压缩层是指，在建筑物基础荷载下，地基土中产生绝大部分沉降量的土层的总和。压缩层厚度是其重要的研究信息。
对于均质土体，在相同荷载作用下，当土的压缩模量越大，土的压缩层厚度越小；对于上软下硬土体，下部硬土层的存在会减小土体的压缩层厚度；对于上硬下软土体，下部软土层的存在会增加土体的压缩层厚度。在计算土体的压缩层厚度时，要考虑土体的压缩模量对于单一的均质土体而言，土越硬，压缩层厚度越小；且当下部土体的压缩模量大于持力层土体的压缩模量时，要对土体的压缩层厚度进行一定的折减；当下部土体的压缩模量小于持力层土体的压缩模量时，要增加土体压缩层厚度。
基本介绍
- 中文名：压缩层
- 外文名：compressed layer
- 主要特徵：压缩层厚度
- 厚度确定方法：应变比法、应力比法
- 套用学科：岩土力学
简述
压缩层是指，在建筑物基础荷载下，地基土中产生绝大部分沉降量的土层的总和。压缩层厚度是其重要的研究信息。
对于均质土体，在相同荷载作用下，当土的压缩模量越大，土的压缩层厚度越小；对于上软下硬土体，下部硬土层的存在会减小土体的压缩层厚度；对于上硬下软土体，下部软土层的存在会增加土体的压缩层厚度。
压缩层厚度的确定方法
对于地基压缩层厚度的确定，不同规範和不同地区所採用的方法是不太一致的，但是归结起来，也不外乎应力比法和应变比法两类。应力比法採用地基附加压力与土自重压力之比为0.2或0.1为控制计算深度的标準。应变比法是指地基压缩层厚度自基础底面算起，算到某一深度土层的压缩量满足一定条件作为沉降计算的终止条件，即在计算深度向上取厚度为Δz的土层计算变形值Δs′n与计算深度範围内每层土的计算变形值之和不大于0.025，即
应力比法过多的考虑了荷载对地基压缩层厚度的影响，而忽略了土的基本性质，即未考虑土的压缩性、土的类别的影响。有文献指出：荷载大小只影响总沉降量的变化，对地基压缩层深度并无影响，地基压缩层深度主要与基础面积的大小以及地基土类有直接关係；变形比法考虑了土的压缩性，但未考虑土的类别以及基础面积对压缩层深度的影响。因为这两种方法对土的构造与性质都考虑不足，计算出压缩层厚度与实测值仍有一定的差距。
地基土这种特殊物质，由于其生成年代、生成环境以及物质成分的不同，其工程特性十分複杂、多变。不仅各种土的压缩模量不同、在不同的附加应力之下土的压缩模量会发生改变，而且土的成层性质、土的软硬互层性质，这些均对土的压缩层厚度产生影响。
FLAC-3D数值模拟
FLAC-3D是由美国ITASCA谘询集团公司开发的三维快速拉格朗日分析程式，已成为岩土力学计算中的重要数值方法之一。具有强大的计算功能和广泛的模拟能力。
内容
均质土体在荷载作用下当压缩模量不同时的压缩层厚度的变化
（1）FLAC3D模型的建立。
土体的本构模型选取FLAC3D中提供的Mohr-Coulomb模型，因为整个模型的边界和荷载是对称的，取其四分之一建立几何模型，模型大小40m×20m×50m。根据加荷的影响大小确定格线的尺寸为2m×2m×1m。
首先计算在重力荷载下至初始平衡。然后在X为0-5m，Y为0-2m，Z为50m的模型顶部施加均布荷载150kPa，选取一组不同的压缩模量进行计算，所得的压缩层厚度如表1及图1所示。当基础中心点下土体某点的竖向压缩量为5mm时，认为其下部土体的压缩对基础的沉降已无影响，所以取该点的竖向坐标为土体的压缩层厚度。
（2）结果分析
弹性模量E （MPa） | 2.5 | 5 | 7.5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 |
压缩层厚度Zn（m） | 43.8 | 38.4 | 34.5 | 30 | 25 | 20.3 | 17.5 | 15 | 13 | 11.5 |
可以看出，在基底附加压力不变的条件下，压缩层厚度随压缩模量的增大而减小。这表明压缩层厚度的大小与土质有很大关係，对于单一的均质土体而言，土越硬，压缩层厚度越小。
具有分层的土体在荷载作用下压缩层厚度的变化
自然界中存在的土体大都并非单一的均质土体，而是具有分层、软硬互夹的土层，下面用FLAC3D建立一组模型，探讨具有分层的软硬土体在荷载作用下压缩层厚度的变化规律。
（1）FLAC3D模型的建立。
