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1、第七章 压缩(固结)试验,一、土的压缩性基本知识(一)概述 在外力作用下土体积缩小的特性称为土的压缩性。由于土是三相体，土体受外力作用发生压缩变形包括三部分:土固体颗粒自身变形;孔隙水的压缩变形;土中水和气从孔隙中被挤出，从而使孔隙体积减小。 土的压缩性包含了两方面的内容: (1)最终压缩变形量，将引起建筑物的最终沉降量或变形量。 (2)压缩变形随时间而变化的过程一土的固结。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,(二)研究土压缩性的意义 从工程意义上来说，地基沉降有均匀沉降和不均匀沉降之分。在不均匀或软弱地基上修建建筑物时，必须考虑土的压缩性和地基变形等方面的问题。对于道路和桥梁工
2、程，一般来说，均匀沉降对路桥工程的上部结构危害较小，但过量的均匀沉降会导致路面标高降低、桥下净空减少，从而影响正常使用;不均匀沉降会造成路堤开裂、路面不平，对超静定结构桥梁产生较大附加应力等工程问题。为了确保路桥工程的安全和正常使用，既需要确定地基土的最终沉降量，也需要了解和估计沉降量随时间的发展及其趋于稳定的可能性。 在工程设计和施工中，如能事先预估并妥善考虑地基的变形而加以控制或利用，是可以防止地基变形所带来的不利影响。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,(三)压缩试验及压缩性指标 1.压缩试脸 在试验室用侧限压缩仪(亦称固结仪)进行压缩试验，是研究土压缩性最基本的方法。试验
3、仪器示意图如图7. 1所示。 试验时，用金属环刀取天然土样，并放于刚性很大的压缩环内，来限制土样的侧向变形;在土样的上、下表面垫两块透水石，以便在压缩过程中土中水能顺利排出。 由于土样受到环刀、刚性护环的约束，在压缩过程中只能发生竖向变形，不能发生侧向变形，所以这种试验方法称为侧限压缩试验。 试验时，荷载是分级施加的。直到压力增加时，土样变形几乎没有变化为止，如此可得到土样各级荷载下的压缩量。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,2. 曲线 在一般工程中，常遇到的压力 土粒的体积变化不及全部土体积变化的1/400，因此，土的全部压缩量可认为是由于土的孔隙体积缩小所引起，可以用孔隙比
4、与所受压力的关系曲线说明土的压缩过程。 在压缩试验过程中，可以通过百分表测量出土样的高度变化5(土样的压缩量)，如图7. 2所示。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,将二式相除可得 则有 这样，只要测定了土样在各级压力作用下的稳定变形量后，就可以按上式计算出孔隙比。以竖向有效应力为横坐标，孔隙比为纵坐标，绘制出孔隙比与有效应力的关系曲线，即压缩曲线，又称 曲线，如图7. 3 (a)所示。如用半对数直角坐标绘图，则得到 曲线，如图7. 3 (b)所示。从图7. 3 (b)可以看出，用半对数坐标绘制的曲线，在后半部出现明显的直线段，这已
5、被大量的试验所证实。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,3.压缩性指标 (1)压缩系数a。对于地基土，在修建建筑物之前就存在有效自重应力 。建筑物修建后，地基中的应力发生了变化，增加到 ，相应的孔隙比由原来的 减少到 ，如图7.4所示。由于修建建筑物所引起的应力增加量一般不大， ，故M:至M:的一小段曲线可以近似用直线 来代替，其误差是工程允许的。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,压缩系数a是反映土压缩性的一个重要参数，a值越大，曲线越陡，土的压缩性越高。延长直线 与e坐标轴相交得截距 ，则直线 的方程为: 上式即为土力学中的重要定律之一，即压缩定律。 (2)压缩
6、模量 定义:土在完全侧限条件下，竖向附加应力增量 与相应竖向应变增量 之比值，用 表示，即 ，故有时也称之为侧限压缩模量。 如图7. 4所示，若呱至M,的一小段曲线近似用直线 代替时，也可表示为全量的形式即,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,计算公式：推导过程如下:如图7.5所示，土样取自地下某深度处，其高度为 ，横截面面积为 在修建建筑物之前，其上所受有效竖向自重应力为 ，相应的天然孔隙比为 。在修建建筑物后，其上所受有效竖向应力 ，相应的最终孔隙比为 ，变形稳定后土样高度变为 ，压缩量为s。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,在侧限条件下，有将两式相除，可得:则
