第一节 土的压缩性.

   一、土压缩变形的特点与机理

      土的压缩性指土在压力作用下体积压缩变小的性能。

      土受压后体积缩小是土中固、液、气三相组成部分中的各部分体积减小的结果(主要是气体、水分挤出、土粒相互移动靠拢的结果)。

   二、压缩试验压缩定律

      试验方法 :

            室内

            现场

      据压缩条件:

            无侧向膨胀(有侧限)试验

            有侧向膨胀(无侧限)试验

      主要是室内无侧向膨胀压缩试验

      土的无侧向膨胀压缩试验是先用金属环刀切取土样,然后将土样连同环刀一起放入压缩仪内,由于土样受环刀和护环等刚性护壁约束,在压缩过程中只能发生竖向压缩,不可能发生侧向膨胀.。

      试验时,通过加荷装置将压力均匀地施加到土样上,压力由小到大逐级增加,每级压力待压缩稳定后,再施加下一级压力,土的压缩量可通过微表观测，并据每级压力下的稳定变形量,计算出与各级压力相应的稳定孔隙比。

      若试验前试样的截面积为A,土样原始高度为h0，原始孔隙比e0, 当加压P1后土样压缩量为△h1,土样高度由h0减小到h1=h0-△h ,相应孔隙比由e0变为e1.

      由于土样压缩时不可能产生侧向膨胀,故压缩前后横截面积不变,加压过程中土的体积是不变的.即:

            A h0/(1+e0)=A(h0-△h1)(1+ e1)

                     e1=e0-△h1/h0(H e0)

      通过试验,求的各级压力Pi作用下,土样压缩性稳定后相应的孔隙比ei，以纵坐标表示孔隙比e, 横坐标表示压力ρ。据压缩试验数据,可绘制出孔隙比与压力的关系曲线------压缩曲线。

      在压力曲线上，P较小时，曲线较陡。随P增大，曲线变缓,。这表明在压力增量不变情况下对土进行压缩时,其压缩变形的增量是递减的。

    1、压缩系数

         a=tga=(e1-e2)/ρ2-ρ1)                  压密定律

      压密定律表明：在压力变化范围不大时,孔隙比的变化(减小值)与压力的变化(增加值)成正比。

      a为压缩系数(Mpa-1)它是表征土压缩性大小的重要指标。a愈大,说明土的压缩变形量越大。

      评价不同种类和状态土的压缩性大小时，必须以同一压力范围来比较,在GBJ7—，<<建筑地基基土设计规范>>中规定以P1=0.1Mpa，P2=0.2Mpa时相对应的压缩系数a1—2作为判断土的压缩性标准。

      低压缩性土    a1—2<0.1Mpa-1

      中压缩性土    0.1 Mpa-1≤a1—2<0.5 Mpa-1

      高压缩性土    a1—2≥0.5 Mpa-1

   二、压缩模量(Es)

      压缩模量(Es)：它是指土在有侧限条件受压时,在受压方向上的应力σz与相应的应变εZ之间的比值。

      Es=σz/εZ

      式中δz=P2-P1    εZ=△h/h=(e1-e2)/(1+e1)

      Es=(P2-P1) (1+e1)/ (e1-e2)= (1+e1)/a

      a----为压力从P1到P2时的压缩系数

      e1 –为压力P1时的孔隙比.

      工程中:P1=0.1Mpa ,P2=-0.2Mpa 相应的Es评价土的压缩性

      低压缩性土: Es>15 Mpa

      中压缩性土: 4 Mpa       高压缩性土: Es≤4 Mpa

   三、土的变形模量(E0)

      土的变形模量(E0)：指土在无侧限压缩条件下,压应力与相应的压缩应变的比值(Mpa.)它是通过现场载荷试验求的压缩性指标。

      E0= ES[1-2u2/(1-u)]

      E0= ES [1-2ξ2/(1+ξ)]

      u  和ξ分别为土的侧膨胀系数和侧压力系数.

      土侧膨胀系数指土在无侧限条件受压时侧向应变εx与竖向应变εz的比值。u=-εx/εz  

      侧压力系数在有侧限条件下,竖向间压力增加,引起侧向压力增加,此时的侧压力系数。ξ=σx/σz.

