土的工程特性分析-土的壓縮性(地基基礎(chǔ)施工課件)

土的壓縮性（固結(jié)實(shí)驗(yàn)）一、基本概念土的壓縮性(compressibility)：是指土在壓力作用下體積縮小的特性。固體土顆粒被壓縮；土中水及封閉氣體被壓縮；水和氣從孔隙中被擠出；土的固結(jié)(consolidation)：土體在外力作用下，壓縮隨時(shí)間增長(zhǎng)的全過(guò)程，稱為土的固結(jié)。研究土的壓縮性的方法壓縮試驗(yàn)：研究土的壓縮性大小及其特征的室內(nèi)試驗(yàn)方法稱為壓縮試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)簡(jiǎn)單方便，費(fèi)用較低；

室內(nèi)壓縮試驗(yàn)：?jiǎn)蜗驂嚎s試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)：真三軸常規(guī)三軸

原位試驗(yàn)：載荷試驗(yàn)

e-logp曲線二、壓縮試驗(yàn)和壓縮性指標(biāo)（一）壓縮試驗(yàn)和壓縮曲線1、側(cè)限壓縮試驗(yàn)2、變形表達(dá)式（孔隙比計(jì)算）假定：受壓前后土粒體積不變、土樣橫截面面積不變。壓縮前壓縮后3、繪制壓縮曲線e-p曲線(二)壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)

e-p曲線愈陡,說(shuō)明土的壓縮性愈高。所以，曲線上任意一點(diǎn)的切線斜率a就表示了相應(yīng)于壓力作用下土的壓縮性：設(shè)壓力由P1增至P2，相應(yīng)的孔隙比由e1減小到e2，此時(shí)，土的壓縮性可用割線M1M2的斜率表示：壓縮系數(shù)：式中：a:土的壓縮系數(shù)，p1：一般指土中自重應(yīng)力；p2：自重應(yīng)力加附加應(yīng)力；e1：相應(yīng)于p1下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比；e2：相應(yīng)于p2下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比。壓縮性評(píng)價(jià)：為了便于應(yīng)用和比較，通常采用壓力間隔由增加到所得的壓縮系數(shù)來(lái)評(píng)定土的壓縮性：a1-2<0.1Mpa-1

屬低壓縮性土。0.1≤a1-2<0.5Mpa-1屬中壓縮性土。a1-2≥0.5Mpa-1

屬高壓縮性土。

壓縮指數(shù)：曲線的后半段接近直線，其斜率稱為壓縮指數(shù)：越大，土的壓縮性越高；低壓縮性土；高壓縮性土。（三）壓縮模量

壓縮前壓縮后所以：（三）試驗(yàn)操作

試驗(yàn)原理：土的壓縮就是土在壓力作用下體積逐漸縮小的過(guò)程，壓縮試驗(yàn)是將土樣放在金屬容器內(nèi)，在有側(cè)限的條件下施加壓力，觀察在不同壓力下的壓縮就變形量，以測(cè)定土的壓縮系數(shù)，壓縮模量等有關(guān)壓縮指標(biāo)，了解土的壓縮特性，作為設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)。

一般壓縮固結(jié)儀有杠桿式、磅秤式、氣壓式三種。杠桿式壓縮儀是用砝碼通過(guò)杠桿加壓，壓力僅為0.4～0.6MPa，基本上能滿足一般工程要求，且數(shù)臺(tái)儀器可裝在一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架上,占地面積小，便于管理，目前被廣泛采用。磅秤式壓縮儀是通過(guò)帶有加壓框架的磅秤施加壓力,儀器壓力可達(dá)5Mpa，適用于較大工程，可以用來(lái)測(cè)定壓縮指數(shù)和前期固結(jié)壓力、固結(jié)系數(shù)等指標(biāo)。氣壓式壓縮儀是通過(guò)空氣壓縮機(jī)來(lái)施加壓力的，加壓范圍大，適用于各類工程。壓縮固結(jié)試驗(yàn)中，后一級(jí)壓力的施加均是在前一級(jí)荷載下壓縮達(dá)到穩(wěn)定后施加的，但所謂穩(wěn)定是相對(duì)的，按照穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的不同，通常將固結(jié)試驗(yàn)分為兩類。

