5.土的压缩性.ppt

第五章 土的压缩性,董孝璧,前言： 请先看一组照片,问题： 1、成都理工大学实验教学楼会不会像比萨斜塔一样？ 2、实验教学楼地基在大楼荷载作用下，有多大的压缩变形 和沉降量 ？,关键点： 计算地基变形，必须了解土的压缩性和取得土的压缩性指标,第五章 土的压缩性,§5.1 概述 §5.2 固结试验及压缩性指标 §5.3 应力历史对压缩性的影响 §5.4 土的变形模量 §5.5 土的弹形模量,主要内容,§5.1 概述,1、土的压缩性：是指土在压力作用下体积缩小的特性；,2、土的压缩实质: 固体颗粒的压缩 土中水的压缩 空气的排出 水的排出,在一般压力作用（100-600kPa)下,占总压缩量的1/400不到，忽略不计,压缩量主要组成部分,说明：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果,饱和土体在压力作用下，压缩量随时间增长的过程（饱和土中水所占体积缩小的全过程）。,4、压缩性指标的主要测试方法,室内试验,原位测试,固结试验,现场静荷载试验,标准贯入试验、圆锥动力触探试验,静力触探试验,三轴压缩试验或无侧限抗压试验,3、土的固结(土的压密）：,透水性好，水易于排出,压缩稳定很快完成,透水性差，水不易排出,压缩稳定需要很长一段时间,固结试验： 研究土的压缩性大小及其特征的一种室内试验方法，亦称压缩试验,三联固结仪,§5.2 固结试验及压缩性指标,1、实验设备： 固结仪,5.2.1固结试验和压缩曲线,在这种仪器中进行试验，由于试样不可能产生侧向变形，只有竖向压缩。于是，我们把这种条件下的压缩试验称为单向压缩试验或侧限压缩试验。土的压缩是由于孔隙体积的减小，所以土的变形常用孔隙比表示。,1）试样与设备安装 2）预压：施加1kPa的预压力使试样与仪器上下各部件之间接触良好，调整百分表或位移传感器读数为零； 3）分级加载：压力等级一般为50、100、200、300、400kPa (加荷率小于1）；第一级压力软土以从12.5或25kPa开始；最后一级压力应大于地基中计算点的自重应力与预估附加应力之和； 需要绘制e-lgP曲线或确定土的先期固结压力时，压力等级宜12.5、18.75、25、37.5、50、100、200、400、800、1600、3200kPa(加荷率小于1，初始取0.5）； 4）测定压缩量：对每一级荷载宜按时间顺序测读试验的高度变化，时间为6s、15s、1min、2min15s、4min.24h,直到稳定为止（稳定标准：每小时试样高度变形不超过0.1mm）。,2、实验步骤：,3、计算各级压力pi 作用下，土样稳定后的孔隙比ei,Vve0,Vs1,Vvei,Vs1,土样在压缩前后变形量为Hi ，,土粒体积和高度在受压前后不变,pi,土样初始高度为H0,初始孔隙比为e0,令土粒的体积为1,受压后高度为Hi,受压后土粒体积不变,土粒初始高度为： H0 /（1+ e0）,土粒受压后高度为：Hi / （1+ ei）,整理得：,受压后孔隙比为ei,其中，试样初始孔隙比e0 可以通过测定土的三项基本指标，按下式计算：,分别为土粒相对密度（在第二章中用ds 表示）、土样初始含水率、初始密度和水的密度,e0,pi,ei,e-p曲线,1）根据各级压力pi作用下，达到稳定的孔隙比ei，绘制e-p曲线，为压缩曲线,e-lgp曲线,lgpi,ei,e0,2）也可以根据不同压力pi作用下，达到稳定的孔隙比ei，绘制e-lgp曲线，,4、 压缩曲线,土的压缩曲线,压缩性不同的土，曲线形状不同，曲线愈陡，说明在相同压力增量作用下，土的孔隙比减少得愈显著，土的压缩性愈高,5.2.2 土的压缩系数和压缩指数,压缩性指标：用来表示土的压缩性高低的指标。 根据压缩曲线可以得到五个压缩性指标,1.压缩系数a 2.压缩指数Cc 3.压缩模量Es 4.体积压缩系数mv 5.回弹模量Ec,1. 