土的压缩性

土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。由于土具有压缩性，地基土层在受到上部建筑物荷载作用时，必定会产生压缩变形。土的压缩主要由三部分组成：①固体土颗粒被压缩；②土中水被压缩；③水和气体从孔隙中被挤出。

试验研究表明，在一般建筑物荷载作用下，土粒及孔隙中水与空气本身的压缩很小，可以略去不计。土的压缩主要是由于孔隙中水与气体被挤出，同时，土颗粒之间发生相对移动，重新排列，靠拢挤紧，从而土孔隙体积减小。

土的压缩性的高低，常用压缩性指标来表示，这些指标可通过室内压缩试验或现场载荷试验等方法测得。

1）压缩试验

土的压缩试验所用试验仪器为压缩仪（或固结仪），如图4-1所示。

图4-1　侧限压缩试验装置

试验时，先用金属环刀取土，然后将土样连同环刀一起放入压缩仪内，上下各盖一块透水石，以便土样受压后能够自由排水，透水石上面再施加垂直荷载。由于土样受到环刀、压缩容器的约束，在压缩过程中只能发生竖向变形，不可能侧向变形，所以这种方法也称为侧限压缩试验。土样在天然状态下或经人工饱和后，进行逐级加压固结，以便测定各级压力作用下土样压缩稳定后的孔隙比，进而得到表示土的孔隙比e与压力p的压缩关系曲线。

设土样的初始高度为H0，受压后土样的高度为Hi，则Hi=H0-si。si为外压力pi作用下土样压缩至稳定的变形量。根据土的孔隙比的定义，假设土粒体积Vs不变，则土样孔隙体积在压缩前为e0Vs，在压缩稳定后为eVs，如图4-2所示。

图4-2　压缩试验中土样变形示意图

为求土样压缩稳定后的孔隙比e，利用受压前土粒体积不变和土样截面面积不变的两个条件，得出

式中，e0为土的初始孔隙比，可由3个基本试验指标求得，即

这样，只要测定了土样在各级压力pi作用下的稳定变形量si后，根据式（4-2）算出孔隙比ei，然后就可以绘制出图的压缩曲线。土的压缩曲线可按两种方式绘制，一种是采用普通直角坐标绘制的e-p曲线（图4-3（a））；另一种是采用半对数直角坐标纸绘制的e-lgp曲线（图4-3（b））。压缩性不同的土，其压缩曲线的形状也不一样。曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高。

图4-3　土的压缩曲线（p单位MPa）

2）压缩性指标

（1）压缩系数

e-p曲线在压力p1、p2变化（压力增量Δp=p2-p1）不大的情况下，其对应的曲线段，可近似看作直线，这段直线（图4-3）的斜率（曲线上任意两点割线的斜率）称为土的压缩系数a。即

图4-4　以e-p曲线确定压缩系数

式中：a——计算点处土的压缩系数（kPa-1或MPa-1）；

p1——计算点处土的竖向自重应力（kPa或MPa）；

p2——计算点处土的竖向自重应力与附加应力之和（kPa或MPa）；

e1——相应于p1作用下压缩稳定后的孔隙比；

e2——相应于p2作用下压缩稳定后的孔隙比。

压缩系数是评价地基土压缩性高低的重要指标之一。从曲线上看，它不是一个常量，而与所取的p1、p2大小有关。在工程实践中，通常以自重应力作为p1，以自重应力和附加应力之和作为p2。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）中规定：

