实验3：土的压缩试验

1、 土体产生压缩的原因：土体产生压缩的原因： (1)(1)固体颗粒的压缩；固体颗粒的压缩； (2)(2)孔隙水和孔隙气体的压缩，孔隙气体孔隙水和孔隙气体的压缩，孔隙气体 的溶解；的溶解； (3)(3)孔隙水和孔隙气体的排出；孔隙水和孔隙气体的排出； 纯水、固体颗粒的压缩量常可略不计；纯水、固体颗粒的压缩量常可略不计； 土体压缩主要来自孔隙水和气的排出。土体压缩主要来自孔隙水和气的排出。 土体受力后引起的变形：土体受力后引起的变形： 体积变形体积变形 剪切变形剪切变形 体积变形：主要由正应力引起，它只会使土体积变形：主要由正应力引起，它只会使土 体压密、体积缩小，但不会导致土体破坏。体压密、体积缩

2、小，但不会导致土体破坏。 剪切变形剪切变形 ： 主要由剪应力引起，当剪应力超主要由剪应力引起，当剪应力超 过一定限度时，土体将产生剪切破坏，此时过一定限度时，土体将产生剪切破坏，此时 的变形将不断发展。的变形将不断发展。 建筑物通过基础将荷载传给地基， 在地基内部将产生应力和变形，从而引 起建筑物基础的沉降。 地基、基础设计的变形原则： SS 通常在地基中是不允许发生大范围剪切破坏。通常在地基中是不允许发生大范围剪切破坏。 总沉降总沉降 S ： 初始初始(瞬时瞬时)沉降沉降Sd 固结沉降固结沉降Sc 次固结沉降次固结沉降Ss S Sd十十Sc十十Ss 地基沉降的组成地基沉降的组成 一、侧限（单

3、向）压缩试验：一、侧限（单向）压缩试验： 单向单向固结仪：固结仪： 应力状态： 1 Z 2K0 Z 3K0 Z 应变特性： Z x=0 y=0 水槽水槽 内环内环 环刀环刀 透水石透水石 试样试样 传压板传压板 百分表百分表 测定：测定： 轴向应力轴向应力 轴向变形轴向变形 透水孔透水孔 杠杆式压缩仪：杠杆式压缩仪： 400600kpa 高压固结仪：高压固结仪： 16005000kpa 施加荷载，静置至变形稳定施加荷载，静置至变形稳定 逐级加大荷载逐级加大荷载 水槽水槽 内环内环 环刀环刀 透水石透水石 试样试样 传压板传压板 百分表百分表 测定：测定： 轴向应力轴向应力 轴向变形轴向变形 P

4、 t 1 p 2 p S t 1 e 2 e 0 e 3 e 1 s 2 s 3 s e 试验结果：试验结果： AH e Vs 0 0 1 1 / 0 / )( 1 1 ASH e V s 0 00 0 0 0 )1 ( 11H S eee e SH e H e e e0 1 S (1): (1): 各级压力与其相应的稳定孔隙比的关系各级压力与其相应的稳定孔隙比的关系 曲线，简称曲线，简称e e p p曲线。曲线。 (2):(2): e e lgplgp曲线、曲线、 e e lnplnp曲线。曲线。 0 00 )1 ( H S eee i i 0 00 H S e1ee)( （1 1）e e

5、P P 曲线曲线 0100200 300400 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 e e P t 1 p 2 p S t 1 e 2 e 0 e 3 e 1 s 2 s 3 s e 0 i 00i H S e1ee)( P e 0100200 300400 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 e e e a KpKpa a-1 -1， ，MpMpa a-1 -1 压缩系数：曲线上任一点的切线斜率压缩系数：曲线上任一点的切线斜率 压缩性不同的土，其压缩曲线的形压缩性不同的土，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，土孔隙比的减小愈着压

6、力的增加，土孔隙比的减小愈 显著，因而土的压缩性愈高。显著，因而土的压缩性愈高。 一般研究土中某点由原来的自重应力一般研究土中某点由原来的自重应力p p1 1增加到外增加到外 荷作用下的土中应力荷作用下的土中应力p p2 2 ( (自重应力与附加应力之自重应力与附加应力之 和和) )这一压力间隔所表征的压缩性时，土的压缩这一压力间隔所表征的压缩性时，土的压缩 性可用割线斜率代替。性可用割线斜率代替。 P e a e 0100200 300400 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 e e a a1-2 1-2常用作比较土的 常用作比较土的 压缩性大小压缩性大小 土的类别土的类别a a1-2

