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第二节 研究土压缩性的试验及指标


第二节 研究土压缩性的试验及指标
一、室内侧限压缩试验及压缩模量

土的压缩性是指在压力作用下体积压缩小的性能。 从理论上, 土的压缩变形可能是: ( 1) 土粒本身的压缩变形; (2)孔隙中不同形态的水和气体的压缩变形; (3)孔隙中水和气体有 一部分被挤出,土的颗粒相互靠拢使孔隙体积减小。 土的固结——土体在压力作用下其压缩量随时间增长的过程。

侧限压缩试验分为: (1)慢速压缩试验法; (2)快速压缩试验法 侧限——限制土样侧向变形,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。 试验设备——固结仪。 (一)e-p 曲线及有关指标 要绘制 e-p 曲线, 就必须求出各级压力作用下的孔 隙比—— e 。 如何求 e?看示意图: 设试样截面积为 A,压缩前孔隙体积为 Vv 0 ,土粒体积为 Vs 0 ,土样高度为 H 0 ,孔隙比 为 e0(已测出) 。 压缩稳定后的孔隙体积为 Vv , 土粒体积为 Vs , 土样高度为 H ? ? H 0 ? ?H , 孔隙比为 e, ?H 为某级压力下样式高度变化(可以测出) 。依侧限压缩试验原理可知:土 样压缩前后试样截面积 A 不变, Vs 0 ? Vs ,则有:
H0 1? e0

?

H 0 ? ?H 1? e

则可得: e ? e0 ?

?H (1 ? e0 ) H0

利用上式计算各级荷载 P 作用下达到的稳定孔隙比 e ,可绘制如图 4-3 所示的 e-p 曲 线,该曲线亦被称为压缩曲线。 1、压缩系数 ?

? ??

de dp

?——压缩系数,MP a 1,负号表 e 随 P 的增长而减小。


当压力变化范围不大时,土的压缩曲线可近似用图 4-4 中的 M1M2 割线代替。

? ??

?e e1 ? e2 ? ?p p2 ? p1

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向自重应 力,kPa ; 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和, kPa; e1 、e2 ——分别为增压前后在 P1 、P2 作用下压缩稳定时的孔隙比。 【讨论】土的压缩系数是唯一的吗? 在用分层总和法计算地基沉降量时: P1= ? cz ?????? e1 P2= ? cz ? ? z ?????? e2 压缩系数 a 是表征土的压缩性的重要指标之一。压缩系数越大,表明土的压缩性越大。 为方便与应用和比较, 《建筑地基基础设计规范》提出用 P1=100 kPa 、P2=200 kPa 时相对 应的压缩系数?1-2 来评价土的压缩性,具体规定为:
查e-p曲线 查e-p曲线

?1? 2 <时≤0.1MPa-1,为低压缩性土;
0.1MPa 1≤ ?1? 2 <0.5MPa
- -1

时,为中压缩性土;

?1? 2 ≥0.5MPa-1 时,为高压缩性土。
常规试验中,一般按 P=50kPa 、100 kPa、200 kPa 、400 kPa 四级加荷,测定各级压 力下的稳定变形量 ?H ,然后计算相应的孔隙比 e 。

量作用下, ?越陡 — —说明在相同的压力增 ? 压缩曲线 ?土的孔隙比减少得愈显 著。 ?平缓 — —压缩性低。 ?
2.压缩模量 E s

? ? ? Es ? z ? ?z ? ? ? z ? ?p ? ES 与?成反比。即 ES 愈大,?愈小,土体的压缩性愈低。 1 ? e1 ? ?p ? Es ? - ? -?e ? ? ? 1 ? e1 ?
(二) 土的侧限回弹曲线和再压缩曲线

(三)室内压缩试验 e ? lg p 曲线及有关指标 1、压缩指数、回弹指数 压缩指数 Cc ?

