第4章土的压缩与固结

4.土的压缩与固结4—1概述沉降：在附加应力作用下，地基土产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降某些特殊性土由于含水量的变化也会引起体积变形，如湿陷性黄土地基，由于含水量增高会引起建筑物的附加下沉，称湿陷沉降。相反在膨胀土地区，由于含水量的增高会引起地基的膨胀，甚至把建筑物顶裂。除此之外某些大城市，如墨西哥、上海等由于大量开采地下水使地下水位普遍下队从而引起整个城市的普遍下沉。这可以用地下水位下降后地层的自重应力增大来解释。当然，实际问题也是很复杂的，还涉及工程地质、水文地质方面的问题。如果地基土各部分的竖向变形不相同，则在基础的不同部位会产生沉降差，使建筑物基础发生不均匀沉降。基础的沉降量或沉降差(或不均匀沉降)过大不但会降低建筑物的使用价值，而且往往会造成建筑物的毁坏。为了保证建筑物的安全和正常使用，我们必须预先对建筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差进行估算。如果建筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差，在规定的允许范围之内，那么该建筑物的安全和正常使用一般是有保证的；否则，是没有保证的。对后一种情况，我们必须采取相应的工程措施以确保建筑物的安全和正常使用。基础沉降量或沉降差的大小首先与土的压缩性有关，易于压缩的土，基础的沉降大，而不易压缩的土，则基础的沉降小。基础的沉降量与作用在基础上的荷载性质和大小有关。一般而言，荷载愈大，相应的基础沉降也愈大；而偏心或倾斜荷载所产生的沉降差要比中心荷载为大。在这一章里，我们首先讨论土的压缩性；然后介绍目前工程中常用的沉降讨算方法；最后介绍沉降与时间的关系。4－2土的压缩特性压缩：土在压力作用下，体积将缩小。这种现象称为压缩。固结：土的压缩随时间增长的过程称为固结目前我们在研究土的压缩性，均认为土的压缩完至是由于孔隙中水和气体向外排出而引起的瞬时沉降指在加荷后立即发生的沉降饱和粘土在很短的时间内，孔隙中的水来不及排出，加之土体中的土粒和水是不可压缩的，因而瞬时沉降是在没有体积变形的条件下发生的，它主要是由于土体的侧向变形引起的瞬时沉降一般不予考虑对于控制要求较高的建筑物，瞬时沉降可用弹性理论估算。对于饱和粘土在局部均布荷载作用下，地基地瞬时沉降可用下式计算主固结与主固结沉降在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致土体体积随时间逐渐减小，有效应力逐渐增加，这一过程称为主固结随着时间的增加，孔隙水应力逐渐消散，有效应力逐渐增加并最终达到一个稳定值，此时孔隙水应力消散为零，主固结沉降完成，这一过程所产生的沉降为固结沉降。次固结沉降土体在主固结成将完成之后有效应力不变得情况下还会随时间的增长进一步产生沉降，称为次固结沉降次固结沉降对某些土如软粘土是比较重要的，对于坚硬土或超固结土，这一分量相对较小。实验：用环刀切取扁园柱体，一般高2厘米，直径应于高度2．5倍，面积为30cm2或50cm2,试样连同环刀一起装入护环内，上下有透水石以便试样在压力作用下排水。在进水石顶部放一加压上盖，所加压力通过加压支架作用在上盖，同时安装一只百分表用来量测试样的压缩。由于试样不可能产生侧向变形而只有竖向压缩。于是，我们把这种条件下的压缩试验称为单向压缩试验或侧限压缩试验。用单位压力增量所引起的孔隙比的改变，即压缩曲线的割线坡度表征土的压缩性的高低压缩曲线不是直线，即使是同一种土，其压缩系数也不是常量。工程上为了便于统一比较，习惯采用100kpa~200kpa范围的压缩系数来衡量土的压缩性的高低在较高的压力范围内，压缩曲线近似为一直线，很明显，该直线越陡，意味着土的压缩性越高。体积压缩系数mv单位应力作用下单位体积的体积变化压缩模量：土体在无侧向变形条件下，竖直应力与竖向应变之比。