土的压缩性及固结理论幻灯片.ppt

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1、土的压缩性及固结理论第1页，共29页，编辑于2022年，星期五5.1 概述概述研究土的压缩性目的研究土的压缩性目的:主要是为了研究地基的沉降。主要是为了研究地基的沉降。基底基底地基土由于压缩而引起的竖直方向的位移地基土由于压缩而引起的竖直方向的位移称为沉降。称为沉降。建筑物地基沉降包括两个方面内容：（建筑物地基沉降包括两个方面内容：（1）绝对沉降量（）绝对沉降量（2）沉降与时间的）沉降与时间的 关系关系-固结理论固结理论 土体压缩性土体压缩性土在压力（附加应力或自重应力）作用下土在压力（附加应力或自重应力）作用下体积缩小体积缩小的特性。的特性。土体压缩包括：（土体压缩包括：（1）土粒本身和孔隙

2、水的压缩；）土粒本身和孔隙水的压缩；（2）孔隙气体的压缩；）孔隙气体的压缩；（3）孔隙水、气排出，使得孔隙体积减小。）孔隙水、气排出，使得孔隙体积减小。上面（上面（1）的压缩不到压缩量的）的压缩不到压缩量的1/400（2）的压缩量也很小）的压缩量也很小 土的固结土的固结土体在压力作用下其土体在压力作用下其压缩量随时间增长的过程。压缩量随时间增长的过程。第2页，共29页，编辑于2022年，星期五u侧限限制土样侧向变形，土样只能发生竖向压缩变形。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。1.固结试验

3、和压缩曲线5.2 5.2 固结试验及压缩性指标固结试验及压缩性指标5.2.1 固结试验及压缩性指标第3页，共29页，编辑于2022年，星期五CellLoading capLoadDisplacement measuring deviceSoil samplewaterPorous disks第4页，共29页，编辑于2022年，星期五试验设备固结仪（压缩仪）。试验方法：逐级加压固结，以便测定各级压力 作用下土样压缩稳定后的孔隙比 。侧限压缩试验分为：（1）慢速压缩试验法；（2）快速压缩试验法常规试验中，一般按P=50kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 五级加荷

4、，测定各级压力下的稳定变形量 ，然后计算相应的孔隙比 。第5页，共29页，编辑于2022年，星期五*e ep p曲线曲线 要绘制要绘制e ep p曲线，就必须求出各级压力曲线，就必须求出各级压力 作用下的孔隙比作用下的孔隙比 。如何求如何求？看示意图：？看示意图：设试样截面积为设试样截面积为A A，如图：，如图：依依侧限压缩试验原理可知：土样压缩前后试侧限压缩试验原理可知：土样压缩前后试样截面积样截面积A A不变，土粒体积不变，土粒体积 不变，不变，令令 ，有，有 分别为土粒比重、土样的初始含水量和初始密度。分别为土粒比重、土样的初始含水量和初始密度。分别为土粒比重、土样的初始含水量和初始密度

5、。分别为土粒比重、土样的初始含水量和初始密度。N3第6页，共29页，编辑于2022年，星期五 利利利利用用用用上上上上式式式式计计计计算算算算各各各各级级级级荷荷荷荷载载载载作作作作用用用用 下下下下达达达达到到到到的的的的稳稳稳稳定定定定孔孔孔孔隙隙隙隙比比比比 ，可可可可绘绘绘绘制制制制如如如如下下下下图图图图所所所所示示示示的的的的e ep p曲线，该曲线亦被称为压缩曲线。曲线，该曲线亦被称为压缩曲线。曲线，该曲线亦被称为压缩曲线。曲线，该曲线亦被称为压缩曲线。e ep p曲曲曲曲线线线线可可可可确确确确定定定定土土土土的的的的压压压压缩缩缩缩系系系系数数数数 、压压压压缩缩缩缩模模模模

6、量量量量 。e elog log p p曲曲曲曲线线线线可可可可确确确确定定定定土土土土的的的的压压压压缩缩缩缩指指指指数数数数 。第7页，共29页，编辑于2022年，星期五2土的压缩系数和压缩指数土的压缩系数和压缩指数（1）压缩系数）压缩系数 压缩系数压缩系数土体在侧限条件下土体在侧限条件下孔隙比减小量孔隙比减小量与与竖竖向有效压应力增量向有效压应力增量的比值。即的比值。即ep曲线中某一压力段的曲线中某一压力段的割线斜率。割线斜率。ep曲线上任一点的切线斜率曲线上任一点的切线斜率 表示相应于压力表示相应于压力p作用下土的压缩性。作用下土的压缩性。压缩系数压缩系数，kP a1或或MP a1，负

