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1、第五章 土的压缩性5-1 概 述如果在地基上修建建筑物，地基土内各点不仅要承受土体本身的自重应如果在地基上修建建筑物，地基土内各点不仅要承受土体本身的自重应力，而且要承担由建筑物通过基础传递给地基的荷载产生的附加应力作力，而且要承担由建筑物通过基础传递给地基的荷载产生的附加应力作用，这都将导致地基土体的变形。用，这都将导致地基土体的变形。土体变形可分为：土体变形可分为：体积变形和形状变形体积变形和形状变形。本章只讨论由正应力引起的体积变形，即由于外荷载导致地基内正应力本章只讨论由正应力引起的体积变形，即由于外荷载导致地基内正应力增加，使得土体体积缩小。增加，使得土体体积缩小。在附加应力作用下，
2、地基土将产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖在附加应力作用下，地基土将产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为直方向的位移（或下沉）称为沉降沉降。为什么研究沉降？为什么研究沉降？基础的沉降量或者各部位的沉降差过大，那么将影响上部建筑物的正常基础的沉降量或者各部位的沉降差过大，那么将影响上部建筑物的正常使用，甚至会危及建筑物的安全。使用，甚至会危及建筑物的安全。11 1、地基土层发生变形的主要因素、地基土层发生变形的主要因素 内因：土具有压缩性 内因：土具有压缩性 外因：主要是建筑物荷载的作用 外因：主要是建筑物荷载的作用 建筑物荷载作用，这是普遍存在的因素 建筑物荷载作用
3、，这是普遍存在的因素 地下水位大幅度下降 地下水位大幅度下降 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 固相矿物本身压缩 固相矿物本身压缩土中液相水的压缩 土中液相水的压缩 土中孔隙的压缩 土中孔隙的压缩 在外力作用下，土颗粒重 在外力作用下，土颗粒重新排列，土体体积缩小的现象 新排列，土体体积缩小的现象称为 称为压缩 压缩。通常，均认为土体。通常，均认为土体压缩完全是由于土中孔隙体积 压缩完全
4、是由于土中孔隙体积减小的结果。减小的结果。土的压缩随时间增长的过 土的压缩随时间增长的过程称为 程称为土的固结 土的固结。2 即在自重应力或附加应力作用下，地基土要产生附加变形，包括体积 即在自重应力或附加应力作用下，地基土要产生附加变形，包括体积变形和形状变形。对于土来说，体积变形通常表现为体积缩小。我们把这 变形和形状变形。对于土来说，体积变形通常表现为体积缩小。我们把这种在外力作用下土体积缩小得特性称为 种在外力作用下土体积缩小得特性称为土的压缩性 土的压缩性。土的压缩性主要有两个 土的压缩性主要有两个特点 特点：土的压缩性主要是由于孔隙体积减少而引起的；土的压缩性主要是由于孔隙体积减少
5、而引起的；由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘土来说需要时间，将 由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘土来说需要时间，将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土的固结 土的固结。在建筑物荷载作用下，地基土主要由于压缩而引起的竖直方向的位 在建筑物荷载作用下，地基土主要由于压缩而引起的竖直方向的位移称为 移称为沉降 沉降。研究建筑物沉降包含两方面的内容：。研究建筑物沉降包含两方面的内容：绝对沉降量的大小，亦即 绝对沉降量的大小，亦即最终沉降 最终沉降；沉降与时间的关系，主要介绍太沙基的 沉降与时间的关系，主要介绍太沙基的一维固结理论 一维固结理论。35.2 土的压缩特性
6、一、土的压缩与固结一、土的压缩与固结在外力作用下，土颗粒重新排列，土体体积缩小的现象称为在外力作用下，土颗粒重新排列，土体体积缩小的现象称为压缩压缩。通常，土粒本身和孔隙水的压缩量可以忽略不计，在研究土的压缩通常，土粒本身和孔隙水的压缩量可以忽略不计，在研究土的压缩时，均认为土体压缩完全是由于土中孔隙体积减小的结果。时，均认为土体压缩完全是由于土中孔隙体积减小的结果。在三维应力边界条件下，饱和土体地基受荷载作用后产生的在三维应力边界条件下，饱和土体地基受荷载作用后产生的总沉降总沉降量量SStt可以看作由三部分组成：瞬时沉降可以看作由三部分组成：瞬时沉降SSii、主固结沉降主固结沉降SScc、次
