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1、河海大学 岩土工程研究所Research Institute of Geotechnical Engineering,Hohai Univerczity,土的压缩与固结,9-0 概 述,在附加应力作用下，地基土将产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降。,把饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力定义为孔隙水应力，常以u表示。,把通过粒间的接触面传递的应力称为有效应力。,把孔隙水应力和有效应力之和称为总应力。,9-1 有效应力原理,A：,Aw：,As：,土单元的截面积,颗粒接触点的截面积,孔隙水的截面积,9-1 有效应力原理,9-2 土的压缩特性,压缩：在外力作用下，土体
2、体积缩小的现象。,一、土的压缩与固结,在外力作用下，土体体积为什么会缩小呢？,1、土粒本身和孔隙中水的压缩变形；,2、孔隙气体的压缩变形；,3、孔隙中的水和气体有一部分向外排出。,固结：土的压缩随时间增长的过程。,二、单向固结模型,单向固结：饱和土体在某一压力作用下，压缩随着孔隙水的逐渐向外排出而增长。如果孔隙水只沿一个方向排出，土的压缩也只在一个方向发生（一般指竖直方向），此时的固结为单向固结。,9-2 土的压缩特性,p,p,附加应力:z=p超静孔压:u0=z=p附加有效应力:z=0,附加应力:z=p超静孔压:0 u p附加有效应力:0 z p,附加应力:z=p超静孔压:u=0附加有效应力:
3、z=p,9-2 土的压缩特性,二、单向固结模型,饱和土体在某一压力作用下的固结过程就是土体中各点的超静孔隙水应力不断消散、附加有效应力相应增加的过程，或者说超静孔隙水应力逐渐转化为有效应力的过程，而在转化过程中，任一时刻任一深度处的应力始终遵循有效应力原理。,9-2 土的压缩特性,二、单向固结模型,（一）室内固结试验与压缩曲线,由于刚性护环所限，试样只能在竖向产生压缩，而不能产生侧向变形，故称为单向固结试验或侧限固结试验。,三、土的压缩性指标,水槽,护环,环刀,透水石,试样,传压板,百分表,9-2 土的压缩特性,滤纸,透水石,滤纸,（一）室内固结试验与压缩曲线,9-2 土的压缩特性,三、土的压
4、缩性指标,e,e,ep曲线,elgp曲线,9-2 土的压缩特性,（一）室内固结试验与压缩曲线,三、土的压缩性指标,（二）压缩系数,9-2 土的压缩特性,三、土的压缩性指标,e,ep曲线,9-2 土的压缩特性,e,（二）压缩系数,三、土的压缩性指标,ep曲线,9-2 土的压缩特性,（二）压缩系数,三、土的压缩性指标,e,ep曲线,（三）压缩指数与回弹再压缩指数,9-2 土的压缩特性,三、土的压缩性指标,弹性变形,塑性变形,9-2 土的压缩特性,（三）压缩指数与回弹再压缩指数,三、土的压缩性指标,体积压缩系数mV：土体在单位应力作用下单位体积 的体积变化。,（四）其它压缩性指标,9-2 土的压缩特
5、性,三、土的压缩性指标,（四）其它压缩性指标,压缩模量ES：土体在无侧向变形条件下，竖向应力 与竖向应变之比。,9-2 土的压缩特性,三、土的压缩性指标,（四）其它压缩性指标,压缩模量ES：土体在无侧向变形条件下，竖向应力 与竖向应变之比。,9-2 土的压缩特性,三、土的压缩性指标,变形模量E：土体在无侧限条件下应力与应变之比。,（四）其它压缩性指标,9-2 土的压缩特性,三、土的压缩性指标,土体本构模型弹性非线性。,9-3 单向压缩量公式,（1）土的压缩完全是由于孔隙体积减小导致骨架变形的 结果，土粒本身的压缩可忽略不计；,一、无侧向变形条件下单向压缩量计算假设,（2）土体仅产生竖向压缩，而
6、无侧向变形；,（3）土层均质且在土层厚度范围内，压力是均匀分布的。,二、单向压缩量公式,9-3 单向压缩量公式,9-3 单向压缩量公式,二、单向压缩量公式,C,B,A,eC,eB,eA,eD,D,应力历史：土体在历史上曾经受到过的应力状态。,固结应力：能够使土体产生固结或压缩的应力，以p0表示。,前期固结应力：土在历史上曾受到过的最大有效应力，以pc表示。,超固结比：前期固结应力与现有有效应力po之比，以OCR表示，即OCR=pc/po。,9-4 现场压缩曲线的推求,一、概述,9-4 现场压缩曲线的推求,一、概述,9-4 现场压缩曲线的推求,粘土的应力历史不同，压缩性不同.,一、概述,一般情况
7、下，室内的压缩曲线已经不能代表地基中现场压缩曲线，它的起始段实际上已是一条再压缩曲线。因此，必须对室内单向固结试验得到的压缩曲线进行修正，以得到符合原位土体压缩性的现场压缩曲线，由此计算得到的地基沉降才会更符合实际。利用室内elgp曲线可以推出现场压缩曲线，同时能考虑应力历史的影响，从而可进行更为准确的沉降计算。,要考虑三种不同应力历史对土层压缩性的影响，必须先解决下列两个问题：,二、现场压缩曲线的推求,1、要确定该土层的前期固结应力pc、现有有效应力p0和现有固结应力p0，借以判别该土层是属于正常固结、欠固结还是超固结；,2、推求得到能够反映土体的真实压缩特性的现场压缩曲线。,9-4 现场压
