第二节 研究土压缩性的试验及指标

第二节 研究土压缩性的试验及指标

一、室内侧限压缩试验及压缩模量

土的压缩性是指在压力作用下体积压缩小的性能。从理论上，土的压缩变形可能是：（1）土粒本身的压缩变形；（2）孔隙中不同形态的水和气体的压缩变形；（3）孔隙中水和气体有一部分被挤出，土的颗粒相互靠拢使孔隙体积减小。

土的固结——土体在压力作用下其压缩量随时间增长的过程。

侧限压缩试验分为：（1）慢速压缩试验法；（2）快速压缩试验法

侧限——限制土样侧向变形，通过金属环刀来实现。

试验目的——研究测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力，或孔隙比和压力的关系，变形和时间的关系，以便计算土的各项压缩指标。

试验设备——固结仪。

（一）e －p 曲线及有关指标

要绘制e －p 曲线，就必须求出各级压力作用下的孔

隙比——e 。

如何求e ？看示意图：

设试样截面积为A ，压缩前孔隙体积为0v V ，土粒体积为0s V ，土样高度为0H ，孔隙比为0e （已测出）。压缩稳定后的孔隙体积为v V ，土粒体积为s V ，土样高度为H H H ?-='0，孔隙比为e ，H Λ为某级压力下样式高度变化（可以测出）。依侧限压缩试验原理可知：土样压缩前后试样截面积A 不变，s s V V =0，则有：

e H H e H +Λ-+=11000

则可得：)1(00

0e H H e e +Λ-= 利用上式计算各级荷载P 作用下达到的稳定孔隙比e ，可绘制如图4-3所示的e －p 曲线，该曲线亦被称为压缩曲线。

1、压缩系数α

dp

de -=α α——压缩系数，MP a －1，负号表e 随P 的增长而减小。 当压力变化范围不大时，土的压缩曲线可近似用图4-4中的M 1M 2割线代替。

1

221p p e e p e --=??-=α P 1——增压前使试样压缩稳定的压力强度，一般指地基中某深处土中原有的竖向自重应 力，kPa ；

P 2——增压后使试样所受的压力强度，一般为地基某深处自重应力与附加应力之和， kPa ；

e 1 、e 2 ——分别为增压前后在P 1 、P 2 作用下压缩稳定时的孔隙比。

【讨论】土的压缩系数是唯一的吗？

在用分层总和法计算地基沉降量时：

P 1＝cz σ????→?曲线

－查p e e 1

P 2＝z cz σσ+????→?曲线－查p e e 2

压缩系数a 是表征土的压缩性的重要指标之一。压缩系数越大，表明土的压缩性越大。为方便与应用和比较，《建筑地基基础设计规范》提出用P 1＝100 kPa 、P 2＝200 kPa 时相对应的压缩系数α1－2来评价土的压缩性，具体规定为： 21-α<时≤0.1MPa －1，为低压缩性土；

0.1MPa －1≤21-α <0.5MPa －

1 时，为中压缩性土； 21-α≥0.5MPa －1 时，为高压缩性土。

常规试验中，一般按P =50kPa 、100 kPa 、200 kPa 、400 kPa 四级加荷，测定各级压力下的稳定变形量H ? ，然后计算相应的孔隙比e 。

压缩曲线??

???—压缩性低。—平缓著。

土的孔隙比减少得愈显量作用下，—说明在相同的压力增—越陡 2．压缩模量s E

?????

??????+=+??=?==ασεσ1111e e e p E p E s z z z s －－ E S 与α成反比。即E S 愈大，α愈小，土体的压缩性愈低。

（二） 土的侧限回弹曲线和再压缩曲线

（三）室内压缩试验p e lg -曲线及有关指标

1、压缩指数、回弹指数 压缩指数1

2lg 1lg 2lg 21p p c e p p e e C ?-=--= 缷载段和再压缩段的平均斜率称为回弹指数或再压缩指数e C ，且c e C C <

2、前期固结压力c p

根据室内大量试验资料证明：室内压缩曲线开始弯曲平缓，随着压力增大明显下弯，当压力接近c p 时，曲线急剧变陡，并随压力的增长近似直线向下延伸。这个弯点就是土层历史上所曾经承受过的最大的固结压力，也就是土体在固结过程中所受的最大有效应力，称为前期固结压力。

