第5章土的壓縮性

1、第五章 土的壓縮性土木與建筑工程學院土木與建筑工程學院15 土的壓縮性自重應力壓縮穩(wěn)定自重應力壓縮穩(wěn)定附加應力導致地基土體變形附加應力導致地基土體變形體積變形體積變形形狀變形形狀變形形狀變形主要由剪應力引起，當剪應力超形狀變形主要由剪應力引起，當剪應力超過一定限度時，土體將產(chǎn)生剪切破壞，此過一定限度時，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。允許發(fā)生大范圍剪切破壞的。討論重點討論重點由正應力引起，會使土的體積縮小壓密，由正應力引起，會使土的體積縮小壓密，不會導致土體破壞不會導致土體破壞25 土的壓縮性土的壓縮性：土

2、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。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：土體受外力作用發(fā)生壓縮變形包括三部分：（1 1）土固體顆粒自身變形；）土固體顆粒自身變形；（2 2）孔隙水的壓縮變形；）孔隙水的壓縮變形；（3 3）土中水和氣從孔隙中被擠出從而使孔隙體積減小。）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一般工程土體所受壓力為100100600kPa600kPa，顆粒的體積變化，顆粒的體積變化不及全部土體積變化的不及全部土體積變化的1/4001/400，可不予考慮；水的壓縮變，可不予考慮；水的壓縮變形也很

3、小，可以忽略。所以，土的壓縮變形，主要是由于形也很小，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?？紫扼w積減小而引起的。因此，土的壓縮過程可看成是孔因此，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。隙體積減小和孔隙水或氣體被排出的過程。35 土的壓縮性土的壓縮性包含了兩方面的內(nèi)容：土的壓縮性包含了兩方面的內(nèi)容：（1 1）最終壓縮變形量最終壓縮變形量-引起建筑物的最終沉降量引起建筑物的最終沉降量或變形量或變形量（2 2）壓縮變形隨時間而變化的過程壓縮變形隨時間而變化的過程-土的固結土的固結對于粘性土，其透水性對于粘性土，其透水性很差，在荷載作用下，土中水很差，在

4、荷載作用下，土中水和氣體只能慢慢地排出。因此，和氣體只能慢慢地排出。因此，粘性土的固結過程所需的時間粘性土的固結過程所需的時間比砂土和碎土長得多，有時需比砂土和碎土長得多，有時需十幾年或幾十年才能完成。十幾年或幾十年才能完成。對于透水性較大對于透水性較大的的砂土和碎石土砂土和碎石土，在荷，在荷載作用下，孔隙中的水載作用下，孔隙中的水很快排出了。因此，其很快排出了。因此，其固結過程在很短的時間固結過程在很短的時間內(nèi)就可結束。內(nèi)就可結束。45 土的壓縮性5固結實驗及壓縮性指標應力歷史對壓縮性的影響土的變形模量土的彈性模量5 土的壓縮性Pt1p2pSt1e2e0e3e1s2s3sel適用條件：適用條

5、件：大面積均布荷載，或大面積均布荷載，或土層不太厚。土層不太厚。l試驗儀器：試驗儀器：壓縮儀（固結儀）。壓縮儀（固結儀）。l試驗過程：試驗過程：如圖示。如圖示。l試驗結果：試驗結果：曲線。曲線。a(kP ) 0100200 3004000.60.70.80.91.0e e固結實驗及壓縮性指標固結實驗及壓縮性指標一、固結試驗一、固結試驗65 土的壓縮性v壓縮曲線壓縮曲線是室內(nèi)壓縮實驗的成果，它是土的孔隙比是室內(nèi)壓縮實驗的成果，它是土的孔隙比e e與所受與所受壓力壓力P P的關系曲線。的關系曲線。（5-15-1）a a（5-15-1）b b（5-15-1）c c式中式中: e0=ds（1+0)(w

6、/0)-1壓縮前后壓縮前后VsVs、A A均不變均不變有：有：固結實驗及壓縮性指標固結實驗及壓縮性指標一、固結試驗一、固結試驗75 土的壓縮性壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)是表征土壓縮性大小的主要指標是表征土壓縮性大小的主要指標固結實驗及壓縮性指標固結實驗及壓縮性指標二、土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)二、土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)02004000.60.81.0e edededpdpPP1 1、壓縮系數(shù)、壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)：壓縮系數(shù)：曲線上任一點的切線斜率。曲線上任一點的切線斜率?？杀硎緸椋嚎杀硎緸椋菏街胸撎柋硎倦S著壓力式中負號表示隨著壓力p的增加，的增加，e逐漸逐漸減少。壓縮性不同的土，其壓縮曲線的減少。壓縮性不同的土

