第5章

土的壓縮性Compressibilityofsoils第5章

土的壓縮性?

5.1概述?

5.2土的變形特性?

5.3固結試驗及壓縮性指標?

5.4應力歷史對土的壓縮性的影響?

5.5土的壓縮性原位測試?

5.6小結土力學廈門大學

土木系25.1概述本章介紹土的壓縮性。不少建筑工程事故都是土的壓縮性高或壓縮性不均勻，引起地基嚴重沉降或不均勻沉降造成的。?

地基土層產生變形，其內因是土具有壓縮性，外因主要是建筑物荷載的作用。因此，為了計算地基的沉降，就必須研究土體的壓縮性，同時要研究在上部荷載作用下地基土中應力分布情況。?

本章內容：固結試驗及壓縮性指標，應力歷史對壓縮性影響、原位測試測定變形模量等。土力學廈門大學

土木系3第5章

土的壓縮性?

5.1概述?

5.2土的變形特性?

5.3固結試驗及壓縮性指標?

5.4應力歷史對土的壓縮性的影響?

5.5土的壓縮性原位測試?

5.6小結土力學廈門大學

土木系45.2土的變形特性?

一、土的壓縮性?

二、地基土產生壓縮的原因?

三、飽和土體壓縮過程土力學廈門大學

土木系55.2土的變形特性?????一、土的壓縮性——土在壓力作用下體積縮小的特性。二、地基土產生壓縮的原因1

外因（1）建筑物荷載作用，這是普遍存在的因素；（2）地下水位大幅度下降，相當于施加大面積荷載σ

=

(γ

?

γ

′)h（h是水位下降值）；????（3）施工影響，基槽持力層土的結構擾動；（4）振動影響，產生震沉；（5）溫度變化影響，如冬季冰凍，春季融化；（6）浸水下沉，如黃土濕陷，填土下沉。土力學廈門大學

土木系65.2土的變形特性??2

內因（1）固相礦物本身壓縮，其值很小，工程上無意義，即可以忽略礦物本身壓縮值；??（2）土中液相水的壓縮，其值也很小，可忽略不計。（3）土中孔隙的壓縮，土中水與氣體受壓后從孔隙中擠出，使土的孔隙減小。?建筑物荷載作用是外因的主要因素，通過土中孔隙的壓縮這一內因產生壓縮變形（沉降）。即土的壓縮主要是土孔隙的變化引起的。土力學廈門大學

土木系75.2土的變形特性?

三、飽和土體壓縮過程?飽和土的孔隙中全部充滿水，土中的水被擠出的同時土中的孔隙減小，即土的壓縮與孔隙中水的擠出是同時發生的。由于土顆粒較細，孔隙更細，土中的水從孔隙中擠出需要相當長的時間，這個過程稱為土的滲流固結過程。?土的固結——土的壓縮隨時間而增長的過程。土力學廈門大學

土木系8第5章

土的壓縮性?

5.1概述?

5.2土的變形特性?

5.3固結試驗及壓縮性指標?

5.4應力歷史對土的壓縮性的影響?

5.5土的壓縮性原位測試?

5.6小結土力學廈門大學

土木系95.3固結試驗及壓縮性指標?

一、側限壓縮試驗?

二、側限壓縮指標?

三、回彈曲線與再壓縮曲線土力學廈門大學

土木系10一、側限壓縮試驗?

側限條件——指側向限制不能變形，只有豎向單向壓縮的條件。?

土的壓縮性的高低，常用壓縮性指標描述。壓縮性指標通常由工程地質勘察取天然結構的原狀土樣進行側限試驗測定。側限壓縮試驗又稱壓縮試驗或固結試驗?

1

試驗儀器?

壓縮儀（固結儀）土力學廈門大學

土木系11一、側限壓縮試驗壓縮容器示意圖壓縮儀示意圖土力學廈門大學

土木系12一、側限壓縮試驗?

