第四章 土的压缩与固结(一)2015.10

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
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
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
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）
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
侧限压缩试验
• 施加荷载，静置至 变形稳定
• 逐级加大荷载
透水石 百分表 加压上盖 环刀 压缩 容器
已知： • 试样初始高度H0 • 试样初始孔隙比 e0 试验结果：
p
P
1
试样
P P
2
3
护环
每级压力p作用下， 试样的压缩变形S
e
0
e s
e
1
t
e s 2
2
s
3
s
1
e
3
t
S~e 的关系
由三相草图： e e0 e S
土的压缩变形问题

土的压缩性测试方法
试验方法 压缩性指标 沉降的大小 沉降的过程


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
土的压缩性与地基沉降计算
土的压缩性测试方法
• 侧限压缩试验
一维问题 三轴应力状态
室内试验
• 三轴压缩试验 • 其他特殊试验
• 荷载试验
现场试验 • 旁压试验
由侧限压缩试 验整理得到的 三条常用曲线
原位压缩曲线及原位再压缩曲线
小
结
单一土层一维压缩问题
基本假定：
1、土粒本身的压缩忽略不计，土的压缩完全是孔隙 体积减少的结果； 2、土体无侧向变形，仅在竖向压缩； 3、土层均匀，在其厚度范围内，压力均匀分布
计算简图
p H/2 H/2
H sz 2
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
• 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。
p

卸载
再加载
初始 加载
z

应力历史及影响
z p
初始 加载

பைடு நூலகம்
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：
孔隙
H0 固体 颗粒
H0 1 e0 H0 S 1 e S e e 0 (1 e 0 ) H0
可得到e-p关系
1
压缩系数
KPa-1，MPa-1
e a p
不同土的压缩系数不同，
a越大，土的压缩性越 大
e
1.0
0.9 0.8
同种土的压缩系数a不
e
p
是常数，与应力p有关
• 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。
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
e
e1 e2
A
Ce
H æ pc p2 ö S= ç Ce lg( ) + Cc lg( )÷ 1 + e1 è p1 pc ø
• 当p2 <pc
推定的原位 再压缩曲线
B
Cc
推定的原位 压缩曲线
C
H p2 S Ce lg( ) 1 e1 p1
p1 pc p 2 p(lg)
单一土层一维压缩问题
计算步骤：
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
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
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
• 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。
§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。

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
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
S z H v H
e1 e2 H 1 e1
e
e1
实验室试验结果
B
Cc
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
De 1 mv = = Dp E s
侧限压缩模量
Es
压缩系数
p
e e0 e 孔隙 固体 颗粒
e 1 e0
e a p
1
体积压缩系数
1 a mv Es 1 e 0
压缩指标间的关系
变形模量E：无侧限条件下，应力与应变之比 变形模量与弹性模量的关系：
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
• 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。
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
S z H v H
e1
H
σz=p
e2
e
σ sz
Vs 1 Vs 1
压缩前
压缩后
z v
e e1 e2 1 e1 1 e1
e1 e2 H 1 e1
p1 sz
p2 sz z
e1
e2
S z H v H
（a）e-p曲线 （b）e-lgp曲线
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
原位压 缩曲线 沉积过程
力为pc
BC：取样过程，应力减
小，先期固结压力为pc
C
B
压缩试验 取样过程
CD：压缩试验曲线，开
始段位于再压缩曲线上， 后段趋近原位压缩曲线 在先期固结压力pc附 近发生转折，据此可 确定pc
D pc p(lg)
先期固结压力
Casagrande 法
1. 在e-lgp曲线上，找出 曲率最大点m
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