第四章土的压缩性20119.pptx

工程实例工程实例第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算问题：问题：沉降沉降2.2米，米，且左右两部分且左右两部分存在明显的沉存在明显的沉降差。左侧建降差。左侧建筑物于筑物于1969年年加固。加固。墨西哥某宫殿墨西哥某宫殿左部：左部：1709年；右部：年；右部：1622年；地基：年；地基：20多米厚的粘土多米厚的粘土由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触基坑开挖，引起阳台裂缝基坑开挖，引起阳台裂缝修建新建筑物：引起原有建筑物开裂修建新建筑物：引起原有建筑物开裂高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除建筑物立面高差过大建筑物立面高差过大建筑物过长：长高比建筑物过长：长高比7.6:1土具有压缩性土具有压缩性荷载作用荷载作用地基发生沉降地基发生沉降荷载大小荷载大小土的压缩特性土的压缩特性地基厚度地基厚度一致沉降一致沉降（沉降量）（沉降量）差异沉降差异沉降（沉降差）（沉降差）建筑物上部结构产生附加应力建筑物上部结构产生附加应力影响结构物的安全和正常使用影响结构物的安全和正常使用土的特点土的特点（碎散、三相）（碎散、三相）沉降具有时间效应沉降速率沉降具有时间效应沉降速率第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算4.1 土的压缩性土的压缩性4.2 地基的最终沉降量计算地基的最终沉降量计算4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算土的压缩性土的压缩性土体在压力作用下体积缩小的特性。在一般压力下，土体被压缩可认土体在压力作用下体积缩小的特性。在一般压力下，土体被压缩可认为是土中孔隙体积缩小，即土中水和土中气被排除、土颗粒重新排列为是土中孔隙体积缩小，即土中水和土中气被排除、土颗粒重新排列互相挤密的结果。互相挤密的结果。土的固结土的固结土体在压力作用下，其压缩量随时间增长的过程。土体在压力作用下，其压缩量随时间增长的过程。土的压缩性指标土的压缩性指标压缩指数压缩指数变形模量变形模量压缩系数压缩系数弹性模量弹性模量土的压缩性指标测定方法土的压缩性指标测定方法室内试验室内试验原位测试原位测试侧限压缩试验侧限压缩试验(K0试验）试验）三轴试验三轴试验静荷载试验静荷载试验旁压试验旁压试验标贯试验标贯试验静（或动）力触探试验静（或动）力触探试验压缩模量压缩模量本节主要内容本节主要内容4.1 土的压缩性土的压缩性4.1 土的压缩性土的压缩性第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算一、基本概念、基本概念土的压缩性土体在压力作用下体积缩小的特性。在一般压力下，土体被压缩可认土体在压力作用下体积缩小的特性。在一般压力下，土体被压缩可认为是土中孔隙体积缩小，即土中水和土中气被排除、土颗粒重新排列为是土中孔隙体积缩小，即土中水和土中气被排除、土颗粒重新排列互相挤密的结果互相挤密的结果。土的固结土体在压力作用下，其压缩量随时间增长的过程。土体在压力作用下，其压缩量随时间增长的过程。二、压缩试验和压缩曲线二、压缩试验和压缩曲线（一）压缩试验（一）压缩试验1、仪器：侧限压缩仪（固结仪）：压缩容器，杠杆加压设备，构架。、仪器：侧限压缩仪（固结仪）：压缩容器，杠杆加压设备，构架。4.1 土的压缩性土的压缩性第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算二、压缩试验和压缩曲线二、压缩试验和压缩曲线（一）压缩试验（一）压缩试验2、原理：用环刀取土样，放在三联固结仪上加压（分级加压），直至、原理：用环刀取土样，放在三联固结仪上加压（分级加压），直至 变形稳定，用百分表测变形。变形稳定，用百分表测变形。p=pi 时时，推导推导:设Vs=1VV=e0Vs=1H0HsiVV=eiVs=1侧限压缩试验侧限压缩试验压缩前后截面不变设土样初始孔隙比为设土样初始孔隙比为e0土样孔隙比为土样孔隙比为eipi4.1 土的压缩性土的压缩性第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算1、e-P曲线曲线4.1 土的压缩性土的压缩性第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算（二）压缩曲线和压缩性指标（二）压缩曲线和压缩性指标compression curve1、e-P曲线曲线4.1 土的压缩性土的压缩性第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算（二）压缩曲线和压缩性指标（二）压缩曲线和压缩性指标压缩系数，压缩系数，kPa-1，MPa-11e0固体颗粒固体颗粒孔隙孔隙0(kPa)e压缩系数，压缩系数，kPa-1a1-2常用常用作比较土作比较土的压缩性的压缩性大小大小土的类别土的类别a1-2(MPa-1)高压缩性土高压缩性土0.5中压缩性土中压缩性土0.1-0.5低压缩性土低压缩性土0.1相应的压缩系数记作相应的压缩系数记作2、e-lgP曲线曲线压缩指数压缩指数e-P曲线缺点：曲线缺点：不能反映土的应力历史不能反映土的应力历史 