7、，其壓縮曲線的形狀是不一樣的。曲線愈陡，說明隨著形狀是不一樣的。曲線愈陡，說明隨著壓力的增加，土孔隙比的減小愈顯著，壓力的增加，土孔隙比的減小愈顯著，因而土的壓縮性愈高。因而土的壓縮性愈高。dpdea85 土的壓縮性固結實驗及壓縮性指標固結實驗及壓縮性指標二、土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)二、土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)1 1、壓縮系數(shù)、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力為了實用方便，一般研究土中某點由原來的自重應力p1增加增加到外荷作用下的土中應力到外荷作用下的土中應力p2 (自重應力與附加應力之和自重應力與附加應力之和)這一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，壓力

8、間隔所表征的壓縮性，土的壓縮性可用割線斜率代替，則：則：式中：式中：a 土的壓縮系數(shù)，土的壓縮系數(shù)，MPa-1； p1 地基某深度處土中豎向自重應力，地基某深度處土中豎向自重應力，MPa； p2 地基某深度處土中自重應力與附加應力之和，地基某深度處土中自重應力與附加應力之和，MPa； e1 相應于相應于p1作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比；作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比； e2 相應于相應于p2作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比。作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比。1221ppeepea95 土的壓縮性固結實驗及壓縮性指標固結實驗及壓縮性指標二、土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)二、土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)1 1、壓縮系數(shù)、壓縮系數(shù)為了便于

9、應用和比較，通常采用壓力由為了便于應用和比較，通常采用壓力由p p1 1100kPa100kPa增加到增加到p p2 2200kPa200kPa時所得的壓縮系數(shù)時所得的壓縮系數(shù)a a1-21-2來評定土的壓縮性：來評定土的壓縮性： a1-2 0.1MPa-1時，低壓縮性土時，低壓縮性土0.1a1-20.5MPa -1時，中壓縮性土時，中壓縮性土 a1-2 0.5MPa -1時，高壓縮性土時，高壓縮性土105 土的壓縮性高壓縮性土低壓縮性土土的壓縮性越大。越大，壓縮指數(shù)曲線后段直線段的斜率4 . 02 . 0 lg-lg-logp-e 1221ccccCCCppeeC粘性土的粘性土的Cc值一般在

10、值一般在0.11.0之間之間固結實驗及壓縮性指標固結實驗及壓縮性指標二、土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)二、土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)2 2、壓縮指數(shù)、壓縮指數(shù)115 土的壓縮性0HHsEPe11eaeEs11pea（5-7）固結實驗及壓縮性指標固結實驗及壓縮性指標三、土的壓縮模量和體積壓縮指數(shù)三、土的壓縮模量和體積壓縮指數(shù)1 1、土的壓縮模量、土的壓縮模量壓縮模量壓縮模量(側限壓縮模量）側限壓縮模量）：土在完全側限條件下的豎向：土在完全側限條件下的豎向附加壓應力與相應的應變增量之比值（附加壓應力與相應的應變增量之比值（MPa)。即：。即：SE125 土的壓縮性定義：定義：土體在側限條件下體積應變與豎向壓應

11、力增量的土體在側限條件下體積應變與豎向壓應力增量的比值。即：比值。即：物理意義：物理意義：在單位壓力增量作用下，土體單位體積的體積在單位壓力增量作用下，土體單位體積的體積 變化。變化。固結實驗及壓縮性指標固結實驗及壓縮性指標三、土的壓縮模量和體積壓縮指數(shù)三、土的壓縮模量和體積壓縮指數(shù)2 2、體積壓縮系數(shù)（、體積壓縮系數(shù)（mmv v）135 土的壓縮性土的壓縮變形由土的壓縮變形由彈性變形彈性變形和和殘余變形殘余變形兩部分組成，其中兩部分組成，其中以以殘余變形為主殘余變形為主?；貜椫笖?shù)回彈指數(shù)ce回彈模量回彈模量EeCe s：超固結土：超固結土 p1：超固結超固結OCR1：欠固結欠固結相同相同s

12、時，一般時，一般OCR越大，越大，土越密實，壓縮性越小土越密實，壓縮性越小超固結比：超固結比：應力歷史對壓縮性的影響應力歷史對壓縮性的影響一、沉積土（層）的應力歷史一、沉積土（層）的應力歷史165 土的壓縮性在在a a、b b、c c三個土層現(xiàn)有地面以下同三個土層現(xiàn)有地面以下同一深度一深度z z處，土的現(xiàn)有應力相同，但處，土的現(xiàn)有應力相同，但是由于它們經(jīng)歷的應力歷史不是由于它們經(jīng)歷的應力歷史不同，因同，因而而在壓縮曲線上處于不同的位置：在壓縮曲線上處于不同的位置：（1 1）正常固結土）正常固結土：它在沉積過程中：它在沉積過程中巳從巳從e e0 0開始在自重應力作用下沿現(xiàn)場開始在自重應力作用下沿

