
ps pc
p(lg)
DBC即为所求的原位再压缩和
压缩曲线
超固结土原位再压缩曲线的推求
- p（或）曲线 e – p（或）曲线 e – lgp（或lg）曲线 先期固结压力
p
卸载
再加载
初始 加载
z
应力历史及影响
z p
初始 加载
土体在历史上所承受过的 应力情况（包括最大应力 等）称为应力历史
p
卸载
A
B 再加载
土样在A和B点所处的应力 状态完全相同，但其变形 特性差别很大 应力历史的影响 非常显著
z
e
0.9
1
Cc
特点：在压力较大部分， 接近直线段 指标：
固结容器： 环刀、护环、导环、透水 石、加压上盖和量表架等 加压设备：杠杆比例1:10 变形测量设备
变形测量
固结容器
侧限压缩（固结）仪
支架
加 压 设 备
侧限压缩试验
横梁
常用试验类型
类型
固结 排水 固结 不排水
百分表
量力环
量 水 管
试 样
施加 3
固结 固结
施加 1 -3
排水 不排水
对正常固结土先期固结压力
pc=ps
C
p(lg)
(e0, pc)位于原位压缩曲线上 以0.42e0在压缩曲线上确定C点 通过B、C两点的直线即为所求
的原位压缩曲线
正常固结土原位压缩曲线的推求
推定方法
e
e0
D
原位再压 缩曲线
B
确定pc,ps的作用线 因为pc>ps,点D(e0,ps)位于再
0.8
0.7 0.6
1 Ce
•
压缩指数: e~lgp曲线直线 段的斜率 e Cc ( lgp)
•
100 1000
回弹指数 C （再压缩指数） e Ce << Cc， 一般Ce≈0.1-0.2Cc
p(kPa，lg)
e-lgp曲线
指标
名称
定义
曲线
-p曲线 e-p曲线 e-lg(p)曲线
2. 作水平线m1
e C
A m B 1 3 2 D pc
p(lg)
3. 作m点切线m2
4. 作m1,m2 的角分线m3 5. m3与试验曲线的直线段 交于点B 6. B点对应于先期固结压 力pc
先期固结压力p的确定
基本假定：
取样后不回弹，即土样取出后孔隙比保持不 变
压缩指数Cc和回弹指数Ce为常数
S z H v H
e1 e2 H 1 e1
e
e1
实验室试验结果
B
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱCc
推定的原位 压缩曲线
e2
p1
C
p 2 p(lg)
单一土层一维压缩问题
计算公式：e-lgp曲线-超固结土
可使用推定的原位压缩和再压
缩曲线的Cc和Ce值进行计算： • 当p2 >pc
e1 e2 S z H v H H 1 e1
0.8
>0.5
0.7
0.1-0.5
0.6
低压缩性土
0
100
<0.1
200 300 p(kPa)
e-p曲线–压缩系数a
侧限压缩模量（KPa ,Mpa）
土体无侧限变形条件下，竖向应力与竖向应变之比
Dp Es = De
体积压缩系数： 单位压应力变化引起的单位体积的体积变化（Kpa-1 ,Mpa-1）
pc 超固结比： OCR = ps
OCR=1：正常固结 OCR>1：超固结 OCR<1：欠固结 (OCR=1) 相同ps时，一般OCR越大，土越密实，压缩性越小 （′可以是自重应力，也可以是附加应力）
先期固结压力
e
p(lg)
正常固结土的原位 压缩曲线：直线
正常固结土初始压缩曲线
e
A
AB：沉积过程，到B点应
通常用a1-2即应力范围为
100-200 kPa的a值对不 同土的压缩性进行比较
0.7
0.6 0 100 200 300 p(kPa)
e-p曲线
压缩系数a1-2常用作 比较土的压缩性大小
土的类别 高压缩性土 中压缩性土 a1-2 (MPa-1)
e
1.0 0.9
压缩系数：
e p
e a p
以公式 S e1 e 2 H 1 e1 为例
H/2 H/2
H sz 2
p
,e1
σz=p
H
σ sz
• 确定：
H； sz ；z
Es
mv a Cc Ce
侧限压缩模量
体积压缩系数 压缩系数 压缩指数 回弹指数
p/
/p -e/p -e/(lgp) -e/(lgp)
侧限压缩试验指标汇总
先期固结压力： 土层历史上所经受到的最大压力pc（最大有效应力） 如土层当前 承受的有效 自重应力为 ps Pc=ps ：正常固结土 pc> ps ：超固结土 pc< ps ：欠固结土
试验曲线上的0.42e0点不受到扰动影响，未 受扰动的原位初始压缩曲线也应相交于该点
原位初始压缩曲线的推求
e0 1. 0
原状样
扰动增加
0. 8
e
重塑样
0. 0 0.42e 6 0.1 1 10 p(100kPa)
0. 4
不同扰动程度试样的 室内压缩曲线
e
e0
0.42e0
推定方法
B
原位压 缩曲线
E = b Es 2m 2 b = 11- m
泊松比
De x m =£ 0.5 De z
b <1
E < Es
卸载和再加载曲线
z p
一次 加载
在试验曲线的卸载和再加 载段，土样的变形特性同 初始加载段明显不同，前 者的刚度较大 在再加载段，当应力超过 卸载时的应力p时，曲线 逐渐接近一次加载曲线 卸载和再加载曲线形成滞 回圈
计算公式：e-p曲线
e1 e2 a(p2 p1 )
S a a (p 2 p1 )H pH 1 e1 1 e1
e e1 e2
e1 e2 S z H v H H 1 e1
自重应 力状态 附加应 力状态
S＝m vpH
S
pH pH Es E
• 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。