土的工程特性分析-土的壓縮性(地基基礎施工課件)

土的壓縮性（固結實驗）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(consolidation)：土體在外力作用下，壓縮隨時間增長的全過程，稱為土的固結。研究土的壓縮性的方法壓縮試驗：研究土的壓縮性大小及其特征的室內試驗方法稱為壓縮試驗，室內試驗簡單方便，費用較低；

室內壓縮試驗：單向壓縮試驗三軸壓縮試驗：真三軸常規(guī)三軸

原位試驗：載荷試驗

e-logp曲線二、壓縮試驗和壓縮性指標（一）壓縮試驗和壓縮曲線1、側限壓縮試驗2、變形表達式（孔隙比計算）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)壓縮系數和壓縮指數

e-p曲線愈陡,說明土的壓縮性愈高。所以，曲線上任意一點的切線斜率a就表示了相應于壓力作用下土的壓縮性：設壓力由P1增至P2，相應的孔隙比由e1減小到e2，此時，土的壓縮性可用割線M1M2的斜率表示：壓縮系數：式中：a:土的壓縮系數，p1：一般指土中自重應力；p2：自重應力加附加應力；e1：相應于p1下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比；e2：相應于p2下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比。壓縮性評價：為了便于應用和比較，通常采用壓力間隔由增加到所得的壓縮系數來評定土的壓縮性：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：曲線的后半段接近直線，其斜率稱為壓縮指數：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）試驗操作

試驗原理：土的壓縮就是土在壓力作用下體積逐漸縮小的過程，壓縮試驗是將土樣放在金屬容器內，在有側限的條件下施加壓力，觀察在不同壓力下的壓縮就變形量，以測定土的壓縮系數，壓縮模量等有關壓縮指標，了解土的壓縮特性，作為設計計算依據。

一般壓縮固結儀有杠桿式、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，且數臺儀器可裝在一個試驗臺架上,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帶有加壓框架的磅秤施加壓力,儀器壓力可達5Mpa，適用于較大工程，可以用來測定壓縮指數和前期固結壓力、固結系數等指標。氣壓式壓縮儀是通過空氣壓縮機來施加壓力的，加壓范圍大，適用于各類工程。壓縮固結試驗中，后一級壓力的施加均是在前一級荷載下壓縮達到穩(wěn)定后施加的，但所謂穩(wěn)定是相對的，按照穩(wěn)定標準的不同，通常將固結試驗分為兩類。

（1）穩(wěn)定壓縮：每級壓力下持續(xù)24h為壓縮穩(wěn)定標準；測記試樣高度變化后，即可施加下級壓力。這是各類規(guī)范的常規(guī)標準。對某些滲透系數大于10-5cm/s的粘性土，以1h內試樣變形量不大于0.005mm作為相對穩(wěn)定標準，結果能夠滿足工程要求。（2）快速壓縮：在各級壓力下，壓縮時間規(guī)定為1h，僅在最后一級壓力下，除測記1h變形量外，還需測讀達到穩(wěn)定標準(24h)時的變形量。在整理資料時，根據最后一級變形量，校正前幾級壓力下的變形量。當試驗要求精度不高時，可采用快速壓縮法。主要設備：固結儀，如下圖所示：其他：環(huán)刀（面積50cm2、高2cm）、天平、測微表、秒表、烘箱、修土刀、稱量盒、濾紙等。實驗內容：1、確定土樣實驗前的密度。2、確定土樣實驗前的含水率。3、對土樣進行加壓實驗。操作步驟1．首先檢查壓縮容器及設備是否齊全，然后將大護環(huán)、大透水石下護環(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（環(huán)刀刃口朝下）在套上小護環(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，調整杠桿水平，裝上百分表。3．施加予壓，以保證試樣與儀器上下之間各個部位接觸良好（施加1kPa的預壓或手指輕點擊），然后調整百分表至零位。4．加壓。一般按照0.05、0.1、0.2、0.3、0.4MPa順序加壓，每級按15min讀數一次（此為按學時數靈活掌握），在每次加壓后應立即調整杠桿之水平。5．當實驗結束以后，先退去荷載，后拆除百分表，再取出土樣，并將儀器擦凈。計算公式計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。

