地基与基础工程施工中土的压缩性测定

一、基本概念

地基土在压力作用下有体积减小的特性。土的压缩由三部分组成: ①水和气体从孔隙中被挤出; ②土中水及封闭气体被压缩; ③固体颗粒被压缩。研究表明，固体土颗粒和水的压缩量很小，可忽略不计。因此，土的压缩变形主要是由孔隙体积减小造成的。

土的压缩随时间增长的过程称为固结。对于透水性大的无黏性土，其压缩过程在很短时间内就可以完成; 而对于透水性小的黏性土，其压缩稳定所需的时间要比砂土长得多。

二、压缩试验及压缩指标

(一)压缩试验

压缩试验是指取天然结构的原状土样进行侧限压缩试验。侧限是指限制土体的侧向变形，使土样只产生竖向变形。进行压缩试验的仪器叫做压缩仪，又称为固结仪。试验装置如图1-8所示。

图1-8 侧限压缩试验装置

结容器; 2—护环; 3—环刀; 4—上护环; 5—透水石;

6—加压盖; 7—量表套杆; 8—量表架; 9—试样

试验时，先用金属环刀切取原状土样置于固结仪内，并在土样上下置一块透水石，以便土样受压后能够自由排水，然后在透水石上逐级施加荷载。在每级荷载作用下，将土样压至稳定后，再施加下一级荷载。一般荷载取p=50kPa，100kPa，200kPa，300kPa， 400kPa，根据每级荷载作用下的稳定变形量，可以计算各级荷载作用下的孔隙比，从而绘制土体的压缩曲线。

(二)压缩曲线

设土样初始高度为h0，土样受荷变形稳定后的高度为h1，土样的压缩量为s，即s=h0－h1(图1-9)。

若土样受压缩前的初始孔隙为e0，则受压后的孔隙比为e，由于试验过程中vs保持不变，且在侧限条件下试验使得土样的面积A保持不变，则根据试验过程中的基本物理量关系可得

v0=h0a=vs+vv=vs(1+e0)

式中: vs——土颗粒体积;

vv——孔隙体积。

图1-9 土样变形计算

由于vs及A保持不变，可得

从而得出

或

利用式(1-33)计算各级荷载作用下的稳定孔隙比，可绘制如图1-10所示的e-p曲线，称为压缩曲线。

图1-10 e-p曲线

(三)压缩性指标

1. 压缩系数

压缩性不同的土，其压缩曲线也不相同。曲线越陡，说明在相同的压力增量作用下，土样的孔隙比变化得越显著，因此土的压缩性越高; 反之，曲线越平缓，土的压缩性越低。所以，曲线上任意一点的切线斜率α就表示相应压力作用下土的压缩性，称α为压缩系数。

式中: 负号表示随着p增大，e减小。

当压力变化范围不大时，土的压缩曲线可近似用割线来表示。当压力由p1增至p2，相应的孔隙比由e1减小到e2，此时，土的压缩性可用割线M1M2的斜率表示，即

式中: p1——地基中某深度处土中的原有的竖向自重应力(kPa);

p2——地基中某深度处土中的竖向自重应力和附加应力之和(kPa);

e1——相应于p1作用下压缩稳定后土的孔隙比;

e2——相应于p2作用下压缩稳定后土的孔隙比。

由式(1-36)可知，压缩系数α表示在单位压力增量作用下土的孔隙比的减小量。因此，压缩系数α越大，土的压缩性越大。

为了便于应用和比较，《建筑地基基础设计规范》(GBJ50007—2002) 规定用p1=100kPa，p2=200kPa时相对应的压缩系数α1－2来评价土的压缩性:

当α1－2≤0.1MPa－1时，属低压缩性土;

当0.1MPa－1≤α1－2≤0.5MPa－1时，属中压缩性土;

