20土的压缩试验及指标课件.ppt

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、体积缩小，但不会导致土体破

2、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SsS Sd十十Sc十十Ss 地基沉降的组成地基沉降的组成ScSsSd一、侧限（单向）压缩试验：一、侧限（单向）压缩试验：单向

3、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Pt1p2pSt1e2e0e3e1s2s3se试验结果：试验结果：AHeVs0011/0/)(11ASHeV

4、s000000)1(11HSeeeeSHeHeee01S(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。000)1(HSeeeii000HSe1ee)(（1 1）e e P P 曲线曲线0100200 3004000.60.70.80.91.0e ePt1p2pSt1e2e0e3e1s2s3se0i00iHSe1ee)(Pe 0100200 3004000.60.70.80.91.0e eea KpKpa a-1-1，MpMpa a-

5、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

6、率代替。Pea e 0100200 3004000.60.70.80.91.0e ea a1-21-2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 a1-21-2(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0.10.1PPe 0100200 3004000.60.70.80.91.0e eszE 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（MPa

7、MPa)。即：。即：z0e1e 土的类别土的类别E ES S(MP(MPa a)高压缩性土高压缩性土 4 4中压缩性土中压缩性土4 42020低压缩性土低压缩性土2020e 0100200 3004000.60.70.80.91.0e evs01amE1e 体积压缩系数体积压缩系数KPKPa a-1-1，MPMPa a-1-1Es的倒数成为土的体积压缩系数的倒数成为土的体积压缩系数mv，表示单，表示单位压应力变化引起的单位体积变化。亦即：位压应力变化引起的单位体积变化。亦即：P土的类别土的类别M MV1-2V1-2(MPa-1)(100(100200KP200KPa a)低压缩性土低压缩性土

8、0.050.05中压缩性土中压缩性土0.050.050.250.25高压缩性土高压缩性土0.250.25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amvEsa1mv(1+e0)(1+e0)/Esmva/(1+e0)11/EsEs(1+e0)/a1/mv1(2)(2)、e e lglgP P 曲线曲线10010000.60.70.80.9e ee 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10010000.60.70.80.9e eceC(lg)C Cc

9、c1 1压缩指数压缩指数 对对直线段：直线段：单位问题单位问题lgP土的类别土的类别C CC1-2C1-2 (100(100200KP200KPa a)低压缩性土低压缩性土 0.030.03中压缩性土中压缩性土0.030.030.150.15高压缩性土高压缩性土0.150.15Cc 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

10、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土体的变形是由可恢复的弹性变形和不可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形组成的塑性变形组成(2)回弹曲线和再压线曲线回弹曲线和再压线曲线构成一迴滞环，是土体构成一迴滞环，是土体不是完全弹性体的表征不是完全弹性体的表征(3)回弹曲线和再压缩曲线回弹曲线和再压缩曲线比压缩曲线平缓得多比压缩曲线平缓得多(4)当再加荷时的压力超过当再加荷时的压力超过b点，再压缩曲线就趋于点，再压缩曲线就趋于初始压缩曲线的延长线初始压缩曲线的延长线再压缩试验时

11、土体体积变化特征：10010000.60.70.80.9e eC Cc c1 11 1C Ce eCe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、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。

12、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 zp z)e1(e00 1 1Es1 1Ee非线性弹塑性体非线性弹塑性体3313u1u33uB/)/(311uA对饱和土，二、三轴压缩剪切试验二、三轴压缩剪切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

13、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三轴压缩剪切试验的应力应变关系三轴压缩剪切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

14、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 f f V V由于孔隙的存在，土体受剪切由于孔隙的存在，土体受剪切时颗粒有相互错动位移的趋势，时颗粒有相互错动位移的趋势，同时体积发生体积变形和剪切同时体积发生体积变形和剪切变形。对于松砂、正常固结土变形。对于松砂、正常固结土土体颗粒易于移动而填充到其土体颗粒易于移动而填充到

15、其临近的孔隙中，于是就发生剪临近的孔隙中，于是就发生剪切体缩现象。切体缩现象。z z f f V V z z对于紧砂、超固结粘土，受剪对于紧砂、超固结粘土，受剪时土体颗粒移动要翻越另一些时土体颗粒移动要翻越另一些颗粒，而且常常出现叠、架现颗粒，而且常常出现叠、架现象而不易填充到其临近的孔隙象而不易填充到其临近的孔隙中，于是就出现剪切体胀现象。中，于是就出现剪切体胀现象。剪切体缩剪切体缩剪切体胀剪切体胀三轴剪试验的特殊现象：三轴剪试验的特殊现象：z zC CB BA A三轴剪试验的特殊现象：三轴剪试验的特殊现象：土体的硬化与剪缩、软化与剪胀常有土体的硬化与剪缩、软化与剪胀常有伴生现象，说明相互间