地基土的压缩性可按p1=100kPa和p2=200kPa时相对应的压缩系数值a1-2划分为低、中、高压缩性，并应按下列规定进行评价：

当a1-2<0.1MPa-1时，为低压缩性土；

当0.1MPa≤a1-2<0.5MPa-1时，为中压缩性土；

当a1-2≥0.5MPa-1时，为高压缩性土。

工程中，为减少土的孔隙比，从而达到加固土体的目的，常采用砂桩挤密、重锤夯实、灌浆加固等方法。

（2）压缩指数

如果采用e-lgp曲线，它的后段接近直线，见图4-5，其斜率Cc称为压缩指数，可按下式计算：

图4-5　由e-lgp曲线求Cc

同压缩系数a一样，压缩指数Cc也能用来确定土的压缩性大小。Cc值愈大，土的压缩性愈高。一般认为：

Cc<0.2时，为低压缩性土；

Cc=0.2～0.4时，为中压缩性土；

Cc>0.4时，为高压缩性土。

（3）压缩模量

土体在完全侧限条件下，竖向附加应力σz与相应的应变增量εz之比，称为压缩模量，用Es表示，即

由式（4-7）可见，压缩模量Es与压缩系数a成反比，Es越大，a越小，土的压缩性也就越低。所以Es也具有划分土的压缩性高低的功能。一般认为：

Es<4MPa时，为高压缩性土；

Es=4～15MPa时，为中压缩性土；

Es>15MPa时，为低压缩性土。

对于一些较难取样的浅层土，或者重要的建筑物以及对沉降有严格要求的工程，应进行现场静载荷试验确定地基土的变形模量。

1）载荷试验

现场载荷试验是在工程现场通过承压板逐级对置于地基土上的载荷板施加荷载，观测记录沉降随时间的发展以及稳定时的沉降量s，将上述试验得到的各级荷载与相应的稳定沉降量绘制成p-s曲线，即获得了地基土载荷试验的结果。

承压板在基坑底面时，试坑宽度应等于或大于承压板宽度的3倍。承压板的底面积一般为0.25～0.50m2；对均质密实土（如密实砂土、老黏性土）可用0.1～0.25m2；对松软土及人工填土则不应小于0.5m2。其试验装置如图4-6所示。

图4-6　地基载荷试验装置示例

加荷方式：①分级维持荷载沉降相对稳定法（常规慢速法）。分级加荷按等荷载增量均衡施加。荷载增量一般取预估试验土层极限荷载的10%～20%，或临塑荷载的20%～25%。加荷等级不少于8级。每一级荷载，自加荷开始按时间间隔，10、10、10、15、15min，以后每隔30min观测一次承压板沉降，直至在连续2h沉降量不超过0.1mm/h，或连续1h内每30min沉降不超过0.05mm，即可施加下一级荷载。②分级维持荷载沉降非稳定法（快速法）。分级加荷与慢速法同，但每一级荷载按间隔15min观察一次沉降。每级荷载维持2h，即可施加下一级荷载。③等沉降速率法。控制承压板以一定的沉降速率沉降，测读与沉降相对应的所施加的荷载，当出现下列情况之一时即可终止加载：

（1）承压板周围的土明显的侧向挤出。

（2）沉降量s急骤增大，荷载-沉降（p-s）曲线出现陡降段。

（3）在某一荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准。

（4）s/b≥0.06（s为总沉降量；b为承压板宽度或直径）。

终止加载后，可按规定逐级卸载并进行回弹观测，以作参考。图4-7给出了一些代表性土类的p-s曲线。由图可见，曲线的初始阶段往往接近于直线，因此若将地基承载力设计值控制在该直线段附近，土体则处于直线变形稳定阶段。

图4-7　不同土类的p-s曲线实例

2）变形模量

土的变形模量是土在无侧限条件下受压时，压应力增量与压应变增量之比，是评价土压缩性和计算地基变形量的重要指标。变形模量越大，土的压缩性就越低。变形模量常用于地基变形计算，可通过荷载试验计算求得，即

式中：E0——变形模量E0（MPa）；

p1——载荷试验p-s曲线的直线段末尾（比例界限）对应的荷载（kPa），见图4-7；

s1——比例界限荷载p1相对应的沉降（cm）；

b——承压板的边长或直径（cm）；

μ——地基土的泊松比，参考表4-1；

ω——沉降影响系数，刚性方形承压板取0.88，圆形取0.79。

有时p-s曲线不出现直线段，《建筑地基基础设计规范》建议，对中、高压缩性粉土及黏性土取s1=0.02b及其对应的荷载为p1；对低压缩性粉土、黏性土、碎石土及砂土，可取s1=（0.01～0.015）b及其对应的荷载p1，代入式（4-8）计算E0。

3）变形模量与压缩模量的关系

变形模量E0与压缩模量Es是两个不同的概念。E0是在现场通过载荷试验测得，土体压缩过程中无侧限；而Es是通过室内压缩试验获得，土体是在完全侧限条件下的压缩。它们与其他建筑材料的弹性模量不同，都包含了相当部分不可恢复的残余变形。但理论上E0与Es有如下换算关系：

式中：k0——土的侧压力系数；

μ——土的泊松比。

常见土样k0、μ、β的经验值见表4-1。

表4-1　k0、μ、β经验值

实际上，上式所表示的E0与Es的关系，只是理论关系。由于现场测定E0和室内测定Es时，无法考虑到各种因素且无统一的标准（如两者的加荷速率、压缩稳定标准等），β值也难以精确确定，故上式不能准确地反映E0与Es之间的实际关系，这在实用中要注意。