土的压缩性及固结理论.docx

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土的压缩性及固结理论

第4章土的压缩性及固结理论

基本内容

这是本课程的重点。

在学习土的压缩性指标确定方法的基础上，掌握地基最终沉降量计算原理和地基固结问题的分析计算方法。

学习要求：

1.掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法；

2．掌握有效应力原理；

3．掌握太沙基一维固结理论；

4.1概述（outline）

土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。

我们把这种在外力作用下土体积缩小得特性称为土的压缩性（compressibility）。

Itiswellrecognizedthatthedeformationswillbeinducedingroundsoilunderself-weightornetcontactpressure.Theload-inducedsoildeformationscanbedividedintovolumetricdeformationanddeviatoricdeformation（namely,angulardistortionordeformationinshape）.Thevolumetricdeformationismainlycausedbythenormalstress,whichcompactthesoil,resultinginsoilcontractioninsteadofsoilfailure.Thedeviatoricdeformationiscausedbytheshearstress.Whentheshearstressislargeenough,shearfailureofthesoilwillbeinducedandsoildeformationwilldevelopcontinuously.Usuallyshearfailureoveralargeareaisnotallowedtohappenintheground.

土的压缩性主要有两个特点：

（1）土的压缩性主要是由于孔隙体积减少而引起的；

（2）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移称为沉降。

研究建筑物沉降包含两方面的内容：

一是绝对沉降量的大小，亦即最终沉降；

二是沉降与时间的关系，主要介绍太沙基的一维固结理论

土体产生体积缩小的原因：

（1）固体颗粒的压缩；

（2）孔隙水和孔隙气体的压缩，孔隙气体的溶解；

（3）孔隙水和孔隙气体的排出。

由于纯水的弹模约为2×106kPa，固体颗粒的弹模为9×l07kPa，土粒本身和孔隙中水的压缩量，在工程压力（100～600kPa）范围内，不到土体总压缩量的1/400，因此常可略不计。

所以，土体压缩主要来自孔隙水和土中孔隙气体的排出。

孔隙中水和气体向外排出要有一个时间过程。

因此土的压缩亦要一段时间才能完成。

把这一与时间有关的压缩过程称为固结。

土体的变形计算，需要取得土的压缩性指标，可以通过室内侧限压缩试验和现场原位试验得到。

室内压缩试验亦称固结试验，是研究土压缩性最基本的方法。

现场载荷试验是在工程现场通过千斤顶逐级对置于地基土上的载荷板施加荷载，观测记录沉降随时间的发展以及稳定时的沉降量s，并绘制成p-s曲线，即获得地基土载荷试验的结果。

反映土的压缩性的指标主要有压缩系数、压缩模量、压缩指数和变形模量。

土的压缩性的高低，常用压缩性指标定量表示，压缩性指标，通常由工程地质勘察取天然结构的原状土样进行.

Characteristicofsoilcompression

（1）Compressionofsoilismainlyduetothedecreaseofvoidvolume.

（2）Thecompressionforaclayincreaseswiththetimes（consolidation）

Groundsoilwilldeformverticallyduetostructureload.Thecontentsonstudyingstructuresettlementinclude

1Theabsolutesettlement（finalsettlement）

2Relationshipbetweensettlementandtime.Introducingterzaghi’s1Dconsolidationtheory

Reasonsofvolumetricreductionofsoilmass

1Thecompressivedeformationofthesoilparticles.

2Thecompressivedeformationoftheporewaterandair.Thepartialdischargeoftheporewaterandair.

Theconsolidationprocessofsaturatedsoilsisineffectaprocessofdischargeoftheporewaterandcorrespondingreductionoftheporevolume.Forsaturatedsands,porewaterisapttodischargeunderpressureduetohighpermeability;hencetheconsolidationprocesscompletesinashortlengthoftime.Forsaturatedclays,porewaterdischargesslowlyunderpressureduetolowpermeability;hencetheconsolidationprocesscompletesinalonglengthoftime.

Tocalculatethedeformationofthesoilmass,itisnecessarytoknowthecompressionindexes.Theseindexescanbeobtainedfromlaboratorycompressiontest（consolidationtest）andfieldloadtests.