当0.5MPa－1≤α1－2时，属高压缩性土。

2. 压缩指数

如果采用e－logp曲线(图1-11)，则它的后半段接近直线，压缩指数为此直线段的斜率，用cc表示

图1-11 e－log p曲线

同压缩系数α一样，压缩指数cc也能用来表示土的压缩性大小，cc值越大，土的压缩性越高。一般认为，当cc＜0.2时，为低压缩性土; 当cc=0.2～0.4时，为中压缩性土; 当cc＞0.4时，为高压缩性土。

3. 压缩模量

土体在完全侧限条件下，竖向附加应力σz与相应的应变增量εz之比称为压缩模量，用符号Es表示，即

又有σz=Δp，εz=，因此可得

由式(1-39)可见，Es与α成反比，即Es越大，α越小，土体的压缩性越低。

(四)静载荷试验和变形模量

土的压缩性指标除从室内压缩试验测定外，还可以通过现场原位测试取得。例如，可以通过载荷试验或旁压试验所测得的地基沉降(或土的变形)与压力之间近似的比例关系，从而利用地基沉降的弹性力学公式来反算土的变形模量。

1. 以载荷试验测定土的变形模量

地基土载荷试验是工程地质勘察工作中的一项原位测试。试验前，先在现场试坑中竖立载荷架，使施加的荷载通过承压板(或称压板)传到地层中去，以便测试岩、土的力学性质，包括测定地基变形横量、地基承载力以及研究土的湿陷性质等。

图1-12所示为两种千斤顶式的载荷架，其构造一般由加荷稳压装置、反力装置及观测装置三部分组成。

图1-12 静载荷试验(www.xing528.com)

根据各级荷载及其相应的(相对)稳定沉降的观测数值，即可采用适当的比例尺绘制荷载p与稳定沉降s的关系曲线(p-s曲线)，必要时，还可绘制各级荷载下的沉降与时间的关系曲线(p-s曲线)。图1-13为一些代表性土类的p-s曲线，其中，曲线的开始部分往往接近于直线，与直线段终点相对应的荷载称为地基的比例界限荷载，相当于地基的临塑荷载。一般地基承载力设计值取接近于或稍超过此比例界限值。所以，通常将地基的变形按直线变形阶段，以弹性力学公式，即按下式来反求地基土的变形模量:

图1-13 代表性土类的p-s曲线

式中: E0——地基土变形模量(MPa);

ω——沉降影响系数，对刚性承压板，圆形承压板取0.79，方形承压板取0.88;

μ——土的泊松比，砂土可取0.2～0.25，黏土可取0.25～0.45;

b——承压板直径或边长(m);

P——p-s曲线线性段的荷载强度(kPa);

s——与P对应的沉降(mm)。

2. 变形模量与压缩模量的关系

如前所述，土的变形模量是土体在无侧限条件下的应力与应变的比值，而土的压缩模量则是土体在完全侧限条件下的应力与应变的比值，E0与Es两者在理论上是完全可以互换算的。从侧向不允许膨胀的压缩试验土样中取一微单元体进行分析，可得E0与Es两者具有如下关系:

E0=β·Es (1-41)

式中:β——与土的泊松比有关的系数，β=，μ∈(0～0.5)⇒β≤1.0。

(五)土的固结应力历史

所谓应力历史，是指土在形成的地质年代中经受应力变化的情况。天然土层在历史上所经受过的包括自重应力和其他荷载作用形成的最大竖向有效固结压力，称为土的先期固结压力，常用σ'P表示。通常将地基土中土体的先期固结压力σ'P与现有土层自重应力σC (σC=γZ)进行对比，并把两者之比定义为超固结比OCR，即

根据土的超固结比，可把天然土层划分为以下三种固结状态:

(1)正常固结土(OCR=1): 土层逐渐沉积到现在地面上，经历了漫长的地质年代，在历史上最大固结压力作用下压缩稳定，沉积后土层厚度无大变化，以后也没有受到过其他荷载的继续作用的情况，如图1-14(a)所示。

