土体的应力与变形

土是由土粒、水和气体三相组成，在建筑物自重和荷载(p＜600kPa )的作用下，土体就会发生压缩变形，土粒和水本身的变形很小，可以略去不计，土体发生变形，主要是由于孔隙水和气体被挤出，使孔隙体积减小而引起的。其变形主要是竖向的压缩变形。土体的压缩变形往往需要一定时间才能完成。无粘性压缩过程需要的时间较短，而饱和黏土，由于透水性小，水被挤出的速度慢，因此，压缩过程需要的时间较长。这个过程称为饱和粘性土的渗流固结过程。

由于地基土体在建筑物荷载作用下会产生压缩变形，因此，建筑在土质地基上的建筑物常会产生一定的沉降，建筑物各部分之间也会产生一定的沉降差。沉降过大，特别是沉降差较大时，就会影响建筑物的正常使用，严重时还可使建筑物开裂、倾斜，甚至倒塌。因此，为了保证建筑物的安全和正常使用，必须研究地基土体的压缩性，计算地基土体的沉降量、沉降差，把地基的变形值控制在容许的范围内。

土的压缩性是指土在压作用下体积缩小而被压密的性能。土的压缩性的大小，工程上一般采用压缩试验来研究。

1）侧限压缩试验

在试验室用压缩仪进行压缩试验来研究土的压缩性，图3-21（a）是压缩仪容器的示意图。用环刀切取原状土样，连同环刀一起装入侧限压缩仪刚性护环内，土样上、下面放透水石和滤纸，以便于土中水的排出。由杠杆通过加压板向试样施加压力。由于刚性护环所限，增压或减压时土样只能在铅直方向产生变形，而不能产生侧向变形，故称侧限压缩试验。

图3-20 侧限压缩试验

试验时通过传压板由小到大逐级连续加荷，一般加压顺序是：50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa等，每加一级荷载，待土样变形达到稳定，由量表读得相应的压缩变形量，再施加下一级荷载。由于试样土颗粒本身的压缩量很小，故常忽略不计，则土样的压缩变形便为孔隙体积的减小。因此，试样在各级压力pi作用下的变形，常用孔隙比e的变化来表示。试验成果用e—p曲线或e—lgp曲线表示，如下图所示。

图3-21 压缩曲线

2）压缩性指标

①压缩系数

当压力变化范围不大(如建筑工程的天然地基所受荷载一般约为100～200kPa)时，土的压缩曲线可以近似地用右图中的M1、M2割线表示。该直线的斜率即定义为压缩系数av。

式中：负号表示e随p的增加而减小。

p1、p2——分别为M1、M2两点所对应的压力；

e1、e2——分别为在p1、p2作用下压缩稳定时的孔隙比；

av——压缩系数(kPa)-1。

压缩系数av是表征土压缩性的重要指标之一。e—p曲线越陡，av就越大，土的压缩性越大。但对同一种土，由于压缩曲线不是直线，其压缩系数并不是一个常数，它取决于所取压力间隔(p1-p2)及该压力间隔的起始值p 1的大小。为便于比较，《建筑地基基础设计规范》规定取p1=100kPa，p2=200kPa，所对应的压缩系数a1-2作为评价土的压缩性高低的标准，如右侧表格所示。

表1 土的标准性压缩

土的压缩性	a 1-2(MP a -1)
高压缩性	＞0.5
中压缩性	0.1~0.5
低压缩性	<0.1

②压缩指数

在测定出各级压力pi作用下相应的孔隙比e之后，如横坐标p用对数比例表示，即用lgp表示，纵坐标仍用孔隙比e表示，便可给得e-lgp压缩曲线，如图3-21（b）所示，由图可以看出，在较高的压力范围内e-lgp曲线近似地为一直线，该直线的斜率即为压缩指数Cc，由下式确定

压缩指数Cc也是反映e的压缩性高低的一个指标，Cc愈大，压缩曲线愈陡，土的压缩性就高，反之，则压缩性就低。对同一种Cc值在较高的范围内都是常量。

图3-22 侧限条件下单位土柱体的压缩

③压缩模量

在侧限条件下，土样在竖向的压力变化量△p与相应的压应变的变化量之比值，称为土的压缩模量。若取截面积为一个单位的土柱体，如右图所示，在侧限条件下，当压力由p1增至p2时， 其孔隙体积由e1减至e2，因此，应力增量△p=p2-p1引起的应变量，则土的压缩模量Es表示为

3）土的弹塑性

在进行土样的压缩试验时，如加荷至某级荷载pi后，逐级进行卸荷，测记每级荷重时的量表回弹稳定读数，并算出相应的孔隙比ei，便可绘制卸荷后孔隙比与压力的关系曲线，称为回弹曲线。可以看出，土样的压缩曲线与回弹曲线不重合，表明土体卸荷后只有一部分变形可以恢复，称为弹性变形；而另部分变形却不能恢复，称为残余变形。这说明，土是一个弹塑性体，而不是完全的弹性体。

若在卸荷后又重新逐级加荷，并求得土样在各级荷重下再压缩较稳定时的孔隙比，即可绘制再压缩曲线。再压缩曲线较原来的压缩曲线平缓，但当荷载大小超过pi后，再压缩曲线就趋于压缩曲线的延长线。这说明土体在历史上经受过大于现在所受的压力，当再加压时，其压缩性将大为减小。根据这个原理，可对软土地基进行预压加固，以减少沉降量。

（a）e—p曲线		（b）e—lgp曲线
1—压缩曲线；2—回弹曲线；3—再压缩曲线

图3-23土的压缩曲线和回弹再压缩曲线

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