地基土的压缩性及评价方法

地基承受荷载后，土粒相互挤紧，因而引起地基土的压缩变形，这种性质叫做土的压缩。

地基内由增加应力引起的应力—应变随时间变化的全过程（包括最终变形）叫做地基固结。

土的压缩变形主要有两个特点：

（1）土的压缩主要是由于土颗粒之间产生相对移动而靠拢，使土中孔隙体积减小，孔隙中的水或气体在外力作用下会沿着土中孔隙排出，从而引起土体积减小而发生压缩。

（2）由于孔隙水排出而引起的压缩对于饱和黏性土来说是需要时间的，土随时间增长的压缩过程称为土的固结。

1.压缩曲线

室内侧限压缩试验（亦称固结试验）是研究土的压缩性最基本的方法。侧限压缩试验的特点表示在图5.1.1中，即土样高度的应变等于其体积应变。

通过室内侧限压缩试验可以求得在各级压力下孔隙比的大小，我们把各级压力与其相应的稳定孔隙比之间的关系曲线，叫做压缩曲线，或简称e—p曲线（图5.1.2）。试验所施加的最大压力应超过其上土自重力与预计的附加压力之和。

图 5.1.1

图 5.1.2

该曲线具有如下特点：非线性、弹塑性、只有体缩，没有体胀、曲线陡缓代表压缩性大小，反映了土的压缩特性。不同的土，压缩曲线的形状不同，曲线陡者，表示压力变化时孔隙比变化大，即土的压缩性大；反之，压缩性小。因此，可用土的压缩曲线的斜率来衡量土的压缩性。

2.压缩系数a

如图5.1.3所示的e—p曲线，设压力由p₁增至p₂，相应的孔隙比由e₁减小到e₂，土的压缩性可用这一段压力范围的割线的斜率a来表示，a称为压缩系数（MPa^-1）。

图5.1.3 e—p压缩曲线图

式中 p₁，p₂——固结压力；

e₁，e₂——相应于p₁、p₂时的孔隙比。

土的压缩系数并不是常数，而是随压力p₁、p₂的大小改变而变化，压缩系数越小，土的压缩性就越小。

为了便于比较，一般采用压力间隔p₁=100kPa至p₂=200kPa时对应的压缩系数a_1—2来评价土的压缩性。《建筑地基基础设计规范》4.2.5条规定了具体的评价标准。

《建筑地基基础设计规范》规定：4.2.5 土的压缩性指标可采用原状土室内压缩试验、原位浅层或深层平板载荷试验、旁压试验确定，并应符合下列规定：

1 当采用室内压缩试验确定压缩模量时，试验所施加的最大压力应超过土自重压力与预计的附加压力之和，试验成果用e—p曲线表示；

2 当考虑土的应力历史进行沉降计算时，应进行高压固结试验，确定先期固结压力、压缩指数，试验成果用e—lgp曲线表示；为确定回弹指数，应在估计的先期固结压力之后进行一次卸荷，再继续加荷至预定的最后一级压力；

