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1、n n一般地基的压缩变形，主要由建筑物荷重产生的附加应力一般地基的压缩变形，主要由建筑物荷重产生的附加应力而引起。而引起。n n地基变形计算的目的，在于确定建筑物可能出现的最大沉地基变形计算的目的，在于确定建筑物可能出现的最大沉降量和沉降差，为建筑物设计或地基处理提供依据。降量和沉降差，为建筑物设计或地基处理提供依据。n n在工程计算中，首先关心的问题是建筑物的最终沉降量在工程计算中，首先关心的问题是建筑物的最终沉降量（或地基最终沉降量），所谓（或地基最终沉降量），所谓地基最终沉降量地基最终沉降量地基最终沉降量地基最终沉降量是指在外荷是指在外荷作用下地基土层被压缩达到稳定时基础底面的沉降量，常
2、作用下地基土层被压缩达到稳定时基础底面的沉降量，常简称地基变形量（或沉降量）。简称地基变形量（或沉降量）。n n在地基变形计算中，还需要知道地基沉降与时间的关系，在地基变形计算中，还需要知道地基沉降与时间的关系，计算不同时间的沉降量。饱水粘性土的变形速率主要取决计算不同时间的沉降量。饱水粘性土的变形速率主要取决于于孔隙水的排出速度孔隙水的排出速度。n n地基产生变形是因为土体具有可压缩的性能。地基产生变形是因为土体具有可压缩的性能。第五章第五章 土的压缩性与固结理论土的压缩性与固结理论5.1 概概 述述 第五章第五章 土的压缩性与固结理论土的压缩性与固结理论 5.1 5.1 概概概概 述述述述
3、一、土的压缩性一、土的压缩性一、土的压缩性一、土的压缩性n n在外力作用下土体积缩小的特性称为土的压缩性。在外力作用下土体积缩小的特性称为土的压缩性。n n土是三相体，土体受外力作用发生压缩变形包括三部分：土是三相体，土体受外力作用发生压缩变形包括三部分：（1 1）土固体颗粒自身变形；（）土固体颗粒自身变形；（2 2）孔隙水的压缩变形；（）孔隙水的压缩变形；（3 3）土中水和气从孔隙中被挤出从而使孔隙体积减小。土中水和气从孔隙中被挤出从而使孔隙体积减小。n n一般工程土体所受压力为一般工程土体所受压力为100100600kPa600kPa，颗粒的体积变化不，颗粒的体积变化不及全部土体积变化的及
4、全部土体积变化的1/4001/400，可不予考虑；水的压缩变形也很，可不予考虑；水的压缩变形也很小，可以忽略。所以，土的压缩变形，主要是由于孔隙体积小，可以忽略。所以，土的压缩变形，主要是由于孔隙体积减小而引起的。因此，土的压缩过程可看成是孔隙体积减小减小而引起的。因此，土的压缩过程可看成是孔隙体积减小和孔隙水或气体被排出的过程。因此，土的压缩性包含了两和孔隙水或气体被排出的过程。因此，土的压缩性包含了两方面的内容：方面的内容：1 1最终压缩变形量，将引起建筑物的最终沉降量或变形量最终压缩变形量，将引起建筑物的最终沉降量或变形量2 2压缩变形随时间而变化的过程压缩变形随时间而变化的过程-土的固
5、结土的固结n n 土的压缩随时间增长的过程称为土的压缩随时间增长的过程称为固结固结。n n 在荷载作用下，饱和土体中产生超静孔隙水压力，在排水条在荷载作用下，饱和土体中产生超静孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土体中水被排出，超静孔隙水压力逐步件下，随着时间发展，土体中水被排出，超静孔隙水压力逐步消散，土体中有效应力逐步增大，直至超静孔隙水压力完全消消散，土体中有效应力逐步增大，直至超静孔隙水压力完全消散，这一过程称为散，这一过程称为固结固结。n n 对于透水性较大的砂土和碎石土，在荷载作用下，孔隙中的对于透水性较大的砂土和碎石土，在荷载作用下，孔隙中的水很快排出了。因此，其固结过程在很
6、短的时间内就可结束。水很快排出了。因此，其固结过程在很短的时间内就可结束。相反地，对于粘性土，其透水性很差，在荷载作用下，土中水相反地，对于粘性土，其透水性很差，在荷载作用下，土中水和气体只能慢慢地排出。因此，粘性土的固结过程所需的时间和气体只能慢慢地排出。因此，粘性土的固结过程所需的时间比砂土和碎土长得多，有时需十几年或几十年才能完成。比砂土和碎土长得多，有时需十几年或几十年才能完成。1 1 1 1、土的压缩性大、土的压缩性大、土的压缩性大、土的压缩性大二、土的变形特性二、土的变形特性外因外因建筑物荷载作用。这是普遍存在的因素。建筑物荷载作用。这是普遍存在的因素。地下水位大幅度下降。相当于施