7、号表负号表e随随P的增长的增长而减小。而减小。当压力变化范围不大时，土的压缩曲线可近似当压力变化范围不大时，土的压缩曲线可近似用图中的用图中的M1M2割线代替。割线代替。越大，土的压缩性越高。越大，土的压缩性越高。p1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，向自重应力，kPa或或MPa；P1 p2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，和，kPa或或 MPa；P2第8页，共29页，编辑于2022年，星期五 【

8、讨论】土的压缩系数是唯一的吗？【讨论】土的压缩系数是唯一的吗？【讨论】土的压缩系数是唯一的吗？【讨论】土的压缩系数是唯一的吗？从上图可看出，压缩系数值与土所受的荷载大小有关，不是唯一的。从上图可看出，压缩系数值与土所受的荷载大小有关，不是唯一的。从上图可看出，压缩系数值与土所受的荷载大小有关，不是唯一的。从上图可看出，压缩系数值与土所受的荷载大小有关，不是唯一的。压压压压缩缩缩缩系系系系数数数数a a是是是是表表表表征征征征土土土土的的的的压压压压缩缩缩缩性性性性的的的的重重重重要要要要指指指指标标标标之之之之一一一一。压压压压缩缩缩缩系系系系数数数数越越越越大大大大，表表表表明明明明土土土土

9、的的的的压压压压缩缩缩缩性性性性越越越越大大大大。为为为为方方方方便便便便应应应应用用用用和和和和比比比比较较较较，建建建建筑筑筑筑地地地地基基基基基基基基础础础础设设设设计计计计规规规规范范范范提提提提出出出出用用用用P P1 1100 100 kPa kPa(0.1Mpa)(0.1Mpa)、P P2 2200 200 kPa(0.2Mpa)kPa(0.2Mpa)时时时时相相相相对对对对应应应应的的的的压压压压缩缩缩缩系系系系数数数数a a1 12 2来评价土的压缩性，具体规定为：来评价土的压缩性，具体规定为：来评价土的压缩性，具体规定为：来评价土的压缩性，具体规定为：0.1MPa 0.1M

10、Pa1 1，为低压缩性土；为低压缩性土；为低压缩性土；为低压缩性土；0.1MPa0.1MPa1 1 0.5MPa 0.5MPa1 1 时，为中压缩性土；时，为中压缩性土；时，为中压缩性土；时，为中压缩性土；0.5MPa 0.5MPa1 1 时，时，时，时，为高压缩性土。为高压缩性土。为高压缩性土。为高压缩性土。第9页，共29页，编辑于2022年，星期五（2）压缩指数）压缩指数 压压缩缩指指数数土土体体在在侧侧限限条条件件下下孔孔隙隙比比减减小小量量与与竖竖向向有有效效压压应应力力常常用用对对数数值值增增量量的比值。即的比值。即elogp曲线中某一压力段的直线斜率。曲线中某一压力段的直线斜率。把

11、把土土的的e-p曲曲线线改改绘绘成成半半对对数数压压缩缩曲曲线线e-logp曲曲线线时时，它它的的后后段段接接近近直直线线，其其斜斜率率 为为土土的压缩指数。的压缩指数。值越大，土的压缩性越高。值越大，土的压缩性越高。值越大，土的压缩性越高。值越大，土的压缩性越高。0.2 0.4 0.4高压缩性土高压缩性土高压缩性土高压缩性土 第10页，共29页，编辑于2022年，星期五3.土的压缩模量土的压缩模量 （侧限压缩模量）和体积压缩系数（侧限压缩模量）和体积压缩系数 压缩模量压缩模量 压缩模量压缩模量土在完全侧限条件下的土在完全侧限条件下的竖向应力增量竖向应力增量 （如从（如从（如从（如从 增至增至

12、增至增至 ）与与与与相应的应变增量相应的应变增量 的比值的比值(kPa或或MPa)。E ES S与与与与a a成反比。即成反比。即成反比。即成反比。即E ES S 愈大，愈大，愈大，愈大，a a 愈小，土体的压缩性愈低愈小，土体的压缩性愈低愈小，土体的压缩性愈低愈小，土体的压缩性愈低;E ES S 愈小，土愈小，土愈小，土愈小，土 的压缩性愈大高。的压缩性愈大高。的压缩性愈大高。的压缩性愈大高。第11页，共29页，编辑于2022年，星期五推导推导 （如图）：（如图）：又又 则则 讨讨论论：同同压压缩缩系系数数一一样样，压压缩缩模模量量不不是是常常数数，在在压压力力小小的的时时候候，压压缩缩系系

