第四章 土的压缩性.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,土 力 学,王 晓 鹏,土 木 学 院,2010,年,2011,年第一学期,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,土力学,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,第一节,概 述,建筑物沉降,均匀沉降,不均匀沉降,裂缝、倾斜、倒塌,建筑物使用和美观,引起地基变形的因素,:,荷载,、地下水位的升降、地下采空、土的湿陷、膨胀、冻胀,（墨西哥城）,地基的沉降及不均匀沉降,为保证建筑物的正常使用和安全可靠，必须把地基变形控制在容许范围内，,否则要考虑采取地基加固处理或采取其他基础形式。,土的压缩性,是指土在压力作用下体积缩小的特性,压缩量的组成,固体颗粒的压缩,土中水的压缩,空气的排出,水的排出,占总压缩量的,1/400,不到，忽略不计,压缩量主要组成部分,特性：,土的压缩变形是由于孔隙体积减小引起的；,土的压缩变形需要一定时间才能完成。,无粘性土,粘性土,透水性好，水易于排出,压缩稳定很快完成,透水性差,，,水不易排出,压缩稳定需要很长一段时间,第二节,土的压缩性和压缩性指标,一、土的压缩性,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,土的固结：,土体在压力作用下，体积随时间缩小的过程,一般建筑物在施工期间完成的沉降量，对于砂土可认为其最终沉降量已基本完成，对,低压缩性土,可认为完成最终沉降量的,50-80%,，,中压缩性土,可认为完成最终沉降量的,20-40%,，,高压缩性土,可认为完成最终沉降量的,5-20%,。,二、压缩试验及压缩性指标,为研究土的压缩性大小及其特征，通常在室内进行压缩试验，亦称固结试验,1.,压缩试验,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,三联固结仪,气压固结仪,刚性护环,加压活塞,透水石,环刀,底座,透水石,土样,荷载,注意：,土样在竖直压力作用下，由于环刀和刚性护环的限制，只产生竖向压缩，不产生侧向变形（,侧限压缩试验,）,(1),压缩仪示意图,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,压力：,50,、,100,、,200,、,300,、,400kPa,V,v,e,0,V,s,1,H,0,/(1+,e,0,),H,0,V,v,e,V,s,1,H,1,/,(,1+,e,),H,1,s,土样在压缩前后变形量为,s,，,整个过程中土粒体积和底面积不变,土粒高度在受压前后不变,整理,其中,p,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,土样变形是由孔隙体积减小引起的，其变化可用孔隙比的变化来描述。,e,0,e,p,e,-,p,曲线,曲线,A,曲线,B,曲线,A,压缩性,曲线,B,压缩性,(2),e,-,p,曲线,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,根据不同压力,p,作用下，达到稳定的孔隙比,e,，,绘制,e,-,p,曲线，称为压缩曲线,曲线愈陡，说明在相同压力增量作用下，土的孔隙比减少得愈显著，土的压缩性愈高,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,(1),压缩系数,a,曲线上任一点的切线斜率,a,就表示了相应于压力,p,作用下的压缩性,实用上，一般研究土中某点由原来的压力,p,1,增加到外荷载作用下的土中压力,p,2,这一压力范围的土的压缩性,2.,压缩性指标,e,0,e,p,p,e,e,-,p,曲线,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,p,1,p,2,e,1,e,2,M,1,M,2,e,0,e,p,e,-,p,曲线,p,e,土的压缩性采用割线,M,1,M,2,斜率表示,压缩系数与压力有关，土的压缩系数不是常数,规范,用,p,1,100kPa,、,p,2,200kPa,对应的压缩系数,a,1-2,评价土的压缩性,a,1-2,0.1MPa,-1,低压缩性土,0.1MPa,-1,a,1-2,0.5MPa,-1,中压缩性土,a,1-2,0.5MPa,-1,高压缩性土,(2),压缩指数,Cc,如采用半对数坐标绘制压缩曲线,e,logp,曲线,elogp,曲线的后半段为直线关系，其斜率为,Cc,0.2,低压缩性土,0.2Cc,0.4,中压缩性土,Cc,0.4,高压缩性土,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,采用,e,logp,曲线,分析研究应力历史对土压缩性的影响,根据土所受到的应力历史,正常固结土,超固结土,欠固结土,(3),压缩模量,E,s,土在完全,侧限,条件下，竖向附加应力增量与相应应变的比值,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,V,v,e,1,V,s,1,H,1,/(1+,e,1,),H,1,V,s,1,H,2,/,(,1+,e,2,),H,2,s,土粒高度不变,p,p,V,v,e,2,1,2,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,说明：,土的压缩模量,E,s,与土的的压缩系数,a,成反比，,E,s,愈大，,a,愈小，土的压缩性愈低,Es,4MPa,高压缩性土,4Mpa,E,s,20MPa,中压缩性土,Es,20MPa,低压缩性土,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,三、土的回弹曲线和再压缩曲线,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,（,1,）卸载时，试样不是沿初始压缩曲线，而是沿曲线,bc,回弹。