特点：特点：有一段较长的直线段有一段较长的直线段指标：指标：4.1 土的压缩性土的压缩性第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算（1）压缩指数）压缩指数 compression index (无量纲无量纲)(kPa,MPa)4.1 土的压缩性土的压缩性第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算土的类别土的类别cc高压缩性土高压缩性土0.35中压缩性土中压缩性土0.2-0.35低压缩性土低压缩性土0.2（2）压缩模量）压缩模量 modulus of compressibility：土的类别土的类别ES(MPa)高压缩性土高压缩性土153、土的回弹曲线、土的回弹曲线 rebound curve 和再压缩曲线和再压缩曲线 recompression curve4.1 土的压缩性土的压缩性第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算Ce 1 硬粘土硬粘土（应力扩散）（应力扩散）S偏大偏大,sp1现在地面hhc剥蚀前地面hc超固结比（超固结比（OCR）OCR=1OCR1OCR1前期固结压力现有覆盖土重欠固结土欠固结土pcp14.2 地基的最终沉降量计算地基的最终沉降量计算ABCDmrmin123前期固结压力前期固结压力PC的确定：的确定：Casagrande 法法(f)B点对应于前期固结压力点对应于前期固结压力PC(b)作水平线作水平线m1(c)作作m点切线点切线m2(d)作作m1,m2 的角分线的角分线m3(e)m3与试验曲线的直线段与试验曲线的直线段交于点交于点B(a)在在e-lgp压缩试验曲线上，压缩试验曲线上，找曲率半径最小的点找曲率半径最小的点 mpc第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算0e4.2 地基的最终沉降量计算地基的最终沉降量计算（三）用现场原始压缩曲线计算最终沉降量（三）用现场原始压缩曲线计算最终沉降量 eab 沉积沉积bb 取样取样bcd 室内试验室内试验地下水位上升地下水位上升 土层剥蚀土层剥蚀冰川融化冰川融化引起卸载，引起卸载，使土处于回弹状态使土处于回弹状态原状土的原位压缩曲线原状土的原位压缩曲线：客观存在的，无法直接得到客观存在的，无法直接得到正常固结土：正常固结土：超固结土：超固结土：lgP第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算4.2 地基的最终沉降量计算地基的最终沉降量计算 确定前期固结压力确定前期固结压力PC 过过e0 作水平线与作水平线与PC作用线交于作用线交于B。由假定由假定知，知，B点必然位于原状土的初始压缩曲线上；点必然位于原状土的初始压缩曲线上；以以0.42e0 在压缩曲线上确定在压缩曲线上确定C点，由假定点，由假定知，知，C点也位于原状土的初始压缩曲线上；点也位于原状土的初始压缩曲线上；土样取出以后土样取出以后e不变，等于原状土的初始孔隙比不变，等于原状土的初始孔隙比e0，因而，因而，（e0,PC）点应位于原状土的初始压缩曲线上；点应位于原状土的初始压缩曲线上；0.42e0时，土样不受到扰动影响。时，土样不受到扰动影响。1.正常固结土正常固结土假定假定：推定推定：原位压缩曲线的近似推求原位压缩曲线的近似推求 通过通过B、C两点的直线即为所求的原位压缩曲线。两点的直线即为所求的原位压缩曲线。第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算4.2 地基的最终沉降量计算地基的最终沉降量计算的求算：的求算：第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算4.2 地基的最终沉降量计算地基的最终沉降量计算正常固结土用现场原始压缩曲线计算最终沉降：正常固结土用现场原始压缩曲线计算最终沉降：正常固结土压缩量：正常固结土压缩量：2.超固结土超固结土假定假定：土取出地面后体积不变，即（土取出地面后体积不变，即（e0,cz）在原位再压缩在原位再压缩曲线上；曲线上；再压缩指数再压缩指数Ce 为常数；为常数；0.42e0处的土与原状土一致，不受扰动影响。处的土与原状土一致，不受扰动影响。推定推定：确定确定cz，PC的作用线；的作用线；过过e0作水平线与作水平线与 cz作用线交于作用线交于D点；点；过过B和和C点作直线即为原位压缩压缩曲点作直线即为原位压缩压缩曲线。线。