第5章土的壓縮性

第五章土的壓縮性土木與建筑工程學(xué)院1自重應(yīng)力壓縮穩(wěn)定附加應(yīng)力導(dǎo)致地基土體變形體積變形形狀變形形狀變形主要由剪應(yīng)力引起，當(dāng)剪應(yīng)力超過一定限度時，土體將產(chǎn)生剪切破壞，此時的變形將不斷發(fā)展。通常在地基中是不允許發(fā)生大范圍剪切破壞的。討論重點由正應(yīng)力引起，會使土的體積縮小壓密，不會導(dǎo)致土體破壞2土的壓縮性：在外力作用下土體積縮小的特性稱為土的壓縮性。土體受外力作用發(fā)生壓縮變形包括三部分：（1）土固體顆粒自身變形；（2）孔隙水的壓縮變形；（3）土中水和氣從孔隙中被擠出從而使孔隙體積減小。一般工程土體所受壓力為100～600kPa，顆粒的體積變化不及全部土體積變化的1/400，可不予考慮；水的壓縮變形也很小，可以忽略。所以，土的壓縮變形，主要是由于孔隙體積減小而引起的。因此，土的壓縮過程可看成是孔隙體積減小和孔隙水或氣體被排出的過程。3土的壓縮性包含了兩方面的內(nèi)容：（1）最終壓縮變形量---引起建筑物的最終沉降量或變形量（2）壓縮變形隨時間而變化的過程---土的固結(jié)對于粘性土，其透水性很差，在荷載作用下，土中水和氣體只能慢慢地排出。因此，粘性土的固結(jié)過程所需的時間比砂土和碎土長得多，有時需十幾年或幾十年才能完成。對于透水性較大的砂土和碎石土，在荷載作用下，孔隙中的水很快排出了。因此，其固結(jié)過程在很短的時間內(nèi)就可結(jié)束。45適用條件：大面積均布荷載，或

土層不太厚。試驗儀器：壓縮儀（固結(jié)儀）。試驗過程：如圖示。試驗結(jié)果：ｅ～ｐ曲線。01002003004000.60.70.80.91.0e固結(jié)實驗及壓縮性指標(biāo)一、固結(jié)試驗6壓縮曲線是室內(nèi)壓縮實驗的成果，它是土的孔隙比e與所受壓力P的關(guān)系曲線。（5-1）a（5-1）b（5-1）c式中:e0=ds（1+ω0)(ρw/ρ0)-1∵壓縮前后Vs、A均不變∴有：固結(jié)實驗及壓縮性指標(biāo)一、固結(jié)試驗7壓縮系數(shù)是表征土壓縮性大小的主要指標(biāo)固結(jié)實驗及壓縮性指標(biāo)二、土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)02004000.60.81.0ededpP1、壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)：曲線上任一點的切線斜率。可表示為：式中負號表示隨著壓力p的增加，e逐漸減少。壓縮性不同的土，其壓縮曲線的形狀是不一樣的。曲線愈陡，說明隨著壓力的增加，土孔隙比的減小愈顯著，因而土的壓縮性愈高。8固結(jié)實驗及壓縮性指標(biāo)二、土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)1、壓縮系數(shù)為了實用方便，一般研究土中某點由原來的自重應(yīng)力p1增加到外荷作用下的土中應(yīng)力p2

(自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和)這一壓力間隔所表征的壓縮性，土的壓縮性可用割線斜率代替，則：式中：a—土的壓縮系數(shù)，MPa-1；

p1—地基某深度處土中豎向自重應(yīng)力，MPa；

p2—地基某深度處土中自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和，MPa；

e1—相應(yīng)于p1作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比；

e2—相應(yīng)于p2作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比。9固結(jié)實驗及壓縮性指標(biāo)二、土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)1、壓縮系數(shù)為了便于應(yīng)用和比較，通常采用壓力由p1＝100kPa增加到p2＝200kPa時所得的壓縮系數(shù)a1-2來評定土的壓縮性：