说明土体的变形是由恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形两部分组成。,（,2,）回弹曲线和再压缩曲线构成一回滞环，这是土体不是完全弹性体的又一表征。,（,3,）在同样的压力范围内，回弹和再压缩曲线要比初始压缩曲线平缓，说明在回弹或再压缩范围内，土的压缩性大大降低。,（,4,）当再加荷时的压力超过,b,点所对应的压力时，再压缩曲线就趋于初始压缩曲线的延长线。,四、载荷试验及土的变形模量,1.,载荷试验,载荷试验是一种原位测试，可得到压力与沉降关系曲线，求得土的变形模量和承载力,荷载逐级增加，加载等级不少于,8,级，最大荷载应加至设计荷载的,1.52,倍，宜加至破坏。,试验装置,加荷稳压装置（承压板、千斤顶、稳压器）,反力装置（平台堆载或地锚）,观测装置（百分表）,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,变形稳定标准：,当连续两小时内，每小时的沉降量不大于,0.1mm,时，则认为已趋稳定，可加下一级荷载。,终止加载条件：,（,1,）承压板周围的土明显侧向挤出或发生裂纹；,（,2,）沉降急剧增大，荷载,沉降曲线出现陡降段；,（,3,）在某一级荷载下，,24h,内沉降不能达到稳定标准；,（,4,）沉降 （,b,为承压板宽度或直径）,与压缩试验相比，载荷试验与地基的实际工作条件比较接近，能较真实地反映土在天然埋藏条件下受荷载作用时的压缩性。,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,2.,地基变形阶段,（,1,）直线变形阶段,当荷载较小时，荷载与变形之间的关系接近直线。,（,2,）局部剪切阶段,当荷载超过,比例界限荷载,后，荷载与变形之间不再保持直线关系，在土发生压密的同时，基础两边下土开始出现,塑性区,，并产生显著的侧向变形，随着荷载的增加，塑性区逐渐扩大。,（,3,）破坏阶段,当荷载超过,极限荷载,后，基础会持续下沉，不能稳定，土体发生滑动，基础四周土体隆起。,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,3.,土的变形模量,E,0,土在无,侧限,条件下，竖向附加应力增量与相应应变的比值,一般地基承载力特征值取接近于或稍超过比例界限值。所以通常将地基的变形,按直线变形阶段，以弹性力学公式来反求地基土的变形模量。,在荷载,沉降曲线的直线段上任取一点，可求出变形模量,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,沉降系数，方形承压板取,0.88,，圆形承压板取,0.79,土的泊松比（表,4.2.2,）,4.,土的变形模量与压缩模量的关系,说明：,由于现场载荷试验和室内压缩试验间在试验方法、试验条件等方面存在差异，使得上式不能准确反映两者间的实际关系。,其中,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,土的压缩特性,土的压缩变形需要一定时间才能完成,土的压缩变形是由于孔隙体积减小引起的,a,1-2,0.1MPa,-1,低压缩性土,0.1MPa,-1,a,1-2,0.5MPa,-1,中压缩性土,a,1-2,0.5MPa,-1,高压缩性土,压缩系数,a,压缩模量,E,s,Es,4MPa,高压缩性土,4Mpa,Es,20MPa,中压缩性土,Es,20MPa,低压缩性土,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,第四节,地基的最终沉降量,一、分层总和法,1.,基本假定,（,1,）地基为半无限空间弹性体。可按,弹性方法计算土中应力。,（,2,）地基土在荷载作用下只产生竖向变形，不产生侧向膨胀。即相当于地基土在侧限条件下只产生竖向变形，可采用,侧限压缩试验指标计算地基的沉降量。,（,3,）采用,基底中心点下的附加应力,进行计算。,2.,沉降计算公式,根据假定条件，取,基底中心点下截面为,A,的小土柱，,再分层。对于,第,i,薄层,，上下面自重应力和附加应力不等，取平均值。,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,第,i,薄层的受力状态与侧限压缩试验中土样的受力状态相同。