压缩试验与压缩性指标.ppt

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1、 土土 力力 学学 第四章第四章主讲：叶朝良主讲：叶朝良土木工程学院土工实验室土木工程学院土工实验室2022/12/82022/12/84.1 概述概述4.2 土的压缩特性土的压缩特性5.3 应力历史与土压缩性的关系应力历史与土压缩性的关系4.1 4.1 概述概述1.压缩性的概念压缩性的概念 天天然然土土是是三三相相体体，在在压压力力作作用用下下，土土骨骨架架将将发发生生变变形形、土土中中孔孔隙隙将减少、土的体积将缩小，土的这一特性称为土的将减少、土的体积将缩小，土的这一特性称为土的压缩性压缩性。2.压缩与固结压缩与固结 土土体体压压缩缩随随时时间间发发展展的的这这一一现现象象或或过过程程称称

2、为为固固结结。因因此此，土土的的压压缩缩和和固固结结是是密密不不可可分分的的，压压缩缩是是土土固固结结行行为为的的外外在在表表现现，而固结是土压缩的内在本质。而固结是土压缩的内在本质。如如果果说说外外荷荷载载（附附加加应应力力）是是引引起起地地基基变变形形的的外外因因，那那么么土土具具有有压压缩缩性性就就是是地地基基变变形形的的根根本本内内因因。因因此此，研研究究土土的的压压缩缩性性是是合合理理计计算算地地基基变变形形的的前前提提，也也是是土土力力学学中中重重要要的的研研究究课课题题之之一一。4.2 4.2 土的压缩特性土的压缩特性 土土体体的的压压缩缩从从宏宏观观上上看看应应是是土土颗颗粒粒

3、、水水、气气三三相相压压缩缩量量以以及及从从土土体体中中排排出出的的水水、气气量量的的总总和和。不不过过，试试验验研研究究表表明明，在在一一般般压压力力（100600kPa）作作用用下下，土土颗颗粒粒和和水水的的压压缩缩占占土土体体总总压压缩缩量量的的比比例例很很小小以以致致完完全全可可以以忽忽略略不不计计。故故可可认认为为土土的的压压缩缩是是土土中中孔孔隙隙体体积积的的减少减少。对对非非饱饱和和土土：土土的的压压缩缩就就是是土土中中部部分分孔孔隙隙气气的的压压缩缩以及部分孔隙水和气的排出。以及部分孔隙水和气的排出。对于饱和土对于饱和土：土的压缩就是土中部分孔隙水的排出。土的压缩就是土中部分孔

4、隙水的排出。4.2 4.2 土的压缩特性土的压缩特性 从从微微观观上上看看，土土体体受受压压力力作作用用后后，土土颗颗粒粒在在压压缩缩过过程程中中不不断断调调整位置，重新排列压紧，直至达到新的平衡和稳定状态。整位置，重新排列压紧，直至达到新的平衡和稳定状态。土土的的压压缩缩性性指指标标有有：压压缩缩系系数数a或或av、压压缩缩指指数数Cc、压压缩缩模模量量Es和变形模量和变形模量E0。土压缩性指标可通过土压缩性指标可通过室内室内和和现场现场试验来测定。试验来测定。试试验验条条件件与与地地基基土土的的应应力力历历史史和和实实际际受受荷荷状状态态越越接接近近，测测得得的的指标就越可靠。指标就越可靠

5、。一一般般用用室室内内压压缩缩试试验验测测定定土土的的压压缩缩性性指指标标。这这种种试试验验简简便便经经济济实用。实用。4.2.1 4.2.1 4.2.1 4.2.1 土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线 室内压缩试验是在图室内压缩试验是在图5-1所示的常规单向压缩仪上进行的。所示的常规单向压缩仪上进行的。图图5-1 常规单向压缩仪及压缩试验示意图常规单向压缩仪及压缩试验示意图 试验时，用金属环刀取高为试验时，用金属环刀取高为20mm、直径为、直径为50mm（或（或30mm）的）的土样土样，并置于压缩仪的，并置于压缩仪的刚性护环刚性护环内。内