2

試驗方法?（1）切取一環刀原狀土樣，用天平稱質量；?（2）裝樣：先裝下透水石，再將試樣裝入剛性護環，然后加上透水石和加壓板，安裝測微計并調零。土樣上下各墊一塊透水石，受壓后土中水可自由排出。由于環刀和剛性護環的限制，土樣在壓力作用下只發生豎向壓縮而無側向變形。土力學廈門大學

土木系13一、側限壓縮試驗?（3）加上杠桿，土樣在天然狀態下或經人工飽和后，進行逐級加壓固結。一般工程壓力等級為25、50、100、200、300、400、800kpa。??（4）用測微計（百分表）按一定時間間隔測記每級荷載施加后的讀數。（5）計算每級壓力穩定后試樣的孔隙比。?

3

試驗計算分析?計算各級壓力穩定后孔隙比的變化。土力學廈門大學

土木系14一、側限壓縮試驗??利用土粒體積不變和橫截面積不變求壓縮后孔隙比e。H壓縮試驗前：

=H0s+1

eP0sH

?

s?壓縮試驗后：

=H0s1

e+H0HVsHsVsse

=

e

?

(1+

e

)??則00H0測定土樣在各級壓力作用下的穩定壓縮量s后，可按上式算出相應的孔隙比e。繪制土的壓縮曲線。土力學廈門大學

土木系15一、側限壓縮試驗?

4

試樣結果?（1）采用直角坐標系，以孔隙比e為縱坐標，以有效應力p為橫坐標，繪制e-p曲線。常規試驗中一般按p＝50，100，200，300，400kpa五級加載。??（2）采用半對數坐標，以孔隙比e為縱坐標，取p的常用對數取值為橫坐標，繪制e-lgp曲線。e－p曲線為上凹曲線，e－lgp曲線為下凹曲線。e－lgp曲線在低應力時平緩，隨壓力增大而變陡，并成一條斜直線。曲線隨試樣擾動程度加大而變平緩。土力學廈門大學

土木系16一、側限壓縮試驗土力學廈門大學

土木系175.3固結試驗及壓縮性指標?

一、側限壓縮試驗?

二、側限壓縮指標????1

壓縮系數2

壓縮指數3

壓縮模量4

壓縮模量與壓縮系數之間關系?

三、回彈曲線與再壓縮曲線土力學廈門大學

土木系181

土的壓縮系數a?

1

土的壓縮系數a?壓縮系數——壓縮曲線上任一點的切線斜率。dedpΔ?e

e

ea

=

?a

tg=

β

=

=12e0e1e2Δp

p

p?21M1ΔeM2??單位：Mpa-1，kpa-1

。壓縮系數越大，土的壓縮性越大。Δpαp1p2土力學廈門大學

土木系191

土的壓縮系數a?根據壓力段100kPa～200kPa時的壓縮系數來評價土的壓縮性的指標：α0

1<

.

MPa

?

1低壓縮性土1

?

21

?

21

?

2.

≤

α0

10

5<

.

MPa

?

1中等壓縮性土高壓縮性土α0

5≥

.

MPa

?

1?

2

壓縮指數Cc?如果e-p曲線繪制成半對數壓縮曲線e-logp曲線時，此曲線開始一段呈曲線，其后很長一段為直線段。將后段接近直線的斜率稱為壓縮指數Cc。土力學廈門大學

土木系202

土的壓縮系數Cce1

?e2e1

?e2Cc

==logp

logp

log(p

/

p

)?2121???分類：Cc<0.2

低壓縮性的土；0.2<Cc<0.4

中壓縮性的土；Cc>0.4

高壓縮性土。???特點：Cc的值不隨壓力而變。Cc值越大，土的壓縮性越高。土力學廈門大學

土木系213

土的壓縮模量Es?

3

壓縮模量Es（側限壓縮模量）??（1）定義壓縮模量Es——土在完全側限條件下的豎向附加應力與相應的應變增量之比。?彈性模量E——試件在受力方向的應力與應變之比。試驗的條件：側面不受約束，可以自由變形。??（2）計算上述側限壓縮試樣中，當豎向壓力由p1增加到，同時土樣的厚度由h

減小至h

時，則：12土力學廈門大學

土木系224

壓縮模量與壓縮系數的關系h1

?

h2Δp

=

p2

?

p1ε

=???壓力增量為豎向應變為zh1Δp

p

p?則側限壓縮模量為E

=

=

1

?

h12s

ε?h

hz12?

4

側限壓縮模量Es與壓縮系數a的關系ΔpΔHΔeE

=

→

ε

=

→

ΔH

=H1

→

Δe＝a

?