3 当考虑深基坑开挖卸荷和再加荷时，应进行回弹再压缩试验，其压力的施加应与实际的加卸荷状况一致。

4.2.6 地基土的压缩性可按p₁为100kPa，p₂为200kPa时相对应的压缩系数值a_1—2划分为低、中、高压缩性，并符合以下规定：

1 当a_1—2<0.1MPa^-1时，为低压缩性土；

2 当0.1MPa^-1≤a_1—2<0.5MPa^-1时，为中压缩性土；

3 当a_1—2≥0.5MPa^-1时，为高压缩性土。

【5.1.1】 （2000年一级考题）

某房屋场地土持力层为黏性土，其压缩系数a_1-2=0.56MPa^-1，该土层应属下列何类土？

（A）非压缩性 （B）低压缩性 （C）中压缩性 （D）高压缩性

【答案】 （D）

【详解】 根据《建筑地基基础设计规范》4.2.6条的规定，利用压缩系数来判断土的压缩性为

a_1-2=0.56MPa^-1>0.5MPa^-1为高压缩性土。

故（D）正确。

【简解】a_1-2=0.56MPa^-1>0.5MPa^-1，为高压缩性土。

【5.1.2】 （2009年二级考题）

对某土层取出的标准土样进行压缩—固结试验后，得到的试验成果见表5.1.1。

试问，该土层的压缩性应为下列何项所示？

（A）高压缩性 （B）中压缩性 （C）低压缩性 （D）无法判断

【答案】 （A）

表 5.1.1

【详解】 根据土的压缩系数a_1-2定义，指的是当压力分别为100kPa和200kPa时，对应的孔隙比之差与压力差的比值，计算如下

根据《建筑地基基础设计规范》4.2.6条的规定

a_1-2=1.02MPa^-1>0.5MPa^-1，为高压缩性土。

故（A）正确。

【简解】

a_1-2>0.5MPa^-1，为高压缩性土。

【5.1.3】 （2008年二级考题）

某新建房屋采用框架结构，根据地勘资料，其基底自然土层的有关物理指标为：含水量w=22%，液限w_L=30%，塑限w_p=17%，压缩系数a_1-2=0.18MPa^-1。

关于该基底自然土层土的压缩性评价，下列何项最为合理？

（A）高压缩性 （B）中压缩性 （C）低压缩性 （D）难以确定

【答案】 （B）

【详解】 根据《建筑地基基础设计规范》4.2.6条的规定

0.1MPa^-1<a_1-2=0.18MPa^-1<0.5MPa^-1，为中压缩性土。

故（B）正确。

【简解】 0.1MPa^-1<a_1-2=0.18MPa^-1<0.5MPa^-1，为中压缩性土。

【5.1.4】 （2003年一级考题）

有一底面宽度为b的钢筋混凝土条形基础，其埋置深度为1.2m。取条形基础长度1m计算，其上部结构传至基础顶面处的标准组合值：竖向力F_k，弯矩M_k。已知计算G_k（基础自重和基础上土重）用的加权平均重度为20kN/m³。

基础及工程地质剖面如图5.1.4所示。

图 5.1.4

黏性土层①的天然孔隙比e₀=0.84；当固结压力为100kPa和200kPa时，孔隙比e₁、e₂分别为0.83和0.81。试计算压缩系数a_1-2并判断该黏性土属于下列哪一种压缩性土？

（A）非压缩性土 （B）低压缩性

（C）中压缩性 （D）高压缩性

【答案】 （C）

【详解】 根据土的压缩系数的定义，计算如下

根据《建筑地基基础设计规范》4.2.6条的规定(www.xing528.com)

0.1MPa^-1<a_1-2=0.2MPa^-1<0.5MPa^-1

该黏性土层属于中压缩性土。

故（C）正确。

【简解】

为中压缩性土。

【5.1.5】 （2012年一级考题）

根据地勘资料，某黏土层的天然含水量w=35%，液限w_L=52%，塑限w_P=23%，土的压缩系数a_1-2=0.12MPa^-1，a_2-3=0.09MPa^-1。试问，下列关于该土层的状态及压缩性评价，何项是正确的？