本构模型和参数的选取：仍然採用模型大小40m×20m×50m。根据加荷的影响大小确定格线的尺寸为2m×2m×1m。首先在重力荷载下计算至初始平衡。然后在X为0-5m，Y为0-2m，Z为50m的模型顶部施加均布荷载150kPa，逐步增加上覆土体的厚度，减小下部土体的厚度，进行平衡计算，并观察压缩层厚度的变化。
（2）结果分析
软硬互层土体在荷载作用下的压缩层厚度如表2、图2所示。压缩层厚度的取值与上节相同。
从图2中可以看出：
（1）对于具有两层的上软下硬土体，在相同荷载作用下，随着上部软土层的增厚，土的压缩层厚度有所增加，但幅度很小。
（2）对于具有两层的上硬下软土体，在相同荷载作用下，随着上部硬土层的增厚，土的压缩层厚度有所减小，但幅度很小。
（3）上硬下软土的压缩层厚度明显大于上软下硬土的压缩层厚度，这表明土体的压缩层厚度不仅与本身持力层土的压缩模量有关，且与其下部土体的软硬性质有关。
上部土层厚度/m | 2 | 5 | 7 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 |
上软下硬土的压缩层度/m | 29 | 29.3 | 30 | 30.3 | 31 | 31 | 31.5 | 32.1 | 33.4 |
上硬下软土的压缩层度/m | 41.7 | 39.2 | 38.3 | 37.9 | 37 | 37.8 | 37.4 | 37 | 36.8 |
结论与分析
本文用FLAC数值模拟的方法分析了相同荷载作用下均质土体及具有分层的软硬土体的压缩层厚度变化，所得结论如下：
（1）比较表1与表2，Es=5MPa的均质土体压缩层厚度为38.4m，大于上部Es=5MPa、下部Es=15MPa的分层土体的的均值31m，说明由于下部硬土层的存在减小了土体的压缩层厚度。
（2）比较表1与表2，Es=15MPa的均质土体压缩层厚度为25m，小于上部Es=15MPa、下部Es=5MPa的分层土体的均值38m，说明由于下部软土层的存在增加了土体的压缩层厚度。
根据本文的分析结果，在计算土体的压缩层厚度时，要考虑土体的压缩模量对于单一的均质土体而言，土越硬，压缩层厚度越小；且当下部土体的压缩模量大于持力层土体的压缩模量时，要对土体的压缩层厚度进行一定的折减；当下部土体的压缩模量小于持力层土体的压缩模量时，要增加土体压缩层厚度。
油罐地基压缩层
研究现状
对油罐地基的沉降分析，其压缩层厚度的确定，主要有以下几种方法:
（1）应力比法，包括σz≤ 0.1σc或σz≤ 0.2σc。作用于地基土上的附加应力随深度的增加而减小，认为当附加应力小于土的自重应力的0.1或0.2倍时，该深度以下土层的压缩量可忽略或基本没有。
（2）变形比法，即ΔS'n≤ 0.025Sn。计算深度Zn处向上取1m厚度内土层的压缩量小于Zn深度範围内压缩量的0.025倍，就认为该深度处以下土层的压缩量可忽略。
（3）对油罐地基，贾庆山根据大量的工程实践，给出了油罐地基压缩层厚度确定的经验公式，即Zn=0.6D，D为油罐的直径。
（4）根据σz≤ Pc来确定。有学者在研究土的压缩机理时认为土颗粒间存在着一定的连结强度，土体在外荷载作用下产生的应力由一土颗粒传到另一土颗粒，当粒间应力不超过连结强度时，土的结构仅产生弹性变形，外力作用终止后，变形立即恢复;当应力超过接触点的连结强度时，土结构破坏，土颗粒产生相对位移，从而引起土的压密。即，当达到某一深度附加应力小于连结强度Pc时，并不产生土的沉降，那幺这一深度就是压缩层的下限。Pc由公式Pc= Cz+ Pztg φz给出，其中，Pz为土的自重压力，Cz、φz为深度z处土的粘聚力与内摩擦角。
工程实例
以上海某石油化工公司投资建造的2个10×104m3的特大型原油罐及其相配套的辅助设施为例。
建设场地地势较平坦，地面高程为4.00～5.23m（吴淞高程），地基土为沖积软土，高压缩性，设计地坪为4.600m，沉降后油罐罐底设计标高为6.100m，两罐中心间距为123m，直径为80m，油罐基地最大压力约为280kPa。根据规划要求，2个原油罐同时充水预压，油罐地基採用碎石桩和塑胶排水板进行联合加固。碎石桩直径为600mm，桩长为15m，碎石桩设计置换率为14.5%，塑胶排水板设计长度为28m。
场地条件及计算参数