7、加大面积荷载地下水位大幅度下降。相当于施加大面积荷载=(-)h=(-)h施工影响，基槽持力层土的结构扰动施工影响，基槽持力层土的结构扰动.振动影响，产生震沉。振动影响，产生震沉。温度变化影响，如冬季冰冻，春季融化温度变化影响，如冬季冰冻，春季融化浸水下沉，如黄土湿陷，填土下沉。浸水下沉，如黄土湿陷，填土下沉。2 2 2 2、地基土产生压缩的原因、地基土产生压缩的原因、地基土产生压缩的原因、地基土产生压缩的原因内因内因土是三相体，土体受外力引起的压缩包括三部分土是三相体，土体受外力引起的压缩包括三部分:固固相相矿矿物物本本身身压压缩缩，极极小小，物物理理学学上上有有意意义义，对对建建筑筑工工程程
8、来来说无意义；说无意义；土土中中液液相相水水的的压压缩缩，在在一一般般建建筑筑工工程程荷荷载载（100100600600）KpaKpa作用下，很小，可忽略不计；作用下，很小，可忽略不计；土土中中孔孔隙隙的的压压缩缩，土土中中水水与与气气体体受受压压后后从从孔孔隙隙中中挤挤出出，使使土土的孔隙减小。的孔隙减小。2 2 2 2、地基土产生压缩的原因、地基土产生压缩的原因、地基土产生压缩的原因、地基土产生压缩的原因土体的压缩变形主要是由于孔隙减小引起的土体的压缩变形主要是由于孔隙减小引起的。上上述述因因素素中中，建建筑筑物物荷荷载载作作用用是是主主要要外外因因，通通过过土土中中孔孔隙隙的的压压缩缩这
9、一内因发生实际效果。这一内因发生实际效果。土土的的颗颗粒粒越越粗粗，孔孔隙隙越越大大，则则透透水水性性越越大大，因因而而土土中中水水的的挤挤出出和土体的压缩越快，粘土颗粒很细，则需要很长时间。和土体的压缩越快，粘土颗粒很细，则需要很长时间。3 3 3 3、饱和土体压缩过程、饱和土体压缩过程、饱和土体压缩过程、饱和土体压缩过程粘粘性性土土长长期期受受荷荷载载作作用用下下，变变形形随随时时间间而而缓缓慢慢持持续续的的现现象象称称为为蠕变蠕变。这是土的又一特性。次。这是土的又一特性。次固结固结过程过程饱饱和和土土体体的的孔孔隙隙中中全全部部充充满满着着水水，要要使使孔孔隙隙减减小小，就就必必须须使使
10、土土中中的的水水被被挤挤出出。亦亦即即土土的的压压缩缩与与土土孔孔隙隙中中水水的的挤挤出出，是是同同时时发发生生的的。由由于于土土的的颗颗粒粒很很细细，孔孔隙隙更更细细，土土中中的的水水从从很很细细的的弯弯弯弯曲曲曲曲的的孔孔隙隙中中挤挤出出需需要要相相当当长长的的时时间间，这这个个过过程程称称为为土土的的渗渗流流固固结结过过程程，也也是是土与其它材料压缩性相区别的一大特点。土与其它材料压缩性相区别的一大特点。4 4 4 4、蠕变的影响、蠕变的影响、蠕变的影响、蠕变的影响三、研究土压缩性的意义三、研究土压缩性的意义三、研究土压缩性的意义三、研究土压缩性的意义n n从工程意义上来说，地基沉降有从
11、工程意义上来说，地基沉降有均匀沉降和不均匀沉降均匀沉降和不均匀沉降之分。当建筑物基础之分。当建筑物基础均匀下沉时，从结构安全的角度来看，不致有什么影响，但过大的沉降将会均匀下沉时，从结构安全的角度来看，不致有什么影响，但过大的沉降将会严重影响建筑物的使用与美观，严重影响建筑物的使用与美观，n n如造成设备管道排水倒流，甚至断裂等；当建筑物基础发生不均匀沉降时，如造成设备管道排水倒流，甚至断裂等；当建筑物基础发生不均匀沉降时，建筑物可能发生裂缝、扭曲和倾斜，影响使用和安全，严重时甚至使建筑物建筑物可能发生裂缝、扭曲和倾斜，影响使用和安全，严重时甚至使建筑物倒塌。因此，在不均匀或软弱地基上修建建筑
12、物时，必须考虑土的压缩性和倒塌。因此，在不均匀或软弱地基上修建建筑物时，必须考虑土的压缩性和地基变形等方面的问题。地基变形等方面的问题。n n对于道路和桥梁工程，一般来说，均匀沉降对路桥工程的上部结构危害也较对于道路和桥梁工程，一般来说，均匀沉降对路桥工程的上部结构危害也较小，但过量的均匀沉降也会导致路面标高降低、桥下净空的减少而影响正常小，但过量的均匀沉降也会导致路面标高降低、桥下净空的减少而影响正常使用；不均匀沉降则会造成路堤开裂、路面不平，对超静定结构桥梁产生较使用；不均匀沉降则会造成路堤开裂、路面不平，对超静定结构桥梁产生较大附加应力等工程问题，甚至影响其正常和安全使用。因此，为了确保
