土力学-第5章土的压缩性

s -s
1
3
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4
1
32
弹塑性
e1
12
§5土的压缩性 §5.1概述
外因：
地
1.建筑物荷载作用，这是普遍存在的因素；
基
2.地下水位大幅度下降，相当于施加大面积荷载；
土 产
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；
生
6.浸水下沉，如黄土湿陷，填土下沉。
二、侧限压缩试验
1、侧限压缩仪（固结仪）
变形测量 固结容器
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
加 压
变形测量设备
设
支架
备
21
§5土的压缩性 §5.2固结试验及压缩性指标
22
§5土的压缩性 §5.2固结试验及压缩性指标
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§5土的压缩性
二、侧限压缩试验
在每一级荷载作用下，如连续2小时内每小 时的s≤0.01mm，则认为土样在该级荷载作用 下压缩稳定。可施加下一级荷载。
Si由百分表测得。 由推导公式可由si ei
p
s
Vv＝e0 Vs＝1
H1
Vv＝e Vs＝1
土样在压缩前后变 形量为s，整个过 程中土粒体积和底 面积不变
H1/(1+e)
H0 H0/(1+e0)
土粒高度在受
H0 H1
压前后不变
1 e0 1 e
整理
其中
e0＝Gs
(1
w0
0
)
w
-1
e
e0
-
s H0
(1
e0 )
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§5土的压缩性 §5.2固结试验及压缩性指标
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§5土的压缩性 §5.2固结试验及压缩性指标
轴对称问题 特殊应力状态
一维问题
常规三轴试验 室内试验
侧限压缩试验
理论拓展、经验积累
一般应力状态 原状土
荷载试验 旁压试验 标准贯入试验
室外试验
静力触探试验
试验目的：变形、强度特性 17
§5土的压缩性 §5.2固结试验及压缩性指标
一、常规三轴试验 二、侧限压缩试验
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§5土的压缩性
一、常规三轴试验
§5.2固结试验及压缩性指标 轴向加压杆
s1 - s3 有机玻璃罩
s3
试 样
s3
橡皮膜
s3
压力水
顶帽 压力室
透水石 排水管
阀门
量测体变或孔压
类型 固结排水
施加σ3时 施加σ1－σ3时 量测
固结
排水
体变
固结不排水
固结
不排水 孔隙水压力
不固结不排水 不固结
不排水 孔隙水压力
压
缩
•内因：
的
•1.固相矿物本身压缩，极小，物理学上有意义，对建
原
• 筑工程来说没有意义的；
因
•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。
13
§5土的压缩性 §5.1概述
土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性
地基：20多米厚的粘土
3
Kiss
由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触
4
§5土的压缩性
基坑开挖，引起阳台裂缝 5
修建新建筑物：引起原有建筑物开裂 6
§5土的压缩性
高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除
7
建筑物立面高差过大
8
§5土的压缩性
47m
39
87
150
194 199
175
沉降曲线(mm)
✓ 大孔隙消失
▪ 塑性变形 ✓ 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。
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§5土的压缩性 §5.1概述
土的本构模型
s1 - s3 sf 1
E
线弹性-理想塑性 e1
s1 - s3 1 2
非线性弹性 e1
§5土的压缩性
概述
§5.1概述
土具有变形特性 荷载作用 地基发生沉降
荷载大小 土的压缩特性
一致沉降
差异沉降
（沉降量） （沉降差）
建筑物上部结构产生附加应力
地基厚度
土的特点 （碎散、三相）
沉降具有时间效应－沉降速率 影响结构物的安全和正常使用
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§5土的压缩性
§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
建筑物过长：长高比7.6:1
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§5土的压缩性 §5.1概述
如果在地基上修建建筑物，地基土内各点不仅要承受土体本 身的自重应力，而且要承担由建筑物通过基础传递给地基的荷载 产生的附加应力作用，这都将导致地基土体的变形。
土体变形可分为：体积变形和形状变形。 本章只讨论由正应力引起的体积变形，即由于外荷载导致地基 内正应力增加，使得土体体积缩小。
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§5土的压缩性
一、常规三轴试验
§5.2固结试验及压缩性指标
固结排水试验
应力应变关系－以正常固结粘土为例
s1 - s3
1
1
Et
Ei
•与围压有关 •非线性 •剪胀性 •弹塑性
变形模量：E s z s1 e z e1
≠弹性模 量
e1
泊松比： - e x - e 3 e z e1
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§5土的压缩性 §5.2固结试验及压缩性指标
第五章
土的压缩性
1
§5土的压缩性
本章特点
• 有一些较严格的理论 • 有较多经验性假设和公式
学习要点
• 强调物理意义及实际应用 • 主线：一维压缩问题 • 工程中的假定
主要难点 • 应力历史及先期固结压力
2
§5土的压缩性
工程实例
墨西哥某宫殿
问题： 沉降2.2米， 且左右两部分 存在明显的沉 降差。
在附加应力作用下，地基土将产生体积缩小，从而引起建筑物 基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降。
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§5土的压缩性 §5.1概述
土变形的物理机制（原因）
土受力以后为什么会表现出上述变形特性？
——土的特殊性
▪ 剪胀性 ✓ 碎散性 ▪ 与围压有关
▪ 记忆性 ✓ 结构性
▪ 弹性变形
✓ 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
压缩量的组成
固体颗粒的压缩 土中水的压缩
占总压缩量的1/400不到， 忽略不计
空气的排出
压缩量主要组成部分
水的排出
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
透水性好，水易于排出
压缩稳定很快完成
粘性土 透水性差，水不易排出 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14
2、试验方法
§5.2固结试验及压缩性指标
•施加荷载，静置至变形稳定 •逐级加大荷载
试验结果：
测定： 轴向应力 轴向变形
百分表
P
P3
P2
P1
es
e0
e1 e2 s1 s2
t
s3 e3
t
透水石
传压板 水槽 环刀 内环
试样
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§5土的压缩性 §5.2固结试验及压缩性指标
3.e-p曲线 研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律