13、数数大大，压压缩缩模模量量小小；在在压压力力大大的的时时候候，压压缩缩系系数数小小，压压缩缩模模量量大大。因因此此在在运运用用到到沉沉降降计计算算时时，比比较较合合理理的的做法是根据实际竖向应力的大小在压缩曲线上取相应的值计算这些指标。做法是根据实际竖向应力的大小在压缩曲线上取相应的值计算这些指标。第12页，共29页，编辑于2022年，星期五 体积压缩系数体积压缩系数 体积压缩系数体积压缩系数 土体在侧限条件下土体在侧限条件下体积应变体积应变与与竖向压应力增量竖向压应力增量之比，即之比，即在单位压力增量作用下土体单位体积的体积变化。在单位压力增量作用下土体单位体积的体积变化。同压缩系数同压缩系

14、数 与压缩指数与压缩指数 一样，一样，值越大，土的压缩性越高。值越大，土的压缩性越高。3第13页，共29页，编辑于2022年，星期五4.4.回弹曲线和再压缩曲线回弹曲线和再压缩曲线压缩曲线特征压缩曲线特征：(1)卸荷时，试样不是沿初始压缩曲线，而是沿曲线bc回弹，可见土体的变形是由可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形两部份组成。(2)回弹曲线和再压线曲线构成一迴滞环，土体不是完全弹性体；(3)回弹和再压缩曲线比压缩曲线平缓得多。(4)当再加荷时的压力超过b点，再压缩曲线就趋于初始压缩曲线的延长线土体变形机理非常复杂，不是理想的弹塑性体，而是具弹、粘、塑性弹、粘、塑性的自然历史的产物。第14页，

15、共29页，编辑于2022年，星期五Cs=(0.10.2)Cc 土的压缩性减小土体如果承受到比现在大的压力，其压缩性将降低，也就是说土的应力历史对压缩性有很大影响回弹指数软土地基加固第15页，共29页，编辑于2022年，星期五5.3应力历史对压缩性的影响应力历史对压缩性的影响5.3.1沉积土层的应力历史沉积土层的应力历史先先（前前）期期固固结结压压力力天天然然土土层层在在历历史史上上所所经经受受过过最最大大的的固固结结压压力力（指指土土体体在固结过程中所受的最大的有效压力）在固结过程中所受的最大的有效压力）应力历史：土体在历史上曾经受过的应力状态固结应力:能够使土体产生固结或压缩的应力自重应力附

16、加应力固结应力新沉积的土或人工填土大多数天然土第16页，共29页，编辑于2022年，星期五第17页，共29页，编辑于2022年，星期五超固结比超固结比 （2）作图法确定先期固结压力）作图法确定先期固结压力 步骤：步骤：从从e-logp曲曲线线上上找找出出曲曲率率半半径径最最小小的的一一点点A，过过A点作水平线点作水平线A1和切线和切线A2；作作1 A2的的平平分分线线A3，与与e-logp曲曲线线中中直直线线段的延长线相交于段的延长线相交于B点；点；B点点所所对对应应的的有有效效应应力力就就是是先先期期固固结结压压力力 。缺点：难准确找出缺点：难准确找出A点，结果不太准确点，结果不太准确。第1

17、8页，共29页，编辑于2022年，星期五三种土层现有应力相同，但是它们的应力历史不同。三种土应力增量相同，但由于应力历史不同，所以其压缩量不同。应力历史对地基沉降产生很大的影响第19页，共29页，编辑于2022年，星期五 考虑应力历史对土层压缩性的影响，必须解决：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）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。）反映现场土层实际的压缩曲线。其可行办法为：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通过现场取样，由室内压缩曲线的特征建立室内压缩曲

18、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。的关系，从而以室内压缩曲线推求现场压缩曲线。4第20页，共29页，编辑于2022年，星期五 原原原原位位位位（始始始始）压压压压缩缩缩缩曲曲曲曲线线线线室室室室内内内内试试试试验验验验e e-log-logp p曲曲曲曲线线线线经经经经修修修修正正正正后后后后得得得得出出出出的的的的符符符符合合合合现现现现场场场场原原原原始始始始土土土土体孔隙比与有效应力的关系曲线，将一般室内压缩曲线加以修正后求得。体孔隙比与有效应力的关系曲线，将一般室内压缩曲线加以修正后求得。体孔隙比与有效应力的关系曲线，将一般室内压缩曲线加以修正后求得。体孔隙比