13、路桥大附加应力等工程问题，甚至影响其正常和安全使用。因此，为了确保路桥工程的安全和正常使用，既需要确定地基土的最终沉降量，也需要了解和估工程的安全和正常使用，既需要确定地基土的最终沉降量，也需要了解和估计沉降量随时间的发展及其趋于稳定的可能性。计沉降量随时间的发展及其趋于稳定的可能性。n n 在工程设计和施工中，如能事先预估并妥善考虑地基的变形而在工程设计和施工中，如能事先预估并妥善考虑地基的变形而加以控制或利用，是可以防止地基变形所带来的不利影响的。加以控制或利用，是可以防止地基变形所带来的不利影响的。如某高炉，地基上层是可压缩土层，下层为倾斜岩层，在基础如某高炉，地基上层是可压缩土层，下层
14、为倾斜岩层，在基础底面积范围内，土层厚薄不均，在修建时有意使高炉向土层薄底面积范围内，土层厚薄不均，在修建时有意使高炉向土层薄的一侧倾斜，建成后由于土层较厚的一侧产生较大的变形，结的一侧倾斜，建成后由于土层较厚的一侧产生较大的变形，结果使高炉恰好恢复其竖向位置，保证了安全生产，节约了投资。果使高炉恰好恢复其竖向位置，保证了安全生产，节约了投资。5.2 5.2 土的压缩特性土的压缩特性土的压缩特性土的压缩特性一、压缩试验及压缩性指标一、压缩试验及压缩性指标一、压缩试验及压缩性指标一、压缩试验及压缩性指标1 1压缩试验压缩试验压缩试验压缩试验n n 在实验室用在实验室用侧限压缩仪（亦称固结仪）侧限
15、压缩仪（亦称固结仪）进行压缩试验，是研究土压进行压缩试验，是研究土压缩性的最基本方法。缩性的最基本方法。试验过程和结果分析：v土样制备和装样；v分级施压，给出竖向变形与时间关系；v给出压缩变形量与荷载关系曲线；n n试验仪器示意图如下图所示。试验仪器示意图如下图所示。n n试验时，用金属环刀取天然土样，并放于刚性很大的压缩环试验时，用金属环刀取天然土样，并放于刚性很大的压缩环内，来限制土样的侧向变形；在土样的上、下表面垫两块透内，来限制土样的侧向变形；在土样的上、下表面垫两块透水石，以使在压缩过程中土中水能顺利排出。压力是通过加水石，以使在压缩过程中土中水能顺利排出。压力是通过加压活塞施加在土
16、样上的，压活塞施加在土样上的，n n环刀内径通常有环刀内径通常有6.18cm6.18cm和和8cm8cm两种，相应的截面积为两种，相应的截面积为30cm30cm2 2和和50cm50cm2 2，高度为，高度为2cm2cm。n n做饱和土样的压缩试验时，容器内要放满水，以保证在试验过做饱和土样的压缩试验时，容器内要放满水，以保证在试验过程中土样处于饱和状态。程中土样处于饱和状态。n n由于土样受到环刀、刚性护环的约束，在压缩过程中只能发生由于土样受到环刀、刚性护环的约束，在压缩过程中只能发生竖向变形，不能发生侧向变形，所以这种试验方法称为竖向变形，不能发生侧向变形，所以这种试验方法称为侧限压侧限
17、压缩试验缩试验。n n试验时，荷载是分级施加的。首先施加荷载到第一级的压力试验时，荷载是分级施加的。首先施加荷载到第一级的压力p p1 1，等到土样变形稳定后（时间很长，约为，等到土样变形稳定后（时间很长，约为24h24h），可用百分表测），可用百分表测得其高度变化量得其高度变化量S S1 1，此时孔隙水压力，此时孔隙水压力 U0 U0，则施加的竖向总应，则施加的竖向总应力转为竖向有效应力。然后，将压力提高到第二级力转为竖向有效应力。然后，将压力提高到第二级p p2 2，当变形，当变形稳定后。稳定后。n n可测得土样的压缩量可测得土样的压缩量S S2 2。此下去，直到压力增加时，土。此下去，直
18、到压力增加时，土样变形几乎没有变化为止，则可得土样各级荷载下的压样变形几乎没有变化为止，则可得土样各级荷载下的压缩量，即：缩量，即：试验结果（土的压缩曲线图片）试验结果（土的压缩曲线图片）试验结果（土的压缩曲线图片）试验结果（土的压缩曲线图片）土的压缩曲线土的压缩曲线压缩曲线（压缩曲线（e-p曲线）曲线）压缩曲线（压缩曲线（e-lgp曲线）曲线）2 2、压缩曲线：、压缩曲线：、压缩曲线：、压缩曲线：土的孔隙比与所受压力的关系曲线。土的孔隙比与所受压力的关系曲线。在一般工程中，常遇到的压力在一般工程中，常遇到的压力 =100600kPa.=100600kPa.土粒的土粒的体积变化不及全部土体积变
19、化的体积变化不及全部土体积变化的1/4001/400因此，土的全部压缩量因此，土的全部压缩量可认为是由于土的孔隙体积缩小引起的。因此，可以用孔隙可认为是由于土的孔隙体积缩小引起的。因此，可以用孔隙比与所受压力的关系曲线说明土的压缩过程。比与所受压力的关系曲线说明土的压缩过程。n n在压缩试验过程中。我们可以通过百分表测量出土样的高度在压缩试验过程中。我们可以通过百分表测量出土样的高度变化变化S S（即土样的压缩量），如下图所示。（即土样的压缩量），如下图所示。土样的初始高度土样的初始高度为为h h0 0，横截面面积为，横截面面积为A A，初始孔隙比为，初始孔隙比为e e0 0。在第。在第i i
