2.3土的应力历史

土体变形特性测试方法1、侧限压缩试验（固结试验）

变形测量固结容器

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固结容器：

环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等

加压设备

加压设备：杠杆比例1:10变形测量设备

支架

2、试验方法

•施加荷载，静置至变形稳定•逐级加大荷载

试验结果：

P3

P

P1

Pe0

e1s1

e2s2

s3e3

应力应变关系－以正常固结粘土为例

σz=p

1EeE1

非线性弹塑性记忆性

侧限变形模量：

εz

∆e(1+e0)

常规三轴试验与侧限压缩试验应力应变关系曲线的比较

（趋势图）

σz=p

侧限压缩试验常规三轴试验

εz

∆e(1+e0)

应力历史与应力应变关系

σ=p

加载或再覆土

上覆土

取样或剥蚀

z

一次沉积侧限条件

应力历史非常重要

e –lgp曲线

e

0.90.80.70.6

压缩指数

Ce≈0.1-0.2Cc

100

1000

p (kPa,lg)

e

p (lg)

特点2：

起始状态不同，但压缩曲线最终趋近于同一条直线

e

历史上无卸载：

ab ——上覆土沉积bb’——取样b’cd ——室内试验

'

历史上有卸载：

af ——上覆土沉积ff'——剥蚀f'f'' ——取样f''gh ——室内试验

应力历史如何衡量？

先期固结压力的形成机理

1、上覆压力（超载）引起的先期固结压力

正常固结土：土粒在重力作用下沉积并固结压密，整个过程中无盐类析出

或胶结作用产生。

压缩过程形成的竖向压力pc=上覆有效压力p0(自重应力)。欠固结土：①土粒在重力作用下未固结

②土粒在沉积压密过程中产生盐类析出或胶结作用，形成

“结构强度”，土体压缩曲线变缓。土层形成的竖向压力pc

此类土一旦“结构强度”遭到破坏，则会产生进一步固结压密，直至形成正常固结状态。如湿陷性黄土受雨水浸泡后产生大量变形。

超固结土：土层由于地质运动产生卸载作用（如冲刷、冰川移动等），

土体回弹但不能完全复原，形成制约土层膨胀的另一种“结构强度”，使同一深度处土层的实际孔隙比小于正常固结土的值。

土层形成的竖向压力p>上覆有效压力p

2、非超载引起的先期固结压力

（1）环境变化引起的超固结：

气候条件变化，某个历史阶段土层长期处于干燥状态，土层发生干缩作用。再压缩时则只能沿再压缩曲线进行，压缩曲线变平缓，相当于超固结土的压缩过程。如上海地区的“褐黄色粉质粘土层”。（2）土体流变性带来的次固结：

土层在某级荷载下沉降稳定，正常固结（主固结）完成，若将此荷载保持一个较长的时间，则将产生进一步的压缩即次固结压缩。在此后再增加荷载，则土层开始几乎无压缩变形，直至某一荷载pqc时出现快速压缩，并回到原始压缩曲线。

先期固结压力计算

先期固结压力：历史上所经受到的最大压力pc（指有效应力）

p0：有效上覆压力

通常p0=自重压力γzpc= p0：正常固结土pc> p0：超固结土pc1：超固结OCR

p超固结比：OCR=

p0

相同p0时，一般OCR越大，土越密实，压缩性越小

先期固结压力确定

试验方法：高压固结法（最大压力p=1.6MPa~3.2MPa

）

13

先期固结压力确定

eC

12D

c

根据e-logp曲线确定先期固结压力pc的方法：Casagrande 法

(a) 在e-lgp压缩试验曲线上，

找曲率最大点m(b) 作水平线m1(c) 作m点切线m2(d) 作m1,m2的角分线m3(e) m3与试验曲线的直线段

交于点B(f) B点对应于先期固结压力pc

p (lg)

先期固结压力确定

确定先期固结压力pc的其他方法：“S”法--Schmertmann法强度试验法

原位压缩曲线及原位再压缩曲线

原位压缩曲线及原位再压缩曲线

无扰动、无卸载

无扰动、有卸载

e

原状土的原位压缩曲线：直线原状土的原位再压缩曲线：折线客观存在的，但无法直接得到！如何求取

p (lg)