压缩系数a,压缩系数定义为土体在侧限条件下孔隙比减少量与有效压应力增量的比值，表示为：,p1,p2,e1,e2,M1,M2,e0,e-p曲线,p,e,在压缩曲线中，实际采用割线斜率表示土的压缩性,a 土的压缩系数，MPa-1； p1 第一级有效压应力，可对应地基某深度处土中竖向自重应力，MPa p2 第二级有效压应力，可对应地基某深度处土中自重应力与附加应力 之和， MPa e1、 e2 分别相应于p1和p2作用下压缩稳定后的孔隙比；,为了对比不同土的压缩性，建筑地基基础设计规范（GB5007-2002)用p1 0.1MPa 、 p2 0.2MPa 对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性,a1-2 0.1MPa-1 低压缩性土 0.1MPa-1a1-20.5MPa-1 中压缩性土 a1-20.5MPa-1 高压缩性土,2. 压缩指数Cc,定义为土体在侧限条件下孔隙比减小量与有效压应力常用对数值增量的比值,在e-lgP曲线中，可由直线段的斜率来表示,Cc0.2 低压缩性土 0.2 Cc 0.4 中压缩性土 Cc 0. 4 高压缩性土,Vve1,Vs1,Vve2,Vs1,根据土粒高度在受压前后不变，有,5.2.3 土的压缩模量和体积压缩指数,1.土的压缩模量Es,说明：土的压缩模量Es与土的的压缩系数a成反比, Es愈大, a愈小,土的压缩性愈低。单位为MPa,1)定义:为土体在侧限条件下的竖向附加应力增量与竖向应变之比,竖向应变:,p1,p2,2）与压缩系数的关系,2. 体积压缩系数mv,定义：体积压缩系数为土体在侧限条件下竖向（体积）应变(增量）与竖向附加应力（增量）之比,说明：土的体积压缩系数mv 与土的的压缩系数a成正比， mv愈大， 土的压缩性愈高。,即为压缩模量的倒数,5.2.4 土的回弹与再压缩（曲线）,a,c,b,1.土的卸荷回弹曲线不与原压缩曲线重合，说明土不是完全弹性体，其中有一部分为不能恢复的塑性变形 2.土的再压缩曲线比原压缩曲线斜率要小得多，说明土经过压缩后，卸荷再压缩时，其压缩性明显降低,4. 为计算开挖基坑底面地基的回弹变形量，必须从固结试验的回弹和再压缩的e-p曲线确定地基土的回弹模量Ec,3. 回弹模量Ec :卸载或再加载时竖向附加应力（增量）与竖向应变（增量）之比。,小结：,压缩性指标(有侧限),压缩系数,压缩指数,压缩模量,回弹模量（在回弹和再压缩变形曲线上确定）：,体积压缩系数,§5.3.土的应力历史对土的压缩性的影响,1、土的应力历史：土体在历史上曾经受到过的应力状态,2、先期固结压力pc ：土体在其生成历史中曾受过的最大有效固结压力（对应最大竖向有效应力）,p1pc,再压曲线，曲线平缓,p1pc,正常压缩曲线，斜率陡，土体压缩量大,3、超固结比：先期固结压力pc与现时的土压力p1 的比值,5.3.1 沉积土（层）的应力历史,土层的先期固结压力对其固结程度和压缩性有明显的影响，可用超固结比来描述土层的应力历史，并将粘性土进行分类,1）正常固结土：,先期固结压力等于现时的土压力，OCR=1,2）超固结土:,先期固结压力大于现时的土压力，OCR1,3）欠固结土:,先期固结压力小于现时的土压力，OCR1,4、按超固结比OCR对土进行分类,5、确定先期固结压力的卡萨格兰德法,1）从e-lgp曲线上找出曲率半径最小的一点A，过A点作水平线A1和切线A2；,2）作 1A2的平分线A3,与e-lgp曲线中直线段的延长线相交于B点；,3）B点所对应的有效应力就是先期固结压力Pc,注：采用这种建议的方法，对取土质量要求较高，绘图的比例尺要适当，否则A点难找，同时要结合地质条件加以判断。,5.3.2 现场原始压缩曲线及压缩性指标（略、自学）,§5.4 土的变形模量 5.4.1 浅层平板荷载试验及变形模量,1、浅层平板荷载试验 1）试验目的：是一种现场载荷试验，用于测定土的变形模量、地基承载力及研究土的湿陷性质等 2）试验装置及试验方法： 由加荷稳压装置、反力装置和观测装置构成,3）荷载曲线（P-S 曲线）基本特征,横坐标：荷载P 纵坐标：稳定沉降量S 0a段：直线变形阶段，a点对应的荷载Pcr 称为比例界限荷载 ab段: 塑性变形阶段，b点对应的荷载Pu 称为极限荷载 b后段：破坏阶段,不同土的P-S曲线,1)土的变形模量定义： 土体在无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值。