一、实验目的
- 掌握土的压缩试验的基本原理和操作方法
- 测定土的压缩系数、压缩模量、压缩指数等压缩特性指标
- 绘制土的压缩曲线（e-p曲线）和回弹曲线
- 了解土的压缩特性对地基沉降计算的重要性
二、实验原理
土的压缩试验是在有侧限条件下，通过分级加载测定土样在竖向压力作用下的压缩变形，从而得到土的压缩特性指标。
2.1 基本概念
1. 孔隙比（e）：土中孔隙体积与土颗粒体积之比
2. 压缩系数（a₁-₂）：在100kPa至200kPa压力范围内，孔隙比减小量与压力增量的比值，表示土的压缩性大小
a₁-₂ = (e₁ - e₂) / (p₂ - p₁)
3. 压缩模量（Eₛ）：在有侧限条件下，竖向应力增量与竖向应变增量的比值
Eₛ = (1 + e₀) / a₁-₂
4. 压缩指数（C_c）：e-logp曲线直线段的斜率
C_c = (e₁ - e₂) / log(p₂/p₁)
2.2 压缩性分类
| 压缩系数a₁-₂ (MPa⁻¹) | 压缩模量Eₛ (MPa) | 压缩性分类 |
|---|---|---|
| a₁-₂ ≤ 0.1 | Eₛ > 15 | 低压缩性土 |
| 0.1 < a₁-₂ ≤ 0.5 | 4 < Eₛ ≤ 15 | 中压缩性土 |
| a₁-₂ > 0.5 | Eₛ ≤ 4 | 高压缩性土 |
图1：土的压缩曲线(e-p曲线)和e-logp曲线
三、实验设备
- 压缩仪（固结仪）：包括压缩容器、加压装置、量表等
- 环刀：面积30cm²或50cm²，高度20mm
- 切土器：包括环刀、导筒、推土器等
- 天平和砝码：感量0.1g
- 百分表或位移传感器：量程10mm，精度0.01mm
- 钢尺：精度1mm
- 滤纸、钢丝锯、修土刀、凡士林等
- 干燥器、铝盒、烘箱
图2：压缩仪设备示意图
四、实验步骤
4.1 土样制备
- 取具有代表性的扰动土样200g，放入蒸发皿中
- 根据土样的天然含水率，适当加水或晾干，使土样达到与天然含水率相近的状态
- 将土样充分拌和均匀，密封放置24小时，使水分均匀分布
- 在切土器中制备土样，用环刀（面积30cm²或50cm²）切取原状土样
- 测量环刀内径、高度，计算环刀容积
- 称量环刀和土样的总质量，计算土的密度
4.2 压缩试验操作
- 将压缩容器的刚性护环、透水石和滤纸放入容器中
- 将制备好的土样（带环刀）放在滤纸上
- 在土样上放置滤纸、透水石和活塞
- 安装百分表或位移传感器，调整初始读数
- 向压缩容器中注入清水，使土样充分饱和
- 按下列压力等级进行加载：12.5、25、50、100、200、400、800kPa（根据需要可调整）
- 每级压力下，按下列时间间隔读取百分表读数：1、4、9、16、25、36、49、64、100、200、400、600、1440分钟（1天后）
- 对于粘性土，每级压力应加载到压缩稳定（即1小时内变形不超过0.01mm）
- 如果需要测定回弹特性，在某级压力下压缩稳定后，可进行卸载试验
- 试验结束后，拆除设备，取出土样，测定试验后的含水率
五、数据记录与处理
5.1 基本数据记录
| 基本数据 | |||
|---|---|---|---|
| 环刀面积A(cm²) | 环刀高度h(cm) | 土粒比重Gₛ | 天然含水率w(%) |
| -- | -- | -- | -- |
5.2 压缩试验数据记录
| 压力p(kPa) | 试样高度h₀(mm) | 百分表读数 | 变形量s(mm) | 试样高度h(mm) | 孔隙比e | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 加载前 | 加载后 | 稳定读数 | |||||
| 0 | -- | -- | -- | -- | 0 | -- | e₀ = -- |
| 12.5 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
| 25 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
| 50 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
| 100 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | e₁ = -- |
| 200 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | e₂ = -- |
| 400 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
| 800 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
5.3 数据处理公式
1. 初始孔隙比计算：
e₀ = Gₛ(1 + w)γ_w/γ - 1
式中：γ为土的天然密度(g/cm³)，γ_w为水的密度(1g/cm³)
2. 各级压力下的孔隙比计算：
e = e₀ - (1 + e₀)s/h₀
式中：s为土样在某级压力下的压缩变形量(mm)，h₀为土样初始高度(mm)
3. 压缩系数计算：
a₁-₂ = (e₁ - e₂)/(p₂ - p₁) = (e₁ - e₂)/(200 - 100)
单位：MPa⁻¹（注意压力单位转换：kPa→MPa，除以1000）
4. 压缩模量计算：
Eₛ = (1 + e₀)/a₁-₂
单位：MPa
5. 压缩指数计算：
C_c = (e₁ - e₂)/log(p₂/p₁)
5.4 曲线绘制
根据试验数据，绘制以下曲线：
- 孔隙比与压力关系曲线（e-p曲线）：以孔隙比e为纵坐标，压力p为横坐标（算术坐标）
- 孔隙比与压力对数关系曲线（e-logp曲线）：以孔隙比e为纵坐标，压力p的常用对数为横坐标
六、注意事项
- 土样制备时应保持其天然结构，避免扰动
- 安装压缩仪时，应确保各部件对中，避免偏心加载
- 透水石应预先饱和，以保证土样在试验过程中充分排水
- 加载时应缓慢均匀，避免冲击荷载
- 读数应准确及时，特别是初始阶段的变形
- 如需进行回弹试验，卸载应分级进行，每级卸载后也应读取变形量
- 试验结束后，应及时清理设备，保持实验室整洁
七、思考题
- 土的压缩性与哪些因素有关？如何评价土的压缩性？
- 压缩系数、压缩模量和压缩指数各自的物理意义是什么？它们之间有什么关系？
- 什么是先期固结压力？它在工程中有什么重要意义？
- 压缩试验中的变形主要由哪些因素引起？
- 在工程实践中，如何利用压缩试验成果进行地基沉降计算？