据广义的虎克定律: u  和ξ关系有:

      u=ξ/(1+ξ)

      ξ=u/(1-u)

四、土的前期固体压力

      土的前期固结压力是指土层在过去历史上曾经受过的最大固结压力，通常用PC表示。如果目前土层所爱的上覆土层的自重压力为PO，将PC与PO进行比较，可把天然土层分为三种不同的固结状态；

      （1）PC＝PO，称正常固结土：指目前土层的自重压力，就是该地层在历史上所受过的最大固结压力，一般正常沉积且在自重压力下固结的土层，均处于正常压密状态。

      （2）PC＞PO，称超常固结土  是指土层在过去历史上曾受过的固结压力大于现有土层的自重压力。如土层的过去历史上曾有过相当厚的沉积物，而后来由于侵蚀、冲刷、冰川等卸荷作用，或者由于古老建筑物的拆毁、地下水位的长期变化以及土的干缩等作用，使土层原有的密度超过现有土的自重压力相对应的密度，而形成超压密状态。

      (3) PC＜PO，称欠固结土  即土层在自重压力下尚未完成固结。如新近沉积的淤泥、冲填土等均处于欠压密状态。

      目前确定土的前期固结压力的方法很多，但应用较普遍的是卡萨格兰德图解法。在此曲线上找出Pc。

      实际工程中,用超固结比R来表征土的天然压密状态.

      R= Pc/ P0,

      R=1  正常压密状态

      R>1  超压密状态

      R<1  欠压密状态

   第二节 土的抗剪性

      土的抗剪性(抗剪强度)指土抵抗剪切破坏的极限强度。它是研究土体稳定性的一个极为重要的工程地质性质。

      土是由固体颗粒组成的，土粒间的连结强度远远小于土粒本身的强度，故在剪应力作用下，多数土体(如砂类土、细粒土)发生的剪切破坏，并不是土粒本身的破坏，而是土粒间发生相对错动，引起土的一部分相对另一部分沿着某个面发生与剪切方向一致的滑动。

      目前，研究土的抗剪强度的途径，主要是模拟土剪切破坏时的应力和工作条件，利用室内或现场进行土的剪切试验。

   一、土的直剪试验与库克定律.

      1、直剪试验

      土的室内剪切试验分为直接剪切和三轴剪切试验两类。最常用的直剪试验方法，是将土样放在上、下两部分可以错动的金属盒内，将上盒固定，下盒可沿水平方向滑动(图3-5)。试验时，先通过传压板在土样上施加法向压力P，使土样受法向应力σ=P/F (F为土样的横截面积)作用。然后在下盒上逐级施加水平剪力，使土样沿上、下盒之间的水平面受到剪应力，当水平剪力增加强度至T时，土样发生剪切破坏，此时的剪应力为τ=T/F。即为土样在该法向压应力作用下的抗剪强度τƒ.

      据此试验数据,可知τƒ---σ关系曲线。

      大量试验结果证明：在一般建筑物的荷载(0.1—0.6Mpa)作用下,土的抗剪强度与法向压应力关系近似为直线一库仑定律.

      巨粒土和粗粒土:曲线为τƒ=σtgφ (过坐标原点)

      细粒土:抗剪曲线, τƒ=σtgφ+c

      τƒ为土的抗剪强度（MPa）；σ 剪切面上的法压力（MPa）；φ为土的内摩擦（º）；C为土的内聚力（MPa）。

      库仑定律表明：巨粒土的抗剪强度决定于法向压力成正比的内摩擦力；而细粒土的抗剪强由两部分组成，一部分是与法向压力成正比的内摩擦力，另一部分与法向压力无关的内聚力。

      库仑定律表明，巨粒土的抗剪强度与其内摩擦角和正切成正比，而内摩擦角与组成土的矿物性质和土的密度有关。组成巨粒土和粗粒土的矿物越坚硬，颗粒越粗大，表面越粗糙，棱角越多，内摩擦角越大。这两类土的密度越高，内摩擦角也越大（见表3-2）。松散状态砂土的内摩擦与其自然堆积时所形成的最大坡角—天然休止角近似相等。所以工程实际中，常用砂土天然休止角代替松散状态砂土的内摩擦角。