20、级竖向应力作级竖向应力作用下，变形稳定后的压缩量为用下，变形稳定后的压缩量为s si i，土样高度变为，土样高度变为h h0 0-s-si i ，土样，土样的孔隙比从的孔隙比从e e0 0减小到减小到e ei i，此时，此时 由于在试验过由于在试验过程中土样不能侧向变形，所以压缩前后土样横截面积程中土样不能侧向变形，所以压缩前后土样横截面积A A保持不保持不变；变；n n同时，由于土颗粒本身的压缩变形可以忽略不计，即压缩前同时，由于土颗粒本身的压缩变形可以忽略不计，即压缩前后土样中土颗粒的体积也是不变的，则有后土样中土颗粒的体积也是不变的，则有n n式中：式中：v vs s土样中土颗粒体积；土
21、样中土颗粒体积；n n A A土样底面积；土样底面积；n n h h0 0土样原始高度；土样原始高度；n n e e0 0土样初始孔隙比（由三相基本比例指标试验确定）；土样初始孔隙比（由三相基本比例指标试验确定）；n n s si i土样在第级竖向应力土样在第级竖向应力 作用下变形稳定后的压缩量；作用下变形稳定后的压缩量；n n e ei i土样在第级竖向应力土样在第级竖向应力 作用下变形稳定后的孔隙比。作用下变形稳定后的孔隙比。n n将二式相除可得将二式相除可得n n则则n n这样，只要测定了土样在各级压力这样，只要测定了土样在各级压力 作用下的稳定变形量后，作用下的稳定变形量后，就可以按上
22、式计算出孔隙比。以竖向有效应力就可以按上式计算出孔隙比。以竖向有效应力 为横坐标，为横坐标，孔隙比为纵坐标，绘制出孔隙比与有效应力的关系曲线，即孔隙比为纵坐标，绘制出孔隙比与有效应力的关系曲线，即压缩曲线，又称压缩曲线，又称 ，如下图，如下图a a所示。如用半对数直角所示。如用半对数直角坐标绘图，则得到坐标绘图，则得到 曲线，如下图曲线，如下图b b所示。所示。n n从上图可以看出，用半对数坐标绘制的从上图可以看出，用半对数坐标绘制的 曲线，在后半曲线，在后半部出现明显的直线段，这已被大量的实验所证实。部出现明显的直线段，这已被大量的实验所证实。n n对于不同的土，其压缩曲线的形状不同，压缩曲
23、线越陡，说对于不同的土，其压缩曲线的形状不同，压缩曲线越陡，说明随着压力的增加，土中孔隙比的减小越显著，土的压缩性明随着压力的增加，土中孔隙比的减小越显著，土的压缩性也就越高。从上图可以看出，软粘土的压缩性要比密实砂土也就越高。从上图可以看出，软粘土的压缩性要比密实砂土的压缩性高得多。的压缩性高得多。n n另外，土的压缩曲线一般随压力的增大而逐渐趋于平缓，即另外，土的压缩曲线一般随压力的增大而逐渐趋于平缓，即在侧限条件下土的压缩性逐渐减小。在侧限条件下土的压缩性逐渐减小。3 3压缩性指标压缩性指标压缩性指标压缩性指标（1 1）压缩系数）压缩系数）压缩系数）压缩系数a a对于地基土，在修建建筑物
24、对于地基土，在修建建筑物之前就存在有效自重应力之前就存在有效自重应力 。建筑物修建后，。建筑物修建后，地基中的应力发生了变化，地基中的应力发生了变化，由原来的由原来的 增加到增加到，相应的孔隙比由原来，相应的孔隙比由原来的减少到，如右图所示。由的减少到，如右图所示。由于修建建筑物所引起的应力增加量一般不大，于修建建筑物所引起的应力增加量一般不大，=100 =100300 kPa300 kPa，故，故MM1 1至至MM2 2的一小段曲线可以近似用的一小段曲线可以近似用 直线直线来代替，其误差是工程允许的。来代替，其误差是工程允许的。n n令令 ，称为压缩系数，称为压缩系数n n式中：式中：n n
25、 地基某深度处土中有效竖向自重应力；地基某深度处土中有效竖向自重应力；n n 地基某深度处土中有效竖向自重有力与有效竖向附加地基某深度处土中有效竖向自重有力与有效竖向附加应力之和；应力之和；n ne e1 1作用下压缩稳定后土的孔隙比，即土的天然孔隙比；作用下压缩稳定后土的孔隙比，即土的天然孔隙比；n ne e2 2作用下压缩稳定后土的孔隙比，即土的最终孔隙比；作用下压缩稳定后土的孔隙比，即土的最终孔隙比；n na a 土的压缩系数，土的压缩系数，kPakPa-1-1。n n压缩系数压缩系数a a是反映土压缩性的一个重要参数，是反映土压缩性的一个重要参数，a a值越大，曲线值越大，曲线越陡，土