各級荷載下的孔隙比ei

式中：h0試樣的高度為20mm。壓縮系數av:

壓縮模量Es

注意事項1．切削試樣時，應十分耐心操作，盡量避免破壞土的結構，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)刀兩端余土時不允許用刀來回涂抹土面，避免孔隙被堵塞。

3．不要振碰壓縮臺及周圍地面，加荷或卸荷時均應輕放或輕取砝碼，以避免沖擊力。平板載荷試驗載荷試驗（P1ateLoadTest，簡稱PLT）：是在現(xiàn)場通過一定面積的剛性承壓板向地基逐級施加荷載，測定天然地基、單樁或復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)場試驗。載荷試驗

平板載荷試驗PlateLoadingTestoa段：載荷試驗的適用條件淺層平板載荷試驗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適用于深層地基或地下水位以下的土層載荷試驗的優(yōu)點對地基土不產生擾動，確定地基承載力最可靠、最具代表性，可直接用于工程設計，還可用于預估建筑物的沉降量，對大型工程、重要建筑物，載荷試驗一般不可少，是世界各國用以確定地基承載力的最主要方法，也是比較其它原位測試成果的基礎。

載荷試驗

淺層平板靜力載荷試驗的基本原理

載荷試驗

平板載荷試驗糯扎渡現(xiàn)場碾壓平板載荷試驗現(xiàn)場載荷試驗按地基載荷試驗確定地基的承載力特值

載荷試驗

（1）直線變形階段

p-s呈線性關系

p0——比例界限壓力

（2）剪切（塑性）變形階段

p-s關系為曲線，斜率逐漸變大

pu——極限壓力

（3）破壞階段

當荷載大于極限壓力pu，即使荷載維持不變，沉降也會持續(xù)發(fā)展或急劇增大，始終達不到穩(wěn)定標準。

載荷試驗

典型的平板載荷試驗p-s曲線淺層平板靜力載荷試驗的儀器設備

載荷試驗

承壓板承壓板是模擬建筑物的基礎，將施加的荷載通過承壓板傳遞給地基土，其剛度和尺寸應與建筑物基礎接近。承壓板的剛度要求容易達到，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。無論選用什么樣材質的承壓板，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、搬運和安裝方便，在使用過程中不易變形。承壓板的形狀有圓形和方形的兩種，也有根據試驗的具體要求采用矩形承壓板。

承壓板的尺寸要與實際基礎接近則難于達到，因為承壓板的面積太大，對設備的質量要求也越高；而承壓板面積過小，則影響地基土的沉降量和極限荷載值。一般來說，地基土的極限荷載會因承壓板的寬度或直徑b過小而降低（s增大），但b值過大極限荷載增加也不明顯，因此，在確定承壓板尺寸時，既不能過小，也不必太大。由于承壓板的尺寸大小對評定地基土承載力有一定的影響。為統(tǒng)一試驗條件，使試驗結果具有可比性。我國的大部分勘察規(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

選擇承壓板尺寸時，可根據地基土質情況，強度低、變形大的土層宜采用大尺寸的承壓板；強度高、變形小的土層則采用小尺寸的承壓板。一般情況下，可參照下面的經驗值選取：（1）對于軟土、新近沉積土和人工填土，或用載荷試驗確定黃土濕陷性時，承壓板尺寸不應小于0.50㎡；（2）對于一般粘性土地基，常用0.25-0.5㎡的承壓板；（3）對于碎石類土，承壓板直徑（或寬度）應為最大碎石直徑的10～20倍；（4）對于巖石類土或均質密實土，如老粘土或密實砂土，以0.10㎡為宜.

載荷試驗

加荷系統(tǒng)

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

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)。當在巖體內（如探坑或探槽）進行載荷試驗時，可以利用圍巖提供所需要的反力。錨固式反力系統(tǒng)中，地錨個數應確保有足夠的抗拔力，以免試驗中間被拔起。反力梁亦應有足夠的剛度。堅硬巖土體內載荷試驗反力系統(tǒng)示意圖（撐壁式和平洞式）常見的載荷試驗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；13—混凝土；14—測點（a～d為千斤頂加載方式，e和f為重物加載方式）現(xiàn)場載荷試驗

量測系統(tǒng)