6、。土样的上下面均放有土样的上下面均放有透水石透水石。在上透水石顶面装有金属圆形。在上透水石顶面装有金属圆形加压加压板板，供施荷。，供施荷。压力压力按规定按规定逐级施加逐级施加，后一级压力通常为前一级压力的两倍。，后一级压力通常为前一级压力的两倍。常常用压力为：用压力为：50，100，200，400和和800kPa。施加下一级压力，需待土。施加下一级压力，需待土样在本级压力下压缩基本稳定（约为样在本级压力下压缩基本稳定（约为24小时），并测得其稳定压缩变小时），并测得其稳定压缩变形量后才能进行。（先进的实验设备可实现连续加荷。）形量后才能进行。（先进的实验设备可实现连续加荷。）压缩曲线压缩曲线是

7、压缩试验的主要成果，表示的是是压缩试验的主要成果，表示的是各级压力作用下土样各级压力作用下土样压缩稳定时的孔隙比与相应压力的关系压缩稳定时的孔隙比与相应压力的关系。绘制压缩曲线，须先求得对应于各级压力的孔隙比。绘制压缩曲线，须先求得对应于各级压力的孔隙比。4.2.1 4.2.1 4.2.1 4.2.1 土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线由实测稳定压缩量计算孔隙比由实测稳定压缩量计算孔隙比的方法如下：的方法如下：设设土土样样在在前前级级压压力力p1作作用用下下压压缩缩稳稳定定后后的的高高度度为为H1，孔孔隙隙比比为为e1;在在本本级级压压力力

8、p2作作用用下下的的稳稳定定压压缩缩量量为为H（指指由由本本级级压压力力增增量量p=p2-p1引起的压缩量），高度为引起的压缩量），高度为H2=H1-H，孔隙比为，孔隙比为e2。图图5-2 压缩试验中土样高度与孔隙比变化关系压缩试验中土样高度与孔隙比变化关系 4.2.1 4.2.1 4.2.1 4.2.1 土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线求孔隙比e2由于环刀和护环的限制，由于环刀和护环的限制，土样在试验中处于单向（一维）压缩状土样在试验中处于单向（一维）压缩状态态，截面面积不变。则由土样的土颗粒体积，截面面积不变。则由土样的土颗粒体积Vs

9、不变和横截面面积不变和横截面面积A不不变两条件，可知压力变两条件，可知压力p1和和p2作用下土样压缩稳定后的体积分别为作用下土样压缩稳定后的体积分别为V1=AH1=Vs(1+e1)和和V2=AH2=Vs(1+e2)。由此可得：。由此可得：故已知故已知H1和和e1，由测得的稳定压缩量，由测得的稳定压缩量H即可计算对应于即可计算对应于p2的孔隙比的孔隙比 e2。（5-1）4.2.1 4.2.1 4.2.1 4.2.1 土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线求孔隙比e2压缩曲线（孔隙比压缩曲线（孔隙比e为纵坐标，压力为纵坐标，压力p为横坐标），为横坐

10、标），也就是土的也就是土的孔隙比孔隙比e与有效应力与有效应力 的关系曲线，的关系曲线，有两种：有两种：e-p 曲线：采用普通直角坐标绘制曲线：采用普通直角坐标绘制(如图如图5-3()。e-logp曲线：采用半对数曲线：采用半对数(指常用对数指常用对数)坐标绘制坐标绘制(如图如图5-3(b)。大量的试验研究表明：土的大量的试验研究表明：土的e-logp曲线后半段接近直线。曲线后半段接近直线。(a)e-p曲线曲线 (b)e-logp曲线曲线 图图5-3 压缩曲线压缩曲线4.2.1 4.2.1 4.2.1 4.2.1 土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压缩曲线土的压缩试验和压

