土的压缩与固结

第四章土的压缩与固结4.1简介固结的过程经常与压实的过程相混淆。

通过减少空隙中空气的体积，压实过程增加非饱和土的密度（参见图4.1）。

然而，固结是一个与时间相关的，通过排出空隙中的水，而使饱和土的密度增加的过程（参见图4.1）。

固结通常与粉砂和粘土等幼粒土有关。

粗粒土，如砂和砾石，由于其高渗透性，也经历了固结，但在以更快的速度。

饱和粘土的固结由于其低渗透速度却慢得多。

固结理论预测的沉降量与沉降速度，以确保成立可压缩土层结构的可维护性。

4.2单向固结模型因为水可以在饱和土中任何方向流动，固结的过程中基本上三维。

然而，在大多数领域的情况下，因为在水平方向上土的区域巨大，土中水将不能够通过水平流动流出。

因此，水流的方向主要是竖向或一维的。

结果是，土层在竖向方向进行单向固结沉降（1-D）。

图4.2显示了一个简单的单向固结模型。

弹簧是类似于土骨架。

弹簧越不易弯曲，它将越难压缩。

因此，硬土将比软土经受更少的压缩。

土的硬度影响其固结沉降的幅度。

阀门开口尺寸类似于土的渗透性。

较小的开口，将需要更长的时间来排水和消散压力。

因此，幼粒土的完全固结比粗粒土需要花费更长的时间。

土壤的渗透性，影响其固结的速度。

4.3单向固结试验一维（1-D）固结试验由固结仪执行。

固结仪如图4.3所示。

土样是在一个环刀中（通常高度为20毫米和直径80毫米），它被限制在钢性护环，沉浸在水浴中。

竖向荷载用于压缩试样，并允许水排出放置在样本顶部和底部的透水石。

4.3.1时间相关的固结对于每一个竖向荷载增量，土样的竖向沉降通过百分表来记录。

图4.4显示了竖向沉降的时间关系，竖向总应力，超孔隙水压力和竖向有效应力。

最初，竖向载荷的100％是由孔隙水来承担，因为土样低渗透性，孔隙水是无法很快地流出空隙。

因此，立即加竖向荷载后，土样很少有沉降。

只有当有一个有效应力增加，土壤的沉降是有可能的，这反过来又要求通过驱逐孔隙水，减少土的孔隙率。

几秒钟后，孔隙水开始流出空隙。

4. 土的压缩与固结4—1 概述⏹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⏹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。

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。

⏹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。

⏹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。

⏹在这一章里，我们首先讨论土的压缩性；然后介绍目前工程中常用的沉降讨算方法；最后介绍沉降与时间的关系。

4－2 土的压缩特性⏹压缩：土在压力作用下，体积将缩小。

这种现象称为压缩。

⏹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⏹瞬时沉降指在加荷后立即发生的沉降⏹饱和粘土在很短的时间内，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⏹瞬时沉降一般不予考虑⏹对于控制要求较高的建筑物，瞬时沉降可用弹性理论估算。

土的压缩性5.1概述土体压缩性——土在压力（附加应力或自重应力）作用下体积缩小的特性。

土体压缩包括：（1）土粒本身和孔隙水的压缩； （2）孔隙气体的压缩；（3）孔隙水、气排出，使得孔隙体积减小。

上面（1）的压缩不到压缩量的1/400，忽略；（2）的压缩量也很小，忽略。

地基土的压缩实质土的固结——土体在压力作用下其压缩量随时间增长的过程。

土体的压缩性指标：压缩系数、压缩模量。

压缩性指标测定方法：（1）室内试验测定，如侧限条件的固结试验；（2）原位测试测定，如现场[静]载荷试验。

5.2固结试验及压缩性指标 一、固结试验及压缩性指标 1．压缩试验和压缩曲线减少。

会被压缩，也会被排出部分）；）不变；但会被排出（孔隙水体积（不变；土粒体积（v as V V V V ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧ω)a s E（1）侧限压缩试验（固结试验）侧限——限制土样侧向变形，土样只能发生竖向压缩变形。

通过金属环刀来实现。

试验目的——研究测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力，或孔隙比和压力的关系，变形和时间的关系，以便计算土的各项压缩指标。

试验设备——固结仪（压缩仪）。

试验方法：逐级加压固结，以便测定各级压力作用下土样压缩稳定后的孔隙比。

（2）e －p 曲线要绘制e －p 曲线，就必须求出各级压力作用下的孔隙比。

如何求？看示意图：设试样截面积为A ，如图：依侧限压缩试验原理可知：土样压缩前后试样截面积A 不变，土粒体积不变，令，有或——分别为土粒比重、土样的初始含水量和初始密度。

利用上式计算各级荷载作用下达到的稳定孔隙比，可绘制如i p i e i p i e i e s V 1=sV iii i i i e H H e H e H e A H e A H +∆-=+=+⇒⎭⎬⎫+=+=1111100000)1(1000000e H H e e e e e H H ii i i +∆-=⇒+-=∆1)1(000-+=ρρωws G e 00ρω、、s G i p i e下图所示的e －p 曲线，该曲线亦被称为压缩曲线。