測量地基土沉降和承壓板周圍地面變形的量測系統(tǒng)由觀測支架和測量儀表兩部分組成。觀測支架用來固定量測儀表，由支撐柱、基準梁及其它附件等組成；測量儀表有百分表、位移計、位移傳感器等。

載荷試驗

試坑的尺寸及要求試坑寬度或直徑不應小于承壓板寬度或直徑的3倍。試坑底部的巖土應避免擾動，保持其原狀結構和天然含水量，在承壓板下鋪設不超過20mm的砂墊層找平，并盡快安裝設備。承壓板的尺寸載荷試驗宜采用圓形剛性承壓板，根據土的軟硬或巖體裂隙密度選用合適的尺寸。對于強夯處理后的場地的地基強度測定，有時要求承壓板的面積應大于1.0m×1.0m。巖石載荷試驗承壓板的面積不宜小于0.07㎡。

載荷試驗

淺層平板靜力載荷試驗的試驗技術要求

位移量測系統(tǒng)的安裝

載荷試驗

基準梁的支撐柱或其他類型的支點應離承壓板和地錨一定的距離，以避免再試驗過程中地表變形對基準梁的影響。支撐柱與承壓板中心的距離應大于1.5d（d為邊長或直徑），與地錨的距離應不小于0.8m?；鶞柿杭茉O在支撐柱上時，不應兩端固定，以避免由于基準梁桿熱脹冷縮引起沉降觀測的誤差。沉降測量元件應對稱地布置在承壓板上，百分表或位移傳感器的測頭應垂直于承壓板設置。

加載方式一般采用分級維持荷載沉降相對穩(wěn)定法（通常稱為慢速法）；有地區(qū)經驗時，也可采用分級加荷沉降非穩(wěn)定法（通常稱為快速法）或等沉降速率法。

加荷等級宜取10～12級，并不應小于8級。最大加載量不應小于地基土承載力設計值的2倍，荷載的量測精度應控制在最大加載量的±1％以內。

第一級荷載（包括設備自重）宜接近挖除土柱的自重，其相應沉降不計。對軟土地基每級荷載增量10-25kPa；對一般粘性土和中密砂土地基25-50kPa；對堅硬粘性土、密實砂土和碎石土50-100kPa。加載方式及加荷等級

慢速法：對于土體，每級荷載施加后，間隔5min、5min、10min、10min、15min、15min測讀一次沉降，以后間隔30min測讀一次沉降，當連續(xù)2h、且每小時沉降量不大于0.1mm時，可認為沉降已達到相對穩(wěn)定標準，施加下一級荷載；對于巖體，間隔lmin、2min、2min、5min測讀一次沉降，以后每隔10min測讀一次，當連續(xù)三次讀數之差小于或等于0.01mm時，認為沉降已達到相對穩(wěn)定標準，可施加下一級荷載?？焖俜ǎ好考右患壓奢d按間隔15min觀測一次沉降。每級荷載維持2h，即可施加下一級荷載。最后一級荷載可觀測至沉降達到上述沉降相對穩(wěn)定標準或仍維持2h。

等沉降速率法：控制承壓板以一定的沉降速率沉降，測讀與沉降相應的所施加的荷載，直至試驗達到破壞階段。沉降觀測和穩(wěn)定標準

載荷試驗一般應盡可能加荷到試驗土層破壞，然后終止試驗。當出現(xiàn)下列情況之一時，認為地基已達到破壞階段，可終止試驗：（1）承壓板周邊的土體出現(xiàn)明顯側向擠出，周邊巖土出現(xiàn)明顯隆起或徑向裂縫持續(xù)發(fā)展；（2）本級荷載的沉降量急劇增大（大于前級荷載沉降量的5倍），p-s曲線出現(xiàn)陡降段；（3）在某級荷載下24h沉降速率不能達到相對穩(wěn)定標準；（4）總沉降量與承壓板直徑（或寬度）之比超過0.06。試驗終止條件

原始資料整理載荷試驗原始資料包括沉降觀測、荷載等級和其他與載荷試驗相關的信息，如承壓板形狀、尺寸、載荷點的試驗深度、試驗深度處的土性特征，以及沉降觀測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注在記錄表上）。在試驗過程中，應對原始記錄數據及時檢查，試驗結束后再進行全面檢查整理