第二节 研究土压缩性的试验及指标
第二节 研究土压缩性的试验及指标
一、室内侧限压缩试验及压缩模量
土的压缩性是指在压力作用下体积压缩小的性能。从理论上，土的压缩变形可能是：（1）土粒本身的压缩变形；（2）孔隙中不同形态的水和气体的压缩变形；（3）孔隙中水和气体有一部分被挤出，土的颗粒相互靠拢使孔隙体积减小。
土的固结——土体在压力作用下其压缩量随时间增长的过程。
侧限压缩试验分为：（1）慢速压缩试验法；（2）快速压缩试验法
侧限——限制土样侧向变形，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。
（一）e－p曲线及有关指标
要绘制e－p曲线，就必须求出各级压力作用下的孔
隙比——e。
如何求e？看示意图：
设试样截面积为A，压缩前孔隙体积为Vv0，土粒体积为Vs0，土样高度为H0，孔隙比为e0（已测出）。压缩稳定后的孔隙体积为Vv，土粒体积为Vs，土样高度为H'=H0-∆H，孔隙比为e，ΛH为某级压力下样式高度变化（可以测出）。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，Vs0=Vs，则有：
H0
0=H0-ΛH 则可得：e=e0-ΛH(1+e0) H0
利用上式计算各级荷载P作用下达到的稳定孔隙比e ，可绘制如图4-3所示的e－p曲线，该曲线亦被称为压缩曲线。
1、压缩系数α
α=-de－ α——压缩系数，MP a1，负号表e随P的增长而减小。 dp
当压力变化范围不大时，土的压缩曲线可近似用图4-4中的M1M2割线代替。
α=-∆ee1-e2= ∆pp2-p1
P1——增压前使试样压缩稳定的压力强度，一般指地基中某深处土中原有的竖向自重应 力，kPa ；
P2——增压后使试样所受的压力强度，一般为地基某深处自重应力与附加应力之和， kPa；
e1 、e2 ——分别为增压前后在P1 、P2 作用下压缩稳定时的孔隙比。
【讨论】土的压缩系数是唯一的吗？
在用分层总和法计算地基沉降量时：
P1＝σcz−−−−−→e1
P2＝σcz+σz−−−−−→ e2
压缩系数a是表征土的压缩性的重要指标之一。压缩系数越大，表明土的压缩性越大。为方便与应用和比较，《建筑地基基础设计规范》提出用P1＝100 kPa 、P2＝200 kPa时相对应的压缩系数α1－2来评价土的压缩性，具体规定为： 查e－p曲线查e－p曲线
α1-2
0.1MPa1≤α1-2
α1-2≥0.5MPa－1 时，为高压缩性土。
常规试验中，一般按P=50kPa 、100 kPa、200 kPa 、400 kPa 四级加荷，测定各级压力下的稳定变形量∆H ，然后计算相应的孔隙比e 。
量作用下，⎧越陡——说明在相同的压力增⎪压缩曲线⎨土的孔隙比减少得愈显 著。
⎪平缓——压缩性低。⎩
2．压缩模量Es
⎫⎪σzEs=⎪εz⎪⎪σz=∆p⎬ ES与α成反比。即ES愈大，α愈小，土体的压缩性愈低。
1+e1⎪∆p⎪Es=－=－∆eα⎪⎪1+e1⎭
（二） 土的侧限回弹曲线和再压缩曲线
（三）室内压缩试验e-lgp曲线及有关指标
1、压缩指数、回弹指数 压缩指数Cc=e1-e2∆e=-p2 lgp2-lgp1lgp1
缷载段和再压缩段的平均斜率称为回弹指数或再压缩指数Ce，且Ce
2、前期固结压力pc
根据室内大量试验资料证明：室内压缩曲线开始弯曲平缓，随着压力增大明显下弯，当压力接近pc时，曲线急剧变陡，并随压力的增长近似直线向下延伸。这个弯点就是土层历史上所曾经承受过的最大的固结压力，也就是土体在固结过程中所受的最大有效应力，称为前期固结压力。
确定pc的常用方法是卡萨格兰德（1936年）提出的经验作图法，其步骤如下：
