任务5.1土的压缩性.docx

《土力学》

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任务5.1土的压缩性

地基土在压力作用下体积缩小的特性，称为土的压缩性。通常土的压缩变形主要由于以下几方面因素引起：一是土颗粒发生相对位移，土中水及气体从孔隙中排出，使孔隙体积减小；二是封闭在土体中的气体被压缩；三是土颗粒和土中水被压缩。试验研究表明，在工程实践中所遇到的压力（常小于600kPa）作用下，土粒和水的压缩量很小，可以忽略不计。因此，土的压缩变形主要是由于土中水和气体排出孔隙减小的缘故。

土的压缩变形速度的快慢与土中水的渗透速度有关。对于饱和的无黏性土，由于透水性大，故在压力作用下土中水很快被排出，其压缩过程很快完成。饱和黏性土由于透水性差，土中水的排出比较缓慢，故要达到压缩稳定则需要相当长的时间。这种土的压缩随时间而增长的过程，称为土的固结。

一、压缩试验及压缩曲线

为了了解土的压缩性，可以采用室内压缩试验来获得所需的资料。室内试验是用侧限压缩仪(也称固结仪)进行的，仪器的主要部分是一个圆形的压缩器，如图3-18所示。试验时，用金属环刀切去保持天然结构的原状土样，并置于圆筒形压缩容器的刚性护环内，土样上下各垫一层透水石，使土样受压后土中水可以自由地从上下两面排出。由于金属环刀和刚性护环的限制，土样在压力作用下只有可能被竖向压缩，而没有可能发生侧向变形，这种试验称为侧限条件下的压缩试验。土样在天然状态下或经人工饱和后，进行逐级加压固结，求出各级压力(一般50kN、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa)作用下土样压缩稳定后的孔隙比，便可绘出土的压缩曲线。

图3-18压缩仪的压缩容器图3-19加压前后土样体积的变化

(a)加压前(b)加压后

在图3-19中，假设土样的初始高度为，土样断面面积为A，初始孔隙比为，则

或（3-21）

式中——孔隙体积；

——土颗粒体积。

压力增至时，如图3-19(b)所示，土样的稳定变形量为，这时土样的高度为，设此时土样的孔隙比为，则土颗粒体积为：

（3-22）

由于土颗粒压缩不计，土样截面积不变，因此有：

可得(3-23)

根据每级荷载作用下的稳定变量，利用公式(3-22)即可求出相应荷载下的孔隙比，然后以横坐标表示压力p，纵坐标表示孔隙比e，可绘出压缩曲线，如图3-20所示。

二、压缩性指标

1．压缩系数

从图3-20压缩曲线可见，孔隙比随压力的增加而减小，曲线越陡，说明随着压力的增加，土的孔隙图3-20压缩试验曲线

比减小越显著，土产生的压缩变形就大，土的压缩性高。反之，土的压缩性就低。因此，曲线的陡缓反映了土的压缩性大小。取曲线上任意一点的切线斜率，称为压缩系数。表示相当于p作用下的压缩性。压缩系数表示为：

（3-24）

式中负号表示压力户与压缩系数方向相关。一般建筑物产生的荷载在地基中引起的压力变化范围都不大，可以近似地用直线代替。如图3-20所示，设压力由增至，相应的孔隙比由减小到，则压力增量为，对应的孔隙比变化量为，此时土的压缩系数可用图中割线的斜率表示。设此割线与横坐标的夹角为，则

（3-25）

式中——土的压缩系数()；

——相应于作用下压缩稳定后的孔隙比；

——相应于作用下压缩稳定后的孔隙比。

不同的土压缩性差异很大，即便是同一种土，压缩曲线的斜率也是变化的。为了便于比较，在工程实际中，通常取100kPa、200kPa，相应的压缩系数用表示，以此判定土的压缩性。《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中规定：

时，为低压缩性土。

时为，中压缩性土；

时，为高压缩性土。

2．压缩模量

土在完全侧限条件下的竖向附加应力与相应的应变增量的比值，称为土的侧限压缩模

量，用表示。设附加应力的增量为，应变的增量为，由式(3-23)可得

（3-26）

则（3-27）

式中——土的压缩系数(MP