11、缩曲线压缩曲线4.2.2 4.2.2 4.2.2 4.2.2 土的压缩系数和压缩指数土的压缩系数和压缩指数土的压缩系数和压缩指数土的压缩系数和压缩指数土的压缩曲线越陡，其压缩性越高。土的压缩曲线越陡，其压缩性越高。故故可可用用e-p曲曲线线的的切切线线斜斜率率来来表表征征土土的的压压缩缩性性，该该斜率就称为斜率就称为土的压缩系数土的压缩系数，定义为：，定义为：（5-2）显显然然e-p曲曲线线上上各各点点的的斜斜率率不不同同，故故土土的的压压缩缩系系数数不是常数。不是常数。a越大，土压缩性越高。越大，土压缩性越高。实用上，可以采用割线斜率来代替切线斜率。图实用上，可以采用割线斜率来代替切线斜率。

12、图5-4示。示。压缩系数图图图图5-4 5-4 5-4 5-4 由由由由e-pe-pe-pe-p曲线确定压缩系数曲线确定压缩系数曲线确定压缩系数曲线确定压缩系数4.2.2 4.2.2 4.2.2 4.2.2 土的压缩系数和压缩指数土的压缩系数和压缩指数土的压缩系数和压缩指数土的压缩系数和压缩指数压缩系数设地基中某点处的压力由设地基中某点处的压力由p1增至增至p2，相应的孔隙比由，相应的孔隙比由e1减少至减少至e2，则：，则：（5-3）式中式中 a计算点处土的压缩系数，计算点处土的压缩系数，kPa-1或或MPa-1；p1计算点处土的竖向自重应力，计算点处土的竖向自重应力，kPa或或MPa；p2计

13、算点处土的竖向自重应力与附加应力之和，计算点处土的竖向自重应力与附加应力之和，kPa或或MPa；e1、e2相应于相应于p1、p2作用下压缩稳定后的孔隙比。作用下压缩稳定后的孔隙比。4.2.2 4.2.2 4.2.2 4.2.2 土的压缩系数和压缩指数土的压缩系数和压缩指数土的压缩系数和压缩指数土的压缩系数和压缩指数压缩系数通常用压力间隔由通常用压力间隔由p1=100kPa增加至增加至 p2=200kPa所得的压缩系数所得的压缩系数a1-2来评价土的压缩性：来评价土的压缩性：a1-20.5属高压缩性；属高压缩性；a1-2=0.10.5属中压缩性；属中压缩性；a1-2 0.1属低压缩性（表属低压缩

14、性（表5-1）。）。压缩系数压缩系数a1-2（MPa-1）压缩指数压缩指数Cc土的压缩性土的压缩性0.50.4高压缩性高压缩性0.10.50.20.4中压缩性中压缩性0.1p0，则则OCR1，则则称称这这类类地地基基土土处处于于超超固固结结状状态态，为为超超固固结结土土。如如地地基基土土历历史史上上从从未未经经受受过过比比现现有有上上覆覆压压力力p0更更大大的的压压力力，且且在在p0作作用用下下已已完完成成固固结结，即即pc=p0，则则OCR=1，则则称称该该类类地地基基土土处处于于正正常常固固结结状状态态，为为正正常常固固结结土土。如如地地基基土土在在上上覆覆压压力力p0作作用用下下压压缩缩

15、尚尚未未稳稳定定，固固结结仍仍在在进进行行，则则称该类地基土处于欠固结状态，为称该类地基土处于欠固结状态，为欠固结土欠固结土，此时，此时OCR1，土土样样处于超固结状态。处于超固结状态。根据土的固结状态可以对土的压缩性做出定性评价。根据土的固结状态可以对土的压缩性做出定性评价。相对而言，超固结土压缩性最低，而欠固结土则压缩性最高。相对而言，超固结土压缩性最低，而欠固结土则压缩性最高。4.3.2 4.3.2 4.3.2 4.3.2 土的超固结比及固结状态土的超固结比及固结状态土的超固结比及固结状态土的超固结比及固结状态固结状态的相互转化固结状态的相互转化固结状态的相互转化固结状态的相互转化土的固