7、 1-2 (MP (MPa a-1 -1) ) 高压缩性土高压缩性土0.50.5 中压缩性土中压缩性土0.10.10.50.5 低压缩性土低压缩性土0.10.1 P P e 0100200 300400 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 e e s z E 侧限压缩模量侧限压缩模量, ,KPKPa a ,MP,MPa a 压缩模量：压缩模量： 土在完全侧限条件下的土在完全侧限条件下的 竖向附加压应力与相应竖向附加压应力与相应 的应变增量之比值的应变增量之比值 （MPaMPa) )。即：。即： z 0 e 1e 土的类别土的类别E ES S (MP (MPa a) ) 高压缩性土高压缩性土

8、 4 4 中压缩性土中压缩性土4 41515 低压缩性土低压缩性土1515 e 0100200 300400 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 e e v s0 1a m E1e 体积压缩系数体积压缩系数 KPKPa a-1 -1 ， ，MPMPa a-1 -1 Es的倒数成为土的体 积压缩系数mv，表 示单位压应力变化 引起的单位体积变 化。亦即： P 单向压缩试验的各种参数的关系单向压缩试验的各种参数的关系 指标指标 指标指标 amvEs a1mv(1+e0)(1+e0)/Es mva/(1+e0)11/Es Es(1+e0)/a1/mv1 (2)(2)、e e lglgP P 曲线

9、曲线 1001000 0.6 0.7 0.8 0.9 e e e eP P 曲线缺点：压力区间较小曲线缺点：压力区间较小 特点特点：有一段较长的直线段有一段较长的直线段 lgP (2)(2)、e e lglgP P 曲线曲线 1001000 0.6 0.7 0.8 0.9 e e c e C (lg) C Cc c 1 1 压缩指数压缩指数 对对直线段：直线段： 压缩指数的单位问题压缩指数的单位问题 lgP Cc 是无量纲系数，同压缩系数是无量纲系数，同压缩系数a 一样，压缩一样，压缩 指数指数Cc值越大，土的压缩性越高。值越大，土的压缩性越高。 虽然压缩系数虽然压缩系数a 和压缩指数和压缩指

10、数Cc 都是反映土的压都是反映土的压 缩性的指标，但是两者有所不同。前者随所取缩性的指标，但是两者有所不同。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。较高的压力范围内却是常量，不随压力而变。 (1) 土体的变形是由可恢复的弹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性变形和不可恢复的塑性变形 两部份组成两部份组成 (2)回弹曲线和再压线曲线构成回弹曲线和再压线曲线构成 一迴滞环，土体不是完全弹性一迴滞环，土体不是完全弹性 体的又一表征；体的又一表征； (3)回弹和再压缩曲线比压缩曲回弹和再压缩

11、曲线比压缩曲 线平缓得多。线平缓得多。 (4)当再加荷时的压力超过当再加荷时的压力超过b点，点， 再压缩曲线就趋于初始压缩曲再压缩曲线就趋于初始压缩曲 线的延长线。线的延长线。 再压缩试验时土体体积变化特征： 1001000 0.6 0.7 0.8 0.9 e e C Cc c 1 1 1 1 C Ce e Ce 回弹指数（再压缩指数）回弹指数（再压缩指数） Ce Cc， 一般粘性土的一般粘性土的Cc值在值在1.0 左右左右, Ce0.1-0.2Cc 迴滞环、割线与回弹指数：迴滞环、割线与回弹指数： lgP 弹性变形部分来自土颗粒和孔隙水的弹性变形、封闭弹性变形部分来自土颗粒和孔隙水的弹性变形

12、、封闭 气体的压缩和溶解，以及薄膜水的变形等造成的变形。气体的压缩和溶解，以及薄膜水的变形等造成的变形。 塑性变形部分来自颗粒相互位移、土颗粒被压碎、孔塑性变形部分来自颗粒相互位移、土颗粒被压碎、孔 隙水和孔隙气体被排出等造成的变形。隙水和孔隙气体被排出等造成的变形。 土体变形机理非常复杂土体变形机理非常复杂 ，土体不是理想的弹塑，土体不是理想的弹塑 性体，而是具有弹性、性体，而是具有弹性、 粘性、塑性的自然历史粘性、塑性的自然历史 的产物。的产物。 应力应力- -应变关系的假定应变关系的假定 z p z )e1(e 00 1 1 Es 1 1 Ee 非线性弹塑性体非线性弹塑性体 3 31 3