Δpsεv+H1

e1v11+

eEs

=1土的壓縮模量越小，土的壓縮性越高?α土力學廈門大學

土木系235.3固結試驗及壓縮性指標?

一、側限壓縮試驗?

二、側限壓縮指標?

三、回彈曲線與再壓縮曲線土力學廈門大學

土木系24三、回彈曲線和再壓縮曲線??1

回彈曲線——在室內壓縮試驗，如加壓到某一值后不再加壓，而逐級卸壓，則可觀察到土樣的回彈。若測得其回彈穩定后的孔隙比，可繪出相應的孔隙比與壓力的關系曲線，稱回彈曲線（膨脹曲線）。2

再壓縮曲線——土樣再壓力作用下壓縮變形，卸壓完畢后，又重新逐級加壓，可測得土樣在各級荷載下再壓縮穩定后的孔隙比，繪制相應的孔隙比與壓力的關系曲線。土力學廈門大學

土木系25三、回彈曲線和再壓縮曲線圖5-7土力學廈門大學

土木系26三、回彈曲線和再壓縮曲線?

3

曲線分析?土樣在壓力p

下壓縮變形，卸壓后土樣不能完全恢復i到a點處說明土的壓縮變形和殘余變形兩部分組成。（彈性變形和塑性變形），且以塑性變形為主。?再壓縮曲線的后半段df象原壓縮曲線的延續。?

4

應用?（1）有些基礎底面埋深較大，開挖基坑后地基減壓，土膨脹，基坑底回彈。因此，預估基礎沉降時應適當考慮坑底回彈影響。?（2）可用來分析應力歷史對土的壓縮性的影響。土力學廈門大學

土木系27第5章

土的壓縮性?

5.1概述?

5.2土的變形特性?

5.3固結試驗及壓縮性指標?

5.4應力歷史對土的壓縮性的影響?

5.5土的壓縮性原位測試?

5.6小結土力學廈門大學

土木系285.4應力歷史對土壓縮性的影響?

一、正常固結、超固結、欠固結的概念?

二、幾種固結土的現場原始壓縮曲線土力學廈門大學

土木系29一、正常固結、超固結、欠固結概念????先期固結應力——天然土層在歷史上所經受過最大的固結壓力。1

正常固結土——土層歷史上所經受的最大壓力等于現有覆蓋土重。大多數建筑物土層為正常固結土。2

超固結土——土層歷史上所經受的最大壓力大于現有覆蓋土重。3

欠固結土——土層歷史上所經受的最大壓力小于現有覆蓋土重。黃河入海口處，泥沙剛沉積下來不久，在自重作用下還沒達到固結。土力學廈門大學

土木系30一、正常固結、超固結、欠固結概念Pc=P1時，正常固結土Pc>P1時，超固結土Pc<P1時，欠固結土先前地面將來地面圖3-8?4

超固結比——Pc與P1之比。其值越大，超固結作用越大。確定先期固結壓力Pc常用卡薩格蘭德法。土力學廈門大學

土木系315.3固結試驗及壓縮性指標?

一、正常固結、超固結、欠固結的概念?

二、幾種固結土的現場原始壓縮曲線土力學廈門大學

土木系32二、幾種固結土的現場原始壓縮曲線1

前期固結壓力的確定（1）從e－logp曲線上找出曲率半徑最小的一點a，過a點作水平線1和切線2；（2）作1A2的角平分線3，與e－logp曲線中直線段的延長線相交于f點；（3）f點所對應的有效應力Pc。土力學廈門大學

土木系33二、幾種固結土的現場原始壓縮曲線Theprocedureofdeterminationthepreconsolidationpressure,pc,fromthelabevs.logpplot.1pointa—aminimumradiusofcurvature2drawahorizontallineabbααaf3drawthelineactangentatadg4drawthelineadwhichisthebisectoroftheanglebacc5projectthestraight-lineghbacktointersectadatfpch6theabscissaofpointfisthepcPressure,P(logscale)土力學廈門大學

土木系34二、幾種固結土的現場原始壓縮曲線?