根据勘察，场地除地表人工土外，主要为第四系海滨-浅海-河口相沉积的粘土和粉土层。场地土划分为13层（含亚层），其中缺失⑥层土，局部缺失⑦层土。②～⑤层是中小型油罐地基主要持力层，③～⑤层是油罐地基产生沉降的主要部分。但由于⑥层土的缺失及⑤～⑧层土厚度极不均匀且坡度较大，从而使建造难度加大。各土层物理力学指标见表1，计算参数见表2。
计算结果
在沉降计算过程中，压缩层厚度按5种情况考虑:
①压缩层厚度按0.6D取，其沉降用S1表示，相应压缩层厚度用H1表示。
②压缩层厚度按σz≤ 0.2σc取，其沉降用S2表示，相应压缩层厚度用H2表示;
③压缩层厚度按σz≤ 0.1σc或至钻孔最深处取，其沉降用S3表示，相应压缩层厚度用H3表示;
④压缩层厚度按ΔS'n≤ 0.025Sn取，其沉降用S4表示，相应压缩层厚度用H4表示;
⑤压缩层厚度按σz≤ Pc取，其沉降用S5表示，相应压缩层厚度用H5表示。经过对2个油罐地基沉降的计算，得到最后结果如表3、表4。而实测所得的最终沉降为1.58m，与计算结果相比，误差如表5。
可见只有S1，S2，S5的误差不超过5%，其余的取法不管是对1号罐还是2号罐，误差都在20%以上。也就是说，对于本工程的油罐地基沉降计算的压缩层厚度以第一、二、五种方法确定是比较接近实际的。
结论
（1）地基压缩层厚度的确定是沉降计算中的重要因素。按不同方法确定压缩层厚度，计算结果相差很大。
（2）应力比法而言，如果上部荷载较大，一般按σz≤ 0.2σc来确定压缩层厚度比较符合实际，而按变形比法，一般计算结果偏小。
（3）沉降计算中，压缩模量的选用也是一个重要因素，如何考虑压缩模量随深度的增加而增加，对沉降计算结果的準确与否，是非常重要的。
附表
层序 | 地层名称 | ρ/(g/m3) | E0.1-0.2(MPa) | f(kPa) | ||
① | 吹填土 | 1.79 | 7.7 | 50 | ||
② | 粉质粘土、粘质粉土 | 1.87 | 6.5 | 100 | ||
③2 | 砂质粉土 | 1.85 | 8.9 | 90 | ||
③3 | 砂质粉土、部分粘质粉土 | 1.84 | 6.9 | 85 | ||
③3夹 | 砂质粉土、粉砂 | 1.93 | 7.3 | 120 | ||
④ | 淤泥质粘土 | 1.74 | 2.8 | 75 | ||
⑤1 | 粘土 | 1.77 | 3.2 | 85 | ||
⑤2 | 砂质粉土、粘质粉土 | 1.82 | 8.8 | 140 | ||
⑤3 | 粉质粘土 | 1.84 | 5.3 | 120 | ||
⑦2 | 粘质粉土、砂质粉土、部分粉质粘土 | 1.89 | 6.4 | 150 | ||
⑧1 | 粘土 | 1.87 | 4.8 | 130 | ||
⑨ | 粉砂 | 1.93 | 6.7 | 350 | ||
参数 | 取值 |
油罐基底总应力 P(kPa) | 280 |
油罐直径 D(m) | 80.0 |
两个油罐之间间距 d(m) | 41.0 |
基底绝对标高 H(m) | 4.80 |
碎石桩桩长 L(m) | 15.00 |
塑胶排水板深度 L'(m) | 28.00 |
碎石桩面积置换率 m(%) | 14.5 |
碎石桩複合地基桩土应力比 n | 3 |
不同压缩层厚度取法 | H1 | H2 | H3 | H4 | H5 |
1号油罐压缩层厚度(m) | 48 | 52.5 | 75.1 | 34.2 | 48.5 |
2号油罐压缩层厚度(m) | 48 | 52.1 | 76.6 | 39.1 | 45.5 |
不同压缩层厚度取法 | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 |
1号油罐边缘沉降量(cm) | 152.5 | 162.4 | 196.2 | 124.5 | 153.9 |
2号油罐边缘沉降量(cm) | 156.0 | 164.9 | 202.0 | 140.7 | 153.1 |
不同压缩层厚度取法 | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 |
1号罐 | 3.5 | 2.8 | 24.2 | 21.2 | 2.6 |
2号罐 | 1.3 | 4.4 | 27.8 | 10.9 | 3.1 |