26、的压缩性越高。延长直线越陡，土的压缩性越高。延长直线 与与e e坐标轴相交得截距坐标轴相交得截距e eA A，则直线的，则直线的 方程为方程为n n上式即为土力学中的重要定律之一，即上式即为土力学中的重要定律之一，即压缩定律压缩定律压缩定律压缩定律，说明了在，说明了在一定应力范围内（一定应力范围内（）,土的孔隙比土的孔隙比e e与其所受与其所受应力应力 呈线性变化。呈线性变化。n n从上图可以看出，压缩系数从上图可以看出，压缩系数a a与先后作用于土上的有效应力与先后作用于土上的有效应力 和和 有关，即有关，即a a不是一个常数。为了统一标准，土工不是一个常数。为了统一标准，土工试验方法标准规
27、定采用试验方法标准规定采用 =100kPa =100kPa，=200kPa =200kPa所得到所得到的的a a1-21-2作为评定土压缩性高低的指标。作为评定土压缩性高低的指标。*为了便于比较，通常采用压力段由为了便于比较，通常采用压力段由为了便于比较，通常采用压力段由为了便于比较，通常采用压力段由p p p p1 1 1 1=100kPa=100kPa=100kPa=100kPa 增加到增加到增加到增加到p p p p2 2 2 2=200kPa=200kPa=200kPa=200kPa 时的压缩系数时的压缩系数时的压缩系数时的压缩系数a a1-21-21-21-2来评定土来评定土来评定土
28、来评定土的压缩性如下：的压缩性如下：的压缩性如下：的压缩性如下：0.10.5高压缩性高压缩性中压缩性中压缩性低压缩性低压缩性各各类类地地基基土土压压缩缩性性的的高高低低，取取决决于于土土的的类类别别、原原始始密密度度和天然结构是否扰动等因素。和天然结构是否扰动等因素。例例如如：密密实实的的粗粗砂砂、卵卵石石的的压压缩缩性性比比粘粘性性土土为为低低。粘粘性性土土的的压压缩缩性性高高低低可可能能相相差差很很大大：当当土土的的含含水水量量高高、孔孔隙隙比比大大时时，如如淤淤泥泥为为高高压压缩缩性性土土；若若含含水水量量低低的的硬硬塑塑或或坚坚硬硬的的土土，则则为为低低压压缩缩性性土土。此此外外，粘粘
29、性性土土的的天天然然结结构构受受扰扰动动后后，它它的的压压缩缩性性将将增增高高，特特别别对对于于高高灵灵敏敏度度的的粘粘土土，天天然然结结构构遭遭到到破破坏时，影响压缩性更甚，同时其强度也剧烈下降。坏时，影响压缩性更甚，同时其强度也剧烈下降。（2 2）压缩指数）压缩指数）压缩指数）压缩指数C Cc cn n室内侧限压缩试验结果分析中也可以采用室内侧限压缩试验结果分析中也可以采用 曲线。用这种形式表示试验结果的优点是在应力达到一定值后，曲线。用这种形式表示试验结果的优点是在应力达到一定值后，曲线接近直线，该直线的斜率曲线接近直线，该直线的斜率C Cc c称为压缩指数，即称为压缩指数，即n n类似
30、于压缩系数，压缩指数类似于压缩系数，压缩指数CcCc值也可以用来判断土的压缩性值也可以用来判断土的压缩性大小。大小。低压缩性土；低压缩性土；中压缩性土中压缩性土高压缩性土。高压缩性土。但压缩指数但压缩指数C Cc c与压缩系数与压缩系数a a又有所不同，又有所不同，a a值随应力的变化而值随应力的变化而变化，而变化，而C Cc c在应力超过一定值时为常数，在某些情况下使用在应力超过一定值时为常数，在某些情况下使用较为方便，如国外广泛采用较为方便，如国外广泛采用 曲线来研究应力历史对土曲线来研究应力历史对土压缩性的影响。压缩性的影响。（3 3）回弹指数）回弹指数）回弹指数）回弹指数C Ce en
31、 n上面在室内侧限压缩试验中连续递增加压，得到了常规的压上面在室内侧限压缩试验中连续递增加压，得到了常规的压缩曲线。现在如果加压到某一值缩曲线。现在如果加压到某一值 （相应于下图曲线上的（相应于下图曲线上的b b点）点）后不再加压，而是逐级进行卸载直至为零，并且测得各卸载后不再加压，而是逐级进行卸载直至为零，并且测得各卸载等级下土样回弹稳定后土样高度，进而换算得到相应的孔隙等级下土样回弹稳定后土样高度，进而换算得到相应的孔隙比，比，n n即可绘制出卸载阶段的关系曲线，如图中即可绘制出卸载阶段的关系曲线，如图中bcbc曲线所示，称为曲线所示，称为回弹曲线（或膨胀曲线）。可以看到不同于一般的弹性材