（1）穩(wěn)定壓縮：每級(jí)壓力下持續(xù)24h為壓縮穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；測(cè)記試樣高度變化后，即可施加下級(jí)壓力。這是各類規(guī)范的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)某些滲透系數(shù)大于10-5cm/s的粘性土，以1h內(nèi)試樣變形量不大于0.005mm作為相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果能夠滿足工程要求。（2）快速壓縮：在各級(jí)壓力下，壓縮時(shí)間規(guī)定為1h，僅在最后一級(jí)壓力下，除測(cè)記1h變形量外，還需測(cè)讀達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)(24h)時(shí)的變形量。在整理資料時(shí)，根據(jù)最后一級(jí)變形量，校正前幾級(jí)壓力下的變形量。當(dāng)試驗(yàn)要求精度不高時(shí)，可采用快速壓縮法。主要設(shè)備：固結(jié)儀，如下圖所示：其他：環(huán)刀（面積50cm2、高2cm）、天平、測(cè)微表、秒表、烘箱、修土刀、稱量盒、濾紙等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、確定土樣實(shí)驗(yàn)前的密度。2、確定土樣實(shí)驗(yàn)前的含水率。3、對(duì)土樣進(jìn)行加壓實(shí)驗(yàn)。操作步驟1．首先檢查壓縮容器及設(shè)備是否齊全，然后將大護(hù)環(huán)、大透水石下護(hù)環(huán)按順序放好，將濾紙放上，把切好的土樣連同環(huán)刀放入壓縮盒內(nèi)（環(huán)刀刃口朝下）在套上小護(hù)環(huán)放濾紙及透水石加壓縮盒蓋。2．檢查儀器是否靈敏，后將裝好土樣的壓縮盒放入儀器內(nèi)，調(diào)整杠桿水平，裝上百分表。3．施加予壓，以保證試樣與儀器上下之間各個(gè)部位接觸良好（施加1kPa的預(yù)壓或手指輕點(diǎn)擊），然后調(diào)整百分表至零位。4．加壓。一般按照0.05、0.1、0.2、0.3、0.4MPa順序加壓，每級(jí)按15min讀數(shù)一次（此為按學(xué)時(shí)數(shù)靈活掌握），在每次加壓后應(yīng)立即調(diào)整杠桿之水平。5．當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束以后，先退去荷載，后拆除百分表，再取出土樣，并將儀器擦凈。計(jì)算公式計(jì)算試樣的初始孔隙比e0

式中：ρw——水的密度，g/cm3GS——土的比重；

ρ0——試樣的初始密度，g/cm3W0——試樣初始含水量。

各級(jí)荷載下的孔隙比ei

式中：h0試樣的高度為20mm。壓縮系數(shù)av:

壓縮模量Es

注意事項(xiàng)1．切削試樣時(shí)，應(yīng)十分耐心操作，盡量避免破壞土的結(jié)構(gòu)，邊削邊壓環(huán)刀，不允許直接將環(huán)刀壓入土中。2．在削去環(huán)刀兩端余土?xí)r不允許用刀來(lái)回涂抹土面，避免孔隙被堵塞。

3．不要振碰壓縮臺(tái)及周圍地面，加荷或卸荷時(shí)均應(yīng)輕放或輕取砝碼，以避免沖擊力。平板載荷試驗(yàn)載荷試驗(yàn)（P1ateLoadTest，簡(jiǎn)稱PLT）：是在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)一定面積的剛性承壓板向地基逐級(jí)施加荷載，測(cè)定天然地基、單樁或復(fù)合地基的沉降隨荷載的變化，借以確定地基土的承載能力和變形特征的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。載荷試驗(yàn)