确定c p 的常用方法是卡萨格兰德（1936年）提出的经验作图法，其步骤如下：

（1）从室内e~lgp 压缩曲线上找出曲率最大点A 点；

（2）过A 点作水平线A 1，和切线A 2；

（3）作水平线A 1与切线A 2所夹角的平分线A 3；

（4）作e~lgp 曲线直线段的向上延长交A 3于B 点，则B 点的横坐标即为所求的先期固结应力c p 。

固结应力就是使土体产生固结或压缩的应力。就地基土层来说，该应力主要有两种：一种是土的自重应力，另一种是由外荷引起的附加应力

对于饱和的新沉积的土或人工填土，起初土颗粒尚处于悬浮状态，土的自重应力由孔隙水承担，有效应力为0，随着时间的推移，土在自重作用下逐渐固结，最后自重应力全部转

化为有效应力，故这类土的自重应力就是固结应力。但对大多数天然土层来说，由于经受了漫长的地质年代，在自重作用下已完全固结，此时自重应力已不再引起土层压缩，能进一步使土层产生固结，只有外加荷载引起的附加应力，故此时的固结应力指附加应力。

前期固结应力：天然土层在形成历史上沉积，固结过程中受到过的最大固结应力称为先期固结应力，用c p 表示。

超固结比（Ocr ）：先期固结应力和现在所受的固结应力之比即0p p c OCR =

，根据OCR

值可将土层分为正常固结土，超固结土和欠固结土。

OCR ＝1，即先期固结应力等于现有的固结应力，正常固结土

OCR 大于1，即先期固结力大于现有的固结应力，超固结土

OCR 小于1，即先期固结力小于现有的固结应力，欠固结土。

考虑应力历史对土层压缩性的影响，必须解决（1）判定土层的固结属正常固结、超固结、欠固结（2）反映现场土层实际的压缩曲线，其可行办法为：通过现场取样，由室内压缩曲线的特征建立室内压缩曲线与现场压缩曲线的关系，从而以室内压缩曲线推求现场压缩曲线。

（四）原位压缩p e lg -曲线及有关指标

室内压缩试验的结果发现，无论试样扰动如何，当压力增大时，曲线都近于直线段，且大都经过0.42e 0点（e 0——试样的原位孔隙比）。

由室内压缩曲线加以修正求得现场土层的压缩曲线的方法：

由现场取样时确定试样的原位孔隙比e 0及固结应力（即有效覆盖应力）了；

由室内压缩曲线求出土层的Pc ，

(1) 对于正常固结土：当P 0（现有固结力）＝Pc 时（正常固结土）

⑴作0e e =水平线交c p p =lg 线于E 点，E 点坐标为（c p ，e 0）

⑵作e=0.42e 0水平线交室内压缩曲线直线段于D 点

⑶连接ED 直线段，即为现场压缩曲线；ED 直线段的斜率——压缩指数Cc 。

（2）对于超固结土：当P 0＜P C 时（超固结土）

在取样前已产生了回弹例如沉积剥蚀等，在建筑物荷载作用下，应属于再压缩过程。 ⑴作e=e 0平行线交0lg lg p p =线于F 点，F 点坐标为（0p ，e 0）

⑵自F 点作平行线于室内回弹再缩曲线的平行线交pc p =lg 线于E 点。

⑶作042.0e e =平行线交室内压缩曲线直线段于D 点。

⑷连接FE ，ED 直线段

现场压缩曲线就是由FE 段和ED 段直线所组成。相应于FE 段、ED 段直线的斜率分别用e C 、cf C 表示。

（3）对于欠固结土：当P 0＞P C 的欠固结图

它的现场压缩曲线的推求方法类似于正常固结土。

二、现场载荷试验及变形模量

1、载荷试验

2、变形模量0E

变形模量←——由现场静载荷试验测定。表示土在侧向自由变形条件下竖向压应力与竖向总应力之比。

三、弹性模量及试验测定

一般通过三轴仪进行三轴重复压缩试验获得。

四、关于三种模量的讨论

1、压缩模量s E

是根据室内侧限压缩试验得到的，它的定义是土在完全侧限的条件下，竖向正应力与相应的变形稳定情况下正应力的比值。

2、变形模量0E

是根据现场载荷试验得到的，指土在侧向自由膨胀条件下正应力与相应的正应变的比值。

3、弹性模量d E

分为静力法和动力法。

E 0=βE S

μ

μβ--=1212 β——与土的泊松比μ有关的系数