固结(高等土力学)

参考书

《土工原理》 殷宗泽编著 《高等土力学》李广信主编

1. 土的压缩性和影响因素

土的压缩性是指土体在压力作用下体积缩小的特性 • 土体产生体积缩小的原因：

(1)

孔隙水和孔隙气体的排出

(2)孔隙水和孔隙气的压缩(3)固体颗粒的压缩 (4)孔隙气体的溶解

试验研究表明，在一般压力（100～600kPa ）作用下，土粒和水的压缩量与土体的压缩总量之比（小于1/400）可以忽略不计，封闭的气泡很少量压缩也可忽略不计。

土的压缩实际上是由于孔隙水和孔隙气体的排出，孔隙体积缩小，土粒调整位置，重新排列，互相挤紧（土骨架变形）

影响土压缩性的主要因素

土的组成和结构状态

• 土粒粒径大小、成分 • 土体结构 • 有机质 • 孔隙水

环境影响

• 应力历史 • 温度

密实型

松散型

粗粒土基本上是单粒结构。在压力作用下，土粒发生滑 动与滚动，位移到比较密实、更稳定的位置。土的级配越好，密度愈高，压缩量愈小。如果压力较大，其压缩 有可能是部分土粒被压碎。

土体结构影响

本章提要

1. 土的压缩性和主要影响因素

2. 土的固结和固结试验

3. 一维固结理论

4. 三维固结理论

5. 次固结和流变

6. 沉降的计算方法

7. 工程应用问题和实例

高等土力学

土的固结理论

什么是土的固结？

在荷载作用下，饱和土体孔隙中的水逐渐排出，土的骨架颗粒相互挤紧，土体发生压缩变形，这一现象称为土的固结。

饱和土（土骨架+孔隙水)

关注两个问题： 压缩大小（压缩性）、快慢（固结特性）

2. 固结试验

Oedometer Test 常规固结试验/侧限压缩试验/Ko 压缩试验/单向压缩试验 Rowe Cell 固结仪

恒应变速率试验（Constant Rate of Strain ，CRS)

固结仪

11

12

有机质影响

土中有机质主要为纤维素和腐殖质，其存在使土体的压缩性与收缩性增大，对强度也有影响。

• 举例：天然泥炭与泥炭质土（含水率很高，孔隙比大，比重低， 液、塑限大），压缩性极高，但固结较快。

在加荷后很短时间内，即完成大部分压缩；

随着荷载加大，压缩量急剧增加

细粒土土粒大多呈扁平鳞片状，其典型结构有两种：絮凝结构与分散结构。

絮凝结构的沉积粘土的变形，往往是颗粒相互滑移到新稳定位置和土粒发生弹性挠曲的结果。

分散结构的粘土颗粒接近于平行排列。这类土的压缩变形，主要由于颗粒间的水被挤出所引起。人工压密土的结构，多属此型。

隙比：

固结曲线/压缩过程曲线

h

i 0

i

∑∆h

e =e -(1+e )

各级压力下试样固结稳定后的孔

e =

(1 +w0 )G s w

-1

试验成果

初始孔隙比计算公式：

e-p 曲线

p2=200kPa，

1-2 p -p 作为

2 1

评价土层压缩性的标准，其中p1=100kPa，

指标随应力变化

工程上压缩系数一般取 a =

e

1

-e

2

p2 -p1

=

e1 -e2

(MPa-1)

1. 压缩系数 a =-de / dp

压缩性指标

3. 体积压缩系数coefficient of

volume compressibility

m

v

= 1 / E

s

=a / (1+e

1

)

模量=应力增量/应变

1 1

2 1

(MPa)

∆p ∆p 1 +e1

E

s

=

∆H / H

=

(e -e ) /(1+e )

=

a

2. 压缩模量（侧限压缩模量）

Log10()C e

6. 再压缩指数C r

这三个指标可认为是常数

压缩指数值越大，土的压缩性越高。

低压缩性土的压缩指数一般小于0.2

压缩指数大于0.4为高压缩性土。

5. 回弹指数Expansion index

∆(lg p)

c

C =

4. 压缩指数Compression index

∆e

固结仪/Oedometer

快速固结试验:每级压力固结1h

1—水槽2—护环3—环刀4—导环5—透水板

6—加压盖7—位移计导杆8—位移计架9—试样

试样不能产生侧向变形

试验步骤：

•逐级加压，12.5\25\50、

100\200\400\800\1600\3

200kPa

•每级压力下固结24h

•为测定压缩速率，加压后

按时间读数至24h

土工试验方法标准(GB/T50123-1999)

BS1377(part 5)

常规固结试验

13

Rowe Cell 中不同排水条件

常规固结试验不能测水平向固结系数

恒应变速率压缩试验(CRS)

常规固结试验的缺点：

•每一级荷载固结24小时，有次压缩的影响

•通常需要1至2个星期完成一个试验

•测点（荷载）较疏，当压缩曲线e-log(p)比较平缓时，很难确定先期固结压力pc’

Rowe Cell固结仪

Rowe, P.W., Barden, L., 1966. A new consolidation cell. Geotechnique, 16(6):162-170.

改进的固结仪

施加荷载方式好，由加荷

产生的变形可忽略

压力传感器测量试件的水

压

试样尺寸大，可达到直径

250mm，高100mm

可设置不同排水条件，测

不同方向排水固结系数

u