平板載荷試驗(yàn)PlateLoadingTestoa段：載荷試驗(yàn)的適用條件淺層平板載荷試驗(yàn)適用于地表淺層地基土（包括各種填土和碎石土）深層平板載荷試驗(yàn)適用于埋深等于或大于3.0m和地下水位以上的地基土螺旋板載荷試驗(yàn)適用于深層地基或地下水位以下的土層載荷試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)地基土不產(chǎn)生擾動(dòng)，確定地基承載力最可靠、最具代表性，可直接用于工程設(shè)計(jì)，還可用于預(yù)估建筑物的沉降量，對(duì)大型工程、重要建筑物，載荷試驗(yàn)一般不可少，是世界各國(guó)用以確定地基承載力的最主要方法，也是比較其它原位測(cè)試成果的基礎(chǔ)。

載荷試驗(yàn)

淺層平板靜力載荷試驗(yàn)的基本原理

載荷試驗(yàn)

平板載荷試驗(yàn)糯扎渡現(xiàn)場(chǎng)碾壓平板載荷試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)按地基載荷試驗(yàn)確定地基的承載力特值

載荷試驗(yàn)

（1）直線變形階段

p-s呈線性關(guān)系

p0——比例界限壓力

（2）剪切（塑性）變形階段

p-s關(guān)系為曲線，斜率逐漸變大

pu——極限壓力

（3）破壞階段

當(dāng)荷載大于極限壓力pu，即使荷載維持不變，沉降也會(huì)持續(xù)發(fā)展或急劇增大，始終達(dá)不到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

載荷試驗(yàn)

典型的平板載荷試驗(yàn)p-s曲線淺層平板靜力載荷試驗(yàn)的儀器設(shè)備

載荷試驗(yàn)

承壓板承壓板是模擬建筑物的基礎(chǔ)，將施加的荷載通過(guò)承壓板傳遞給地基土，其剛度和尺寸應(yīng)與建筑物基礎(chǔ)接近。承壓板的剛度要求容易達(dá)到，可采用加肋的厚鋼板、鑄鐵板、混凝土板或鋼筋混凝土板，常用的是加肋鋼板。無(wú)論選用什么樣材質(zhì)的承壓板，都要求承壓板具有足夠的剛度、板底平整光滑、板的尺寸中心和傳力重心一致、搬運(yùn)和安裝方便，在使用過(guò)程中不易變形。承壓板的形狀有圓形和方形的兩種，也有根據(jù)試驗(yàn)的具體要求采用矩形承壓板。

承壓板的尺寸要與實(shí)際基礎(chǔ)接近則難于達(dá)到，因?yàn)槌袎喊宓拿娣e太大，對(duì)設(shè)備的質(zhì)量要求也越高；而承壓板面積過(guò)小，則影響地基土的沉降量和極限荷載值。一般來(lái)說(shuō)，地基土的極限荷載會(huì)因承壓板的寬度或直徑b過(guò)小而降低（s增大），但b值過(guò)大極限荷載增加也不明顯，因此，在確定承壓板尺寸時(shí)，既不能過(guò)小，也不必太大。由于承壓板的尺寸大小對(duì)評(píng)定地基土承載力有一定的影響。為統(tǒng)一試驗(yàn)條件，使試驗(yàn)結(jié)果具有可比性。我國(guó)的大部分勘察規(guī)范規(guī)定承壓板面積以0.25-0.50㎡為主，另外還有0.1和1.0㎡。

載荷試驗(yàn)

選擇承壓板尺寸時(shí)，可根據(jù)地基土質(zhì)情況，強(qiáng)度低、變形大的土層宜采用大尺寸的承壓板；強(qiáng)度高、變形小的土層則采用小尺寸的承壓板。一般情況下，可參照下面的經(jīng)驗(yàn)值選?。海?）對(duì)于軟土、新近沉積土和人工填土，或用載荷試驗(yàn)確定黃土濕陷性時(shí)，承壓板尺寸不應(yīng)小于0.50㎡；（2）對(duì)于一般粘性土地基，常用0.25-0.5㎡的承壓板；（3）對(duì)于碎石類土，承壓板直徑（或?qū)挾龋?yīng)為最大碎石直徑的10～20倍；（4）對(duì)于巖石類土或均質(zhì)密實(shí)土，如老粘土或密實(shí)砂土，以0.10㎡為宜.