2

正常固結土現場原始壓縮曲線（1）按卡薩格蘭德法求pc；（2）作b點（pc，e0）；（3）作c點，在室內壓縮曲線上縱坐標為0.42e0

；（4）連接作bc直線。這線段是原始壓縮曲線的直線段。其斜率為正常固結土的壓縮指數Cc。土力學廈門大學

土木系35NormallyConsolidatedClayeySoilpcie0b1Pointi(p

,e

)ααafc0Laboratoryd2

Point

j

(p,

0.42e0)compressioncurvegcVirgin3DrawlineijVirgincompressioncurve;slope=Cccompressioncurvej0.42e0hPressure,P(logscale)土力學廈門大學

土木系36二、幾種固結土的現場原始壓縮曲線?

3

超固結土的現場壓縮曲線（1）作b

（p

，e

），p

是01現場自重應力；11（2）過b1作斜率為回彈指數Ce，與過B點垂線交于b；（3）作c點，在室內壓縮曲線上縱坐標為0.42e0；（4）連接bc，其斜率為壓縮指數Cc。土力學廈門大學

土木系37OverConsolidatedClayeySoilVirgin1Pointk(p

,e

)p1recompressioncurve10kpcie02Pointi(pc,e)3Slopeik=Cs4DrawlineijbαafLaboratoryαdcompressioncurveVirgincompressioncurve;

slope=CsgcVirgincompressioncurvej5Pointj(p,0.42e0)6DrawlineijVirgincompressioncurve;slope=Cc0.42e0hPressure,P(logscale)土力學廈門大學

土木系38二、幾種固結土的現場原始壓縮曲線?

4

欠固結土的現場壓縮曲線?由于自重作用下的壓縮尚未穩定，只能近似按正常固結土的方法求原始壓縮曲線，從而定出壓縮系數Cc值。土力學廈門大學

土木系39第5章

土的壓縮性?

5.1概述?

5.2土的變形特性?

5.3固結試驗及壓縮性指標?

5.4應力歷史對土的壓縮性的影響?

5.5土的壓縮性原位測試?

5.6小結土力學廈門大學

土木系405.5土的壓縮性原位測試?

一、載荷試驗?

二、旁壓試驗土力學廈門大學

土木系415.5土的壓縮性原位測試??遇到下列情況，側限壓縮試驗就不適用：1

地基土為粉、細砂，取原狀土樣很困難，或地基為軟土，土樣取不上來。??2

土層不均勻，土試樣尺寸小，代表性差。針對上述情況，可采用原位測試方法加以解決。建筑工程中土的壓縮性的原位測試，主要有載荷試驗和旁壓試驗。土力學廈門大學

土木系42一、載荷試驗?

1

試驗裝置與試驗方法?

2

載荷試驗的結果?

3

地基應力與變形的關系?

4

地基承載力的確定?

5

地基土的變形模量E0計算?

6

載荷試驗的適用條件及優缺點?

7

地基土變形模量E

與壓縮模量E

之間的關系0s土力學廈門大學

土木系431

試驗裝置與試驗方法?（1）在建筑工地現場，選擇有代表性的部位進行載荷試驗。載荷試驗測試點一般在取試樣的技術鉆孔附近。地質構造簡單，l<10m。其它2m<l<5m。?（2）開挖試坑，深度為基礎設計埋深d，試坑寬度B≥3b，b為載荷試驗壓板寬度或直徑。承壓板面積不應小于0.25m2，對于軟土不應小于0.5m2。宜在擬試壓表面用不超過20mm厚粗、中砂找平。?（3）加荷裝置與方法：載荷平臺上直接加鑄鐵塊或砂袋等重物。試驗前先將堆載工作完成。試驗時通過控制千斤頂的油進行加載。?加荷穩壓裝置——承壓板、立柱、千斤頂、穩壓器；?反力裝置——地錨系統或堆重系統；?觀測裝置——百分表及固定支架。土力學廈門大學

土木系441

試驗裝置與試驗方法圖5-14土力學廈門大學

土木系451

試驗裝置與試驗方法???????（4）施加荷載：總荷載—接近預估地基的極限荷載第一級荷載p1=γD—接近開挖卸除土重，相應沉降量不計。每級荷載—較松軟土：10～25kpa較硬密土：50kpa加荷等級—>8級，最大加荷量>2倍（荷載設計值）（5）測記壓板的沉降量每級加荷后，按間隔10，10，10，15，15，30，30，30，30分鐘讀一次百分表的讀數。?（6）沉降穩定標準?當連續兩次測記壓板沉降量<0.1mm/h時，則認為沉降趨于穩定，可加下一級荷載。土力學

