任务2.3 土的压缩性质认知
2.3.1 基本概念
地基土在压力作用下体积减小的特性称为土的压缩性。土体产生压缩变形的原因有以下三个方面：一是土粒本身的压缩变形；二是孔隙中水和空气的压缩变形；三是孔隙中部分水和空气被挤出，土粒互相靠拢，孔隙体积变小。试验研究表明，在工程实践中所遇到的压力（常小于600kPa）作用下，土粒和水的压缩量很小，可以忽略不计。因此，土的压缩变形主要是由于孔隙减小的缘故，可以用压力与孔隙体积之间的变化来说明土的压缩性，并用于计算地基沉降量。
对于饱和土，土的压缩主要是孔隙水逐渐向外排出，孔隙体积减小所引起的。饱和砂土，由于透水性强，在一定压力作用下土中水易于排出，压缩过程能较快地完成。而饱和黏性土，由于透水性弱，土中水不能迅速排出，压缩过程常需相当长的时间才能完成。这种土的压缩随时间而增长的过程，称为土的固结。
2.3.2 侧限压缩试验与压缩性指标
1.侧限压缩试验
室内压缩试验是用压缩仪（或称固结仪）进行的，如图2.21所示。试验时用环刀切取土样，装在刚性护环内，通过加压活塞逐级施加压力。在每级压力下，待土样压缩稳定后，由百分表测出变形量，然后再加下一级压力。土样中的孔隙水通过透水石排出。土样由于受到环刀和刚性护环的限制，只能在竖直方向产生压缩变形，不能产生侧向膨胀，故称为侧限压缩实验。
在压缩试验中，土粒体积可认为不变，因此，土样在各级压力pi作用下的变形，常用孔隙比e的变化来表示，如图2.22所示。设土样的截面积为A，令Vs=1。在加压前，则有
Vv=e0
V=1+e0
图2.21 侧限压缩试验示意图
图2.22 压缩试验土样变形示意图
在压力pi作用下，土样的稳定变形量为si，土样的高度Hi=H0-si，此时土样的孔隙比为ei，则
由于加前后土样的截面积A和土粒体积Vs均不变，化简可得：
式中 e0——土的初始孔隙比，可由土的三个实测物理指标求得：
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，就可根据式（2.17）算出相应的孔隙比ei。然后以横坐标表示压力p，纵坐标表示孔隙比e，可绘制出e—p曲线，如图2.23所示；或以横坐标表示压力的常用对数lgp，纵坐标表示孔隙比e，绘出e—lgp曲线，如图2.24所示。
2.压缩性指标
（1）压缩系数a。e—p曲线可反映土的压缩性的高低，压缩曲线越陡，说明随着压力的增加，土的孔隙比减小越多，则土的压缩性越高；若曲线越平缓，则土的压缩性越低。在工程上，当压力p的变化范围不大时，如图2.22中从p1到p2，压缩曲线上相应的M1M2段可近似地看做直线，即用割线M1M2代替曲线，土在此段的压缩性可用该割线的斜率来反映，则直线M1M2的斜率称为土体在该段的压缩系数，即
图2.23 e—p曲线
图2.24 e—lgp曲线
式中 a——土的压缩系数，kPa-1或MPa-1；
p1——增压前的压力，kPa；
p2——增压后的压力，kPa；
e1、e2——增压前、后土体在p1和p2作用下压缩稳定后的孔隙比。
由式（2.18）可知，a越大，说明压缩曲线越陡，表明土的压缩性越高；a越小，则曲线越平缓，表明土的压缩性越低。但必须注意，由于压缩曲线并非直线，故同一种土的压缩系数并非常数，它取决于压力间隔（p2-p1）及起始压力p1的大小。从对土评价的一致性出发，《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）中规定，取压力p1=100kPa、p2=200kPa对应的压缩系数a1-2作为判别土压缩性的标准。按照a1-2的大小将土的压缩性划分如下
低压缩性土 a1-2＜0.1MPa-1
中压缩性土 0.1MPa-1≤a1-2＜0.5MPa-1
高压缩性土 a1-2≥0.5MPa-1
（2）压缩模量Es。根据e—p曲线可求出另一个压缩性指标，即压缩模量。它是指土在侧限压缩的条件下，竖向压力增量Δp（p2-p1）与相应的应变变化量的比值，其单位为kPa或MPa，表达式为
Es越大，表示土的压缩性越低；反之Es越小，则表示土的压缩性越高，同样可以用p1=100kPa、p2=200kPa对应的压缩模量Es1-2，按下面的标准划分土的压缩性
高压缩性土 Es1-2＜4MPa
中压缩性土 4MPa≤Es1-2≤15MPa
低压缩性土 Es1-2＞15MPa
（3）压缩指数Cc。由图2.24中的e—lgp曲线可以看出，此曲线开始一段呈曲线，其后很长一段为直线，此直线段的斜率称为土的压缩指数Cc，即
压缩指数Cc也可以表示土的压缩性的高低，其值越大，压缩曲线也越陡，土的压缩性越高；反之，土的压缩性越低。按《水工设计手册》规定，Cc＜0.2为低压缩性土，0.2≤Cc≤0.35为中压缩性土，Cc＞0.35为高压缩性土。
【思考题】
（1）何谓土的压缩性?地基土产生压缩变形的主要原因是什么?
（2）土的压缩性高低可用那些指标评价?如何评价?