16、有一定的关系，伴生现象，说明相互间有一定的关系，但也未必是必然的联系，也不一定是但也未必是必然的联系，也不一定是同步伴生现象。有关实验表明，软化同步伴生现象。有关实验表明，软化型土往往是剪胀的，但剪胀土不一定型土往往是剪胀的，但剪胀土不一定都是软化的。都是软化的。线弹性理想塑性线弹性理想塑性 f f1E 土的本构模型简介：土的本构模型简介：2121非线弹性非线弹性土的本构模型简介：土的本构模型简介：13241324弹塑性弹塑性土的本构模型简介：土的本构模型简介：ZZ线弹性体线弹性体加载加载E E1 10zzE0dEord单位：单位：KPKPa a ,MP,MPa ap pe e卸载卸载割线割线

17、 变形模量：变形模量：E（对土体而言）（对土体而言）0zzE 弹性模量：弹性模量：E（对弹性材料而言）（对弹性材料而言）zzE13zyzyzx 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zp z 土的变形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E0是土体在无侧限条是土体在无侧限条件下的应力与应变的比值；而土的件下的应力与应变的比值；而土的压缩模量压缩模量Es是土体在是土体在完全侧限条件下的应力与应变

18、的比值。完全侧限条件下的应力与应变的比值。变形模量变形模量E0 是现场载荷试验实测的，能较为真实的反映是现场载荷试验实测的，能较为真实的反映土体的实际情况。土体的实际情况。联系联系二者同为土的压缩性指标，在理论上是完全可以相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，推导出土的变形模量与压互换算的。由材料力学理论，推导出土的变形模量与压缩模量的关系。缩模量的关系。)(yxzzEEzyxK0ZZzzEKKEE00212ZZzzEKKEE00212换算为：换算为：SSEEKE)21(0001KK其中：其中：1）上述换算公式只是它们之间的理论关系。由于现场载荷试验和室内）上

19、述换算公式只是它们之间的理论关系。由于现场载荷试验和室内压缩试验都有些无法考虑的因素，使得上式并不能准确的反映两者之间压缩试验都有些无法考虑的因素，使得上式并不能准确的反映两者之间的关系；的关系；2）通常土的泊松比小于）通常土的泊松比小于0.5，且难以测定，算出来的变形模量是小于压，且难以测定，算出来的变形模量是小于压缩模量的。而根据大量的统计资料表明，变形模量可能是换算值的几倍，缩模量的。而根据大量的统计资料表明，变形模量可能是换算值的几倍，且土越坚硬倍数越大，而软土的两者值相差较小；且土越坚硬倍数越大，而软土的两者值相差较小；原因一方面是土为非理想的弹性体，并且具有一定的结构性，取样时难原

20、因一方面是土为非理想的弹性体，并且具有一定的结构性，取样时难免受到扰动；免受到扰动；2）压缩试验的土样易受到扰动，两种试验的加荷速率、压缩稳定标准）压缩试验的土样易受到扰动，两种试验的加荷速率、压缩稳定标准也不一样。也不一样。土的种类和状态土的种类和状态K0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

21、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土的土的K0及及的参考值的参考值1)静载荷试验、动载荷试验、静载荷试验、动载荷试验、2)平板载荷试验平板载荷试验(浅层地基浅层地基)、螺旋板载荷、螺旋板载荷(深层地基或深层地基或地下水位以下地下水位以下)3)试坑载荷试验和钻孔载荷试验试坑载荷试验和钻孔载荷试验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、固定支架试坑载荷试验：试坑载荷试验：10mm厚中砂层找平 分级加荷载，每级2550KPa，约为土层极限压力的1/81/1

22、0，加荷不少于8级，不少于不少于3点点 按10、10、10、15、15、3060min连续24小时内测量，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、在某一级压力作用下，24小时内沉降随时间近乎等速增加;5、总沉降量S超过0.06B0.08B;6、最大加载已经达到预期设计压力的2倍;pcr puS荷载沉降曲线荷载沉降曲线 PS曲线分析：曲线分析：（拐点型曲线）（拐点型曲线）1、oa段：压密弹性段：压密弹性变形阶段变形阶段 2、a

23、b段：塑性变形段：塑性变形（局部剪切）阶段（局部剪切）阶段 3、bc段：破坏阶段段：破坏阶段abc比例极限荷载（临塑荷载）极限荷载SBpEcr)1(2 变形模量变形模量在直线段：在直线段：SpE,B.S变形模量无直线段时：取020承压板形状修正系数：承压板形状修正系数：0.79(圆圆)或者或者0.88(方方)pcr puS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阶段 2、ab段：塑性变形段：塑性变形（局部剪切）阶段（局部剪切）阶段 3、bc段：破坏阶段段：破坏阶段abc 说明参见课本说明参见课本P119PSOPSOPSOPSO超固结土超固结

