20土的压缩试验及指标.

z
（2）土体的剪 切硬化与软化
• 土体的硬化与剪缩、软化与剪胀常有 伴生现象，说明相互间有一定的关系， 但也未必是必然的联系，也不一定是 同步伴生现象。有关实验表明，软化 型土往往是剪胀的，但剪胀土不一定 都是软化的。
土的本构模型简介：
线弹性～理想塑性

f
E 1

土的本构模型简介：
0.25
0.30 0.35 0.25 0.35 0.42
粘土
三、现场载荷试验
1、载荷试验分类：
1)静载荷试验、动载荷试验、
2)平板载荷试验(浅层地基)、螺旋板载荷(深层地基或 地下水位以下)
3)试坑载荷试验和钻孔载荷试验
2、目的：
测定地基土的变形模量及承载力
E (1 2K 0 ) ES ES
其中：
K0 1 K0
1）上述换算公式只是它们之间的理论关系。由于现场载荷试验和室内 压缩试验都有些无法考虑的因素，使得上式并不能准确的反映两者之间 的关系； 2）通常土的泊松比小于0.5，且难以测定，算出来的变形模量是小于压 缩模量的。而根据大量的统计资料表明，变形模量可能是换算值的几倍， 且土越坚硬倍数越大，而软土的两者值相差较小； 原因一方面是土为非理想的弹性体，并且具有一定的结构性，取样时难 免受到扰动； 2）压缩试验的土样易受到扰动，两种试验的加荷速率、压缩稳定标准 也不一样。
由广义虎克定律：
z z ( x y ) E E
在侧限压缩试验中，侧限条件：
x y K0 z
换算为：
1 2K 0 z 2 z K 0 Z Z E E E
换算为：
1 2K 0 z 2 z K 0 Z Z E E E
e
'
0 100 200 300 400 P
0.8
0.7 0.6
土的类别 低压缩性土 中压缩性土 高压缩性土
MV1-2 (MPa-1) (100～200KPa) < 0.05 0.05～0.25 ≥0.25
单向压缩试验的各种参数的关系
指标 指标
a 1
a/(1+e0) (1+e0)/a
mv mv(1+e0)
1
Ce
Cc
e
0.9
回弹指数（再压缩指数） Ce << Cc， 一般粘性土的 Cc 值在 1.0 左右, Ce≈0.1-0.2Cc
0.8
0.7 0.6
1 Ce
100
1000 lgP
土体变形机理非常复杂 ，土体不是理想的弹塑 性体，而是具有弹性、 粘性、塑性的自然历史 的产物。
弹性变形部分来自土颗粒和孔隙水的弹性变形、封闭 气体的压缩和溶解，以及薄膜水的变形等造成的变形。 塑性变形部分来自颗粒相互位移、土颗粒被压碎、孔 隙水和孔隙气体被排出等造成的变形。
1 1/mv
Es (1+e0)/Es
1/Es 1
a
mv Es
(2)、e ～lgP 曲线
e～P 曲线缺点：压力区间较小
e
0.9
0.8
0.7 0.6
特点：有一段较长的直线段
100
1000 lgP
(2)、e ～ lgP
曲线 压缩指数 e Cc (lg ') 单位问题
土的类别 低压缩性土 CC1-2 (100～200KPa) < 0.03 0.03～0.15 ≥0.15
再压缩试验时土体体积变化特征：
(1) 土体的变形是由可恢复 的弹性变形和不可恢复 的塑性变形组成 (2) 回弹曲线和再压线曲线 构成一迴滞环，是土体 不是完全弹性体的表征 (3) 回弹曲线和再压缩曲线 比压缩曲线平缓得多 (4) 当再加荷时的压力超过 b点，再压缩曲线就趋于 初始压缩曲线的延长线
迴滞环、割线与回弹指数：
内环
试验资料处理：
设Vs=1, 由三相图可得:
施加/前试件中的固体体积Vs:
1 Vs H0 A 1 e0 (a)
施加/后
/
e
e0 e
孔隙 土粒
S
1 / 1 Vs (H 0 S ) A 1 e (b)
因此
H0
侧向=0, A=A/, Vs= Vs/
试件横截面积A
H0 H0 S 1 e0 1 e
土的压缩性试验 与压缩指标
土体产生压缩的原因： (1)固体颗粒的压缩； (2)孔隙水和孔隙气体的压缩，孔隙气体 的溶解； (3)孔隙水和孔隙气体的排出； 纯水、固体颗粒的压缩量常可略不计； 土体压缩主要来自孔隙水和气的排出。
• 土体受力后引起的变形： • 体积变形 剪切变形 • • 体积变形：主要由正应力引起，它只会使土 体压密、体积缩小，但不会导致土体破坏。 • 剪切变形 ： 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。
建筑物通过基础将荷载传给地基， 在地基内部将产生应力和变形，从而引 起建筑物基础的沉降。 地基、基础设计的变形原则：
S≤［S］
•通常在地基中是不允许发生大范围剪切破坏。
地基沉降的组成
总沉降 S ：
时间(min) 0
0 50 100 150 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
对饱和土， A u1 /( 1 3 )
轴向加压杆 顶帽 有机玻璃罩
试 样
压力室
测定： 轴向应变 轴向应力 体变或孔隙水压力
透水石 排水管
阀门
橡皮膜 压力水 类型 施加σ 3时
量测体变或 孔隙水压力
量测
施加σ 1－σ 3时
固结排水
固结不排水 不固结不排水
固结
固结 不固结
排水
不排水 不排水
z p
侧限
三轴
z
• 土的变形模量与压缩模量的关系 • 区别 试验条件不同：土的变形模量E0是土体在无侧限条 件下的应力与应变的比值；而土的压缩模量Es是土体在 完全侧限条件下的应力与应变的比值。 • 变形模量E0 是现场载荷试验实测的，能较为真实的反映 土体的实际情况。 联系 二者同为土的压缩性指标，在理论上是完全可以相 互换算的。由材料力学理论，推导出土的变形模量与压 缩模量的关系。
'
土的类别 高压缩性土
100
ES (MPa)
200 300 400 P
< 4
中压缩性土
低压缩性土
4～20
≥20
土在完全侧限条件下的 竖向附加压应力与相应 的应变增量之比值 （MPa)。即：
e
1.0 0.9
1 a mv Es 1 e 0
体积压缩系数 KPa-1 ，MPa-1
Es的倒数成为土的体积压缩系数mv，表示单 位压应力变化引起的单位体积变化。亦即：
应力-应变关系的假定
以某种粘土为例
z p
1 Ee Es
非线性弹塑性体
1
z
e0 (1 e0 )
二、三轴压缩剪切试验
1、试验目的： a、测定土的应力—应变关系和抗剪强度 b、测定土的孔压系数A、B 不排水试验只施加 3
u 3