当压力由 增加到 时，其沉降量为,对其他薄层的沉降量仍按上式计算，叠加后得地基最终沉降量,由压缩系数定义,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,第,i,层土的平均自重应力,第,i,层土的平均自重应力与平均附加应力之和,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,根据第,i,层土的平均自重应力 从土的压缩曲线上查得的相应孔隙比,根据第,i,层土的平均自重应力与平均附加应力之和 从土的压缩曲线上查得的相应孔隙比,3.,分层总和法的两点规定,（,1,）沉降计算深度,取在附加应力等于自重应力的,20%,处，对于软土地基则应向下计算至,10%,处。,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,或,（,2,）分层厚度,不同土层面应为分层面,地下水位面应为分层面,4.,计算步骤,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,（,1,）根据地基资料划分计算层,（,2,）计算基底附加压力,（,3,）计算基底中心点下每一分层处土的自重应力和附加应力，并绘出自重应力和附加应力分布曲线,（,4,）确定地基沉降计算深度,（,5,）计算各分层土的平均自重应力和平均附加应力,（,7,）计算分层土的沉降量 和地基的最终沉降量,5.,简单讨论,分层总和法计算 ，条理清楚，公式简便，但计算量大。由实测发现，采用分层总和法计算的沉降量与实测建筑物沉降量有一定出入。,坚实地基 计算值大于实测值,软弱地基 计算值小于实测值,两者不符的原因：,（,1,）按弹性方法求得的 与实际地基中的 不同,（,2,）计算中假定侧限与实际情况不完全符合,（,6,）令 从土层的压缩曲线中查出,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,（,3,）压缩性指标的准确性存在问题（取土样技术、代表性）,（,4,）没有考虑地基基础与上部结构共同工作,二、,地基基础,规范法,规范法是在分层总和法的基础上，给予修正得出的一种沉降计算方法。即引入了平均附加应力系数及地基沉降计算经验系数，重新规定了地基沉降计算深度。,1.,计算公式,按分层总和法计算出的地基最终沉降量,沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定。,利用地基观测资料推算的最终沉降量,是一个综合指标，综合反映多种因素对沉降计算的影响,(,地基非均质性对附加应力的影响，上部结构对基础沉降的调节作用等）,从,基础底面至第,i,层土、第,i-1,层土底面范围内平均附加应力系数，由,查表,11111,（,1,）无相邻荷载影响时,（,2,）存在相邻荷载影响,在 处向上取厚度为 土层计算沉降量,按表,4.3.11,确定,在 范围内存在基岩时，可取至基岩表面,3.,计算步骤,2.,沉降计算深度,（,1,）分层 可按土层的天然层面划分，并假定 ，在,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,处向上取厚度为 土层（作为一个独立土层）。,（,2,）计算基底附加压力,（,3,）采用角点法计算从基底到各土层底面范围内的,（,4,）计算各土层的 ，同时验算 是否满足要求,（,5,）确定,（,6,）计算地基最终沉降量,4.,规范法与分层总和法比较,例题,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,第四节,应力历史对地基沉降的影响,一、天然土层的应力历史,应力历史是指土在形成的地质年代中经受应力变化情况。天然土层在历史上所承受过的最大固结压力,前期固结压力,超固结比,现有土层的自重应力,根据超固结比可将天然土层划分为三种固结状态,1.,超固结状态（,OCR,1,）,是指天然土层在历史上受到过的固结压力大于目前的上覆压力。,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,历史地面受水流冲刷将其上部的一部分土体剥蚀掉。或古冰川下的土层曾经受过冰荷载作用，后由于气候变暖，冰川融化。,2.,正常固结状态（,OCR=1,）,是指天然土层在历史上最大固结压力作用下压缩稳定，沉积后土层厚度无变化，也没有受过其他荷载的作用。,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,3.,欠固结状态（,OCR,1,）,土层逐渐沉积到现在地面，但没有达到固结稳定状态。如新近沉积粘性土、人工填土等，将来固结完成后的地表如图。,二、前期固结压力的确定,确定前期固结压力的方法较多，最常用的方法是,卡萨格兰德,建议的经验作图法,稳定地面,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,（,1,）从 曲线上找出曲率半径最小的一点,A,，过,A,点作水平线,A1,和切线,A2,；,（,2,）作 的平分线,A3,，与 曲线中直线段的延长线交于,B,点；,（,3,）,B,点所对应的应力就是,前期固结压力,。,该法仅适用于 曲线曲率变化明显的土层。,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,第五节,地基沉降与时间的关系,在实际工程中，有时需要预估建筑物在施工期间和使用期间的地基沉降量，即,知道地基沉降过程,，以便控制施工速度或考虑预留建筑物有关部分之间的净空问题。