32、料回弹曲线（或膨胀曲线）。可以看到不同于一般的弹性材料的是，回弹曲线不和初始加载的曲线的是，回弹曲线不和初始加载的曲线abab重合，卸载至零时，重合，卸载至零时，土样的孔隙比没有恢复到初始压力为零时的孔隙比土样的孔隙比没有恢复到初始压力为零时的孔隙比e e0 0。这就。这就表明土在荷载作用下残留了一部分压缩变形，称之为表明土在荷载作用下残留了一部分压缩变形，称之为残余变残余变形（或塑性变形），形（或塑性变形），但也恢复了一部分压缩变形，称之为但也恢复了一部分压缩变形，称之为弹弹性变形性变形。n n若接着重新逐级加压，则可测得土样在各级荷载作用下再压若接着重新逐级加压，则可测得土样在各级荷载作用
33、下再压缩稳定后的土样高度，换算成孔隙比后可绘制出再压缩曲线，缩稳定后的土样高度，换算成孔隙比后可绘制出再压缩曲线，如上图中的如上图中的cdfcdf曲线。可以发现，再压缩曲线的曲线。可以发现，再压缩曲线的dfdf段是段是abab段的段的延续，但再压缩曲线与回弹曲线不重合，也不通过原卸载点延续，但再压缩曲线与回弹曲线不重合，也不通过原卸载点b b。n n对于半对数直角坐标系的对于半对数直角坐标系的e-lgpe-lgp曲线，也有类似的过程，如上曲线，也有类似的过程，如上图所示。卸载曲线和再压缩曲线的平均斜率（图中虚线的斜图所示。卸载曲线和再压缩曲线的平均斜率（图中虚线的斜率）称为回弹指数或再压缩指数
34、，用率）称为回弹指数或再压缩指数，用C Ce e表示。一般情况下，表示。一般情况下，C Ce e=(0.10.2)C=(0.10.2)Cc c。（4 4）压缩模量）压缩模量）压缩模量）压缩模量E Es s和体积压缩系数和体积压缩系数和体积压缩系数和体积压缩系数mmv v定义定义定义定义：土在完全侧限条件下，竖向附加应力增量：土在完全侧限条件下，竖向附加应力增量 与相应竖向应变增量与相应竖向应变增量 之比值，用之比值，用E Es s表示，即表示，即 ，故有时也称之为侧限压缩模量。，故有时也称之为侧限压缩模量。如上图所示，若如上图所示，若MM1 1至至MM2 2的一小段曲线近似用直线的一小段曲线近
35、似用直线 代替时，也可表示为全量的形式，即代替时，也可表示为全量的形式，即 计算公式计算公式计算公式计算公式 n n式中：式中：e e1 1土的天然孔隙比；土的天然孔隙比；n n a a土的压缩系数，土的压缩系数，kPakPa-1-1；n n E Es s土的压缩模量，土的压缩模量，kPakPa。n n推导过程如下：推导过程如下：n n如下图所示，土样取自地下某深度处，其高度为如下图所示，土样取自地下某深度处，其高度为h h1 1 ，横截面，横截面面积为面积为A A。在修建建筑物之前，其上所受有效竖向自重应力为。在修建建筑物之前，其上所受有效竖向自重应力为 ，相应的天然孔隙比为，相应的天然孔隙
36、比为e e1 1。在修建建筑物后，其上所受有效。在修建建筑物后，其上所受有效竖向应力竖向应力 ，相应的最终孔隙比为，相应的最终孔隙比为e e2 2，变形稳定，变形稳定后土样高度变为后土样高度变为h h2 2，压缩量为，压缩量为s s。n n在侧限条件下，有在侧限条件下，有n n将二式相除可得将二式相除可得n n则则n n所以所以n n体积压缩系数体积压缩系数体积压缩系数体积压缩系数mmv v=1/=1/E Es sn n从式中可以看出，从式中可以看出，E Es s与与a a成反比。成反比。a a值越大，值越大，E Es s值越小，土的压缩性越大。值越小，土的压缩性越大。因此，压缩模量因此，压缩
37、模量E Es s也是土的另一个重要压缩性指标。也是土的另一个重要压缩性指标。n n n n EsEs越小，表示土的压缩性越高。越小，表示土的压缩性越高。越小，表示土的压缩性越高。越小，表示土的压缩性越高。n nEs4MPa Es15MPa Es15MPa 低压缩性土低压缩性土低压缩性土低压缩性土n n同压缩系数同压缩系数a a一样，压缩模量一样，压缩模量E Es s也不是常数。在统一标准时，可将也不是常数。在统一标准时，可将a a1-21-2代替代替上式中的上式中的a a，得到，得到E Es(1-2)s(1-2)，同样可作为评定土压缩性高低的指标。，同样可作为评定土压缩性高低的指标。n n值得