B u3 / 3
试件上只Байду номын сангаас加
1 3 u1
对直线段：
e
0.9 0.8 0.7 0.6
1
Cc
中压缩性土 高压缩性土
100
1000 lgP
压缩系数与压缩指数
Cc 是无量纲系数，同压缩系数a 一样，压缩 指数Cc值越大，土的压缩性越高。 虽然压缩系数a 和压缩指数Cc 都是反映土的压 缩性的指标，但是两者有所不同。前者随所取 的初始压力及压力增量的大小而异，而后者在 较高的压力范围内却是常量，不随压力而变。
土的K0及μ的参考值
土的种类和状态 砾类土（碎石土） 砂土 轻亚粘土（粉土） 亚粘土（粉 质粘土）
K0
0.18～0.25 0.25～0.33 0.33
μ 0.15～0.20 0.20～0.25 0.25
坚硬状态
可塑状态 软塑或流塑状态 坚硬状态 可塑状态 软塑或流塑状态
0.33
0.43 0.53 0.33 0.53 0.72
εp
卸载
割线
εe
ε
变形模量与弹性模量的关系：
• 变形模量：E • （对土体而言）
z E0 z
• 弹性模量：E • （对弹性材料而言）
z E z
泊松比:
x y y 3 z z z 1
两类试验方法的模量比较
三轴压缩 • 土的变形模量随 竖向压力的增加 而减小，即土的 压缩性增大 • 侧限压缩 • 土的侧限变形模 量随竖向压力的 增加而增大，即 土的压缩性减小
对于紧砂、超固结粘土，受剪 时土体颗粒移动要翻越另一些 颗粒，而且常常出现叠、架现 象而不易填充到其临近的孔隙 中，于是就出现剪切体胀现象。
三轴剪试验的特殊现象：