e1 ? e2 ?e ? ? p2 lg p2 ? lg p1 lg p1

缷载段和再压缩段的平均斜率称为回弹指数或再压缩指数 Ce ,且 Ce ? Cc 2、前期固结压力 pc 根据室内大量试验资料证明:室内压缩曲线开始弯曲平缓,随着压力增大明显下弯,当 压力接近 pc 时,曲线急剧变陡,并随压力的增长近似直线向下延伸。这个弯点就是土层历 史上所曾经承受过的最大的固结压力, 也就是土体在固结过程中所受的最大有效应力, 称为 前期固结压力。 确定 pc 的常用方法是卡萨格兰德(1936 年)提出的经验作图法,其步骤如下: (1)从室内 e~lgp 压缩曲线上找出曲率最大点 A 点; (2)过 A 点作水平线 A1,和切线 A2; (3)作水平线 A1 与切线 A2 所夹角的平分线 A3; (4)作 e~lgp 曲线直线段的向上延长交 A3 于 B 点,则 B 点的横坐标即为所求的先期固结 应力 pc 。 固结应力就是使土体产生固结或压缩的应力。就地基土层来说,该应力主要有两种:一 种是土的自重应力,另一种是由外荷引起的附加应力 对于饱和的新沉积的土或人工填土, 起初土颗粒尚处于悬浮状态, 土的自重应力由孔隙 水承担,有效应力为 0,随着时间的推移,土在自重作用下逐渐固结,最后自重应力全部转

化为有效应力,故这类土的自重应力就是固结应力。但对大多数天然土层来说,由于经受了 漫长的地质年代,在自重作用下已完全固结,此时自重应力已不再引起土层压缩,能进一步 使土层产生固结,只有外加荷载引起的附加应力,故此时的固结应力指附加应力。 前期固结应力: 天然土层在形成历史上沉积, 固结过程中受到过的最大固结应力称为先 期固结应力,用 pc 表示。 超固结比(Ocr) :先期固结应力和现在所受的固结应力之比即 OCR ? 值可将土层分为正常固结土,超固结土和欠固结土。 OCR=1,即先期固结应力等于现有的固结应力,正常固结土 OCR 大于 1,即先期固结力大于现有的固结应力,超固结土 OCR 小于 1,即先期固结力小于现有的固结应力,欠固结土。 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(2)反映现场土层实际的压缩曲线,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的关系, 从而以室内压缩曲线推求现场压缩 曲线。 (四)原位压缩 e ? lg p 曲线及有关指标 室内压缩试验的结果发现,无论试样扰动如何,当压力增大时,曲线都近于直线段,且 大都经过 0.42e0 点(e0——试样的原位孔隙比) 。 由室内压缩曲线加以修正求得现场土层的压缩曲线的方法: 由现场取样时确定试样的原位孔隙比 e0 及固结应力(即有效覆盖应力)了; 由室内压缩曲线求出土层的 Pc, (1) 对于正常固结土:当 P0(现有固结力)=Pc 时(正常固结土) ⑴作 e ? e0 水平线交 lg p ? pc 线于 E 点,E 点坐标为( pc ,e0) ⑵作 e=0.42e0 水平线交室内压缩曲线直线段于 D 点 ⑶连接 ED 直线段,即为现场压缩曲线;ED 直线段的斜率——压缩指数 Cc。 (2)对于超固结土:当 P0<PC 时(超固结土) 在取样前已产生了回弹例如沉积剥蚀等,在建筑物荷载作用下,应属于再压缩过程。 ⑴作 e=e0 平行线交 lg p ? lg p0 线于 F 点,F 点坐标为( p0 ,e0) ⑵自 F 点作平行线于室内回弹再缩曲线的平行线交 lg p ? pc 线于 E 点。
pc p0

,根据 OCR

⑶作 e ? 0.42e0 平行线交室内压缩曲线直线段于 D 点。 ⑷连接 FE,ED 直线段 现场压缩曲线就是由 FE 段和 ED 段直线所组成。相应于 FE 段、ED 段直线的斜率分别 用 Ce 、 C cf 表示。 (3)对于欠固结土:当 P0>PC 的欠固结图 它的现场压缩曲线的推求方法类似于正常固结土。

二、现场载荷试验及变形模量

1、载荷试验 2、变形模量 E0 变形模量←——由现场静载荷试验测定。 表示土在侧向自由变形条件下竖向压应力与竖 向总应力之比。

三、弹性模量及试验测定

一般通过三轴仪进行三轴重复压缩试验获得。

四、关于三种模量的讨论

1、压缩模量 E s 是根据室内侧限压缩试验得到的,它的定义是土在完全侧限的条件下,竖向正应力与相应 的变形稳定情况下正应力的比值。 2、变形模量 E0 是根据现场载荷试验得到的,指土在侧向自由膨胀条件下正应力与相应的正应变的比值。 3、弹性模量 E d 分为静力法和动力法。 E0=?ES

? ? 1?

2? 2 1? ?

?——与土的泊松比?有关的系数


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