5.2.1 土的压缩与地基的沉降1在线视频

下面我们学习第二节

土的压缩与地基的沉降

第二节包括五部分内容

1 土中水的变化与土的压缩

2 单向压缩试验的各种参数

3 影响土的压缩性的因素

4 引起地基沉降的原因

5 沉降的分类和计算方法

下面我们讨论

土中水的变化与土的压缩

土的含水量w与土的饱和度Sr

水的重度γw 土粒重度γs

和孔隙比e之间的关系为

w=Sr∙w∙e/s

假设从变形的饱和土体中

取出单元土体

则其中的土粒重量Ws为常数

水的重量为Ww=w∙Ws

土体压缩一般是孔隙中

流体体积变化的结果

土体的变形性质

可以从研究其含水重量

Ww的变化率加以探讨

关于刚才求得的水重量Ww

对时间求偏导

可得本页中下面的偏微分方程

该微分方程包括四项

它们的物理意义分别是

第一项表示饱和度变化对

土中水重量变化的影响

第二项表示孔隙比变化

对土中水重量变化的影响

第三项表示水的重度变化

对土中水重量变化的影响

第四项表示

土粒重度变化对土中水重量变化的影响

因水的重度和土粒重度

可以认为是常数

所以后两项微不足道

上述微分方程可以简化为

∂Ww/∂t=Ws*γw/γs[ e*∂Sr/∂t+Sr∂e/∂t]

根据这个微分方程

我们可以讨论土中水重量变化的几种组合

1、e与Sr均为常量

对应于稳定渗流

2、Sr为常量且等于1

e变化

对应于饱和土体的渗流固结问题

3、e为常量 Sr变化

对应于非饱和土体积恒定时的减湿

即Sr减小

或者增湿 即Sr增大

4、e与Sr均变化

对应于非饱和土的压缩与膨胀问题

下面我们将要频繁地用到

单向压缩试验的各种参数

为了方便大家理解

我们把这些概念复习一下

常用的参数包括

压缩系数：av

体积压缩系数：mv

侧限压缩模量：Es

压缩指数：Cc

回弹再压缩指数：Ce

次压缩系数： Cα

左下图为单向压缩试验得到的

在e-p坐标系内表示的压缩曲线

压缩系数av的定义为

av=-Δe/Δp

体积压缩系数mv的定义为

mv=εv/Δp

因为 εv= Δe/(1+e1)

可以得到

mv=av/(1+e1)

侧限压缩模量Es的定义为

Es=Δp/εz

根据上述关系可以得到

Es=1/mv= (1+e1) /av

这个图为单向压缩试验得到的

在e-lgp坐标系内表示的压缩曲线

压缩指数Cc在初始压缩曲线上定义为

Cc=-Δe/Δ(lgp)

回弹指数/再压缩指数Ce在回弹

和再压缩曲线上定义为

Ce=-Δe/Δ(lgp)