A C B
1、应变硬化型曲线： 曲线A总是呈上升的趋势直至 破坏----软土和松砂。 2、应变软化型曲线： 曲线B先是呈上升的趋势，当 应力达到峰值后又转为下降趋 势直至破坏----超固结粘性土 和密实砂土。
非线弹性

1
2

土的本构模型简介：
弹塑性

4 1
3
2

2、变形模量：无侧限条件下
z E0 z
ΔσZ
1
E 加载
E0
or
d d
线弹性体
单位：KPa ,MPa εZ
Δσ
变形模量又分为：
切线变形模量Et
割线变形模量Ese 初始变形模量Ei
曲线
P
0.6
0
100
200 300 400 P
S
p1
p2
Si ei e0 (1 e0 ) H0
e0
e
t
e1 e2
s2
s3
e3
s1
t
压缩系数：曲线上任一点的切线斜率 e
1.0 0.9
e a '
e
'
0 100
Kpa-1，Mpa-1
压缩性不同的土，其压缩曲线的形 状是不一样的。曲线愈陡，说明随 着压力的增加，土孔隙比的减小愈 显著，因而土的压缩性愈高。
大孔隙消失 接触点颗粒破碎 颗粒相对滑移 扁平颗粒断裂
体应变主要是由于孔隙体积变化引起的； 剪应变主要是由于土颗粒的大小和排列形态变化引起的。
三轴剪试验的特殊现象： （1）土体的剪胀与剪缩
f f
z V
剪切体缩
z V
剪切体胀
由于孔隙的存在，土体受剪切 时颗粒有相互错动位移的趋势， 同时体积发生体积变形和剪切 变形。对于松砂、正常固结土 土体颗粒易于移动而填充到其 临近的孔隙中，于是就发生剪 切体缩现象。
体变
孔隙水压力 孔隙水压力
三轴压缩剪切试验的应力－应变关系
以某种粘土固结排水试验为例：

•与围压有关 •非线性 •弹塑性 •剪胀性
v
土受力以后为什么会表现出上述变形特性？ ——土的特殊性
弹性变形：

塑性变形

接触点处弹性变形 弹性挠曲变形 颗粒滚爬的可逆性 封闭气泡受压
0.8
0.7 0.6
200 300 400 P
一般研究土中某点由原来的自重应力 p1增加到外 荷作用下的土中应力 p2 (自重应力与附加应力之 和 ) 这一压力间隔所表征的压缩性时，土的压缩 性可用割线斜率代替。
e
1.0 0.9
e a '
e
'
0 100 200 300 400 P
• 杠杆式压缩仪： • 400～600kpa • 高压固结仪： • 1600~5000kpa
百分表 传压板 水槽
环刀
内环 透水石 试样 透水孔
•施加荷载，静置至变形稳定 •逐级加大荷载
试验结果：
P
p1
测定： 轴向应力 轴向变形 百分表
p2
t
S
传压板 水槽 环刀
e0
e
e1
e2
s2
s3
e3
s1
t
透水石 试样
初始(瞬时)沉降Sd
沉降(cm)
Sd
固结沉降Sc 次固结沉降Ss
200 250 300 350 400
Sc
S ＝Sd十Sc十Ss
450 500
Ss
一、侧限（单向）压缩试验：
单向固结仪：
应力状态： 1´＝ Z 2´＝K0 Z 3´＝K0 Z
应变特性： Z x=0 y=0
测定： 轴向应力 轴向变形
a1-2常用作比较土的 压缩性大小
土的类别 高压缩性土 a1-2 (MPa-1) ≥0.5
0.8
0.7 0.6
中压缩性土
低压缩性土
0.1～0.5
<0.1
e
1.0 0.9
' Es z
侧限压缩模量,KPa ,MPa
e z 1 e0
压缩模量：
0.8
0.7 0.6 0
e
S e e0 (1 e0 ) H0
三相草图
S e e0 (1 e0 ) H0
Si ei e0 (1 e0 ) H0
(1): 各级压力与其相应的稳定孔隙比的关系 曲线，简称ep曲线。 (2): elgp曲线、 elnp曲线。
（1）e – P
e
1.0 0.9 0.8 0.7