压缩(固结)试验

第七章压缩(固结)试验•一、土的压缩性基本知识•(一)概述•在外力作用下土体积缩小的特性称为土的压缩性。由于土是三相体，土体受外力作用发生压缩变形包括三部分:①土固体颗粒自身变形;②孔隙水的压缩变形;③土中水和气从孔隙中被挤出，从而使孔隙体积减小。•土的压缩性包含了两方面的内容:•(1)最终压缩变形量，将引起建筑物的最终沉降量或变形量。•(2)压缩变形随时间而变化的过程一土的固结。上一页下一页返回第七章压缩(固结)试验•(二)研究土压缩性的意义•从工程意义上来说，地基沉降有均匀沉降和不均匀沉降之分。在不•均匀或软弱地基上修建建筑物时，必须考虑土的压缩性和地基变形等方面的问题。对于道路和桥梁工程，一般来说，均匀沉降对路桥工程的上部结构危害较小，但过量的均匀沉降会导致路面标高降低、桥下净空减少，从而影响正常使用;不均匀沉降会造成路堤开裂、路面不平，对超静定结构桥梁产生较大附加应力等工程问题。为了确保路桥工程的安全和正常使用，既需要确定地基土的最终沉降量，也需要了解和估计沉降量随时间的发展及其趋于稳定的可能性。在工程设计和施工中，如能事先预估并妥善考虑地基的变形而加以控制或利用，是可以防止地基变形所带来的不利影响。上一页下一页返回第七章压缩(固结)试验•(三)压缩试验及压缩性指标•1.压缩试脸•在试验室用侧限压缩仪(亦称固结仪)进行压缩试验，是研究土压缩性最基本的方法。试验仪器示意图如图7.1所示。试验时，用金属环刀取天然土样，并放于刚性很大的压缩环内，来限制土样的侧向变•形;在土样的上、下表面垫两块透水石，以便在压缩过程中土中水能顺利排出。由于土样受到环刀、刚性护环的约束，在压缩过程中只能发生竖向变形，不能发生侧向变形，所以这种试验方法称为侧限压缩试验。•试验时，荷载是分级施加的。直到压力增加时，土样变形几乎没有变化为止，如此可得到土样各级荷载下的压缩量。上一页下一页返回第七章压缩(固结)试验•2.曲线•在一般工程中，常遇到的压力土粒的体积变化不及全部土体积变化的1/400，因此，土的全部压缩量可认为是由于土的孔隙体积缩小所引起，可以用孔隙比与所受压力的关系曲线说明土的压缩过程。•在压缩试验过程中，可以通过百分表测量出土样的高度变化5(土样的压缩量)，如图7.2所示。上一页下一页返回第七章压缩(固结)试验上一页下一页返回第七章压缩(固结)试验•将二式相除可得•则有•这样，只要测定了土样在各级压力作用下的稳定变形量后，就可以按上式计算出孔隙比。以竖向有效应力为横坐标，孔隙比为纵坐标，绘制出孔隙比与有效应力的关系曲线，即压缩曲线，又称曲线，如图7.3(a)所示。如用半对数直角坐标绘图，则得到曲线，如图7.3(b)所示。从图7.3(b)可以看出，用半对数坐标绘制的曲线，在后半部出现明显的直线段，这已被大量的试验所证实。上一页下一页返回第七章压缩(固结)试验•3.压缩性指标•(1)压缩系数a。对于地基土，在修建建筑物之前就存在有效自重应力。建筑物修建后，地基中的应力发生了变化，增加到，相应的孔隙比由原来的减少到，如图7.4所示。由于修建建筑物所引起的应力增加量一般不大，，故M:至M:的一小段曲线可以近似用直线来代替，其误差是工程允许的。上一页下一页返回e1e1e2第七章压缩(固结)试验•压缩系数a是反映土压缩性的一个重要参数，a值越大，曲线越陡，土的压缩性越高。延长直线与e坐标轴相交得截距，则直线的方程为:•上式即为土力学中的重要定律之一，即压缩定律。•(2)压缩模量•①定义:土在完全侧限条件下，竖向附加应力增量与相应竖向应变增量之比值，用表示，即，故有时也称之为侧限压缩模量。•如图7.4所示，若呱至M,的一小段曲线近似用直线代替时，也可表示为全量的形式即上一页下一页返回eAEsEs第七章压缩(固结)试验•②计算公式：•推导过程如下:•如图7.5所示，土样取自地下某深度处，其高度为，横截面面积为•在修建建筑物之前，其上所受有效竖向自重应力为，相应的天然孔隙比为。在修建建筑物后，其上所受有效竖向应力•，相应的最终孔隙比为，变形稳定后土样高度变为，压缩量为s。上一页下一页返回h1A0e1e2h2第七章压缩(固结)试验•在侧限条件下，有•将两式相除，可得:•则：•所以上一页下一页返回第七章压缩(固结)试验•值得说明的是，压缩模量与弹性模量相似，都是应力与应变的比值，但有两点不同。