24、土欠固结土欠固结土台阶曲线台阶曲线黄土湿陷或黄土湿陷或冻土融陷冻土融陷存在试验存在试验误差误差截距曲线：截距曲线：含有大量碎含有大量碎石土的粘性石土的粘性土地基土地基无规则曲线无规则曲线突陷曲线：突陷曲线：pcr pu(Mpa)S(mm)荷载沉降曲线荷载沉降曲线 PS曲线分析：曲线分析：螺旋板载荷试验曲线螺旋板载荷试验曲线abc 不排水模量：不排水模量：SRpESRpEcrucru67.0)75.059.0(在直线段：其中其中R为螺旋板半径。为螺旋板半径。又称横压试验，其原理与载荷试验差不多，只不过又称横压试验，其原理与载荷试验差不多，只不过将竖向加载改为水平加载。分自钻式和预钻式。将竖向加载

25、改为水平加载。分自钻式和预钻式。仅适用均质土，对各向异性土，应加以修正。仅适用均质土，对各向异性土，应加以修正。德国的寇克娄（德国的寇克娄（Kogler）用一根可膨胀的橡皮管在）用一根可膨胀的橡皮管在钻孔中加压，来测定不同深度处土的压缩性。钻孔中加压，来测定不同深度处土的压缩性。法国的梅那徳（法国的梅那徳（Menard）改进了这种仪器，后被称）改进了这种仪器，后被称为梅那徳旁压仪。为梅那徳旁压仪。由旁压器、量测与输送系统、加压系统三部分组成。由旁压器、量测与输送系统、加压系统三部分组成。注 水注 水加 压量 测 室注 水加 压动 画 膨 胀确定地基承载力与旁压模量；利用自钻式旁压试验还可以确定

26、地基承载力与旁压模量；利用自钻式旁压试验还可以测得土的原位水平应力、静止侧压力系数、孔隙水压力及测得土的原位水平应力、静止侧压力系数、孔隙水压力及消散时间、固结特性、估算土的不排水抗剪强度等消散时间、固结特性、估算土的不排水抗剪强度等旁压试验旁压试验(PMT)技术要点技术要点成孔要求：钻孔直径与旁压器的直径相适应；成孔要求：钻孔直径与旁压器的直径相适应；在代表性的位置和深度进行，旁压器的测量腔应在同一土层；试验点的在代表性的位置和深度进行，旁压器的测量腔应在同一土层；试验点的垂直间距不宜小于垂直间距不宜小于1m，每层土均布置有点，厚度大于，每层土均布置有点，厚度大于3m的土层测点不的土层测点不

27、少于少于2个；个；加荷等级采用预计极限压力的加荷等级采用预计极限压力的1/81/12，在加荷的初级阶段取小值，或，在加荷的初级阶段取小值，或作卸荷再加荷以减小土层的扰动；作卸荷再加荷以减小土层的扰动；每级压力持续每级压力持续13min后再施加下一级荷载，持续后再施加下一级荷载，持续1min时，加荷时，加荷15s、30s、60s测读变形量；持续时间为测读变形量；持续时间为3min时，加荷后时，加荷后60s、120s、180s测测读变形量；读变形量；当测量腔的扩张体积相当于测量腔的固有体积时，可终止试验；如果试当测量腔的扩张体积相当于测量腔的固有体积时，可终止试验；如果试验压力已达到仪器的允许值时

28、，也可停止试验。验压力已达到仪器的允许值时，也可停止试验。水箱水箱量测量测 V0 V0Vpuh pcr poh1、橡皮膜膨胀阶段、橡皮膜膨胀阶段2、橡皮膜与孔壁接触阶、橡皮膜与孔壁接触阶段段-原位水平应力原位水平应力P03、似弹性阶段、似弹性阶段-临塑荷载临塑荷载Pcr4、塑性阶段、塑性阶段-极限荷载极限荷载Pu5、破坏阶段、破坏阶段Ph 水箱水箱量测量测 V0 V0Vpuh pcr pohPh VppVVVEcrM000)(1(2对各向同对各向同性土：性土：适用于粘性适用于粘性土、粉土、土、粉土、砂土、软质砂土、软质岩石和风化岩石和风化岩石。岩石。水箱水箱量测量测 V0 V0Vpuh pcr pohPh hvhh,/0vhK21,hhuvhh测求静止侧压力系数及孔隙水压力：测求静止侧压力系数及孔隙水压力：地下水位地下水位以上时：以上时：地下水位地下水位以下时：以下时：OHhP