19、与有效应力的关系曲线，将一般室内压缩曲线加以修正后求得。（1 1）正常固结土的原始压缩曲线）正常固结土的原始压缩曲线）正常固结土的原始压缩曲线）正常固结土的原始压缩曲线 （2 2）超固结土的原始压缩曲线）超固结土的原始压缩曲线）超固结土的原始压缩曲线）超固结土的原始压缩曲线 （3 3）欠固结土的原始压缩曲线）欠固结土的原始压缩曲线）欠固结土的原始压缩曲线）欠固结土的原始压缩曲线5.3.2 5.3.2 现场原始压缩曲线及土的压缩性指标现场原始压缩曲线及土的压缩性指标现场原始压缩曲线及土的压缩性指标现场原始压缩曲线及土的压缩性指标第21页，共29页，编辑于2022年，星期五（1 1）正常固结土的原

20、始压缩曲线）正常固结土的原始压缩曲线）正常固结土的原始压缩曲线）正常固结土的原始压缩曲线 步骤：步骤：步骤：步骤：绘室内压缩绘室内压缩绘室内压缩绘室内压缩e e-log-logp p曲线，确定曲线，确定曲线，确定曲线，确定先先先先作作作作b b点点点点，横横横横坐坐坐坐标标标标为为为为现现现现场场场场自自自自重重重重压压压压力力力力 ，纵坐标为现场孔隙比，纵坐标为现场孔隙比，纵坐标为现场孔隙比，纵坐标为现场孔隙比 ，再作再作再作再作c c点，在室内压缩曲线上取点，在室内压缩曲线上取点，在室内压缩曲线上取点，在室内压缩曲线上取点点点点即即即即为为为为c c点点点点。（试试试试验验验验发发发发现现

21、现现将将将将土土土土试试试试样样样样加加加加以以以以不不不不同同同同程程程程度度度度的的的的扰扰扰扰动动动动，得得得得出出出出的的的的不不不不同同同同室室室室内内内内压压压压缩缩缩缩曲曲曲曲线线线线直直直直线线线线段段段段都都都都大大大大致致致致交交交交于于于于一一一一点点点点，纵纵纵纵坐标为坐标为坐标为坐标为 ）连连连连结结结结bcbc两两两两点点点点，这这这这线线线线段段段段就就就就是是是是原原原原始始始始压压压压缩缩缩缩曲曲曲曲线线线线的的的的直直直直线段，其斜率为正常固结土的压缩指数线段，其斜率为正常固结土的压缩指数线段，其斜率为正常固结土的压缩指数线段，其斜率为正常固结土的压缩指数

22、。4第22页，共29页，编辑于2022年，星期五（2 2）超固结土的原始压缩曲线）超固结土的原始压缩曲线）超固结土的原始压缩曲线）超固结土的原始压缩曲线 步骤：步骤：步骤：步骤：绘室内压缩回弹再压缩曲线。绘室内压缩回弹再压缩曲线。绘室内压缩回弹再压缩曲线。绘室内压缩回弹再压缩曲线。先作先作先作先作 点，横坐标为试样现场自重压力点，横坐标为试样现场自重压力点，横坐标为试样现场自重压力点，横坐标为试样现场自重压力 ，纵，纵，纵，纵坐标为现场孔隙比坐标为现场孔隙比坐标为现场孔隙比坐标为现场孔隙比 过过过过 点点点点作作作作 交交交交 垂垂垂垂线线线线于于于于b b点点点点，即即即即为为为为原原原原始

23、始始始再再再再压缩曲线。压缩曲线。压缩曲线。压缩曲线。（经经经经验验验验得得得得知知知知，试试试试样样样样受受受受到到到到扰扰扰扰动动动动，初初初初次次次次室室室室内内内内压压压压缩缩缩缩曲曲曲曲线线线线的的的的斜斜斜斜率率率率比比比比原原原原始始始始再再再再压压压压缩缩缩缩曲曲曲曲线线线线的的的的斜斜斜斜率率率率大大大大得得得得多多多多，而而而而室室室室内内内内回回回回弹弹弹弹与与与与再再再再压缩曲线的平均斜率接近于原始再压缩曲线的斜率。）压缩曲线的平均斜率接近于原始再压缩曲线的斜率。）压缩曲线的平均斜率接近于原始再压缩曲线的斜率。）压缩曲线的平均斜率接近于原始再压缩曲线的斜率。）作作作作c