13、 u 1 u 33 uB/ )/( 311 uA对饱和土， 二、三轴压缩试验二、三轴压缩试验 试样试样 压力室压力室 压力压力 水水 排水管排水管 阀门阀门 轴向加压杆轴向加压杆 有机玻璃罩有机玻璃罩 橡皮膜橡皮膜 透水石透水石 顶帽顶帽 量测体变或量测体变或 孔隙水压力孔隙水压力 测定：测定： 轴向应变轴向应变 轴向应力轴向应力 体变或孔隙水压力体变或孔隙水压力 类型类型施加施加3 3时时施加施加1 13 3时时量测量测 固结排水固结排水固结固结排水排水体变体变 固结不排水固结不排水固结固结不排水不排水孔隙水压力孔隙水压力 不固结不排水不固结不排水不固结不固结不排水不排水孔隙水压力孔隙水压力

14、 三轴压缩试验的应力应变关系三轴压缩试验的应力应变关系 v 与围压有关与围压有关 非线性非线性 弹塑性弹塑性 剪胀性剪胀性 土受力以后为什么会表现出上述变形特性土受力以后为什么会表现出上述变形特性？ 土的特殊性土的特殊性 弹性变形：弹性变形： 体应变体应变主要是由于孔隙体积变化引起的主要是由于孔隙体积变化引起的； 剪应变剪应变主要是由于土颗粒的大小和排列形态变化引起的主要是由于土颗粒的大小和排列形态变化引起的。 接触点处弹性变形接触点处弹性变形 弹性挠曲变形弹性挠曲变形 颗粒滚爬的可逆性颗粒滚爬的可逆性 封闭气泡受压封闭气泡受压 塑性变形塑性变形 大孔隙消失大孔隙消失 接触点颗粒破碎接触点颗粒

15、破碎 颗粒相对滑移颗粒相对滑移 扁平颗粒断裂扁平颗粒断裂 Z Z 线弹性体线弹性体 加载加载 E E 1 1 z z E d d orE 单位：单位：KPKPa a ,MP,MPa a p pe e 卸载卸载 割线割线 变形模量：变形模量：E （对土体而言）（对土体而言） z z E 弹性模量：弹性模量：E （对弹性材料而言）（对弹性材料而言） z z E 1 3 z y z y z x 三轴压缩 土的变形模量随 竖向压力的增加 而减小，即土的 压缩性增大 侧限压缩 土的侧限变形模 量随竖向压力的 增加而增大，即 土的压缩性减小 两类试验方法的模量比较 侧限侧限 三轴三轴 z p z 土的变形

16、模量与压缩模量的关系土的变形模量与压缩模量的关系 区别区别 试验条件不同：土的试验条件不同：土的变形模量变形模量E是土体在是土体在 无侧限条件下的应力与应变的比值；而土的无侧限条件下的应力与应变的比值；而土的 压缩模量压缩模量Es是土体在完全侧限条件下的应力是土体在完全侧限条件下的应力 与应变的比值。与应变的比值。 联系联系 二者同为土的压缩性指标，在理论上是二者同为土的压缩性指标，在理论上是 完全可以相互换算的。由材料力学理论，推完全可以相互换算的。由材料力学理论，推 导出土的变形模量与压缩模量的关系：导出土的变形模量与压缩模量的关系： )( yx z z EE zyx K 0 ZZ z z

17、 E K K EE 0 0 212 ZZ z z E K K EE 0 0 212 SS EEKE)21 ( 0 0 0 1K K 土的种类和状态土的种类和状态 砾类土（碎石土）砾类土（碎石土）0.180.250.150.20 砂土砂土0.250.330.200.25 轻亚粘土（粉土）轻亚粘土（粉土）0.330.25 亚粘土（粉亚粘土（粉 质粘土）质粘土） 坚硬状态坚硬状态0.330.25 可塑状态可塑状态0.430.30 软塑或流塑状态软塑或流塑状态0.530.35 粘土粘土 坚硬状态坚硬状态0.330.25 可塑状态可塑状态0.530.35 软塑或流塑状态软塑或流塑状态0.720.42 土

18、的土的K0及及的参考值的参考值 千斤顶 荷载板荷载板 加荷系统：承压板：10001000 707707 500500 反力系统：堆载、地锚、拉杆 矩形 圆形 千斤顶： 测量系统：百分表、固定支架 每级2550KPa 不少于8级 不少于不少于3点点 连续24小时内发生的变形量不超过0.1mm/h PS曲线： P(kpa) S(mm) 0 1、承压板周围土体明显侧向挤出（砂） 2、承压板周围土体发生明显裂纹（粘） 3、在施加某一级荷载时，沉降量急剧增大， PS 曲线出现陡降段 4、在某一挤压力作用下，24小时内沉降随 时间近乎等速增加 5、总沉降量S超过0.06B pcr pu S 荷载沉降曲线荷载沉降曲线 PS曲线分析：曲线分析： 1、oa段：压密弹性段：压密弹性 变形阶段变形