16、结状态在一定条件下是可以相互转化的。土的固结状态在一定条件下是可以相互转化的。例例如如：对对于于原原位位地地基基中中沉沉积积已已稳稳定定的的正正常常固固结结土土，当当地地表表因因流流水水或或冰冰川川等等剥剥蚀蚀作作用用而而降降低低，或或因因开开挖挖卸卸载载等等，就就成成为为超超固固结结土土，而超固结土则可因足够大的堆载加压而成为正常固结土。而超固结土则可因足够大的堆载加压而成为正常固结土。新新近近沉沉积积土土在在自自重重应应力力作作用用下下尚尚未未完完成成固固结结，故故为为欠欠固固结结土土，但但随随着着时时间间的的推推移移，在在自自重重应应力力下下的的压压缩缩会会渐渐趋趋稳稳定定从从而而转转化

17、化为为正正常常固固结结土土。对对于于室室内内压压缩缩稳稳定定并并处处于于正正常常固固结结状状态态的的土土样样，经经卸卸荷荷就就会会进进入入超超固固结结状状态态，而而处处于于超超固固结结状状态态的的土土样样则则可可经经施加更大的压力而进入正常固结状态。施加更大的压力而进入正常固结状态。4.3.2 4.3.2 4.3.2 4.3.2 土的超固结比及固结状态土的超固结比及固结状态土的超固结比及固结状态土的超固结比及固结状态4.3.3 4.3.3 4.3.3 4.3.3 土的原始压缩曲线与压缩指标土的原始压缩曲线与压缩指标土的原始压缩曲线与压缩指标土的原始压缩曲线与压缩指标1.土体扰动对压缩曲线的影响

18、：土体扰动对压缩曲线的影响：由由于于取取土土等等使使土土样样不不可可避避免免地地受受到到扰扰动动，通通过过室室内内压压缩缩试试验验得得到到的的压压缩缩曲曲线线并并非非现现场场地地基基土土的的原原始始（位位）压压缩缩曲曲线线，得得到到的的压压缩缩性性指指标标也也不不是是土土的的原原始始指指标标。因因此此，为为使使地地基基固固结结沉沉降降的的计计算算更更接接近近实实际际，有有必必要要在在弄弄清清压压缩缩土土层层的的应应力力历历史史和和固固结结状状态态的的基基础础上上，对对室室内内压压缩缩曲曲线线进行修正，以获得符合现场地基土的原始压缩曲线和指标。进行修正，以获得符合现场地基土的原始压缩曲线和指标。

19、对对于于正正常常固固结结土土，试试验验研研究究表表明明，土土的的扰扰动动程程度度越越大大，土土的的压压缩缩曲曲线线越越平缓。因此可以期望原始压缩曲线较室内压缩曲线陡。平缓。因此可以期望原始压缩曲线较室内压缩曲线陡。原始压缩指数的确定原始压缩指数的确定原始压缩指数的确定原始压缩指数的确定Schmertmann（1953）曾曾指指出出，对对于于同同一一种种土土，无无论论土土样样的的扰扰动动程程度度如如何何，室室内内压压缩缩曲曲线线都都将将在在孔孔隙隙比比约约为为0.42e0处处交交于于一一点点。基基于于此此，并并假假设设土土样样的的初初始始孔孔隙隙比比e0即即为为现现场场地地基基土土的的初初始始孔