a1-2<0.1MPa-1時，低壓縮性土0.1≤a1-2<0.5MPa-1時，中壓縮性土

a1-2≥0.5MPa-1時，高壓縮性土10粘性土的Cc值一般在0.1—1.0之間固結(jié)實驗及壓縮性指標(biāo)二、土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)2、壓縮指數(shù)11（5-7）固結(jié)實驗及壓縮性指標(biāo)三、土的壓縮模量和體積壓縮指數(shù)1、土的壓縮模量壓縮模量(側(cè)限壓縮模量）：土在完全側(cè)限條件下的豎向附加壓應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變增量之比值（MPa)。即：12定義：土體在側(cè)限條件下體積應(yīng)變與豎向壓應(yīng)力增量的比值。即：物理意義：在單位壓力增量作用下，土體單位體積的體積

變化。固結(jié)實驗及壓縮性指標(biāo)三、土的壓縮模量和體積壓縮指數(shù)2、體積壓縮系數(shù)（mv）13土的壓縮變形由彈性變形和殘余變形兩部分組成，其中以殘余變形為主。回彈指數(shù)ce回彈模量EeCe<<Cc，一般Ce≈0.1-0.2Cc固結(jié)實驗及壓縮性指標(biāo)四、回彈曲線和再壓縮曲線1415先期固結(jié)壓力：歷史上所經(jīng)受到的最大壓力p（指有效應(yīng)力）s=z：自重壓力p=s：正常固結(jié)土p>s：超固結(jié)土p<s：欠固結(jié)土OCR=1：正常固結(jié)OCR>1：超固結(jié)OCR<1：欠固結(jié)相同σs時，一般OCR越大，土越密實，壓縮性越小超固結(jié)比：應(yīng)力歷史對壓縮性的影響一、沉積土（層）的應(yīng)力歷史16在a、b、c三個土層現(xiàn)有地面以下同一深度z處，土的現(xiàn)有應(yīng)力相同，但是由于它們經(jīng)歷的應(yīng)力歷史不同，因而在壓縮曲線上處于不同的位置：（1）正常固結(jié)土：它在沉積過程中巳從e0開始在自重應(yīng)力作用下沿現(xiàn)場壓縮曲線至a點固結(jié)穩(wěn)定。（2）超固結(jié)土：它曾在自重應(yīng)力力作用下沿現(xiàn)場壓縮曲線至b點，后因上部土層沖蝕，現(xiàn)巳回彈穩(wěn)定在b’點（3）欠固結(jié)土：由于在自重應(yīng)力作用下還未完全固結(jié)．日前它處于現(xiàn)場壓縮曲線上的c點。應(yīng)力歷史對壓縮性的影響一、沉積土（層）的應(yīng)力歷史17若對三種土再施加相同的固結(jié)應(yīng)力p，那么：（1）正常固結(jié)和欠固結(jié)土：將分別由a和c點沿現(xiàn)場壓縮曲線至d點固結(jié)穩(wěn)定，（2）超固結(jié)土：則由b’點沿觀場再壓縮曲線至d點固結(jié)穩(wěn)定。顯然，三者的壓縮量是不同的，其中欠固結(jié)土最大，超固結(jié)土最小，而正常固結(jié)土則介于兩者之間。應(yīng)力歷史對壓縮性的影響一、沉積土（層）的應(yīng)力歷史18先期固結(jié)壓力σp的確定：