7、：所以,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,值得说明的是，压缩模量与弹性模量相似，都是应力与应变的比值，但有两点不同。其一是压缩模量E、是在侧限条件下测定的，故又称为侧限压缩模量，以便与无侧限条件下单向受力所测得的弹性模量相区别;其二是土的压缩模量不仅反映了土的弹性变形，而且同时反映了土的塑性变形(又称永久变形或残余变形)，并且是一个随应力而变化的数值。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,(3)压缩指数 。室内侧限压缩试验结果分析中也可以采用 曲线。用这种形式表示试验结果的优点是在应力达到一定值后， 曲线接近直线，该直线的斜率 称为压缩指数(图7. 6)，即: 类似于
8、压缩系数，压缩指数 值也可以用来判断土的压缩性大小。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,(4)回弹指数 。上面在室内侧限压缩试验中连续递增加压，得到了常规的压缩曲线。现在如果加压到某一值 ， 后不再加压，而是逐级进行卸载直至为零，并且测得各卸载等级下土样回弹稳定后的土样高度，进而换算得到相应的孔隙比，即可绘制出卸载阶段的关系曲线，如图7. 7 ( a)中bc曲线所示，称为回弹曲线或月彭胀曲线。 若接着重新逐级加压，则可测得土样在各级荷载作用下再压缩稳定后的土样高度，换算成孔隙比后，可绘制出再压缩曲线，如图7.7(a)中的cdf曲线。可以发现，再压缩曲线的df段是ab段的延续，但再
9、压缩曲线与回弹曲线不重合，也不通过原卸载点b。 对于半对数直角坐标系的 曲线，也有类似的过程，如图7. 7 (b)所示。卸载曲线和再压缩曲线的平均斜率(图中虚线的斜率)称为回弹指数或再压缩指数，用 表示。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,二、土的压缩试验(一)仪器设备 (1)固结仪:包括压缩容器和加压设备两部分，环刀。 (2)测微表:量程10mm，精度0.01mm。 (3)天平:最小分度值0.01g及0.1g各一架。 (4)其他:毛玻璃板、滤纸、钢丝锯、秒表、烘箱、削土刀、凡士林、透水石等。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,(二)操作步骤 (1)按工程需要选择合
10、适面积的切土环刀，环刀内壁涂上一薄层凡士林，刀口应向下，放在原状土或人工制备的扰动土上，切取原状土样时应与天然状态时垂直方向一致。 (2)小心边压边削，注意避免环刀偏心入土，应使整个土样进入环刀并凸出环刀为止，然后用钢丝锯或修土刀将两端余土削去修平，擦净环刀外壁。 (3)测定土样密度，并在余土中取代表性土样测定其含水率，然后用圆玻璃片将环刀两端盖上，防止水分蒸发。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,(4)在固结仪的固结容器内装上带有试样的切土环刀(刀口向下)，在土样两端应贴上洁净而润湿的滤纸，放上透水石，然后放入加压导环和加压板以及定向钢球。 (5)检查各部分连接处是否转动灵活;
11、然后，平衡加压部分(此项工作由试验室代做)，即转动平衡锤，目测上杠杆水平时，将装有土样的压缩部件放到框架内上横梁下，直至压缩部件之球柱与上横梁压帽之圆弧中心微接触。 (6)横梁与球柱接触后，插入活塞杆，装上测微表，使测微表表脚接触活塞杆顶面，并调节表脚，使其上的短针正好对准6字，再将测微表上的长针调整到零，读测微表初读数 。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,(7)加载等级:按教学需要，本次试验定为五级，加祛码时要注意安全，防止祛码放置不稳定而受伤。 (8)每级荷载经10 min记下测微表读数，读数精确到0.01 mm。然后，再施加下一级荷载，以此类推，直到第五级荷载施加完毕，记
12、录测微表读数 。 (9)试验结束后，必须先卸下测微表，然后卸掉珐码，升起加压框架，移出压缩仪器，取出试样后，将仪器擦洗干净。,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,(三)成果整理 (1)计算试样的初始孔隙比 :,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,(2)计算试样在任一级压力p (kPa)作用下变形稳定后的试样总变形量 (3)计算各级荷载下的孔隙比：,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,(4)绘制e-P压缩曲线。 以孔隙比e为纵坐标，压力P为横坐标，绘出的关系曲线称为e-P压缩曲线。 (5)计算某一压力范围内压缩系数: (6)计算某一荷载范围的压缩模量:,上一页,下一页,返回,第七章 压缩(固结)试验,(四)试验记录在表7.1、表7.2、表7. 3中记录相关数据。在图7. 8中画出压缩曲线。,上一页,下一页,返回,图7.1 固结试验仪器示意图,返回,图7.2 压缩试验中孔隙比的变化,返回,图7. 3,返回,图7.4 土的压缩系数,返回,图7.5 侧限条件下土样高度变化与孔隙比变化的关系,返回,图7.6 土体压缩指数,返回,图7.7 土体回弹一再压缩曲线,返回,表7.1率试验记录表,返回,表7.2 密度试验记录表,返回,表7. 3 压缩试验记录表,返回,图7. 8 e-p关系曲线,返回,