其一是压缩模量E、是在侧限条件下测定的，故又称为侧限压缩模量，以便与无侧限条件下单向受力所测得的弹性模量相区别;其二是土的压缩模量不仅反映了土的弹性变形，而且同时反映了土的塑性变形(又称永久变形或残余变形)，并且是一个随应力而变化的数值。上一页下一页返回第七章压缩(固结)试验•(3)压缩指数。室内侧限压缩试验结果分析中也可以采用•曲线。用这种形式表示试验结果的优点是在应力达到一定值后，曲线接近直线，该直线的斜率称为压缩指数(图7.6)，即:•类似于压缩系数，压缩指数值也可以用来判断土的压缩性大小。上一页下一页返回CcCcCc第七章压缩(固结)试验•(4)回弹指数。上面在室内侧限压缩试验中连续递增加压，得到了常规的压缩曲线。现在如果加压到某一值，后不再加压，而是逐级进行卸载直至为零，并且测得各卸载等级下土样回弹稳定后的土样高度，进而换算得到相应的孔隙比，即可绘制出卸载阶段的关系曲线，如图7.7(a)中bc曲线所示，称为回弹曲线或月彭胀曲线。•若接着重新逐级加压，则可测得土样在各级荷载作用下再压缩稳定后的土样高度，换算成孔隙比后，可绘制出再压缩曲线，如图7.7(a)中的cdf曲线。可以发现，再压缩曲线的df段是ab段的延续，但再压缩曲线与回弹曲线不重合，也不通过原卸载点b。•对于半对数直角坐标系的曲线，也有类似的过程，如图7.7(b)所示。卸载曲线和再压缩曲线的平均斜率(图中虚线的斜率)称为回弹指数或再压缩指数，用表示。上一页下一页返回CeCe第七章压缩(固结)试验•二、土的压缩试验•(一)仪器设备•(1)固结仪:包括压缩容器和加压设备两部分，环刀。•(2)测微表:量程10mm，精度0.01mm。•(3)天平:最小分度值0.01g及0.1g各一架。•(4)其他:毛玻璃板、滤纸、钢丝锯、秒表、烘箱、削土刀、凡士林、透水石等。上一页下一页返回第七章压缩(固结)试验•(二)操作步骤•(1)按工程需要选择合适面积的切土环刀，环刀内壁涂上一薄层凡士林，刀口应向下，放在原状土或人工制备的扰动土上，切取原状土样时应与天然状态时垂直方向一致。•(2)小心边压边削，注意避免环刀偏心入土，应使整个土样进入环刀并凸出环刀为止，然后用钢丝锯或修土刀将两端余土削去修平，擦净环刀外壁。•(3)测定土样密度，并在余土中取代表性土样测定其含水率，然后用圆玻璃片将环刀两端盖上，防止水分蒸发。上一页下一页返回第七章压缩(固结)试验•(4)在固结仪的固结容器内装上带有试样的切土环刀(刀口向下)，在土样两端应贴上洁净而润湿的滤纸，放上透水石，然后放入加压导环和加压板以及定向钢球。•(5)检查各部分连接处是否转动灵活;然后，平衡加压部分(此项工作由试验室代做)，即转动平衡锤，目测上杠杆水平时，将装有土样的压缩部件放到框架内上横梁下，直至压缩部件之球柱与上横梁压帽之圆弧中心微接触。•(6)横梁与球柱接触后，插入活塞杆，装上测微表，使测微表表脚接触活塞杆顶面，并调节表脚，使其上的短针正好对准6字，再将测微表上的长针调整到零，读测微表初读数。上一页下一页返回R0第七章压缩(固结)试验•(7)加载等级:按教学需要，本次试验定为•五级，加祛码时要注意安全，防止祛码放置不稳定而受伤。•(8)每级荷载经10min记下测微表读数，读数精确到0.01mm。然后，再施加下一级荷载，以此类推，直到第五级荷载施加完毕，记录测微表读数。•(9)试验结束后，必须先卸下测微表，然后卸掉珐码，升起加压框架，移出压缩仪器，取出试样后，将仪器擦洗干净。上一页下一页返回第七章压缩(固结)试验•(三)成果整理•(1)计算试样的初始孔隙比:上一页下一页返回e0第七章压缩(固结)试验•(2)计算试样在任一级压力p(kPa)作用下变形稳定后的试样总变形量•(3)计算各级荷载下的孔隙比：上一页下一页返回第七章压缩(固结)试验•(4)绘制e-P压缩曲线。•以孔隙比e为纵坐标，压力P为横坐标，绘出的关系曲线称为e-P压缩曲线。•(5)计算某一压力范围内压缩系数:•(6)计算某一荷载范围的压缩模量:上一页下一页返回第七章压缩(固结)试验•(四)试验记录•在表7.1、表7.2、表7.3中记录相关数据。•在图7.8中画出压缩曲线。上一页下一页返回图7.1固结试验仪器示意图返回图7.2压缩试验中孔隙比的变化返回图7.3返回图7.4土的压缩系数返回图7.5侧限条件下土样高度变化与孔隙比变化的关系返回图7.6土体压缩指数返回图7.7土体回弹一再压缩曲线返回表7.1率试验记录表返回表7.2密度试验记录表返回表7.3压缩试验记录表返回图7.8e-p关系曲线返回