土的压缩性
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土体在外荷载及自重作用下体积变化的性质。体积减小为压缩,卸载后体积增大为回弹。回弹是可恢复部分,称弹性变形;卸荷后不能恢复的压缩量,则为塑性变形。土的压缩使其密度增大,压缩模量增大,抗剪强度提高,并使地面发生沉降。
土粒和土中水在一般工程荷载下可视为不可压缩体。因此,土体的压缩本质上是颗粒位移、孔隙比变化和水被排出的结果。进一步研究揭示,黏土骨架比砂土和一定程度上的粉土骨架的压缩性大得多,因此,黏土层的体变是土变形的主要来源。另外非饱和土的饱和度变化也对土压缩有重要影响。除土体的本身性状外,环境因素也控制土的压缩性,其中有土的应力历史(在土形成的地质年代中曾经经历过的垂直最大有效应力)、应力路径(达到现有应力状态经历的应力过程)以及温度变化等。土内的有效应力愈大,压缩量也愈大。粗粒土多是单粒结构,其压缩主要为土粒间相互滑动与滚动,高压力时土粒被压碎。细粒土土粒多为片状或管状,呈絮凝结构(土粒随机排列)或分散结构(近于平行排列),其压缩主要是孔隙水被挤出,或土粒间相对滑动,土粒间水膜被挤薄。具有絮凝结构或含有机质多的土压缩性大。
图1 土的压缩曲线
对于同样的土来说,超固结土压缩性低于正常固结土。
土的压缩有明显的滞后效应,即加荷后压缩需经历一段时间才能稳定,黏性土尤其如此。土的渗透性愈小,压缩稳定所需时间愈长。砂土稳定时间甚短。
土的压缩性由土的压缩试验测定。由此可求得沉降计算中所需的有关压缩性指标。试验直接测得的有压缩曲线(图1)和压缩过程曲线(图2)。要计算的指标有3类:沉降量、沉降过程和先期固结压力。前2类指标见表,后1类的先期固结压力(pc)可由e—lgp曲线用A.卡萨格兰德方法求得。
图2 土的压缩过程曲线
土的压缩试验是测定土的压缩性指标的试验,如果试样为饱和土,需要获取土变形速率的指标,则在试验过程中需不断测记试样的下沉量,这样的压缩试验亦称固结试验。计算建筑物地基沉降量一般多用单向压缩理论,需用压缩试验指标。压缩试验采用压缩仪(又称固结仪)。试样筒是一个刚性圆环(图3),试样上下各有一块透水石,通过杠杆或液压方式逐级施加荷载(压力)。每加一级荷载,按规定时间测记试样的压缩量,直至压缩稳定(一般取24h),再加次一级荷载。最后,将试验结果整理成e—p、e—lgp、e—t等相应的压缩曲线及相应的压缩性指标。这里e为土样孔隙比,p为压力,t为时间。土的压缩性指标(见表)。
土的压缩性指标表
压缩试验每24 h加荷载一次,故试验历时较长。为加速过程,除采用快速压缩试验法外,20世纪60年代以来发展了连续加荷固结试验。按控制条件不同,该试验又分为恒应变率固结试验(加荷过程中试样应变率为常量),恒荷载频率固结试验和等梯度固结试验(加荷过程中试样底面的超静水压力保持一常量)等。这类试验以K.太沙基单向固结理论(参见土的固结理论)为基础。试验仪器类似于压缩仪,但可以量测试样底面的孔隙水压力。试验过程中,在任意时刻测记试验开始后的历时(t),对应的压力(p),试样压缩量(δ)和底面孔隙水压力(u),然后按相应的理论公式计算出所需的各项压缩性指标。这类试验的历时比常规试验缩短很多。
在按三向变形理论计算地基沉降量时,采用侧向约束条件下的压缩试验指标显然不符合三向变形条件,一般要借用三轴压缩试验来测得土的压缩指标,固结系数则要另外测得土的弹性模量和泊松比,通过计算来确定。
对于粗颗粒的砾质土、砂卵石、堆石料等,采用试样直径为300~500mm的大型压缩仪,试验方法与上述相同。
图3 固结仪示意图