38、说明的是，值得说明的是，压缩模量压缩模量与与弹性模量弹性模量相似，都是应力与应变的比值，但有相似，都是应力与应变的比值，但有两点不同。其一是两点不同。其一是压缩模量压缩模量EsEs是在侧限条件下测定的，故又称为是在侧限条件下测定的，故又称为侧限压缩侧限压缩模量模量，以便与无侧限条件下单向受力所测得的弹性模量相区别；其二是土，以便与无侧限条件下单向受力所测得的弹性模量相区别；其二是土的压缩模量不仅反映了土的弹性变形，而且同时反映了土的的压缩模量不仅反映了土的弹性变形，而且同时反映了土的塑性变形（又塑性变形（又称永久变形或残余变形称永久变形或残余变形），且是一个随应力而变化的数值。），且是一个随应
39、力而变化的数值。二、土的变形模量二、土的变形模量二、土的变形模量二、土的变形模量1 1现场载荷试验现场载荷试验现场载荷试验现场载荷试验n n上述室内压缩试验简便实用，是目前评价土的压缩性的常用上述室内压缩试验简便实用，是目前评价土的压缩性的常用方法。在室内进行压缩试验，首先要在工程现场取原状土样。方法。在室内进行压缩试验，首先要在工程现场取原状土样。由于试样尺寸较小，在取样过程中土样不可避免地要受到扰由于试样尺寸较小，在取样过程中土样不可避免地要受到扰动，而且更重要的是试验是在侧向受限制的条件下进行的，动，而且更重要的是试验是在侧向受限制的条件下进行的，使得室内试验结果与实际情况不完全相同。尤
40、其是对于粉土、使得室内试验结果与实际情况不完全相同。尤其是对于粉土、砂土等，取样比较困难，在这种情况下就有必要在现场进行砂土等，取样比较困难，在这种情况下就有必要在现场进行原位测试原位测试。n n另外，对于一些重要的工程及建造在特殊土上的工程，为了另外，对于一些重要的工程及建造在特殊土上的工程，为了更准确地评价土在天然状态下的压缩性，也需要在现场进行更准确地评价土在天然状态下的压缩性，也需要在现场进行原位测试。现场载荷试验是一种常用的原位测试。现场载荷试验是一种常用的原位测试原位测试方法。方法。（1 1）试验装置）试验装置）试验装置）试验装置n n试验装置如图所示（），一般由加荷稳压装置、反力
41、装置及试验装置如图所示（），一般由加荷稳压装置、反力装置及观测装置三部分组成。观测装置三部分组成。n n现场载荷试现场载荷试现场载荷试现场载荷试验装置示意图验装置示意图验装置示意图验装置示意图n n(a)(a)堆重堆重堆重堆重-千斤顶式；千斤顶式；千斤顶式；千斤顶式；n n(b)(b)地锚地锚地锚地锚-千斤顶式；千斤顶式；千斤顶式；千斤顶式；n n(c)-(c)-基槽承载式基槽承载式基槽承载式基槽承载式 载荷试验示意图载荷试验示意图反压重物反力梁千斤顶基准梁荷载板百分表n n加荷稳压装置包括承压板、千斤顶及稳压器等，反力装置常加荷稳压装置包括承压板、千斤顶及稳压器等，反力装置常用平台堆载或地锚
42、，当试坑较深时，反力也可由基槽承担。用平台堆载或地锚，当试坑较深时，反力也可由基槽承担。n n 承压板常用方形或圆形，采用厚钢板，面积有承压板常用方形或圆形，采用厚钢板，面积有0.250.25、0.50.5和和1.0m1.0m2 2三种，常用三种，常用0.5m0.5m2 2的。的。（2 2）试验方法）试验方法）试验方法）试验方法n n在建筑场地选择有代表性的部位，挖坑到待测土层。坑底宽在建筑场地选择有代表性的部位，挖坑到待测土层。坑底宽度应大于载荷板宽度的三倍。坑底辅设厚为度应大于载荷板宽度的三倍。坑底辅设厚为2cm2cm的粗砂垫层，的粗砂垫层，并有防水、排水等措施。并有防水、排水等措施。n
43、n首先用千斤顶通过承压板向地基施加第一级压力，利用稳定首先用千斤顶通过承压板向地基施加第一级压力，利用稳定器保持这一压力值不变，用百分表测量承压板的位移，即地器保持这一压力值不变，用百分表测量承压板的位移，即地基的沉降量，当沉降量稳定后，再提高载荷到第二级压力，基的沉降量，当沉降量稳定后，再提高载荷到第二级压力，同样观测荷载板的位移，这样便可测得载荷板位移同样观测荷载板的位移，这样便可测得载荷板位移S S与与p p之间之间的一组数据的一组数据(p(pi i,s,si i)i=1)i=1、2-2-n n。根据这些数据便可绘制出基。根据这些数据便可绘制出基底压力底压力p p与沉降量的关系曲线，如下
44、图所示。与沉降量的关系曲线，如下图所示。现场载荷试验获得的试验曲线现场载荷试验获得的试验曲线现场载荷试验获得的试验曲线现场载荷试验获得的试验曲线 (a)p-s (a)p-s曲线；曲线；(b)s-t(b)s-t 曲线曲线（3 3）加荷及观测标准）加荷及观测标准）加荷及观测标准）加荷及观测标准n n第一条第一条第一条第一条，加荷等级不少于，加荷等级不少于8 8级，第一级荷载取试验坑底面处的级，第一级荷载取试验坑底面处的自重应力；其后每级荷载增量自重应力；其后每级荷载增量p p，对较松软土取，对较松软土取10kPa10kPa25kPa25kPa，对较密实的土取，对较密实的土取50kPa50kPa；最