过过D点作斜率为点作斜率为Ce的直线，与的直线，与PC作用线作用线交于交于B点，点，DB为原位再压缩曲线；为原位再压缩曲线；过过0.42e0 作水平线与作水平线与e-lg曲线交于曲线交于点点C；原位压缩曲线的近似推求原位压缩曲线的近似推求第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算PC4.2 地基的最终沉降量计算地基的最终沉降量计算的求算：的求算：第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算4.2 地基的最终沉降量计算地基的最终沉降量计算超固结土用现场原始压缩曲线计算最终沉降：超固结土用现场原始压缩曲线计算最终沉降：超固结土压缩量：超固结土压缩量：a、当、当 时时 b、当、当 时，土始终处于超固结阶段时，土始终处于超固结阶段第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算4.2 地基的最终沉降量计算地基的最终沉降量计算3.欠固结土欠固结土 的求算：的求算：欠固结土压缩量：欠固结土压缩量：重点：重点：一维渗流固结一维渗流固结沉降与时间之间的关系：饱和土层的渗流固结沉降与时间之间的关系：饱和土层的渗流固结固结沉降的速度固结沉降的速度？固结沉降的程度固结沉降的程度？问题：问题：4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系不可压缩层不可压缩层可压缩层可压缩层p第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算二、一维渗流固结理论（二、一维渗流固结理论（Terzaghi渗流固结理论）渗流固结理论）一、饱和粘性土的渗透固结一、饱和粘性土的渗透固结 三、关于基础沉降计算的讨论三、关于基础沉降计算的讨论 4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算一、饱和粘性土的渗透固结一、饱和粘性土的渗透固结 渗透固结：由孔隙排水而造成的压缩过程。渗透固结：由孔隙排水而造成的压缩过程。1、主固结：、主固结：在侧限压缩试验中，饱和土体孔隙中的在侧限压缩试验中，饱和土体孔隙中的自由水的挤出速度与渗透系数、土样厚自由水的挤出速度与渗透系数、土样厚度有关，与自由水的渗透速度有关的饱度有关，与自由水的渗透速度有关的饱和土固结过程称为主固结。和土固结过程称为主固结。2、次固结：、次固结：是地基中土粒骨架在持续荷载作用下发是地基中土粒骨架在持续荷载作用下发生蠕变、矿物颗粒重新排列等因素引起生蠕变、矿物颗粒重新排列等因素引起的压缩过程称为次固结。的压缩过程称为次固结。实践背景：大面积均布荷载实践背景：大面积均布荷载p不透水岩层不透水岩层饱和压缩层饱和压缩层z=pp侧限应力状态侧限应力状态二、一维渗流固结理论（二、一维渗流固结理论（Terzaghi渗流固结理论）渗流固结理论）4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算一维：排水、压缩发生在竖向一个方向一维：排水、压缩发生在竖向一个方向固结理论：研究固结中沉降计算的理论；固结理论：研究固结中沉降计算的理论；1 1、物理模型、物理模型p pp pp p附加应力附加应力:z z=p=p超静孔压超静孔压:u=u=z z=p=p有效应力有效应力:z z=0=0渗流固结过程渗流固结过程附加应力附加应力:z z=p=p超静孔压超静孔压:u pu 00附加应力附加应力:z z=p=p超静孔压超静孔压:u=0u=0有效应力有效应力:z z=p=p4.3 4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算2、数学模型、数学模型（1）荷载是瞬时一次施加的；加载期间饱和土层来不及变形，加载以）荷载是瞬时一次施加的；加载期间饱和土层来不及变形，加载以后总应力沿深度均匀分布。后总应力沿深度均匀分布。（2）土体为均质、饱和土；）土体为均质、饱和土；（3）在固结过程中，土粒和水本身被视为不可压缩的；）在固结过程中，土粒和水本身被视为不可压缩的；（4）土层只有竖向的压缩和排水，图中附加应力沿水平面均匀分布；）土层只有竖向的压缩和排水，图中附加应力沿水平面均匀分布；（5）土的压缩速率仅取决于土中自由水排出的速度，且土中水的渗流）土的压缩速率仅取决于土中自由水排出的速度，且土中水的渗流符合达西定律；符合达西定律；（6）受压土层的渗透系数和压缩系数在固结过程中被视为常数；）受压土层的渗透系数和压缩系数在固结过程中被视为常数；基本假定：基本假定：求解思路：求解思路：总应力已知总应力已知有效应力原理有效应力原理超静孔隙水压力的时空分布超静孔隙水压力的时空分布4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算建立方程：建立方程：微小单元（微小单元（11dz）微小时段（微小时段（dt）孔隙体积的变化流出的水量孔隙体积的变化流出的水量土的压缩特性土的压缩特性有效应力原理有效应力原理达西定律达西定律超静孔隙水压力的时空分布超静孔隙水压力的时空分布超静孔隙水压力超静孔隙水压力超静孔隙水压力超静孔隙水压力土骨架的体积变化土骨架的体积变化不透水岩层不透水岩层饱和压缩层饱和压缩层z4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算固体体积：固体体积：孔隙体积：孔隙体积：dt时段内：时段内：孔隙体积的变化流出的水量孔隙体积的变化流出的水量4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算dt时段内：时段内：孔隙体积的变化流出的水量孔隙体积的变化流出的水量土的压缩性：土的压缩性：有效应力原理：有效应力原理：达西定律达西定律:孔隙体积的变化土骨架的体积变化孔隙体积的变化土骨架的体积变化4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算Cv 