13、現(xiàn)場壓縮曲線至壓縮曲線至a a點固結穩(wěn)定。點固結穩(wěn)定。（2 2）超固結土）超固結土：它曾在自重應力力：它曾在自重應力力作用下沿現(xiàn)場壓縮曲線至作用下沿現(xiàn)場壓縮曲線至b b點，后因點，后因上部土層沖蝕，現(xiàn)巳回彈穩(wěn)定在上部土層沖蝕，現(xiàn)巳回彈穩(wěn)定在bb點點（3 3）欠固結土）欠固結土：由于在自重應力作：由于在自重應力作用下還未完全固結日前它處于現(xiàn)場用下還未完全固結日前它處于現(xiàn)場壓縮曲線上的壓縮曲線上的c c點。點。應力歷史對壓縮性的影響應力歷史對壓縮性的影響一、沉積土（層）的應力歷史一、沉積土（層）的應力歷史175 土的壓縮性若對三種土再施加相同的固結應若對三種土再施加相同的固結應力力 p p，那么：

14、，那么：（1 1）正常固結和欠固結土）正常固結和欠固結土：將：將分別由分別由a a和和c c點沿現(xiàn)場點沿現(xiàn)場壓縮壓縮曲線至曲線至d d點固結穩(wěn)定，點固結穩(wěn)定，（2 2）超固結土）超固結土：則由：則由bb點沿觀點沿觀場再壓縮曲線至場再壓縮曲線至d d點固結穩(wěn)定。點固結穩(wěn)定。顯然，三者的壓縮量是不同的，顯然，三者的壓縮量是不同的，其中欠固結土最大，超固結土最其中欠固結土最大，超固結土最小，而正常固結土則介于兩者之小，而正常固結土則介于兩者之間。間。 應力歷史對壓縮性的影響應力歷史對壓縮性的影響一、沉積土（層）的應力歷史一、沉積土（層）的應力歷史185 土的壓縮性先期固結壓力先期固結壓力p的確定：的

15、確定：Casagrande 法（法（1936）(f) B點對應于先期固結壓力點對應于先期固結壓力 p(b) 作水平線作水平線m1(c) 作作m點切線點切線m2(d) 作作m1,m2 的角分線的角分線m3(e) m3與試驗曲線的直線段與試驗曲線的直線段交于點交于點B(a) 在在e-lg壓縮試驗曲線上，壓縮試驗曲線上，找曲率最大點找曲率最大點 m(lg) e eABCDmrmin1 12 23 3 p p應力歷史對壓縮性的影響應力歷史對壓縮性的影響一、沉積土（層）的應力歷史一、沉積土（層）的應力歷史195 土的壓縮性應力歷史對粘土的壓縮性具有較大的影響，而應力歷史對粘土的壓縮性具有較大的影響，而鉆

16、探取樣獲得土樣經(jīng)過擾動或應力釋放，在實驗鉆探取樣獲得土樣經(jīng)過擾動或應力釋放，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縮曲線，所以壓縮曲線的起始段實際上是一條再再壓縮曲線壓縮曲線。因此必須對室內(nèi)固結試驗所得的壓縮。因此必須對室內(nèi)固結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壓縮曲線，由此計算得到的地基沉降才會更符合實際。實際。應力歷史對壓縮性的影響應力歷史對壓縮性的影響二、初始二、初始( (原始原始) )壓縮曲

17、線壓縮曲線205 土的壓縮性原始壓縮曲線原始壓縮曲線是指室內(nèi)壓縮試驗是指室內(nèi)壓縮試驗e eloglogp p曲線經(jīng)修正后曲線經(jīng)修正后得出的符合原始土體孔隙比與有效應力的關系曲線。得出的符合原始土體孔隙比與有效應力的關系曲線。試樣的前期固結應力一旦確定，就可通過它與試樣現(xiàn)試樣的前期固結應力一旦確定，就可通過它與試樣現(xiàn)有固結應力有固結應力p pl l的比較，來判定它是正常固結的、超固的比較，來判定它是正常固結的、超固結的、還是欠固結的。然后，再依據(jù)室內(nèi)壓縮曲線的結的、還是欠固結的。然后，再依據(jù)室內(nèi)壓縮曲線的特征，來推求原始壓縮曲線。特征，來推求原始壓縮曲線。二、初始二、初始( (原始原始) )壓縮