8、缩曲线的推求,B,C,D,A,rmin,1,2,3,2、过A点作水平线A1、切线A2及A1和A2夹角的平分线A3；,3、将压缩试验曲线下部的直线段向上延长交A3与交于点B，则B点的横坐标即为所求的前期固结应力pc。,1、在室内压缩e-lgp曲线上，找曲率最大点 A；,pc,（二）前期固结应力的确定,二、现场压缩曲线的推求,9-4 现场压缩曲线的推求,a.超固结土,假定：,土取出地面后体积不变，即（e0,p0）在原位 再压缩曲线上；再压缩指数Ccs 为常数；0.42e0处的土与原状土一致，不受扰动影响。,现场压缩曲线的推求：,确定p0，pc的作用线；过e0作水平线与 p0作用线交于D点；,过B和
9、C点作直线即为原位压缩曲线。,过D点作斜率为Ccs的直线，与pc作用线交于B点，DB为原位再压缩曲线；,过0.42e0 作水平线与e-lgp曲线交于点C；,（三）现场压缩曲线的推求,二、现场压缩曲线的推求,9-4 现场压缩曲线的推求,确定前期固结应力pc；过e0 作水平线与pc作用线交于B点。由假定知，B点必然位于原状土的初始压缩曲线上；以0.42e0 在压缩曲线上确定C点，由假定知，C点也位于原状土的初始压缩曲线上；,土取出地面后体积不变，点（e0,p0）应位于原状土的初始压缩曲线上；0.42e0时，土样不受到扰动影响。,b.正常固结土,假定：,推求现场压缩曲线：,通过B、C两点的直线即为所
10、求的原位压缩曲线。,（三）现场压缩曲线的推求,二、现场压缩曲线的推求,9-4 现场压缩曲线的推求,c.欠固结土,假定：,土取出地面后体积不变，即（e0,pc）在原位 压缩曲线上；0.42e0处的土与原状土一致，不受扰动影响。,现场压缩曲线的推求：,确定pc的作用线；过e0作水平线与 pc作用线交于B点；,过B和C点作直线即为原位压缩曲线。,过0.42e0 作水平线与e-lgp曲线交于点C；,（三）现场压缩曲线的推求,二、现场压缩曲线的推求,9-4 现场压缩曲线的推求,基本假定：,土是均质、各向同性且饱和的；,土粒和孔隙水是不可压缩的，土的压缩完全由孔隙体积的减小引起；,土的压缩和固结仅在竖直方
11、向发生；,孔隙水的向外排出符合达西定律，土的固结快慢决定于它的渗透速度；,在整个固结过程中，土的渗透系数、压缩系数等均为常数；,地面上作用着连续均布荷载并且是一次施加的。,9-5 地基沉降与时间关系 土的单向固结理论,一、太沙基（Terzaghi）单向固结理论,粘土层,砂土层,9-5 地基沉降与时间关系 土的单向固结理论,一、太沙基（Terzaghi）单向固结理论,9-5 地基沉降与时间关系 土的单向固结理论,一、太沙基（Terzaghi）单向固结理论,固结系数,9-5 地基沉降与时间关系 土的单向固结理论,一、太沙基（Terzaghi）单向固结理论,时间因数,一、太沙基（Terzaghi）单
12、向固结理论,时间因数,为最大排水距离，在单面排水条件下为土层厚度，双面排水条件下为土层厚度的一半。,9-5 地基沉降与时间关系 土的单向固结理论,固结度：在某一附加应力下，经某一时间t后，土体发生 固结或孔隙水应力消散的程度。,二、固结度及其应用,某一点的固结度,平均固结度,单向固结,9-5 地基沉降与时间关系 土的单向固结理论,附加应力（沿竖向）均匀分布,平均固结度,二、固结度及其应用,9-5 地基沉降与时间关系 土的单向固结理论,土层的平均固结度是时间因数Tv的单值函数，它与所加的附加应力的大小无关，但与附加应力的分布形态有关。,定义为透水面上的附加应力与不透水面上附加应力之比。,反映附加
13、应力分布形态的参数：,二、固结度及其应用,9-5 地基沉降与时间关系 土的单向固结理论,情况1，其附加应力随深度呈逐渐增大的正三角形分布。其初始条件为：当t=0时，0zH，。,实践背景：,H小，p大大面积堆载,自重应力,附加应力,自重应力附加应力,压缩土层底面的附加应力还不接近零,应力分布：,二、固结度及其应用,9-5 地基沉降与时间关系 土的单向固结理论,实践背景：,H小，p大大面积堆载,自重应力,附加应力,自重应力附加应力,压缩土层底面的附加应力还不接近零,应力分布：,二、固结度及其应用,9-5 地基沉降与时间关系 土的单向固结理论,（1）已知土层的最终沉降量S，求某一固结历时t已完成的沉降St,t,Tv=Cvt/H2,St=Ut S,4-6 地基沉降与时间关系 土的单向固结理论,二、固结度及其应用,（2）已知土层的最终沉降量S，求土层产生某一沉降量St所需的时间t,Ut=St/S,从 Ut 查表（计算）确定 Tv,4-6 地基沉降与时间关系 土的单向固结理论,二、固结度及其应用,End,压缩仪,
