壓縮過程
土在壓力作用下體積縮小的特性稱為土的壓縮性。土的壓縮過程通常包括三個部分:
(1)同體土顆粒被壓縮。
(2)土中水及封閉氣體被壓縮。
(3)水和氣體從孔隙中擠出。
試驗研究表明,固體顆粒和水的壓縮量是微不足道的,在一般壓力(100~600kPa)下,土顆粒和水的壓縮量都可以忽略不計,所以土的壓縮主要是孔隙中一部分水和空氣被擠出,封閉氣泡被壓縮。與此同時,土顆粒相應發生移動,重新排列,靠攏擠緊,從而使土中孔隙減小。對於飽和土來說,其壓縮則主要是由於孔隙水的擠出。
壓縮本質
土的壓縮性是指土在壓力作用下體積壓縮變小的性能。在荷載作用下,土發生壓縮變形的過程就是土體積縮小的過程。土是由固、液、氣三相物質組成的,土體積的縮小必然是土的三相組成部分中各部分體積縮小的結果。土的壓縮變形可能是:①土粒本身的壓縮變形;②孔隙中不同形態的水和氣體的壓縮變形;③孔隙中水和氣體有一部分被擠出,土的顆粒相互靠攏使孔隙體積減小。
壓縮量與壓強
大量試驗資料表明,在一般建築物荷重作用下,土中固體顆粒的壓縮量極小,不到土體總壓縮量的1/400,水通常被認為是不可壓縮的(水的彈模2000MPa)。氣體的壓縮性較強,壓縮量與壓力的增量成正比,在密閉系統中,土的壓縮是氣體壓縮的結果,但壓力消失後,土的體積基本恢復,即土呈彈性。自然界中土一般處於開啟系統,孔隙中的水和氣體在壓力作用下不可能被壓縮而是被擠出。因此,研究土的壓縮變形都假定土粒與水本身的微小變形可忽略不計,土的壓縮變形主要是由於孔隙中的水和氣體被排出,土粒相互移動靠攏,致使土的孔隙體積減小而引起的,因此土體的壓縮變形實際上是孔隙體積壓縮,孔隙比減小所致。這種變形過程與水和氣體的排出速度有關,開始時變形量較大,然後隨著顆粒間接觸點的增大而土粒移動阻力增大,變形逐漸減弱。
飽和土與非飽和土
對於飽和土來說,孔隙中充滿著水,土的壓縮主要是由於孔隙中的水被擠出引起孔隙體積減小,壓縮過程與排水過程一致,含水量逐漸減小。飽和砂土的孔隙較大,透水性強,在壓力作用下孔隙中的水很快排出,壓縮很快完成。但砂土的孔隙總體積較小,其壓縮量也較小。飽和黏性土的孔隙較小而數量較多,透水性弱,在壓力作用下孔隙中的水不可能很快被擠出,土的壓縮常需相當長的時間,其壓縮量也較大。非飽和土在壓力作用下比較複雜,首先是氣體外逸,空氣未完全排出,孔隙中水分尚未充滿全部孔隙,故含水量基本不變,而是飽和度逐漸變化。當土的飽和度達到飽和後,其壓縮性與飽和土一樣。
為了了解建築物基礎的沉降穩定所需的時間、沉降與時間的關係以及地基的強度和穩定性,必須研究土的壓縮變形量和壓縮過程,即研究壓力與孔隙體積的變化關係以及孔隙體積隨時間變化的情況。工程實際中,土的壓縮變形可能在不同條件下進行,如有時土體只能發生垂直方向變化,基本上不能向側面膨脹,此情況稱為無側脹壓縮或有側限壓縮,基礎砌置較深的建築物地基土的壓縮近似此條件。又如有時受壓土周圍基本上沒有限制,受壓過程除垂直方向變形外,還將發生側向的膨脹變形,這種情況稱為有側脹壓縮或無側限壓縮,基礎砌置較淺的建築物或表面建築(飛機場、道路等)的地基土的壓縮近似此條件。各種土在不同條件下的壓縮特性有較大差異,必須藉助不同試驗方法進行研究,常用室內壓縮試驗來研究土的壓縮性,有時採用現場載荷試驗。壓縮試驗可分常規壓縮和高壓固結試驗兩類,前者多為槓桿式加壓,且最大加壓荷載一般不超過600kPa;後者一般為磅稱式加壓或液壓,且最大壓力可以達到6.4MPa。