4.2土的压缩性（soilcompressibilitycharateristic）

4.2.1固结试验及压缩性指标（Oedometertest,ConsolidationtestandCompressionindexes）

侧限压缩试验亦称固结试验。

所谓侧限就是使土样在竖向压力作用下只能发生竖向变形，而无侧向变形。

室内压缩试验采用的试验装置为压缩仪或固结仪（参照图4-1）。

试验时将切有土样的环刀置于刚性护环中，由于金属环刀及刚性护环的限制，使得土样在竖向压力作用下只能发生竖向变形，而无侧向变形。

在土样上下放置的透水石是土样受压后排出孔隙水的两个界面。

压缩过程中竖向压力通过刚性板施加给土样，土样产生的压缩量可通过百分表量测。

常规压缩试验通过逐级加荷进行试验，常用的分级加荷量p为：

50kPa,100kPa,200kPa,300kPa,400kPa。

CompressiontestwithzerolateralstrainisalsocalledOedometertest.Intest,thereisverticaldeformationbutnolateraldeformationunderverticalload.

Thecharacteristicofasoilduringone-dimensionalcompressioncanbedeterminedbymeansoftheoedometertest（seeFig.4-1）.Thetestspecimen（2cmhighandadiametertoheightratioof2.5）isintheformofadisc,heldinsideametalringandlyingbetweentwoporousstones.Theupperporousstone,whichcanmoveinsidetheringwithasmallclearance,isfixedbelowametalloadingcapthroughwhichpressurecanbeappliedtothespecimen.Thewholeassemblysitsinanopencellofwatertowhichtheporewaterinthespecimenhasfreeaccess.Theringconfiningthespecimenmaybeeitherfixed（clampedtothebodyofthecell）orfloating（beingfreetomovevertically）:

theinsideoftheringshouldhaveasmoothpolishedsurfacetoreducesidefriction.Theconfiningringimposesaconditionofzerolateralstrainonthespecimen,theratiooflateraltoverticaleffectivestressbeingK0,thecoefficientoflateralearthpressureatrest.Thecompressionofthespecimenunderpressureismeasuredbymeansofadialgaugeoperatingontheloadingcap.Usuallythespecimenisgraduallyloaded,andtheloadgradesareoftensetasp=50kPa,100kPa,200kPa,300kPa,400kPa。

Itshouldbenotedthattherelationshipbetweenthevoidratioandtheeffectivepressureshowninfig.isnotfixedforthesamesoil.Itdependsonthemagnitudeoftheappliedloadandthelengthoftheloadingperiodinthestandardoedometertest,eachloadisnormallymaintainedforaperiodof24hoursfora2cmthickclaytocompletethecompression.

如下图，为求得土样稳定后的孔隙比，利用土粒子体积不变和土截面不变的两个条件，可得出：

Thesoilcompressioncharacteristichasbeendiscussedinthelastsection.Thissectiondiscussesfurtherthecalculationmethodofthemagnitudeofthesoilcompressionunderaneffectivestressincrement.Inthecurrentengineeringpractice,thewidelyusedmethodforcalculatingthefoundationsettlementistheone-dimensionalconsolidationmethod,whichisestablishedbasedonthecalculationformulaeofsoilcompressionunderzerolateralstraincondition,namelyunidirectionalcompression.Thebasicassumptionsmadeforobtainingthecalculationformulaeare:

（1）

Soilcompressionisfullytheresultofthedeformationofsoilskeletonduetoreductioninporevolume.Thecompressionofsoilparticleisomitted;

（2）Deformationisonlyintheverticaldirection,withoutlateralstrain;

（3）Stressisuniformlydistributedalongtheheightofthesoillayer.

Fig.showsasaturatedsoilspecimenaftercompressionateffectivestressp1.assumetheheightofthesoilspecimenish,thevolumeofsoilparticleVs,thecorrespondingvoidratioe1,thentheporevolumeisvsandthetotalvolumeV1is（1+e1）Vs.iftheeffectivestressisincreasedtop2equalto（p1+△p）,theheightofthesoilspecimenaftercompressionisH2,

Asshowninthebelowfigures,becausethevolumeofsoilparticleandthesoilcrosssectiondonotchange,thevoidratioaftercompressioncanbecalculatedasfollows:

而

公式中

分别为土粒比重，初始含水量，初始密度和水的密度。

因此只要测的的稳定压缩量就可按上式算得相应的孔隙比，从而绘制土的压缩曲线。

Where,

arethespecificgravityofsolids,initialwatercontent,initialdensityofsoilanddensityofwater.Sothatwecancalculatethevoidratioinstablestateaftercompression/consolidationfromthedialgaugereadingsanddrawthecompressioncurve.

