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压缩模量 (Modulus of Compressibility)
摘要:压缩模量($E_s$)是土力学中用于评价土体压缩性高低的核心指标。它描述了土体在完全侧限条件下抵抗竖向变形的能力,是建筑地基沉降计算中最常用的参数。
1. 定义与物理意义 (Definition)
压缩模量(Symbol: E_s)是指土体在完全侧限条件(即侧向变形为零,$\epsilon_x = \epsilon_y = 0$)下,竖向应力增量与竖向应变增量的比值。
- 数学表达:
<math>E_s = \frac{\Delta \sigma_z}{\Delta \epsilon_z} = \frac{1+e_0}{a}</math>
\Delta \sigma_z: 竖向应力增量\Delta \epsilon_z: 竖向应变增量e_0: 土的初始孔隙比a: 压缩系数 (Coefficient of compressibility)
物理含义:
E_s 的数值越大,表示土体越难被压缩(越硬);数值越小,表示土体越容易压缩(越软)。它是计算地基最终沉降量(分层总和法)的基础参数。
2. 规范来源 (Source of Standard)
该参数在建筑工程领域具有强制性标准支持。
| 规范名称 | 编号 | 章节 | 关键内容 |
|---|---|---|---|
| 《建筑地基基础设计规范》 | GB 50007-2011 | 第 5.3 条 | 规定了地基变形计算的方法,明确了压缩模量在沉降计算公式中的位置。 |
| 附录 E | 详细描述了浅层平板载荷试验要点,以及如何确定土的变形模量与压缩模量的关系。 |
3. 土的压缩性评价 (Evaluation of Compressibility)
在工程勘察报告中,通常根据压缩模量 E_s (通常指 $E_{s(1-2)}$,即压力段 100-200kPa) 的大小来划分土的压缩性等级:
压缩模量 E_s (MPa) | 压缩性等级 | 典型土质 |
|---|---|---|
| < 4 | 高压缩性土 | 淤泥、淤泥质土、新近沉积粘土 |
| 4 ~ 15 | 中压缩性土 | 一般粘性土、粉土 |
| > 15 | 低压缩性土 | 密实的砂土、老粘土、碎石土 |
4. 测试方法与转换 (Test Methods)
- 室内固结试验 (Oedometer Test):
这是获取 E_s 最直接的方法。通过金属环刀限制土样侧向变形,分级加载测定孔隙比变化。
- **与其他模量的关系**:
由于室内试验完全限制了侧向变形,得到的 ''E_s'' 往往比现场实际的**变形模量** (''E_0'') 大。两者存在经验公式或理论换算关系:
<math>E_0 = \left( 1 - \frac{2\nu^2}{1-\nu} \right) E_s</math>
* ''\nu'' : 泊松比
* //注:在工程实践中,常采用经验系数 $\beta$ 进行修正:$E_0 = \beta E_s$。//
5. 辨析:压缩模量 vs 变形模量
| 特性 | 压缩模量 (E_s) | 变形模量 (E_0) |
|---|---|---|
| 侧向变形条件 | 完全受限 (无侧向变形) | 无侧限 或 部分受限 (允许侧向变形) |
| 试验方法 | 室内固结试验 (环刀) | 现场载荷试验 (平板载荷)、三轴试验 |
| 数值大小 | 数值较大 (理论上) | 数值较小 |
| 主要应用 | 地基沉降计算 (分层总和法) | 弹性变形计算、有限元分析 |
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