反映了土的固结性质：孔压消散的快慢固结速度；反映了土的固结性质：孔压消散的快慢固结速度；Cv 与渗透系数与渗透系数k成正比，与压缩系数成正比，与压缩系数a成反比；成反比；（cm2/s；m2/year）固结系数固结系数4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算 线性齐次抛物线型微分方程式，一般可用分离变量方法求解。线性齐次抛物线型微分方程式，一般可用分离变量方法求解。给出定解条件，求解渗流固结方程，就可以解出给出定解条件，求解渗流固结方程，就可以解出uz,t。方程求解：方程求解：（1）求解思路：）求解思路：4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算不透水岩层不透水岩层饱和压缩层饱和压缩层z=pp0 z H:u=pz=0:u=0z=H:uz 0 z H:u=0（2）边界、初始条件：）边界、初始条件：z4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算(3)微分方程的解微分方程的解时间因数时间因数m1，3，5，70 z H:u=pz=0:u=0z=H:uz 0 z H:u=0基本微分方程：基本微分方程：初始边界条件：初始边界条件：微分方程的解：微分方程的解：反映孔隙水压力的消散程度固结程度反映孔隙水压力的消散程度固结程度4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算H单面排水时孔隙水压力分布单面排水时孔隙水压力分布双面排水时孔隙水压力分布双面排水时孔隙水压力分布zz排水面排水面不透水层不透水层排水面排水面排水面排水面HH渗流渗流渗流渗流渗流渗流Tv=0Tv=0.05Tv=0.2Tv=0.7Tv=Tv=0Tv=0.05Tv=0.2Tv=0.7Tv=u0=pu0=p(3)微分方程的解微分方程的解时间因数时间因数m1，3，5，74.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算3、固结度的计算、固结度的计算 一点一点M：地地 层：层：一层土的平均固结度一层土的平均固结度Uz,t=01：表征总应力中有效应力所占比例：表征总应力中有效应力所占比例1、基本概念、基本概念M4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算2、平均固结度、平均固结度Ut与沉降量与沉降量St之间的关系之间的关系t时刻：时刻：确定确定St的关键是确定的关键是确定Ut 确定确定Ut的核心问题是确定的核心问题是确定uz.t在时间在时间t的沉降与最终沉降量之比的沉降与最终沉降量之比4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算研究表明：粘性土地基在基底压力作用下的沉降量研究表明：粘性土地基在基底压力作用下的沉降量S由三种不同的原因引起：由三种不同的原因引起：tSS Sd d：初始瞬时沉降：初始瞬时沉降S Ss s:次固结沉降次固结沉降S Sc c：主固结沉降：主固结沉降4.3 4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算三、关于基础沉降计算的讨论三、关于基础沉降计算的讨论次固结沉降次固结沉降 Ss：主固结沉降完成以后，在有效应力不主固结沉降完成以后，在有效应力不变条件下，由于土骨架的蠕变特性引起的变形。这种变条件下，由于土骨架的蠕变特性引起的变形。这种变形的速率与孔压消散的速率无关，取决于土的蠕变变形的速率与孔压消散的速率无关，取决于土的蠕变性质，既包括剪应变，又包括体应变。性质，既包括剪应变，又包括体应变。初始沉降初始沉降(瞬时沉降瞬时沉降)Sd：有限范围的外荷载作用下地有限范围的外荷载作用下地基由于发生侧向位移基由于发生侧向位移(即剪切变形即剪切变形)引起的。引起的。主固结沉降主固结沉降(渗流固结沉降渗流固结沉降)Sc：由于超孔隙水压力逐由于超孔隙水压力逐渐向有效应力转化而发生的土渗透固结变形引起的。渐向有效应力转化而发生的土渗透固结变形引起的。是地基变形的主要部分。是地基变形的主要部分。4.3 饱和粘性土地基沉降与时间的关系饱和粘性土地基沉降与时间的关系第四章第四章 土体的压缩与地基沉降计算土体的压缩与地基沉降计算