(2)超固结土(OCR＞1): 覆盖土层在历史上本是相当厚的覆盖沉积层，在土的自重作用下也已达到稳定状态，图1-14(b)中虚线表示当时沉积层的地表，后来由于流水或冰川等的剥蚀作用而形成现在的地表，由此先期固结压力σ'P超过了现有的土自重应力，或者古冰川下的土层曾经受过冰荷载的压缩，后由于气候转暖、冰川融化，致使上覆压力减小等，使得先期固结压力超过了现有的土自重应力。

(3)欠固结土(OCR＜1): 土层历史上曾在先期固结压力σ'P作用下压缩稳定，固结完成。以后由于某种原因使土层继续沉积或加载，形成目前大于σ'P的自重压力，如图1-14 (c)所示，如新近沉积黏性土、人工填土等，由于沉积后经历年代时间不久，土的压缩固结状态还未完成，还在继续压缩中，土层处于欠固结状态。

图1-14 沉积土层的固结状态与先期固结压力σ'P的关系

正常固结、超固结、欠固结三种状态不是固定不变的，随着外界条件的变化，可以从一种状态转化成另一种状态。

三、土的压缩性指标试验测定方法(侧限压缩试验)

(一)实训一: 土的固结试验

1. 试验目的

本试验的目的是测定试样在侧限与轴向排水条件下，变形和压力或孔隙比和压力的关系，绘制压缩曲线，以便计算土的压缩系数α、压缩模量ES等指标，通过各项压缩性指标，可以分析、判断土的压缩特性和天然土层的固结状态，计算土工建筑物及地基的沉降等。

2. 试验方法及适用范围

本试验适用于饱和的黏质土(当只进行压缩试验时，允许用于非饱和土)。

试验方法: 标准固结试验; 快速固结试验: 规定试样在各级压力下的固结时间为1h，仅在最后一级压力下，除测记1h的量表读数外，还应测读达压缩稳定时的量表读数。

3. 标准固结试验

1)仪器设备

固结仪; 环刀: 面积50cm3，高2cm; 天平; 测微表; 秒表、烘箱、修土刀、称量盒、滤纸等。

2)试验步骤

(1)根据工程需要，切取原状土试样或制备给定密度与含水量的扰动土样。

(2)测定试样的密度及含水量。对于试样需要饱和时，按《规范》规定的方法将试样进行抽气饱和。

(3)在固结容器内放置护环、透水板和薄滤纸，将带有环刀的试样小心装入护环内，然后在试样上放薄滤纸、透水板和加压盖板，置于加压框架下，对准加压框架的正中，安装量表。

(4)施加1kPa的预压压力，使试样与仪器上下各部分之间接触良好，然后调整量表，使指针读数为零。

(5) 确定需要施加的各级压力。加压等级一般为12.5kPa、25.0kPa、50.0kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa、1600kPa、3200kPa。最后一级压力应大于上覆土层的计算压力100～200kPa。

(6)如是饱和试样，则在施加第1级压力后，立即向水槽中注水至满，如是非饱和试样，则必须用湿棉围住加压盖板四周，避免水分蒸发。

(7)测记稳定读数。当不需要测定沉降速率时，稳定标准规定为每级压力下固结24h。测记稳定读数后，再施加第2级压力。依次逐级加压至试验结束。

(8)试验结束后，迅速顺次拆除仪器部件，取出带环刀的试样(如是饱和试样，则用干滤纸吸去试样两端表面上的水，取出试样，测定试验后的含水量)，把仪器擦干净。

3)计算与制图

(1)按下式计算试样的初始孔隙比e0:

(2)按下式计算各级压力下固孔隙比ei:

(3)按下式计算某一级压力范围内的压缩系数α:

(4)绘制e-p的关系曲线。以孔隙比e为纵坐标、压力p为横坐标，将试验成果点在图上，再连成一条光滑曲线。

(5)要求: 用压缩系数判断土的压缩性。

4)试验记录格式

快速法固结试验记录表见表1-12。

表1-12 快速法固结试验记录表