,S 地基的沉降量，m; E0 土的变形模量，替换不 常用的弹性模量（杨氏模 量），Mpa; b 承压板的边长或直径，m p 承压板的荷载，MPa; 承压板形状影响系数，如： 刚性方形压板取0.886 刚性圆形压板取0.785 土的泊松比,2、利用载荷试验计算土的变形模量,2）根据弹性力学的布辛奈斯克解，求解地基表面的变形（沉降）,即： 刚性方形承压板,刚性圆形承压板,式中： d 承压板的直径，m； p1 所取定的比例界限 荷载,MPa; s1与比例界限荷载p1相 对应的沉降，m； 其余符号同前,3）反求土的变形模量,5.4.2 深层平板荷载及变形模量（略、自学） 5.4.3 旁压试验及变形模量（略、自学）,5.4.4 变形模量与压缩模量的关系,3、变形模量与压缩模量之间的换算关系,其中：,土的泊松比，一般00.5之间,广义虎克定律,侧限条件下：,侧应力系数K0 ：,2、压缩模量：是侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值（Es=z /z） 。,1、变形模量：是土在无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值（E0=z /z）。,1）只是E0 和Es 之间的理论关系； 2）实际上，由于现场载荷试验测定E0 和室内测定Es 时的一些因数影响，理论关系不能准确反映E0 和Es 之间的实际关系； 3）根据统计资料，E0 值可能是Es 的几倍，一般说来，土愈坚硬则倍数愈大，软土的E0 值与Es 值比较接近。 4）试验中的影响因数：压缩试验的土样容易受到扰动；载荷试验与压缩试验的加荷速率、压缩稳定的标准不一样；值不易精确确定等。,4、换算关系辨析：,5、K0、 的经验值,1、土的弹性模量的概念： 1）定义：土的弹性模量是土体在无侧限压缩条件下弹性变形阶段的应力与应变比值； 2）土体产生弹性变形的几种情况： 压缩变形的初始阶段 瞬时压缩； 加荷速率较快，如动荷载； 不排水 3）弹性模量用于需要用弹性力学公式求解变形和动荷载的情况下。,§5.5 土的弹形模量,3）土的弹性模量与变形模量的区别：,土并非理想弹性体，变形模量和压缩模量中可能含有塑性变形的成分；弹性模量远大于变形模量；,1）实验方法： 用三轴仪进行的固结-不排水三轴压缩试验（可循环加载） 用无侧限压缩仪进行的单轴压缩试验（2 = 3 =0）,2、确定土的弹性模量的方法, 用三轴试验强度值,不排水三轴压缩试验土样破坏时的主应力差， 单位：psf(pound per square foot) ( 1psf=47.9kPa ),用试验得到的应力-应变关系曲线确定初始切线模量Ei 或再加荷模量Er ,以此作为弹性模量；,2）弹性模量的确定：,本章小结：,1、压缩试验与压缩性指标(有侧限),压缩系数,压缩指数,压缩模量,回弹模量（在回弹和再压缩变形曲线上确定）：,体积压缩系数,2、载荷试验与变形模量：,3、三轴试验与弹性模量：,（无侧限）,作业： 思考题与习题 5-1、5-6、5-10,课堂讨论： 思考题与习题 5-4,The end,3、土的重要特点:,散体性,多相性：三相体系,自然变异性,三相体系,固体颗粒,液态水,孔隙空气,1. 压缩系数a,压缩系数定义为土体在侧限条件下孔隙比减少量与有效压应力增量的比值，表示为：,p1,p2,e1,e2,M1,M2,e0,e-p曲线,p,e,在压缩曲线中，实际采用割线斜率表示土的压缩性,a 土的压缩系数，MPa-1； p1 第一级有效压应力，可对应地基某深度处土中竖向自重应力，MPa p2 第二级有效压应力，可对应地基某深度处土中自重应力与附加应力 之和， MPa e1、 e2 分别相应于p1和p2作用下压缩稳定后的孔隙比；,