其大小反映了土体在单向压缩条件下对压缩变形的抵抗能力。变形模量表示土体在无侧限条件下应力应变之比，相当于理想弹性体的弹性模量。其大小反映了土体抵抗弹塑性变形的能力用于瞬时沉降的估算，可用室内三轴试验或现场试验测定4－3单向压缩量计算公式地基土层在外荷载作用下达到固结稳定时的最大沉降量，称为最终沉降量。地基最终沉降量计算方法有多种，通常我们采用是单向压缩分层总和法。分层总和法假定地基土层只有竖向单向压缩，不产生侧向变形。并且只考虑地基的固结沉降，利用侧限压缩试验的结果e—p压缩曲线计算沉降量。下面将介绍单向压缩分层总和法的原理、计算方法与步骤。5.3.1单一压缩土层的沉降量计算设地基中仅有一较薄的压缩土层，在建筑物荷载作用下，该土层只产生铅直向的压缩变形，即相当于侧限压缩试验的情况。土层的厚度为H1，在进行工程建筑前的初始应力(土的自重应力)为p1，认为地基土体在自重应力作用下已达到压缩稳定，其相应的孔隙比为e1；建筑后由外荷载在土层中引起的附加应力为σz，则总应力p2=p1+σz，其相应的孔隙比为e2，土层的高度为H2。设Vs=1，土粒体积在受压前后都不变(如图4-30)，土的压缩只是由于土的孔隙体积的减小。并设A为土体的受压面积，则在压缩前土的总体积为s)(11vs1VeVVAH为压缩后土的总体积AH2=(1+e2)1/(1emvvvsmE1H2(a)(b)可压缩层∞∞sH2H1土粒V1Vs=1e1H1s孔隙土粒孔隙e2Vs=1V2压缩后压缩前图4-30)Vs根据压缩前后土颗粒体积不得，可得221111eAHeAHHeeH122111112121111HeeHeeeHHs(4-30)式中：e1，e2可以通过土体的e—P压缩曲线由初始应力和总应力确定。s——沉降量，cm。若引入压缩系数av，压缩模量Es上式可变为111Heaszv(4-31)11HEszs(4-32)5.3.2单向压缩分层总和法原理和计算步骤(1)原理：由于地基土层往往不是由单一土层组成，各土层的压缩性能不一样，在建筑的荷载作用下在压缩土层中所产生的附加应力的分布沿深度方向也非直线分布，为了计算地基最终沉降量s，首先必须分层，然后分层计算每一薄层的沉降量si，再将各层的沉积量总和起来，即得地基表面的最终沉降量s。niiss1(4-33)(2)步骤和方法①分层，为了地基沉降量计算比较精确。除每一薄层的厚度hi≤0.4b外，基础底面附加应力数值大，变化大，分层厚度应小些，尽量使每一薄层的附加应力的分布线接近于直线。地下水位处，层与层接触面处都要作为分层点。②计算地基土的自重应力，并按一定比例绘制自重应力分布图，(自重应力从地面算起)。③计算基础底面接触压力④计算基础底面附加应力，基础底面附加应力p0等于基础底面接触压力减去基础埋深(d)以内土所产生的自重应力rd。即dpp0⑤计算地基中的附加应力，并按与自重应力同一比例绘制附加应力的分布图形。附加应力从基底面算起。按基础中心点下土柱所受的附加应力计算地基最终沉降量。⑥确定压缩土层最终计算深度Zn。因地基土层中附加应力的分布是随着深度增大而减小，超过某一深度后，以下的土层压缩变形是很小，可忽略不计。此深度称为压缩土层最终计算深度Zn。一般土根据σz=0.2σs条件确定，软土由σz=0.1σs确定。⑦计算每一薄层的沉降量si。由公式(4-30)、(4-31)、(4-32)得iiiheees)1(121iziviiheas11isiziihEs式中：zi——第i层土的平均附加应力，kPa；Esi——第i层土的侧限压缩模量，kPa；hi——第i层土的计算厚度；avi——第i层土的压缩系数，(kPa)-1；e1i一一第i层土的原始孔隙比e2i——第i层土压缩稳定时的孔隙比。⑧计算地基最终沉降量4—4土体的受荷历史对土的压缩性的影响为了考虑受荷历史对土的压缩变形的影响，就必须知道土层受过的前期固结压力。前期固结压力，是指土层在历史上曾经受到过的最大固结压力，应用pc表示。如果将其与目前土层所受的自重压力p相比较，天然土层按其固结状态可分为正常固结土、超固结土和欠固结土。