      表3-2   砂土的内摩擦角φ（º）

土类

      细粒土的抗剪强度由内摩擦力和内聚力组成，而且以内聚力为主。细粒土中粘粒含量越多，土粒间的连结越强，内聚力越大，内摩擦角越小，担抗剪强度仍可增大。细粒土的液性指数越大，即天然含水率越高，则土的连结强度越低，抗剪强度越小。尤其是液限状态的扰动,几乎是没有抗剪强度的。细粒土的密度越大，抗剪强度越大。这类土内摩擦和内聚力

一般值可参见表（3-3）

      内磨擦角φ取决于细粒中的粘粒含量,土粒间的连接强度.C与上述两者成正比。

3-3细粒土的内摩擦角φ和内聚力C参考值

         土类

液   指

性      标

指    值

      三轴剪切试验是测定土的抗剪强度的另一种常用的方法。该方法首先将用橡皮膜包裹着的圆柱形置于密闭容器中（图3-7），通过液体加压，使试样在三个轴向受到相同的围压σ3，这时试样中没有剪应力。然后通过活塞杆在试样顶面上加压，试样中产生剪应力，随着垂直压应力σr的加大，剪应力随之增大，直至土样被剪坏。这时，作用于土样上的最大主应力σ1=σ3+σr，最小主应力即σ3。用σ1和σ3可画出一个极限应圆的公切线，就是土的抗剪强度曲线，从图上可获取土的C、φ值（见图3-8）。

      三轴剪切仪能近代制排水条件，可以测量孔隙压力的变化，没有规定的剪切面，受力条件比较符合实际，试验结果准确。尽管该试验仪器与设备操作较复杂，费用较高，还是会逐渐受到重视产推广的。

   三、土的抗剪指标计划指标的确定。

      无论是粗粒土，还是细粒土，其抗剪强度随剪切面上法向压力的增加而加大，饱和土中剪切面上的法向压力，在固结过程中是由孔隙水压力u和有效压力σ分担，即σ=σ+u 。当孔隙中的水不断向外渗流时，孔隙水压力逐渐消失，有效压力逐渐增加，摩擦阻力增大。因此。当孔隙水压力逐渐消散的过程，也就是土的抗剪强度逐渐增加的过程。在测定土的抗剪强度指标时，必须考虑孔隙水压力消散程度的影响。目前常用总应力法和有效应力法来考虑孔隙水压力对抗剪强度指标的影响。

总应力法是用剪切面上的总应力来表示土的抗剪强度，即：

τƒ=σtgφ+C

      将孔隙水压力的影响，通过试验时控制孔隙水的排出程度来体现。根据试验时排水程度不同，分为排水剪、不排水剪和固结不排水剪3种。在相同的法向压力σ的作用下，上述3种试验方法所测得抗剪强度指标是不同的。一般情况下，排水剪的抗剪强度最大，固结不排水剪的抗剪强度居中，不排水剪的抗剪强度最小。总应力法较简单，一般用直剪仪测定。

在工程实际中，应根据具体工程中的实际排水情况，选取相近似的方法测定土的抗剪强度。例如，研究细粒土的地基的稳定性时，若饱和粘土层很厚，排水条件不好，建筑物施工期又很短，粘土层在施工期来不及固结，就应采用不排水剪切法测定；若饱和粘土层很薄，排水条件较好，但在使用过程中可能施加豁然荷载，则可考虑采用固结不排水剪法测定。

有效应力法是用剪切面上的有效应力来表达土的抗剪强度，即：

            τƒ=σ’tgφ’+C’=(σ-u)tgφ’+C’       （3-14）

      这种方法需直接测得剪切面上的孔隙水压力u，总压力σ减去孔隙水压力u为有效压力σ’。用有效压力法求得的φ’、C’分别称有效内摩擦角和有效内聚力。有效应力强度指标一般用三轴剪切仪测定。

第三节 土的击实性

      通过击实试验研究土的击实性，找出最隹土的干密度(ρa)，含水率（W）。