Casagrande法（1936）(f)B點對應(yīng)于先期固結(jié)壓力p(b)作水平線m1(c)作m點切線m2(d)作m1,m2的角分線m3(e)m3與試驗曲線的直線段交于點B(a)在e-lgσ’壓縮試驗曲線上，找曲率最大點meABCDmrmin123p應(yīng)力歷史對壓縮性的影響一、沉積土（層）的應(yīng)力歷史19應(yīng)力歷史對粘土的壓縮性具有較大的影響，而鉆探取樣獲得土樣經(jīng)過擾動或應(yīng)力釋放，在實驗室內(nèi)得到的壓縮曲線已經(jīng)不能代表地基中現(xiàn)場壓縮曲線，所以壓縮曲線的起始段實際上是一條再壓縮曲線。因此必須對室內(nèi)固結(jié)試驗所得的壓縮曲線進行修正，得到符合原位土體壓縮性的現(xiàn)場壓縮曲線，由此計算得到的地基沉降才會更符合實際。應(yīng)力歷史對壓縮性的影響二、初始(原始)壓縮曲線20二、初始(原始)壓縮曲線應(yīng)力歷史對壓縮性的影響21一般可假定取樣過程中試樣不發(fā)生體積變化，即試樣的初始孔隙比e0就是它的原位孔隙比；由e0

和pc值，在e~logp坐標(biāo)上定出b點，此即試樣在原始壓縮的起點；從縱軸坐標(biāo)0.42e0

處作一水平線交室內(nèi)壓縮曲線于c點,連接bc即為所求的原始壓縮曲線。應(yīng)力歷史對壓縮性的影響二、初始(原始)壓縮曲線若pc=p1，則試樣是正常固結(jié)土，它的原始壓縮曲線推求:22超固結(jié)土原始壓縮曲線推求:(1)先作b1點，其橫、縱坐標(biāo)分別為試樣的現(xiàn)場自重壓力p1

和現(xiàn)場孔隙比e0；

(2)過b1點作一直線，其斜率等于室內(nèi)回彈曲線與再壓縮曲線的平均斜率，該直線與通過B點垂線(其橫坐標(biāo)相應(yīng)于先期固結(jié)壓力值)交于b

點,b1

b就作為原始再壓縮曲線。其斜率為回彈指數(shù)Ce；

(3)作c點，由室內(nèi)壓縮曲線上孔隙比等0.42e0處確定；

(4)連接bc直線，即得原始壓縮曲線的直線段，取其斜率作為壓縮指標(biāo)Cc。

若pc＞p1

，則試樣是超固結(jié)土。由于超固結(jié)土前期固結(jié)壓力pc減至現(xiàn)有有效應(yīng)力p1期間曾在原位經(jīng)歷了回彈。因此，當(dāng)超固結(jié)土后來由受到外荷引起的附加應(yīng)力p時，它開始將沿著原始再壓縮曲線壓縮。如果p較大，超過(pc－p1)，它才會沿原始壓縮曲線壓縮。應(yīng)力歷史對壓縮性的影響二、初始(原始)壓縮曲線23若pc＜p1，則試樣是欠固結(jié)土，由于自重作用下的壓縮尚未穩(wěn)定，實質(zhì)上屬于正常固結(jié)土一類，它的現(xiàn)場壓縮曲線的推求方法完全與正常固結(jié)土一樣。應(yīng)力歷史對壓縮性的影響二、初始(原始)壓縮曲線2425淺層平板載荷試驗變形模量—土體在無側(cè)限條件下，豎向應(yīng)力與豎向應(yīng)變的比值。試驗設(shè)備加荷穩(wěn)定裝置反力裝置觀測裝置土的變形模量一、淺層平板載荷試驗及變形模量26變形模量E0計算（4-9）ω——沉降影響系數(shù)，對剛性承壓板應(yīng)取ωr=0.886（方形壓板）或 0.785（圓形壓板）b——承壓板的邊長或直徑（m）p1——所取定的比例界限荷載（kpa）s1——與所取定的比例界限荷載p1相對應(yīng)的沉降，有時p-s曲線不出現(xiàn)

起始的直線段，可取s1=(0.010~0.015)

b(低壓縮性土取低值，

高壓縮性土取高值)土的變形模量一、淺層平板載荷試驗及變形模量27土的變形模量一、淺層平板載荷試驗及變形模量28變形模量（E0）與壓縮模量（Es）的關(guān)系如果假定土體的應(yīng)力應(yīng)變符合線性關(guān)系（彈性體），根據(jù)廣義虎克定律可以證明E0與Es之間有以下關(guān)系：μ可由