如土在形成和存在的历史中只受过等于目前土层所受的自重应力。(即pc=p)，并在其应力作用下完全固结的土称为正常固结土，如图3-28(a)所示，反之，若土层在pc＞p的压力作用下曾固结过，如土层在历史上曾经沉积到图3-28(b)中虚线所示的地面，并在自重应力作用下固结稳定，由于地质作用，上部土层被剥蚀，而形成现在地表，这种土称为超固结土。如土属于新近沉积的堆积物，在其自重应力p作用下尚未完全固结，称为欠固结土，如图3-28(c)所示。前期固结压力pc可按下述的经验方法确定(图3-29)。即先在e-logp曲线上找到曲率半径最小的a点，过a点作两条线，一条为切线a1，另一条为水平线a3，直线a1与a3夹角的角平分线a2与e-logp曲线中直线段的延长线相交于b点，b点所对应的压力即为土层的前期固结压力。应该指出，前期固结压力pc只是反映土层压缩性能发生变化的一个界限值，其成因不一定都是由土的受荷历史所致。其它如粘土风化过程的结构变化，土粒间的化学胶结、土层的地质时代变老，地下水的长期变化以及土的干缩等作用均可能使粘土层的密实程度超过正常沉积情况下相对应的密度，而呈现一种类似超固结的性状。因此，确定前期固结压力时，须结合场地的地质情况，土层的沉积历史、自然地理环境变化等各种因素综合评定。4—5应力历史对地基沉降的影响前面曾经讨论了粘土由于其所受的应力历史不同而具有不同的压缩性，并依据能反映应力历史的超固结比OCR的大小，把土分为正常固结、超固结和欠固结三种状态。一般情况下，压缩曲线(e～p或e～lgp)是由室内单向固结试验得到的，但由于目前钻探取样的技术条件不够理想、土样取出地面后应力的释放、室内试验时切土人工扰动等因素的影响，室内的压缩曲线已经不能代表地基中现场压缩曲线(即原位土层承受建筑物荷载后的e～p或e～lgp关系曲线)。即使试样的扰动很小，保持土的原位孔隙比基本不变，但应力释放仍是无法完niiss1全避免的，所以，室内压缩曲线的起始段实际上已是一条再压缩曲线。因此，必须对室内单向固结试验得到的压缩曲线进行修正，以得到符合原位土体压缩性的现场压缩曲线，由此计算得到的地基沉降才会更符合实际。利用室内e～lgp曲线可以推出现场压缩曲线，从而可进行更为准确的沉降计算。根据e～p曲线，则不能做到这一点。另一方面，观场压缩曲线很直观地反映出前期固结应力pc，从而可以清晰地考虑地基的应力历史对沉降的影响；同时，现场压缩(e～lgp)曲线是由直线或折线组成，通过Cc或Cs两个压缩性指标即可进行计算，使用较为方便。3.8.1现场压缩曲线的推求要考虑三种不同应力历史对土层压缩性的影响，必须先解决下列两个问题：其一是要确定该土层的前期固结应力和现有有效固结应力po，借以判别该土层是属于正常固结、欠固结、还是超固结；其二是要推求得到能够反映土体的真实压缩特性的现场压缩曲线这两个问题都可以借助室内压缩e～lgp曲线来解决。要根据室内压缩曲线确定前期固结应力、推求现场压缩曲线，我们一方面要从理论上找出现场压缩曲线的特征，另一方面，找出室内试验压缩曲线的特征，建立室内压缩曲线和现场压缩曲线的关系。1)室内压缩曲线的特征图4-34是取自现场的原状试样的室内压缩、回弹和再压缩曲线。图4-35显示了初始孔隙比相同，但扰动程度不同(由不同的试样厚度来反映)的试样的室内压缩曲线。由图可见，当把压缩试验结果用e～lgp曲线表示时，该曲线具有以下特征：(1)室内压缩曲线开始对比较平缓，随着压力的增大明显地向下弯曲，当压力接近前期固结应力时，出现曲率最大点A，曲线急剧变陡，继而近平直线向下延伸如图3-34所示;(2)不管试样的扰动程度如何，当压力较大时，它们的压缩曲线都近乎直线，且大致交于C点，而C点的纵坐标约为租0.42e0,e0为试样的初始孔隙比；(3)扰动愈剧烈，压缩曲线愈低，曲率愈小；(4)从图3-34可以看出，卸荷点B在再压缩曲线曲率最大的A点右下侧。2)前期固结应力的确定为了判断地基土的应力历史，必须确定它的前期固结应力