20、孔隙隙比比，可可得得正正常常固固结结土土的的原原始始压压缩缩曲曲线线如如图图5-8中中直直线线段段CD所所示示。其其中中C为为过过e0的的水水平平线线与与过过先先期期固固结结压压力力pc的的垂垂线线的的交交点点，D为为纵纵坐坐标标为为0.42e0的的水水平平线线与与室室内内压压缩缩曲曲线线的的交交点点。原原始始压压缩缩曲曲线线CD的的斜斜率率Cc即即为为原原始始压压缩缩指数。指数。图图5-8 正常固结土的原始压缩曲线正常固结土的原始压缩曲线 4.3.3 4.3.3 4.3.3 4.3.3 土的原始压缩曲线与压缩指标土的原始压缩曲线与压缩指标土的原始压缩曲线与压缩指标土的原始压缩曲线与压缩指标确

21、定超固结土原始压确定超固结土原始压确定超固结土原始压确定超固结土原始压缩曲线和压缩指标缩曲线和压缩指标缩曲线和压缩指标缩曲线和压缩指标对于超固结土，其步骤为对于超固结土，其步骤为(图图5-9)：（1）作）作B点，其横、纵坐标分别为土点，其横、纵坐标分别为土样样 的现场自重压力的现场自重压力p0和初始孔隙比和初始孔隙比e0；（2）过）过B点作直线，其斜率等于室内点作直线，其斜率等于室内回弹曲线与再压缩曲线的平均斜率（即回弹曲线与再压缩曲线的平均斜率（即图图5-6（b）中虚线）中虚线ce的斜率），并与横的斜率），并与横坐标为前期固结压力坐标为前期固结压力pc的直线交于的直线交于C点。点。则则BC即

22、为原始再压缩曲线，其斜率即即为原始再压缩曲线，其斜率即为回弹指数为回弹指数Ce；（3）用用与与正正常常固固结结土土同同样样方方法法作作D点点，连连接接CD即即得得原原始始压压缩缩曲曲线线，其其斜率即为原始压缩指数斜率即为原始压缩指数Cc。对欠固结土对欠固结土,可近似按正常固结土的方法获得原始压缩曲线和指标。可近似按正常固结土的方法获得原始压缩曲线和指标。图图5-9 超固结土的原始超固结土的原始 压缩曲线压缩曲线 4.3.3 4.3.3 4.3.3 4.3.3 土的原始压缩曲线与压缩指标土的原始压缩曲线与压缩指标土的原始压缩曲线与压缩指标土的原始压缩曲线与压缩指标4.4 4.4 一维固结一维固结

23、理论理论土在荷载作用下的压缩和变形并不是在瞬间完成的，而是随时间土在荷载作用下的压缩和变形并不是在瞬间完成的，而是随时间逐步发展并渐趋稳定的。那么，土体的压缩和变形究竟是随时间怎样逐步发展并渐趋稳定的。那么，土体的压缩和变形究竟是随时间怎样发展的？发展的？固结理论固结理论所要解决的正是这一问题。概括地说，它就是所要解决的正是这一问题。概括地说，它就是描述描述土体固结规律的数学模型及其解答土体固结规律的数学模型及其解答。土体在固结过程中如渗流和变形均仅发生在一个方向（如竖向），土体在固结过程中如渗流和变形均仅发生在一个方向（如竖向），称为一维固结问题称为一维固结问题。土样在压缩试验中所经历的压缩过程以及地基土。土样在压缩试验中所经历的压缩过程以及地基土在连续均布荷载作用下的固结就是典型的一维固结问题。实际工程中在连续均布荷载作用下的固结就是典型的一维固结问题。实际工程中当荷载作用面积远大于土层厚度，地基中将主要发生竖向渗流和变形，当荷载作用面积远大于土层厚度，地基中将主要发生竖向渗流和变形，故也可视为一维固结问题。因此，研究一维固结问题具有重要理论和故也可视为一维固结问题。因此，研究一维固结问题具有重要理论和实际意义。实际意义。本节仅限于讨论本节仅限于讨论饱和土的一维固结问题饱和土的一维固结问题，与此相关的理论就称为，与此相关的理论就称为一维固结理论。一维固结理论。