对发生裂缝、倾斜等事故的建筑物，更需了解地基当时的沉降与今后沉降的发生，即,沉降与时间的关系,，作为事故处理方案的重要依据。,一、饱和土的渗透固结,渗透固结即为饱和土体,排水、压缩和应力,转移三者同时进行的一个过程。可借助,弹簧活塞模型,说明,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,加载瞬间,水从活塞透水孔中排出，活塞逐渐下降，,（,2,）,水来不及排出，弹簧没有变形，完全由孔隙水承担,（,1,）,渗透排水停止,（,3,）,饱和土体的渗透固结就是,孔隙水压力的消散,和,有效应力相应增长,的过程。只要土中孔隙水压力还存在，就意味着土的渗透固结变形尚未完成。,二、饱和土的单向固结理论,单向是指土的变形和水的渗透只沿竖向发生。,1.,单向固结理论的基本假设,（,1,）,土是均质、各向同性和完全饱和的；,（,2,）土粒和孔隙水都是不可压缩的；,2.,单向固结微分方程的建立,（,3,）土中附加应力沿水平面是无限均匀分布的，因此土层的压缩和土中水的渗流都是一维的；,（,4,）土中水的渗流服从于达西定律；,（,5,）在渗透固结中，土的渗透系数和压缩系数都是不变的常数；,（,6,）外荷是一次骤然施加的,11111,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,当土层表面骤然受到连续均布荷载作用时，在土中引起的附加应力沿深度均匀分布，当排水固结后，土层表面的 立即降到零，而底面 降低很少，随着时间的增长，曲线形状将逐渐发生变化。可见，,和 是深度和时间的函数,。,在深度,z,处，取一微单元体，根据某一时刻，流进单元体的水量等于流出单元体水量的条件，可建立一个固结微分方程,土的竖向固结系数,3.,单向固结微分方程解答,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,根据图示的初始条件和边界条件，采用分离变量法可求出方程的特解。,当 时,当 时,当 时,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,某一时刻,t,、深度,z,处的孔隙水压力,奇数正整数（,1,、,3,、,5,、,）,土层最远排水距离，单面排水取土层厚度，双面排水，水从土层中心分别向上、向下两个方向渗透，取土层厚度之半,时间因子,三、固结度,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,对饱和土，沉降计算采用有效应力 ，在计算中假定压缩系数 和压缩模量 均为常数,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,上述级数收敛很快，实用上可取第一项，即：,上式适用于饱和粘性土中 为均匀分布的情况，即基底面积很大，压缩层较薄（）的情况，对于不同的 分布和排水条件，同样可导出相应的固结度公式（图,4.5.4,）,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,双面排水,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,【,例题,】,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,第四章 小结,1.,土的压缩性,土的压缩特性,土的压缩变形需要一定时间才能完成,土的压缩变形主要是由于孔隙体积减小引起的,由压缩试验得压缩性指标：,a,1-2,0.1MPa,-1,低压缩性土,0.1MPa,-1,a,1-2,0.5MPa,-1,中压缩性土,a,1-2,0.5MPa,-1,高压缩性土,压缩系数,a,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,土的压缩模量,E,s,Es,4MPa,高压缩性土,4Mpa,Es,20MPa,中压缩性土,Es,20MPa,低压缩性土,土的变形模量,E,0,2.,地基的最终沉降量,（,1,）分层总和法,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,沉降计算深度,分层厚度,不同土层面应为分层面,地下水位面应为分层面,（,2,）规范法,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定。,无相邻荷载影响时,存在相邻荷载影响,沉降计算深度,在 处向上取厚度为 土层计算沉降量,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,或,3.,应力历史对地基沉降的影响,根据土所受到的应力历史（前期固结压力与自重应力比较）,正常固结土,超固结土,欠固结土,4.,地基沉降与时间的关系,（,1,）饱和土的渗透固结,（,a,）,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,（,b,）,（,c,）,（,2,）饱和土的单向固结理论,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,试按分层总和方法计算砂土层的变形量，已知土的自重应力和附加应力曲线，以及压缩曲线（见表）。（,15,分）,