（A）可塑，中压缩性土 （B）硬塑，低压缩性土

（C）软塑，中压缩性土 （D）可塑，低压缩性土

【答案】 （A）

【解答】 根据液性指数的定义及《建筑地基基础设计规范》4.1.10条，表4.1.10：

0.25<I_L<0.75，为可塑。

根据《建筑地基基础设计规范》4.2.6条，应根据a_1-2判断地基土的压缩性。

0.1MPa^-1<a_1-2=0.12MPa^-1<0.5MPa^-1；为中压缩性土，故选择（A）。

3.压缩模量E_s

在完全侧限条件下，土的竖向应力变化量Δp与其相应的竖向应变变化量Δε的比，称为土的压缩模量，用E_s表示，即

压缩模量E_s也是土的压缩性指标，它与压缩系数成反比关系。压缩模量E_s越大，压缩性系数a越小，并说明土的压缩性越低，在外荷载作用下发生的变形就越小。

土的压缩模量E_s和压缩系数a的相互关系可以用下列公式描述。

式中 e₁——地基土自重应力下的孔隙比；

a——从土自重应力至土自重应力加附加应力段的压缩系数。

同样可以用相应于p₁=100kPa、p₂=200kPa范围内的压缩模量E_s值评价地基土的压缩性。

E_s<4MPa 高压缩性土

4MPa≤E_s≤15MPa 中压缩性土

E_s>15MPa 低压缩性土

【5.1.6】 （1999年一级考题）

基础底面下土的压缩模量E_s（单层土时）和（多层土时）分别有如下几种算法：

式中 e₀——土的天然孔隙比；

e₁——土的压力为100kPa下的孔隙比；

a——土的从土自重压力至土自重加附加压力段的压缩系数；

a_1-2——土的压力为100～200kPa固定压力段下的压缩系数；

h_i——第i层土的厚度；

E_si——第i层土的压缩模量；

A_i——第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值。

试问，根据《建筑地基基础设计规范》计算地基变形时，应采用下列E_s和的何项组合？

（A）Ⅰ、Ⅲ （B）Ⅰ、Ⅳ （C）Ⅱ、Ⅲ （D）Ⅱ、Ⅳ

【答案】 （B）

【详解】 沉降量计算，是地基土在附加应力作用下，产生的竖向变形量。所以在沉降量公式的推导过程中，使用的压缩模量为；沉降量计算与a_1-2没有关系，故Ⅰ正确。

根据《建筑地基基础设计规范》式（5.3.6），有

可知多层土的当量压缩模量为公式Ⅳ。

故（B）正确。

【简解】 根据《地规》5.3.6条，Ⅰ、Ⅳ正确，故选（B）。

【5.1.7】 （2001年一级考题）

在非岩石的相同地质条件下，对于建筑物条形基础下的地基变形计算有下列四种论点。试判定哪一种论点是错误的？

（A）非承重墙可不作地基变形计算

（B）当两基础附加应力相等时，则基础底面宽度较大者，其最终沉降量较大。反之，基础底面宽度较小者，其最终沉降量较小

（C）地基压缩变形与重量成正比，且与基础宽度无关

（D）当两个承受荷载大小不同的条形基础的埋深相同时，也可通过调整基础宽度的办法，设计成使承受较大荷载的地基最终沉降量不大于承受较小荷载的地基最终沉降量

【答案】 （C）

【详解】 由《建筑地基基础设计规范》5.3.4条可知，砌体承重结构需满足地基变形允许值，非承重结构可不作变形验算。故（A）正确。

根据《建筑地基基础设计规范》5.3.5条公式

可以看出，地基最终变形量，与附加应力有关。当两基础附加应力相等时，由公式可以看出基础宽度越大，最终沉降量越大。故（B）正确。

重量越大，则地基附加应力越大，其地基变形量就越大。在同样的压力作用下，基础宽度越大，附加应力越小，则地基压缩变形越小。故（C）不正确。

当上部荷载大小不变，基础宽度越大，则附加压力越小，由公式可以看出，其地基变形量就越小。所以（D）的说法正确。

【简解】 重量越大，则地基附加压力越大，其地基变形量就越大。在同样的压力作用下，基础宽度越大，附加压力越小，则地基压缩变形越小。故（C）不正确。

【5.1.8】 计算压缩系数a_1-2、压缩模量E_s，1-2，并评价其压缩性。

条件：某地基中黏土层和粉质黏土层的压缩试验资料见表5.1.2。

表 5.1.2

要求：计算压缩系数a_1-2及相应的压缩模量E_s，1-2并评定其压缩性。

【解答】 （1）黏土

因为0.1MPa^-1<a_1-2<0.5MPa^-1，故该土属中压缩性土。

（2）粉质黏土

因为a_1-2>0.5MPa^-1，故该土属高压缩性土。