2.3.3 土的受荷历史对压缩性的影响
在做压缩试验时，如加压到某一级荷载达到压缩稳定后，逐级卸荷，可以看到土的一部分变形可以恢复（即弹性变形），而另一部分变形不能恢复（即残余变形）。如果卸荷后又逐级加荷便可得到再加压曲线，再加压曲线比原压缩曲线平缓得多，如图2.25所示。这说明，土在历史上若受过大于现在所受的压力，其压缩性将大大降低。为了考虑受荷历史对地基土压缩性的影响，需知道土的前期固结压力pc。
图2.25 土的压缩、卸荷、再加压曲线
土的前期固结压力是指土层形成后的历史上所经受过的最大固结压力。将土层所受的前期固结压力pc与土层现在所受的自重应力σcz的比值称为超固结比，以OCR表示。根据OCR可将天然土层分为三种固结状态。
1.正常固结土（OCR=1）
一般土体的固结是在自重应力的作用下伴随土的沉积过程逐渐达到的。当土体达到固结稳定后，土层的应力未发生明显变化，即前期固结压力等于目前土层的自重应力，这种状态的土称为正常固结土。如图2.26（a）所示，工程中多数建筑物地基均为正常固结土。
图2.26 天然土层的三种固结状态
（a）正常固结土；（b）超固结土；（c）欠固结土
2.超固结土（OCR＞1）
当土层在历史上经受过较大的固结压力作用而达到固结稳定后，由于受到强烈的侵蚀、冲刷等原因，使其目前的自重应力小于前期固结压力，这种状态的土称为超固结土，如图2.26（b）所示。
3.欠固结土（OCR＜1）
土层沉积历史短，在自重应力作用下尚未达到固结稳定，这种状态的土称为欠固结土，如图2.26（c）所示。
图2.27 卡萨格兰德法确定pc
前期固结压力pc可用卡萨格兰德的经验作图法确定，如图2.27所示。在e—lgp曲线上找出曲率半径最小的一点A，过A点作水平线A1和切线A2，作∠1A2的平分线A3并与e—lgp曲线中直线段的延长线相交于B点，B点所对应的压力就是前期固结压力。
【思考题】
何谓前期固结压力?天然土层有哪几种固结状态?
2.3.4 现场静载荷试验及变形模量
土的压缩性指标除从室内压缩试验得到外，也可通过现场原位得到。例如在浅层土中进行静载荷试验，通过试验结果确定地基土的变形模量。
1.静载荷试验
静载荷试验是通过承压板，对地基土分级施加压力p，并测量在每一级压力作用下承压板的沉降达到相对稳定时的沉降量s，最后绘制p—s曲线，由弹性力学公式求得土的变形模量和地基承载力。
试验一般是在试坑内进行，试坑宽度不应小于3倍承压板的宽度或直径，深度依所需测试土层的深度而定。承压板面积一般为0.25～0.50m2，对于软土及人工填土则不应小于0.5m2（边长为0.707m×0.707m的正方形或直径为0.798m的圆形）。试验装置如图2.28所示，一般由加荷稳压装置、反力装置及观测装置三部分组成。加荷稳压装置包括承压板、千斤顶及稳压器等；反力装置包括平台堆重系统或地锚系统等；观测装置包括百分表及固定支架等。
图2.28 地基静载荷试验示意图
（a）堆重—千斤顶式；（b）地锚—千斤顶式
试验时必须注意保持土层的原状结构和天然湿度，在试坑底面宜铺设不大于20mm厚的粗、中砂层找平。最大加载量不应小于荷载设计值的两倍，且应尽量接近预估的地基极限承载力pu。第一级荷载（包括设备重）宜接近开挖试坑所卸除的土重，与其相应的沉降量不计；其后每级荷载增量，对于较松软的土可采用10～20kPa，对于较硬密的土则用50～100kPa；加荷等级不应少于8级。
地基静载荷试验的观测标准
（1）每级加载后，按间隔10min、10min、10min、15min、15min，以后每隔半小时测读一次沉降量，当连续两小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，则认为已趋稳定，可加下一级荷载。
（2）当出现下列情况之一时，即可终止加载：①承压板周围的土有明显的侧向挤出（砂土）或发生裂纹（黏性土和粉土）；②沉降s急剧增大，荷载—沉降（p—s）曲线出现陡降段；③在某一级荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准；④s/b≥0.06（b为承压板的宽度或直径）。
2.静载荷试验成果与土的变形模量
根据试验结果绘制荷载p与稳定沉降量s的关系曲线，即p—s曲线。图2.29为一些代表性土类的p—s曲线，其中曲线的开始部分往往接近于直线，与直线段终点1对应的荷载p1，称为地基的比例界限荷载或称为地基的临塑荷载pcr。
图2.29 不同土的p—s曲线
土的变形模量是指在无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值，用E0表示，其大小可由地基静载荷试验结果按弹性力学公式求得，即
式中 ω——沉降影响系数，方形承压板取0.88，圆形承压板取0.79；
μ——地基土的泊松比，可由表2.10查取；
b——承压板边长或直径，mm；
s1——与所取的比例界限荷载p1相对应的沉降，mm；如果p—s曲线无起始直线段，可取s1=（0.010～0.015）b（低压缩性土取低值，高压缩性土取高值）及其所对应的荷载为p1代入式（2.21）中。
3.土的变形模量与压缩模量的关系
土的变形模量E0与压缩模量Es虽然都是竖向应力与应变的比值，但是在概念上它们是有所区别的，E0是由现场静载荷试验获得，土体在压缩过程中无侧限；Es是由室内压缩试验求得，土体在压缩过程中是有侧面限制的。
理论上，变形模量E0与压缩模量Es的关系如下：
表2.10 侧压力系数K0和泊松比μ的经验值
注 表中侧压力系数K0也称为静止土压力系数，K0=μ/（1-μ）。
【思考题】
现场静载荷试验如何进行?其试验成果有何用途?