（1）从室内e~lgp压缩曲线上找出曲率最大点A点；
（2）过A点作水平线A1，和切线A2；
（3）作水平线A1与切线A2所夹角的平分线A3；
（4）作e~lgp曲线直线段的向上延长交A3于B点，则B点的横坐标即为所求的先期固结应力pc。
固结应力就是使土体产生固结或压缩的应力。就地基土层来说，该应力主要有两种：一种是土的自重应力，另一种是由外荷引起的附加应力
对于饱和的新沉积的土或人工填土，起初土颗粒尚处于悬浮状态，土的自重应力由孔隙水承担，有效应力为0，随着时间的推移，土在自重作用下逐渐固结，最后自重应力全部转
化为有效应力，故这类土的自重应力就是固结应力。但对大多数天然土层来说，由于经受了漫长的地质年代，在自重作用下已完全固结，此时自重应力已不再引起土层压缩，能进一步使土层产生固结，只有外加荷载引起的附加应力，故此时的固结应力指附加应力。
前期固结应力：天然土层在形成历史上沉积，固结过程中受到过的最大固结应力称为先期固结应力，用pc表示。
超固结比（Ocr）：先期固结应力和现在所受的固结应力之比即OCR=
值可将土层分为正常固结土，超固结土和欠固结土。
OCR＝1，即先期固结应力等于现有的固结应力，正常固结土
OCR大于1，即先期固结力大于现有的固结应力，超固结土
OCR小于1，即先期固结力小于现有的固结应力，欠固结土。
考虑应力历史对土层压缩性的影响，必须解决（1）判定土层的固结属正常固结、超固结、欠固结（2）反映现场土层实际的压缩曲线，其可行办法为：通过现场取样，由室内压缩曲线的特征建立室内压缩曲线与现场压缩曲线的关系，从而以室内压缩曲线推求现场压缩曲线。
（四）原位压缩e-lgp曲线及有关指标
室内压缩试验的结果发现，无论试样扰动如何，当压力增大时，曲线都近于直线段，且大都经过0.42e0点（e0——试样的原位孔隙比）。
由室内压缩曲线加以修正求得现场土层的压缩曲线的方法：
由现场取样时确定试样的原位孔隙比e0及固结应力（即有效覆盖应力）了；
由室内压缩曲线求出土层的Pc，
(1) 对于正常固结土：当P0（现有固结力）＝Pc时（正常固结土）
⑴作e=e0水平线交lgp=pc线于E点，E点坐标为（pc，e0）
⑵作e=0.42e0水平线交室内压缩曲线直线段于D点
⑶连接ED直线段，即为现场压缩曲线；ED直线段的斜率——压缩指数Cc。
（2）对于超固结土：当P0＜PC时（超固结土）
在取样前已产生了回弹例如沉积剥蚀等，在建筑物荷载作用下，应属于再压缩过程。 ⑴作e=e0平行线交lgp=lgp0线于F点，F点坐标为（p0，e0）
⑵自F点作平行线于室内回弹再缩曲线的平行线交lgp=pc线于E点。 pc0，根据OCR
⑶作e=0.42e0平行线交室内压缩曲线直线段于D点。
⑷连接FE，ED直线段
现场压缩曲线就是由FE段和ED段直线所组成。相应于FE段、ED段直线的斜率分别用Ce、Ccf表示。
（3）对于欠固结土：当P0＞PC的欠固结图
它的现场压缩曲线的推求方法类似于正常固结土。
二、现场载荷试验及变形模量
1、载荷试验
2、变形模量E0
变形模量←——由现场静载荷试验测定。表示土在侧向自由变形条件下竖向压应力与竖向总应力之比。
三、弹性模量及试验测定
一般通过三轴仪进行三轴重复压缩试验获得。
四、关于三种模量的讨论
1、压缩模量Es
是根据室内侧限压缩试验得到的，它的定义是土在完全侧限的条件下，竖向正应力与相应的变形稳定情况下正应力的比值。
2、变形模量E0
是根据现场载荷试验得到的，指土在侧向自由膨胀条件下正应力与相应的正应变的比值。
3、弹性模量Ed
分为静力法和动力法。
E0=βES
2μ2β=1- β——与土的泊松比μ有关的系数 1-μ