載荷試驗(yàn)

加荷系統(tǒng)

加荷系統(tǒng)是指通過(guò)承壓板對(duì)地基土施加額定荷載的裝置。常見(jiàn)有四種類型：重物加荷裝置油壓千斤頂加荷裝置重物、機(jī)械、液壓放大加荷裝置電控穩(wěn)壓式加荷裝置載荷試驗(yàn)

反力系統(tǒng)

除重物加荷裝置外，其它加荷裝置均需反力系統(tǒng)配套。載荷試驗(yàn)的反力可由重物、地錨或地錨與重物聯(lián)合提供。然后再與梁架組合成穩(wěn)定的反力系統(tǒng)。當(dāng)在巖體內(nèi)（如探坑或探槽）進(jìn)行載荷試驗(yàn)時(shí)，可以利用圍巖提供所需要的反力。錨固式反力系統(tǒng)中，地錨個(gè)數(shù)應(yīng)確保有足夠的抗拔力，以免試驗(yàn)中間被拔起。反力梁亦應(yīng)有足夠的剛度。堅(jiān)硬巖土體內(nèi)載荷試驗(yàn)反力系統(tǒng)示意圖（撐壁式和平洞式）常見(jiàn)的載荷試驗(yàn)反力與加載布置方式1—承壓板；2—千斤頂；3—木跥；4—鋼梁；5—鋼錠；6—百分表；7—地錨；8—桁架；9—立柱；10—分力帽；11—拉桿；12—載荷臺(tái)；13—混凝土；14—測(cè)點(diǎn)（a～d為千斤頂加載方式，e和f為重物加載方式）現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)

量測(cè)系統(tǒng)

測(cè)量地基土沉降和承壓板周圍地面變形的量測(cè)系統(tǒng)由觀測(cè)支架和測(cè)量?jī)x表兩部分組成。觀測(cè)支架用來(lái)固定量測(cè)儀表，由支撐柱、基準(zhǔn)梁及其它附件等組成；測(cè)量?jī)x表有百分表、位移計(jì)、位移傳感器等。

載荷試驗(yàn)

試坑的尺寸及要求試坑寬度或直徑不應(yīng)小于承壓板寬度或直徑的3倍。試坑底部的巖土應(yīng)避免擾動(dòng)，保持其原狀結(jié)構(gòu)和天然含水量，在承壓板下鋪設(shè)不超過(guò)20mm的砂墊層找平，并盡快安裝設(shè)備。承壓板的尺寸載荷試驗(yàn)宜采用圓形剛性承壓板，根據(jù)土的軟硬或巖體裂隙密度選用合適的尺寸。對(duì)于強(qiáng)夯處理后的場(chǎng)地的地基強(qiáng)度測(cè)定，有時(shí)要求承壓板的面積應(yīng)大于1.0m×1.0m。巖石載荷試驗(yàn)承壓板的面積不宜小于0.07㎡。

載荷試驗(yàn)

淺層平板靜力載荷試驗(yàn)的試驗(yàn)技術(shù)要求

位移量測(cè)系統(tǒng)的安裝

載荷試驗(yàn)