这个图给出了某级荷载作用下

试样的孔隙比随时间的变化过程曲线

称为固结曲线

在e~lgt坐标系内

黏土的压缩曲线

在e~lgt坐标系内

黏土的固结曲线的形状

一般是中段与末段近似为直线

二直线延长线的交点tc

把曲线分为两部分

前段为主固结曲线

后段为次压缩曲线

在e~lgt坐标系内

次压缩段直线的斜率为次压缩系数Cα

Cα=-Δe/Δlgt

其中

t和tc分别为该级荷载施加后经历的时间

和主固结完成时间

下面讨论影响土的压缩性的因素

这些因素分为两大类

一是土体本身的性状

包括（1）土粒粒度

矿物成分和土体结构

（2）有机质

（3）孔隙水

二是环境因素

包括（1）应力历史和固结状态

（2）温度

先看土体本身性状中土粒粒度

矿物成分和土体结构的影响

对于粗粒土，在压力作用下

土粒发生滑动与滚动

移位到比较密实 更稳定的位置

如果压力较大

可能部分土粒被压碎

增加了压缩量

粗粒土的压缩一般比细粒土的要小

但在高压时也能达到相当大的量级

对于细粒土

压缩过程中颗粒间的水膜被挤薄

土粒间发生相对滑移达到较密实状态

扁平薄土粒具有弹性

在压力下产生挠曲变形

对于具有分散结构的黏性土

压缩的直接原因主要是

由于颗粒间的孔隙水被挤出

对于具有凝聚结构的黏性土

压缩的直接原因主要是由于

结构破坏和土粒发生弹性挠曲

含有机质土主要包括

泥炭 有机质含量大于60％

泥炭质土

有机质含量在10%～60％之间

以及生活垃圾土

土中有机质的存在

使土体的压缩性与收缩性增大

因有机质的成因 龄期和分解程度的不同

对压缩性的影响程度变化很大

含有机质土的特点有

含水率很高

可达100％～900％

孔隙比大

可达1.0～5.0

颗粒比重低

液、塑限大

渗透系数比较大

一般在10－3～10－5cm/s的范围

水平渗透系数为竖直向的1.5～3倍

因而

含有机质土压缩性极高

但固结较快

孔隙水对土体压缩性的影响

表现为水中阳离子

对黏土表面性质（包括水膜厚度）的影响

如：孔隙水中阳离子浓度高

价数高

结合水膜薄 压缩性变小

如果土中含有膨胀性黏土矿物

当孔隙水中的阳离子性质和浓度变化

使结合水膜厚度减薄时

土的膨胀性与膨胀压力均将减小

反之亦然

关于环境因素中应力历史

和固结状态对土体压缩性的影响

其实我们多次讨论过

土的超固结比愈大

土体所受超固结作用愈强

在其它条件相同时

其压缩性愈低

地质历史可引起黏性土的拟似超固结效应

使土的压缩性降低

另一个环境因素-温度-对土的压缩特性的影响

随土的成分与应力历史而异

有限的试验成果表明

温度对主固结有一定影响

对有机质土的影响要比对无机质土的大

尤其是对超固结土的影响更为显著

对于次固结或蠕变影响更大

研究表明

温度对于无机质土的压缩曲线

压缩过程线和次压缩系数等 均影响很小

但是 对于有机质土

试验温度不同

反映出不同的效应

图中给出了两个加卸载循环的压缩试验结果

横坐标为压力 纵坐标为孔隙比

在左图中

第一个加卸载循环在25度下进行

第二个循环升温至50度

结果表明

升温后压缩曲线下移

如图中红线与第一个循环的趋势线蓝线相比

趋势线蓝线相比

在右图中

第一个加卸载循环在50度下进行

第二个循环降温至25度

降温后压缩曲线上移

如图中红线与第一个循环的

趋势线蓝线相比

前后两种情况中

压缩指数Cc几乎不变

由于压缩曲线移位

故在升温时

按第二个加卸载循环的压缩曲线确定的

先期固结压力下降

反之 则增大

这个图给出了

超固结有机土的固结曲线中的再压缩曲线

横坐标为时间对数坐标

纵坐标为压缩量

进行了三个试验

在第一个试验中

试样在25度条件下进行

第一循环加卸载

再加载时仍然在25度条件下进行

结果如图中红线所示

在第二个试验中

试样在25度条件下进行第一循环加卸载

再加载时在50度条件下进行

结果如图中蓝线所示

在第三个试验中

试样在50度条件下进行第一循环加卸载

再加载时在25度条件下进行

结果如图中绿线所示

可以看出

温度对超固结有机黏土次压缩系数

和压缩量有明显的影响

在一定荷重增量时

再压缩时试验温度愈高

次压缩系数与压缩量均相应增大

如蓝线和红线相比

前期循环的温度越高

次压缩系数与压缩量均相应减小

如绿线和红线相比

温度对土的压缩性的影响机理

主要来源于温度变化引起

饱和土孔隙水体积的变化

及相应的有效应力的改变