45、大加载值；最大加载值p pmaxmax不应小于地不应小于地基承载力设计值的基承载力设计值的2 2倍，并应尽量接近预估的地基极限荷载倍，并应尽量接近预估的地基极限荷载p pu u。n n第二条第二条第二条第二条，每加一级荷载后，按时间间隔，每加一级荷载后，按时间间隔10min10min，10min10min，10min10min，15min15min，15min15min及以后每隔及以后每隔30min30min读一次沉降，如果读一次沉降，如果连续两个小时内，每小时的沉降量小于连续两个小时内，每小时的沉降量小于0.1mm0.1mm，则认为变形，则认为变形已经稳定，可施加荷载到下一级。已经稳定，可施
46、加荷载到下一级。（4 4）破坏标准）破坏标准）破坏标准）破坏标准n n达到下列情况之一时，认为土已达到极限状态，即地基土破达到下列情况之一时，认为土已达到极限状态，即地基土破坏，应终止加载。包括：坏，应终止加载。包括：（1 1）承载板周围的土明显侧向挤出（砂土）或发生裂缝（粘性）承载板周围的土明显侧向挤出（砂土）或发生裂缝（粘性土和粉土）；土和粉土）；（2 2）沉降）沉降S S急剧增大，急剧增大，p-sp-s曲线出现陡降阶段；曲线出现陡降阶段；（3 3）在某级荷载下，）在某级荷载下，24h24h内沉降速率应不能达到稳定标准；内沉降速率应不能达到稳定标准；（4 4）沉降量）沉降量s0.08bs0
47、.08b（b b为承压板宽度或直径）。为承压板宽度或直径）。2 2试验结果分析试验结果分析试验结果分析试验结果分析（1 1）p-sp-s曲线曲线曲线曲线n n现场载荷试验的结果之一是获得地基土的现场载荷试验的结果之一是获得地基土的p-sp-s曲线。多数情曲线。多数情况下，况下，p-sp-s曲线可分为三个变形阶段，如上图所示。现分述曲线可分为三个变形阶段，如上图所示。现分述如下：如下：直线变形阶段直线变形阶段直线变形阶段直线变形阶段n n当当ppppa a（称为临塑荷载或比例界限）时，压力（称为临塑荷载或比例界限）时，压力p p与沉降量与沉降量s s之间的关系接之间的关系接近于正比，如上图中近于
48、正比，如上图中p-sp-s曲线上的曲线上的oaoa段，实用上可以认为成直线关系。在段，实用上可以认为成直线关系。在这一变形阶段内，地基土的变形主要是由于土的压密，因此也叫压密阶这一变形阶段内，地基土的变形主要是由于土的压密，因此也叫压密阶段。段。局部剪裂阶段局部剪裂阶段局部剪裂阶段局部剪裂阶段n n 当当p pa a p p p pu u（称为极限荷载）时，压力与沉降量（称为极限荷载）时，压力与沉降量s s之间不再保持直线之间不再保持直线关系，曲线上各点的斜率逐渐增大，如关系，曲线上各点的斜率逐渐增大，如p-sp-s曲线上的曲线上的abab段。在土发生压密段。在土发生压密变形的同时，承压板边缘
49、下的土出现局部剪切破坏区（或叫塑性变形区）变形的同时，承压板边缘下的土出现局部剪切破坏区（或叫塑性变形区）。在这个区域内，土已发生剪切破坏，并产生较显著的侧向变形。在这个区域内，土已发生剪切破坏，并产生较显著的侧向变形。完全破坏阶段完全破坏阶段完全破坏阶段完全破坏阶段n n当当ppppu u时，承压板急剧下沉。同时，由于地基土的塑性变形时，承压板急剧下沉。同时，由于地基土的塑性变形区已扩大并形成连续的滑动面，发生整体剪切破坏，土从承区已扩大并形成连续的滑动面，发生整体剪切破坏，土从承压板下面挤出来，在板的四周形成隆起的土堆。此时，地基压板下面挤出来，在板的四周形成隆起的土堆。此时，地基土完全破
50、坏，丧失稳定性。土完全破坏，丧失稳定性。（2 2）地基承载力的确定）地基承载力的确定）地基承载力的确定）地基承载力的确定n n根据现场载荷试验所确定的根据现场载荷试验所确定的p-sp-s曲线，可以按下述方法确定地曲线，可以按下述方法确定地基承载力基本值基承载力基本值f f0 0：（1 1）当）当p-sp-s曲线有明显的比例界限点曲线有明显的比例界限点a a时，取时，取 f f0 0=p=pcrcr；（2 2）当）当p-sp-s曲线上的曲线上的a a、b b两点能确定，且两点能确定，且p pu u1.5p1.5pa a时，取时，取f f0 0=p=pu u/2/2；（3 3）若）若p-sp-s曲