24、 c点，室内压缩曲线上孔隙比点，室内压缩曲线上孔隙比点，室内压缩曲线上孔隙比点，室内压缩曲线上孔隙比 点。点。点。点。连连连连bcbc直线，直线，直线，直线，bcbc为原始压缩曲线的直线段，其斜为原始压缩曲线的直线段，其斜为原始压缩曲线的直线段，其斜为原始压缩曲线的直线段，其斜率为超固结土的压缩指数率为超固结土的压缩指数率为超固结土的压缩指数率为超固结土的压缩指数 。4第23页，共29页，编辑于2022年，星期五（3 3）欠固结土的原始压缩曲线）欠固结土的原始压缩曲线）欠固结土的原始压缩曲线）欠固结土的原始压缩曲线近似按正常固结土的方法求得原始压缩曲线，定出近似按正常固结土的方法求得原始压缩曲

25、线，定出近似按正常固结土的方法求得原始压缩曲线，定出近似按正常固结土的方法求得原始压缩曲线，定出 值。值。值。值。4第24页，共29页，编辑于2022年，星期五5.4 土的变形模量土的变形模量第25页，共29页，编辑于2022年，星期五1.浅层平板载荷试验及变形模量浅层平板载荷试验及变形模量测定土的变形模量、地基承载力测定土的变形模量、地基承载力.荷载试验的观测标准：荷载试验的观测标准：（1）每级加载后，按间隔）每级加载后，按间隔10、10、10、15、15分钟，以后为每隔半小时读一分钟，以后为每隔半小时读一次沉降量，当连续两小时内，每小时的沉降量小于次沉降量，当连续两小时内，每小时的沉降量小

26、于0.1mm时，则认为已趋稳定，时，则认为已趋稳定，可加下一级荷载。可加下一级荷载。（2）当出现下列情况之一时，即可终止加载：）当出现下列情况之一时，即可终止加载：a)承压板周围的土有明显的侧承压板周围的土有明显的侧向挤出（砂土）或发生裂纹（粘性土和粉土）；向挤出（砂土）或发生裂纹（粘性土和粉土）；b)沉降沉降s急骤增大，荷载沉降急骤增大，荷载沉降（ps)曲线出现降段；曲线出现降段；c)在某一级荷载下，在某一级荷载下，24小时内沉降速率不能达到稳定小时内沉降速率不能达到稳定标准；标准；d)（b为承压板的宽度或直径）为承压板的宽度或直径）满足终止加载的前三种情况之一时，其对应的前一级荷载为极限荷

27、载。满足终止加载的前三种情况之一时，其对应的前一级荷载为极限荷载。其变形模量：其变形模量：第26页，共29页，编辑于2022年，星期五3.变形模量与压缩模量的关系变形模量与压缩模量的关系三种模量：三种模量：1 1压缩模量压缩模量压缩模量压缩模量 是是是是根根根根据据据据室室室室内内内内侧侧侧侧限限限限压压压压缩缩缩缩试试试试验验验验得得得得到到到到的的的的，它它它它的的的的定定定定义义义义是是是是土土土土在在在在完完完完全全全全侧侧侧侧限限限限的的的的条条条条件件件件下下下下，竖竖竖竖向向向向正正正正应应应应力力力力与与与与相相相相应的变形稳定情况下正应变的比值。应的变形稳定情况下正应变的比值

28、。应的变形稳定情况下正应变的比值。应的变形稳定情况下正应变的比值。2 2变形模量变形模量变形模量变形模量 是是是是根根根根据据据据现现现现场场场场载载载载荷荷荷荷试试试试验验验验得得得得到到到到的的的的，指指指指土土土土在在在在侧侧侧侧向向向向自自自自由由由由膨膨膨膨胀胀胀胀条条条条件件件件下下下下正正正正应应应应力力力力与与与与相相相相应应应应的的的的正应变的比值。正应变的比值。正应变的比值。正应变的比值。3 3弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量变形模量变形模量变形模量变形模量E E0 0与压缩模量与压缩模量与压缩模量与压缩模量E ES S的关系：的关系：的关系：的关系：E E0 0=E ES

29、 S 与土的泊松比与土的泊松比与土的泊松比与土的泊松比 有关的系数，有关的系数，有关的系数，有关的系数，；E ES S土的压缩模量。土的压缩模量。土的压缩模量。土的压缩模量。第27页，共29页，编辑于2022年，星期五 广义Hooke定律证 明00第28页，共29页，编辑于2022年，星期五土的弹性模量土体在无侧限条件下瞬时压缩的应力应变模量。弹性模量考虑土体没有残余变形，只有弹性变形。弹性模量远大于变形模量测定方法：（1）室内三轴压缩试验或单轴压缩无侧限抗压强度试验得到的应力应变关系曲线所确定的初始切线模量；（2）现场荷载条件下的再加荷模量。5.55.5土的弹性模量土的弹性模量第29页，共29页，编辑于2022年，星期五