土的压缩、固结与沉降.ppt

1,第四章,土的压缩、固结与沉降,2,土工结构物或地基,土,强度问题,变形问题,渗透问题,强度特性,变形特性,渗透特性,土力学,可以解决工程实践问题，这正是,土力学存在的价值以及我们学习土力学的目的。,3,工程实例,问题：,沉降,2.2,米，且左右两部分存在明显的沉降差。,墨西哥某宫殿,地基：,20,多米厚的粘土,4,工程实例,4,土的压缩、固结与沉降,墨西哥城,地基：,20,多米厚的粘土,5,意大利比萨斜塔,6,Kiss,由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触,7,基坑开挖，引起阳台裂缝,8,修建新建筑物：引起原有建筑物开裂,新建,11,层楼房,已有,4,层楼房,9,高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除,10,建筑物立面高差过大,主楼,4,层,翼楼,2,层,11,建筑物过长：长高比,7.6,:1,47m,39,150,194,199,175,87,沉降曲线,(mm),12,荷载作用下土体的压缩性,;,土的压缩固结试验,;,地基最终沉降量的计算,;,土的变形与时间关系,(,一维固结理论,),。,土的压缩性和压缩性指标的确定,;,用分层总和法和规范法,计算基础沉降,;,了解固结原理和固结随时间变化的概念。,主要内容,重点,13,土具有,变形特性,荷载作用,地基发生沉降,荷载大小,土的变形特性,地基厚度,一致沉降,（沉降量）,差异沉降,（沉降差）,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,4-1,概述,4,土的压缩、固结与沉降,土的特点,（碎散、三相）,沉降具有时间效应沉降速率,14,变形特,性及测试方法,最终,沉降量,一维压缩,一维固结,沉降,速率,多维固结,修正,复杂条件下的计算公式,简化条件,主线、重点：,一维问题！,室内试验,室外试验,侧限压缩、三轴压缩等,荷载试验、旁压试验等,较复杂应力状态？,15,土压缩性的组成,固体土颗粒被压缩,土中水及封闭气体被压缩,水和气体从孔隙中被挤出,土体在压力作用下体积减小的特性称为土的,压缩性,4.2,土的压缩性,16,特殊应力状态,一维问题,侧限压缩试验,轴对称问题,常规三轴试验,4.2,土的压缩性,一般应力状态,理论拓展、经验积累,室内试验,旁压试验,原位土,荷载试验,室外试验,试验目的：,变形、强度特性,静力触探试验,标准贯入试验,17,一、土的压缩试验,固结容器：,环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等,加压设备：,杠杆比例,1:10,变形测量设备,1,、侧限压缩仪（固结仪）,支架,加压设备,固结容器,变形测量,18,水槽,内环,环刀,透水石,试样,传压板,百分表,施加荷载，静置至变形稳定,逐级加大荷载,测定：,轴向应力,轴向变形,时间,试验结果：,2,、试验方法,P,1,s,1,e,1,e,0,P,t,e s,t,P,2,s,2,e,2,P,3,s,3,e,3,19,研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律,V,v,e,0,V,s,1,h,0,/(1+,e,0,),h,0,V,v,e,i,V,s,1,h,i,/,(,1+,e,),p,h,i,s,i,受荷后土样的高度变化,:,设初始高度,h,0,受压后的高度,h,i,则,h,i,=h,0,-s,i,s,i,为每级荷载作用下的变形量,土样体积在受压前后不变,其中,由于逐级（一般为,4,级）施加荷载在不同压力,p,作用下，可得到相应的孔隙比,e,，根据一一对应关系，以横座标表示压力，以纵座标表示孔隙比，绘制,e,-,p,曲线，称为压缩曲线,20,二、,e-,曲线,0,100,200,300,400,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,e,P,1,s,1,e,1,e,0,P,t,e s,t,P,2,s,2,e,2,P,3,s,3,e,3,21,试样初始高度,H,0,=2cm,试样干重度,d,=,土粒相对密度,d,s,=2.70,试验前试样饱和度,S,r,=,试样初始孔隙比,e,0,=,各级加荷历时,各级荷载下测微表读数,(mm),50(kPa),100(kPa),200(kPa),400(kPa),1min,2min,3min,10min,24h,总变形量,(mm),仪器变形量,(mm),0,0,0,0,试样变形量,(mm),试样相对沉降量,试样变形后孔隙比,e1,e2,e3,e4,22,0,100,200,300,400,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,e,压缩系数，,kP,a,-1,，,MP,a,-1,1,e,0,侧限压缩模量,k,P,a,MP,a,固体颗粒,孔隙,体积压缩系数，,kP,a,-1,，,MP,a,-1,压缩模量：土在完全侧限条件下竖向应力与相应的应变增量的比值,。