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土的压缩与固结

一、概述

1沉降：在附加应力作用下，地基土产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降

2某些特殊性土由于含水量的变化也会引起体积变形，如湿陷性黄土地基，由于含水量增高会引起建筑物的附加下沉，称湿陷沉降。相反在膨胀土地区，由于含水量的增高会引起地基的膨胀，甚至把建筑物顶裂。除此之外某些大城市，如墨西哥、上海等由于大量开采地下水使地下水位普遍下队从而引起整个城市的普遍下沉。这可以用地下水位下降后地层的自重应力增大来解释。当然，实际问题也是很复杂的，还涉及工程地质、水文地质方面的问题。

如果地基土各部分的竖向变形不相同，则在基础的不同部位会产生沉降差，使建筑物基础发生不均匀沉降。基础的沉降量或沉降差(或不均匀沉降)过大不但会降低建筑物的使用价值，而且往往会造成建筑物的毁坏。

3为了保证建筑物的安全和正常使用，我们必须预先对建筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差进行估算。如果建筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差，在规定的允许范围之内，那么该建筑物的安全和正常使用一般是有保证的；否则，是没有保证的。对后一种情况，我们必须采取相应的工程措施以确保建筑物的安全和正常使用。

（1）基础沉降量或沉降差的大小首先与土的压缩性有关，易于压缩的土，基础的沉降大，而不易压缩的土，则基础的沉降小。

（2）基础的沉降量与作用在基础上的荷载性质和大小有关。一般而言，荷载愈大，相应的基础沉降也愈大；而偏心或倾斜荷载所产生的沉降差要比中心荷载为大。

二、土的压缩特性

1压缩：土在压力作用下，体积将缩小。这种现象称为压缩。

2固结：土的压缩随时间增长的过程称为固结

目前我们在研究土的压缩性，均认为土的压缩完至是由于孔隙中水和气体向外排出而引起的

3注意：在很短的时间内，孔隙中的水来不及排出，加之土体中的土粒和水是不可压缩的，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

（1）瞬时沉降一般不予考虑

（2）对于控制要求较高的建筑物，瞬时沉降可用弹性理论估算。对于饱和粘土在局部均布荷载作用下，地基地瞬时沉降可用。

3在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致土体体积随时间逐渐减小，有效应力逐渐增加，这一过程称为主固结

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，这一过程所产生的沉降为固结沉降。

4次固结沉降：土体在主固结成将完成之后有效应力不变得情况下还会随时间的增长进一步产生沉降，称为次固结沉降

5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。

6实验：

(1)用环刀切取扁园柱体，一般高2厘米，直径应于高度2．5倍，面积为30cm2或50cm2,试样连同环刀一起装入护环内，上下有透水石以便试样在压力作用下排水。

(2)在进水石顶部放一加压上盖，所加压力通过加压支架作用在上盖，同时安装一只百分表用来量测试样的压缩。

(3)由于试样不可能产生侧向变形而只有竖向压缩。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。

7注意：

（1）用单位压力增量所引起的孔隙比的改变，即压缩曲线的割线坡度表征土的压缩性的高低。压缩曲线不是直线，即使是同一种土，其压缩系数也不是常量；

工程上为了便于统一比较，习惯采用100kpa~200kpa范围的压缩系数来衡量土的压缩性的高低

（2）在较高的压力范围内，压缩曲线近似为一直线，很明显，该直线越陡，意味着土的压缩性越高。

（3）体积压缩系数mv

单位应力作用下单位体积的体积变化

（4）压缩模量：

土体在无侧向变形条件下，竖直应力与竖向应变之比。其大小反映了土体在单向压缩条件下对压缩变形的抵抗能力。

（5）变形模量

表示土体在无侧限条件下应力应变之比，相当于理想弹性体的弹性模量。其大小反映了土体抵抗弹塑性变形的能力。用于瞬时沉降的估算，可用室内三轴试验或现场试验测定

三、单向压缩量计算公式

地基土层在外荷载作用下达到固结稳定时的最大沉降量，称为最终沉降量。地基最终沉降量计算方法有多种，通常我们采用是单向压缩分层总和法。分层总和法假定地基土层只有竖向单向压缩，不产生侧向变形。并且只考虑地基的固结沉降，利用侧限压缩试验的结果e—p压缩曲线计算沉降量。

下面将介绍单向压缩分层总和法的原理、计算方法与步骤。

1单一压缩土层的沉降量计算

图4-30设地基中仅有一较薄的压缩土层，在建筑物荷载作用下，该土层只产生铅直向的压缩变形，即相当于侧限压缩试验的情况。土层的厚度为H1，在进行工程建筑前的初始应力(土的自重应力)为p1，认为地基土体在自重应力作用下已达到压缩稳定，其相应的孔隙比为e1；建筑后由外荷载在土层中引起的附加应力为σz，则总应力