廈門大學

土木系461

試驗裝置與試驗方法??（7）終止加載標準：出現下列之一時即可終止加載①

沉降s急劇增大，p－s曲線上有可判定極限承載力的陡降段，且沉降量超過0.04d（d為承壓板直徑）。???②

在某一級荷載下，24小時內沉降速率不能達到穩定。③

本級沉降量大于前一級沉降量的5倍。④

當持力層土層堅硬，沉降量很小時，最大加載量不小于設計要求的2倍。?（8）極限荷載pu滿足終止加載標準①、②、③三種情況之一時，其對應?的前一級荷載定為極限荷載土力學

廈門大學

土木系472

載荷試驗的結果?

（1）繪制荷載－沉降曲線（p－s曲線）。?

（2）繪制沉降－時間曲線（s－t曲線）。土力學廈門大學

土木系483

地基應力與變形關系?荷載與沉降量典型曲線可分為三個變形階段：P0PuOP?（1）壓密階段：對應P—S曲線的oa段。此階段外加荷載較小，地基土以壓縮變形為主，壓力與變形之間基本呈線性關系。ab?（2）局部剪損階段：對應P—S曲線的ab段。這個階段，地基土部分區域發生了塑性極限平衡，但塑性區并未在地基中連成一片，地基基礎仍有一定的穩定性。cS土力學廈門大學

土木系493

地基應力與變形關系?（3）隆起階段：塑性流動階段。對應P—S曲線的bc段。該階段壓板以下兩側的地基塑性區貫通并連成一片，壓板兩側土體隆起。很小的荷載增量會引起基礎大的沉陷，這時變形主要不是由土的壓縮引起，而是由地基土的塑性流動引起。地基整體失去穩定性。?作用在基礎底面上的實際荷載不允許達到極限荷載，而應當具有一定的安全系數K。通常K取2～3。土力學廈門大學

土木系504

地基承載力的確定????（1）地基承載力特征值faki比例界限荷載——p-s曲線中直線段終點對應的荷載p0由載荷試驗結果確定地基承載力特征值faki方法如下：1）當p－s曲線上有比例界限a時，取該比例界限a點對應的荷載值；??2）當極限荷載p

能確定，且p

<2p

時，取0.5p

；0uuu3）不能按1、2確定時，壓板面積為0.25～0.50m2，取s/d=0.01～0.015所對應的荷載值，但其值不應大于加載量的一半。土力學廈門大學

土木系514

地基承載力的確定??（2）地基承載力特征值fak載荷試驗于同一土層進行的試驗點，不應少于三處。當試驗實測值的極差不得超過平均值的30％時，取此平均值作為該土層的地基承載力特征值fak，1f

=

(

f

+

f

+

f

)akak1ak

2ak33土力學廈門大學

土木系525

地基土的變形模量E0計算??（1）定義土的變形模量——土體在無側限條件下單軸受壓時的應力與應變比值。土的變形中包括彈性變形和殘留變形兩部分。??（2）計算公式可以通過載荷試驗所測點的地基沉降或土的變形與壓力之間近似比例關系，再利用地基沉降的彈性力學公式反算土的變形模量。p0b=

ω

?

μE

(1

)20s土力學廈門大學

土木系536

適用條件及優缺點???載荷試驗的適用條件：適合于淺土層上進行。載荷試驗的優缺點：優點：壓力影響深度達1.5-2b，能反映較大一部分土體的壓縮性。土樣受擾動小，土中應力狀態在承壓板較大時與實際情況較接近。?缺點：工作量大，設備架重，操作繁雜。費時且費用大。深層土試驗成果不易準確。土力學廈門大學

土木系547

變形模量與壓縮模量的關系?

變形模量E

與壓縮模量E

的關系0s??變形模量E0——土體在無側限條件下的應力應變比壓縮模量Es——土體在完全側限條件下的有效應力應變比E0

=

βEsμ22β

=

1?=

1?

2μK01?

μ土力學廈門大學

土木系55二、旁壓