基準(zhǔn)梁的支撐柱或其他類型的支點(diǎn)應(yīng)離承壓板和地錨一定的距離，以避免再試驗(yàn)過(guò)程中地表變形對(duì)基準(zhǔn)梁的影響。支撐柱與承壓板中心的距離應(yīng)大于1.5d（d為邊長(zhǎng)或直徑），與地錨的距離應(yīng)不小于0.8m?；鶞?zhǔn)梁架設(shè)在支撐柱上時(shí)，不應(yīng)兩端固定，以避免由于基準(zhǔn)梁桿熱脹冷縮引起沉降觀測(cè)的誤差。沉降測(cè)量元件應(yīng)對(duì)稱地布置在承壓板上，百分表或位移傳感器的測(cè)頭應(yīng)垂直于承壓板設(shè)置。

加載方式一般采用分級(jí)維持荷載沉降相對(duì)穩(wěn)定法（通常稱為慢速法）；有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，也可采用分級(jí)加荷沉降非穩(wěn)定法（通常稱為快速法）或等沉降速率法。

加荷等級(jí)宜取10～12級(jí)，并不應(yīng)小于8級(jí)。最大加載量不應(yīng)小于地基土承載力設(shè)計(jì)值的2倍，荷載的量測(cè)精度應(yīng)控制在最大加載量的±1％以內(nèi)。

第一級(jí)荷載（包括設(shè)備自重）宜接近挖除土柱的自重，其相應(yīng)沉降不計(jì)。對(duì)軟土地基每級(jí)荷載增量10-25kPa；對(duì)一般粘性土和中密砂土地基25-50kPa；對(duì)堅(jiān)硬粘性土、密實(shí)砂土和碎石土50-100kPa。加載方式及加荷等級(jí)

慢速法：對(duì)于土體，每級(jí)荷載施加后，間隔5min、5min、10min、10min、15min、15min測(cè)讀一次沉降，以后間隔30min測(cè)讀一次沉降，當(dāng)連續(xù)2h、且每小時(shí)沉降量不大于0.1mm時(shí)，可認(rèn)為沉降已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，施加下一級(jí)荷載；對(duì)于巖體，間隔lmin、2min、2min、5min測(cè)讀一次沉降，以后每隔10min測(cè)讀一次，當(dāng)連續(xù)三次讀數(shù)之差小于或等于0.01mm時(shí)，認(rèn)為沉降已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，可施加下一級(jí)荷載。快速法：每加一級(jí)荷載按間隔15min觀測(cè)一次沉降。每級(jí)荷載維持2h，即可施加下一級(jí)荷載。最后一級(jí)荷載可觀測(cè)至沉降達(dá)到上述沉降相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)或仍維持2h。

等沉降速率法：控制承壓板以一定的沉降速率沉降，測(cè)讀與沉降相應(yīng)的所施加的荷載，直至試驗(yàn)達(dá)到破壞階段。沉降觀測(cè)和穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

載荷試驗(yàn)一般應(yīng)盡可能加荷到試驗(yàn)土層破壞，然后終止試驗(yàn)。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，認(rèn)為地基已達(dá)到破壞階段，可終止試驗(yàn)：（1）承壓板周邊的土體出現(xiàn)明顯側(cè)向擠出，周邊巖土出現(xiàn)明顯隆起或徑向裂縫持續(xù)發(fā)展；（2）本級(jí)荷載的沉降量急劇增大（大于前級(jí)荷載沉降量的5倍），p-s曲線出現(xiàn)陡降段；（3）在某級(jí)荷載下24h沉降速率不能達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；（4）總沉降量與承壓板直徑（或?qū)挾龋┲瘸^(guò)0.06。試驗(yàn)終止條件

原始資料整理載荷試驗(yàn)原始資料包括沉降觀測(cè)、荷載等級(jí)和其他與載荷試驗(yàn)相關(guān)的信息，如承壓板形狀、尺寸、載荷點(diǎn)的試驗(yàn)深度、試驗(yàn)深度處的土性特征，以及沉降觀測(cè)百分表或傳感器在承壓板上的位置等（一般以圖示的方式標(biāo)注在記錄表上）。在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)原始記錄數(shù)據(jù)及時(shí)檢查，試驗(yàn)結(jié)束后再進(jìn)行全面檢查整理