原位压缩曲线的近似推求

a. 正常固结土

假定：

①土样取出以后e不变，等于原状土的初始孔隙比e0，因

而，（e0, p0）点应位于原状土的初始压缩曲线上；②

0.42e0时，土样不受到扰动影响。

推定：

e

e0

0.42eB

①确定先期固结压力pc

②过e0作水平线与pc作用线交于B，由假

定①知，B点必然位于原状土的初始压缩曲线上；

C

pc p0

lgp

③以0.42e0在压缩曲线上确定C点，由假

定②知，C点也位于原状土的初始压缩曲线上；

④通过B、C两点的直线即为所求的原位压

缩曲线。

b. 超固结土(pc p0)

假定：

①土取出地面后体积不变，即（e0,p0）在原位再压缩曲线上；

②再压缩指数Ce为常数；

③0.42e0处的土与原状土一致，不受扰动影响。

e

e0

D

推定：

B

①确定p0 ，pc的作用线；

②过e0作水平线与p0作用线交于D点；③过D点作斜率为Ce的直线，与pc作用线交于B点，DB为原位再压缩曲线；

0.42e0

C

④过0.42e0作水平线与e-lgp 曲线交于点C；

⑤过B和C点作直线即为原位压缩压缩曲线。

0c

lgp

工程中土的应力历史问题

关西国际机场

世界最大人工岛之一1986年：开工

1990年：人工岛完成1994年：机场运营面积：4370m×1250m

63填筑量：180×10m

平均厚度：33m

地基：

15-21m厚粘土

关西国际机场欠固结土

问题：

沉降大且有不均匀沉降

设计时预测沉降：5.7－7.5 m

完成时实际沉降：8.1 m，5cm/月(1990年)

预测主固结完成：20年后

比设计超填：

3.0 m

日期

测点及沉降值（m）

1

2

3

5

7

8

10

11

12

15

16

17平均

00-10.69.712.811.710.613.011.610.312.712.59.014.111.712

01-10.89.913.011.910.713.211.810.512.912.79.114.311.912

洋山深水港

高回填粉细砂地基处理─无填料振冲地基加固方法洋山成陆是依靠吹填大量粉细砂形成，一般厚度在20 m左右，最厚的地方超过40 m，快速的回填砂密实度低，在自重作用下固结慢，承载力以及变形、液化均难以满足地基的使用要求。

鉴于工程面积大、地基加固深度深，经研究采用无填料粉细砂振冲加固方法能够满足集装箱堆场使用要求。

施工关键参数：振冲设备能量、工序、留振时间、提升速度、振点间距、水压等。

码头结构设计

码头选用高桩梁板结构，接岸结构采用斜顶桩板桩承台接岸结构方案，该结构由斜顶桩、板桩、支承桩和承台组成。有效阻隔了后方高填土产生的地基大变形对码头结构的影响，回避了采用其他结构形式存在因后方加载速度快对码头结构的影响，大大提高了陆域形成的施工速度。

A区段为码头的1～12分段，长810m，承台的1～40分段及西延伸段，长860m，天然泥面约为－17.0m，码头37m，承台宽13.0m。

C区段位于鸡粪礁区域，为码头的15～18分段，长240m，采用嵌岩桩。接岸小沉箱1～19分段，长195m，局部区段基岩裸露，需采用套箱稳桩。

上海地区典型土层先期固结压力

特点：②层粉质黏土、⑥层暗绿色粉质黏土

属超固结土。②层OCR沿深度递减；⑥层

OCR沿深度变化平缓，平均值2.15；④层淤

泥质黏土属轻度超固结土，OCR平均值约

1.08，可看作正常固结土。

应力历史对变形的影响

试验与工程实践表明：

具有不同应力历史的土体，在相同的应力（荷载）水平下，其应变大小不同。弹性变形塑性变形e压缩试验σ1-σ3三轴试验正常固结土a正常固结土压缩dbb'超固结土超固结土压缩c

pεpeε1p1p2相同荷载水平下，超固结土产生的新的变形小得多！