压缩曲线可按两种方式绘制。

e-p曲线e-logp曲线

e-p曲线可确定土的压缩系数，压缩摸量等指标，e-logp曲线可确定土的压缩指数等压缩性指标。

压缩系数（compressioncoefficient）的定义为“曲线上任意两点割线的斜率”。

Fromthecurvee-p,thecoefficientofconsolidationandthecompressionmoduluscanbedetermined.Itisdefinedasthechangeofvoidratiooverunitpressureincrement,theslopeoftwopointsinthecurvee-p.

式中负号表示随着压力p的增加，e逐渐减少。

压缩性不同的土，其压缩曲线的形状是不一样的。

曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高。

a1-2<0.1MPa-1时，低压缩性土（lowcompressiblesoil）

0.1≤a1-2<0.5MPa-1时，中压缩性土（intermediatecompressiblesoil）

a1-2≥0.5MPa-1时，高压缩性土（highcompressiblesoil）

※自重应力p1增加到外荷作用土中应力p2（自重与附加应力之和）

Inaboveequation,-meansthevoidratiodecreasewiththeincreaseofthepressurep.Forsoilshavingdifferentcharacteristicofcompressibility,thecurvesofcompressionaredifferenttoo.Iftheslopeislarge,itmeansthevoidratiochangeisremarkable,andthesoilishighcompressible.

压缩指数（compressionindex）：

e-lgp坐标系统中的曲线上直线的斜率（slopeofe-lgpcurve）

※Cc是无量纲系数，同压缩系数a一样，压缩指数Cc值越大，土的压缩性越高。

虽然压缩系数a和压缩指数Cc都是反映土的压缩性指标，但两者有所不同。

前者随所取的初始压力及压力增量的大小而异，而后者在较高的压力范围内却是常量，不随压力而变。

※卸载段和再加载段的平均斜率称为土的回弹指数Ce,而Ce《Cc。

一般粘性土的Cc值在1.0左右，Ce值在（0.1~0.2）Cc之间。

Sameasthecoefficientofcompressiona,thelargerthevalueofCc,thesteeperthecompressioncurveandthehigherthesoilcompressibilitywillbe.Althoughboththecoefficientofcompressionaandthecompressionindexareindicatorsofsoilcompressibility,theyareactuallydifferentinthefollowingaspects.Theformervarieswiththeinitialpressureandthepressureincrementapplied,whereasthelaterisessentiallyaconstantwithinamajorityrangeoftheappliedload.

　压缩模量（compressionmodulus）：

土体在完全侧限的条件下，竖向应力增量与竖向应变增量的比值。

（Theratioofverticalstressincrementoververticalstrainincrementwithnolateralstrain）

由右图可知

Fromthefigure,

且

，故有，

由此可推得侧限条件下的应力应变模量为（thecompressionmoduluscanbegivenas）：

土的压缩模量越小，土的压缩性越高。

Es的倒数成为土的体积压缩系数mv（coefficientofvolumecompressibility），它表示单位压应力变化引起的单位体积变化（MPa-1）

与土的压缩系数，土的压缩指数一样，体积压缩系数植越大，土的压缩性越高。

Thecompressioncoefficientav,thecompressionindexCc,thecoefficientofvolumecompressibilitymv,thecompressionmodulusEs,andthedeformationmodulusEareallindicatorsofthecompressioncharacteristicsofsoil.Theseparameterscanbeusedforthesettlementcalculation,althoughtheyhavedifferentmeanings.

压缩曲线特征：

土体变形机理非常复杂，不是理想的弹塑性体，而是具弹、粘、塑性的自然历史的产物

（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.

Typicalplotsofvoidratio（e）afterconsolidation,againsteffectivestress（p）forasaturatedclay,areshownintheFig.,showinganinitialcompressionfollowedbyexpansionandrecompression,namelyaloading-swelling-reloadingsequence.Duringloading,thesoiliscompressedandbecomesmoredense,andthereforestiffer,sothatthee-prelationshipiscurvedandgettinglesssteep.Theshapesofthecurvesarerelatedtothestresshistoryoftheclay.Duringcompression,c