3.6 土的变形特征

3.6.1 土的压缩性

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。无黏性土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。这个过程称为饱和黏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。

3.6.2 侧限压缩试验和压缩指标

1.侧限压缩试验

在实验室用压缩仪进行压缩试验来研究土的压缩性，图3.34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3.34 压缩仪示意图

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，由量变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，如图3.35所示。

图3.35 压缩曲线

（a）e-p压缩曲线；（b）e-lgp压缩曲线

2.压缩指标

（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图3.26（a）中的M1M2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为压缩系数，kPa。

压缩系数av是表征土压缩性的重要指标之一。e-lgp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p1的大小。为便于比较，《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）规定取p1=100kPa，p2=200kPa，所对应的压缩系数α1-2作为评价土的压缩性高低的标准。见表3.10。

（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3.26（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，由式（3.49）确定：

图3.36 侧限条件下单位土柱体的压缩

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。

（3）压缩模量。

在侧限条件下，土样在竖向的压力变化量Δp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（图3.36），在侧限条件下压力由p1增至p2时，其孔隙体积由e1减至e2，因此，应力增量Δp=p2-p1引起的应变量，则土的压缩模量Es表示为

3.6.3 土的弹性变形与残余变形

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，便可以绘制卸荷后孔隙比与压力的关系曲线，如图3.37所示，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；而另一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载下再压缩到稳定时的孔隙比，即可绘制再压缩曲线，如图3.28所示。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。

图3.37 土的回弹、压缩曲线

3.6.4 土体的受荷历史对土的压缩性的影响

为了考虑受荷历史对土的压缩变形的影响，就必须知道土层受过的前期固结压力。前期固结压力，是指土层在历史上曾经受到过的最大固结压力，用pc表示。如果将其与目前土层所受的自重压力p相比较，天然土层按其固结状态可分为正常固结土、超固结土和欠固结土。

如土在形成和存在的历史中只受过等于目前土层所受的自重压力（即pc=p），并在其应力作用下完全固结的土称为正常固结土，如图3.38（a）所示，反之，若土层在pc>p的压力作用下曾固结过，如土层在历史上曾经沉积到图3.38（b）中虚线所示的地面，并在自重压力作用下固结稳定，由于地质作用，上部土层被剥蚀，而形成现在地表，这种土称为超固结土。如土属于新近沉积的堆积物，在其自重应力p作用下尚未完全固结，称为欠固结土，如图3.38（c）所示。

前期固结压力pc可按下述的经验方法确定（图3.39）。即先在e-lgp曲线上找到曲率半径最小的a点，过a点作两条线，一条为切线a1，另一条为水平线a3，直线a1与a3夹角的角平分线a2与e-lgp曲线中直线段的延长线相交于b点，b点所对应的压力即为土层的前期固结压力。

图3.38 土层按前期固结压力pc分类

（a）pc=p；（b）pc>p；（c）pc<p

图3.39 由e-lgp曲线确定前期固结压力pc

应该指出，前期固结压力pc只是反映压缩性能发生变化的一个界限值，其成因不一定都是由土的受荷历史所致。其他如黏土风化过程中的结构变化、土粒间的化学胶结、土层的地质时代变老、地下水的长期变化以及土的干缩等作用均可能使黏土层的密实程度超过正常沉积情况下相对应的密度而呈现一种类似超固结的性状。因此，确定前期固结压力时，需结合场地的地质情况、土层的沉积历史、自然地理环境变化等各种因素综合评定。