18、曲線壓縮曲線應力歷史對壓縮性的影響應力歷史對壓縮性的影響215 土的壓縮性 一般可假定取樣過程中試樣一般可假定取樣過程中試樣不發(fā)生體積變化，即試樣的初始不發(fā)生體積變化，即試樣的初始孔隙比孔隙比e0就是它的原位孔隙比就是它的原位孔隙比 ； 由由e0 和和 pc值，在值，在elogp坐標坐標上定出上定出b點，此即試樣在原始壓點，此即試樣在原始壓縮的起點；縮的起點； 從縱軸坐標從縱軸坐標0.42 e0 處作一水處作一水平線交室內(nèi)壓縮曲線于平線交室內(nèi)壓縮曲線于c點點,連接連接bc即為所求的原始壓縮曲線。即為所求的原始壓縮曲線。應力歷史對壓縮性的影響應力歷史對壓縮性的影響二、初始二、初始( (原始原始)

19、 )壓縮曲線壓縮曲線若若pc=p1，則試樣是，則試樣是正常固結土正常固結土，它的原始壓縮曲線推求它的原始壓縮曲線推求:225 土的壓縮性超固結土原始壓縮曲線推求超固結土原始壓縮曲線推求: (1) 先作先作b1點，其橫、縱坐標分別為試點，其橫、縱坐標分別為試樣的現(xiàn)場自重壓力樣的現(xiàn)場自重壓力p1 和現(xiàn)場孔隙比和現(xiàn)場孔隙比 e0； (2) 過過b1點作一直線，其斜率等于室內(nèi)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，該回彈曲線與再壓縮曲線的平均斜率，該直直線與線與通過通過B點垂線點垂線(其橫坐標相應于先期固其橫坐標相應于先期固結壓力值結壓力值)交于交于b 點點, b1 b就作為原始再壓

20、縮就作為原始再壓縮曲線。其斜率為回彈指數(shù)曲線。其斜率為回彈指數(shù)Ce； (3) 作作c點，由室內(nèi)壓縮曲線上孔隙比點，由室內(nèi)壓縮曲線上孔隙比等等0.42 e0處確定；處確定； (4) 連接連接bc直線，即得原始壓縮曲線的直線，即得原始壓縮曲線的直線段，取其斜率作為壓縮指標直線段，取其斜率作為壓縮指標Cc。 若若pc p1 ，則試樣是，則試樣是超固結土超固結土。由于超固結土前期固結壓力。由于超固結土前期固結壓力pc減至現(xiàn)減至現(xiàn)有有效應力有有效應力p1期間期間曾曾在原位經(jīng)歷了回彈。因此，當超固結土后來由受到在原位經(jīng)歷了回彈。因此，當超固結土后來由受到外荷引起的附加應力外荷引起的附加應力 p時，它開始將

21、沿著時，它開始將沿著原始再壓縮曲線原始再壓縮曲線壓縮。如果壓縮。如果 p較大，超過較大，超過(pc p1 )，它才會沿，它才會沿原始壓縮曲線原始壓縮曲線壓縮。壓縮。應力歷史對壓縮性的影響應力歷史對壓縮性的影響二、初始二、初始( (原始原始) )壓縮曲線壓縮曲線235 土的壓縮性若若pc p1，則試樣是，則試樣是欠固結土欠固結土，由于自重作用，由于自重作用下的壓縮尚未穩(wěn)定，實質(zhì)上屬于正常固結土一類，下的壓縮尚未穩(wěn)定，實質(zhì)上屬于正常固結土一類，它的現(xiàn)場壓縮曲線的推求方法完全與正常固結土它的現(xiàn)場壓縮曲線的推求方法完全與正常固結土一樣。一樣。應力歷史對壓縮性的影響應力歷史對壓縮性的影響二、初始二、初始

22、( (原始原始) )壓縮曲線壓縮曲線245 土的壓縮性25固結實驗及壓縮性指標應力歷史對壓縮性的影響土的變形模量土的彈性模量5 土的壓縮性淺層平板載荷試驗淺層平板載荷試驗變形模量變形模量土體在無側限條件下，豎向應力與豎向應土體在無側限條件下，豎向應力與豎向應變的比值。變的比值。試驗設備試驗設備 加荷穩(wěn)定裝置加荷穩(wěn)定裝置 反力裝置反力裝置 觀測裝置觀測裝置土的變形模量土的變形模量一、淺層平板載荷試驗及變形模量一、淺層平板載荷試驗及變形模量265 土的壓縮性變形模量變形模量E E0 0計算計算（4-9）沉降影響系數(shù)，對剛性承壓板應取沉降影響系數(shù)，對剛性承壓板應取r r=0.886=0.886（方形壓板）或（方形壓板）或 0.7850.785（圓形壓板）（圓形壓板） b b承壓板的邊長或直徑（承壓板的邊長或直徑（m m）p p1 1 所取定的比例界限荷載（所取定的比例界限荷載（kpakpa）s s1 1 與所取定的比例界限荷載與所取定的比例界限荷載p p1 1相對應的沉降，有時相對應的沉降，有時p-sp-s曲線不出現(xiàn)曲線不出現(xiàn)起始的直線段，可取起始的直線段，可取s s1 1=(0