7、固结次固结沉降沉降SSss，即即 SStt=S=Sii+S+Scc+S+Sss44 瞬时沉降瞬时沉降是指在加荷后立即发生的沉降。对于饱和粘土来说，由是指在加荷后立即发生的沉降。对于饱和粘土来说，由于在很短的时间内，孔隙中的水来不及排出，加之土体中的水和土于在很短的时间内，孔隙中的水来不及排出，加之土体中的水和土粒是不可压缩的，因而瞬时沉降是在没有体积变形的条件下发生的，粒是不可压缩的，因而瞬时沉降是在没有体积变形的条件下发生的，它主要是由于土体的侧向变形引起的，是形状变形。如果饱和土体它主要是由于土体的侧向变形引起的，是形状变形。如果饱和土体处于无侧向变形条件下，则可以认为处于无侧向变形条件下
8、，则可以认为SSii=0=0。在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排出导致土体体积随时间逐渐在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排出导致土体体积随时间逐渐缩小，有效应力逐渐增加，这一过程称为缩小，有效应力逐渐增加，这一过程称为主固结主固结，也就是通常所指，也就是通常所指的固结。它占了总沉降的主要部分。的固结。它占了总沉降的主要部分。随着时间的增加，孔隙水应力逐渐消散，有效应力逐渐增加并最随着时间的增加，孔隙水应力逐渐消散，有效应力逐渐增加并最终达到一个稳定值，此时孔隙水应力消散为零，主固结沉降完成，终达到一个稳定值，此时孔隙水应力消散为零，主固结沉降完成，这一过程所产生的沉降为固结沉降。这一过程所产生的沉
9、降为固结沉降。土体在主固结沉降完成之后在有效应力不变的情况下还会随着时土体在主固结沉降完成之后在有效应力不变的情况下还会随着时间的增长进一步产生沉降，这就是间的增长进一步产生沉降，这就是次固结沉降次固结沉降。nn 次固结沉降对某些土如软粘土是比较重要的，对于坚硬土或超次固结沉降对某些土如软粘土是比较重要的，对于坚硬土或超固结土，这一分量相对较小。固结土，这一分量相对较小。555.2 固结试验及压缩性指标665.2.1 室内固结试验与压缩曲线为了研究土的压缩特性，通常可在试验室内进行固结试验，从而测定土的压缩性指标。室内固结试验的主要装置为固结仪，如图所示。用这种仪器进行试验时，由于刚性护用这种
10、仪器进行试验时，由于刚性护环所限，试样只能在竖向产生压缩，环所限，试样只能在竖向产生压缩，而不能产生侧向变形，故称为而不能产生侧向变形，故称为单向固单向固结试验或侧限固结试验结试验或侧限固结试验。固结仪示意图77土的压缩变形常用孔隙比土的压缩变形常用孔隙比ee的变化来表示。的变化来表示。根据固结试验的结果可建立压力根据固结试验的结果可建立压力pp与相应的稳与相应的稳定孔隙比的关系曲线，称为土的定孔隙比的关系曲线，称为土的压缩曲线压缩曲线。压缩曲线可以按两种方式绘制，一种是按普压缩曲线可以按两种方式绘制，一种是按普通直角坐标绘制的通直角坐标绘制的epep曲线；另一种是用半曲线；另一种是用半对数直
11、角坐标绘制的对数直角坐标绘制的elgpelgp曲线。曲线。同一种土的孔隙比并不是固定不变的，所谓同一种土的孔隙比并不是固定不变的，所谓的稳定也只是指附加应力完全转化为有效应的稳定也只是指附加应力完全转化为有效应力而言的。力而言的。固结试验成果示意图88v压缩曲线是室内压缩实验的成果，它是土的孔隙比e与所受压力P的关系曲线。9压缩性曲线的形状与土样的成分、结构、状态及受力历史等有关。压缩性不同的土，其e-p曲线的形状不同。曲线愈陡，说明压力增加时孔隙比减小得多，土易变形，压缩性愈高。105.2.2 5.2.2 压缩系数和压缩指数压缩系数和压缩指数压缩曲线压缩曲线反映了土受压后的压缩特性。反映了土
12、受压后的压缩特性。我们可以用单位压力增量所引起的孔隙比改变，即压缩曲线的割线的我们可以用单位压力增量所引起的孔隙比改变，即压缩曲线的割线的坡度来表征土的压缩性高低。坡度来表征土的压缩性高低。式中：式中：aavv称为压缩系数，即割线称为压缩系数，即割线MM11MM22的坡度，以的坡度，以kPakPa-1-1或或MPaMPa-1-1计。计。ee11，e e22为为pp11，pp22相对应的孔隙比。相对应的孔隙比。压缩系数的确定1 11 1压缩系数压缩系数aavv是表征土压缩性的重要指标之一。是表征土压缩性的重要指标之一。在工程中，习惯上采用在工程中，习惯上采用100100kPakPa和和200200kPakPa范围的压缩系数来衡范围的压缩系数来衡量土的压缩性高低。量土的压缩性高低。我国的建筑地基基础设计规范按我国的建筑地基基础设计规范按aavv的大小，划分地基土的的大小，划分地基土的压缩性。压缩性。当当aavv-1-1时时 属低压缩性土属低压缩性土 当当0.1MPa 0.1MPa-1-1 aavv0.5MPa 0.5MPa-1-1时时 属中压缩性土属中压缩性土 当当aav v 0.5MPa 0.5MPa-1-1时时 属高压缩性土属高压缩性土1212