,23,0,100,200,300,400,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,e,压缩系数,a,1-2,常用于比较土的压缩性大小,土的类别,a,1-2,(MP,a,-1,),高压缩性土,0.5,中压缩性土,0.1-0.5,低压缩性土,0.1,24,单向压缩试验的各种参数的关系,指标,指标,a,m,v,E,s,a1,m,v,(1+e,0,),(1+e,0,)/E,s,m,v,a/(1+e,0,),1,1/E,s,E,s,(1+e,0,)/a,1/m,v,1,25,e,e-,曲线缺点：,不能反映土的应力历史,26,三、,e-lg,曲线,100,1000,0.6,0.7,0.8,0.9,e,C,c,1,1,C,e,压缩指数,C,e,回弹指数（再压缩指数）,C,e,s,：,超固结土,p,1：,超固结,OCR1,硬粘土,S,偏大,s1,沉降经验修正系数,二、地基最终沉降量分层总和法,4,、结果修正,基底压力线性分布,弹性附加应力计算,单向压缩,只计主固结沉降,原状土现场取样的扰动,参数为常数,按中点下附加应力计算,52,基底附加应力,2.5,4.0,7.0,15.0,20.0,p,0,f,k,1.4,1.3,1.0,0.4,0.2,p,0,0.75,f,k,1.1,1.0,0.7,0.4,0.2,P.99,表,4-4,沉降计算经验系数,s,二、地基最终沉降量分层总和法,4,、结果修正,0zi,0z(i-1),A,i,附加应力,p,0,s,=1.4-0.2,(1),与土质软硬有关,(2),与基底附加应力,p,0,/f,k,的大小有关,f,k,：地基承载力标准值,53,要点小结：,准备资料,应力分布,沉降计算,建筑基础（形状、大小、重量、埋深）,地基各土层的压缩曲线,原状土压缩曲线,计算断面和计算点确定计算深度,确定分层界面,计算各土层的,szi,，,zi,计算各层沉降量,地基总沉降量,自重应力,基底压力,基底附加应力,附加应力,结果修正,二、地基最终沉降量分层总和法,54,三.,地基沉降计算的若干问题,4.3,地基的最终沉降量计算,3、单向分层总和法的评价,2、砂性土地基的沉降计算,1、粘土地基的沉降量计算,55,1、粘土地基的沉降量计算,三.地基沉降计算的若干问题,2、砂性土地基的沉降计算,砂性土地基的沉降速率比较快，大部分沉降在施工期间便完成，运用期沉降量一般不会很大。,56,3、单向分层总和法的评价,可计算多层地基；,可计算不同形状基础、不同分布的基底压力；,参数的试验测定方法简单；,已经积累了几十年应用的经验，适当修正。,（1）基本假定：,（2）优 点：,三.地基沉降计算的若干问题,较多,误差比较大,（3）精度：,欧美,可判定原状土压缩曲线,区分不同固结状态,计算结果偏大,（4）,e,-,曲线与,e-lg,曲线的对比：,原苏联,无法确定现场土压缩曲线,不区分不同固结状态,计算结果偏小,e-,e-lg,57,4,土的压缩性与地基沉降计算,关西国际机场,世界最大人工岛,www.kiac.co.jp/,58,关西国际机场,世界最大人工岛,1986,年：,开工,1990,年：,人工岛完成,1994,年：,机场运营,面积：,4370m1250m,填筑量：,18010,6,m3,平均厚度：,33m,地基：,15-21m,厚粘土,4,土的压缩性与地基沉降计算,59,设计时预测沉降：,5.7,7.5 m,完成时实际沉降：,8.1 m,，,5cm/,月,(1990,年,),预测主固结完成：,20,年后,比设计超填：,3.0 m,问题：,沉降大且有不均匀沉降,日期,测 点 及 沉 降 值（,m,）,1,2,3,5,7,8,10,11,12,15,16,17,平均,00-12,10.6,9.7,12.8,11.7,10.6,13.0,11.6,10.3,12.7,12.5,9.0,14.1,11.7,01-12,10.8,9.9,13.0,11.9,10.7,13.2,11.8,10.5,12.9,12.7,9.1,14.3,11.9,06-12,11.5,10.5,13.7,12.5,11.1,13.8,12.4,11.0,13.6,13.3,9.5,15.0,12.5,4,土的压缩性与地基沉降计算,60,4,土的压缩性与地基沉降计算,大连新机场建设,61,4,土的压缩性与地基沉降计算,大连新机场建设,62,4,土的压缩性与地基沉降计算,大连新机场建设,63,重点：,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,固结沉降的速度,？,固结沉降的程度？,问题：,4.5,饱和土的单向固结理论,不可压缩层,可压缩层,p,64,一、一维渗流固结理论（,Terzaghi,渗流固结理论）,二、固结度的计算,三、有关沉降时间的工程问题,65,实践背景：大面积均布荷载,p,不透水岩层,饱和压缩层,z,=p,p,侧限应力状态,一、一维渗流固结理论（,Terzaghi,渗流固结理论）,1,、物理模型,2,、数学模型,（,1,）基本假定,（,2,）基本变量,（,3,）建立方程,3,、问题求解,固结系数,时间因数,（,1,）求解思路,（,2,）初始、边界条件,（,3,）微分方程的解,66,1,、,物理模型,4.4,饱和土体的渗流固结理论,p,p,p,附加应力,:,z,=p,超静孔压,:,u=,z,=p,有效应力,:,z,=0,渗流固结过程变形逐渐增加,附加应力z,=p,超静孔压,:,u 0,附加应力,:,z,=p,超静孔压,:,u=0,有效应力,:,z,=p,一、一维渗流固结理论,67,2,、,数学模型,一、一维渗流固结理论,4.4,饱和土体的渗流固结理论,土层均匀且完全饱和；,土颗粒与水不可压缩；,变形是单向压缩（水的渗出和土层压缩是单向的）；,荷载均布且一次施加并在固结过程中保持不变,z,=const,；,渗流符合达西定律且渗透系数保持不变；,压缩系数,a,是常数。,（,1,）基本假定,（,2,）基本变量,总应力已知,有效应力原理,超静孔隙水压力的时空分布,68,（,3,）建立方程,微小单元（,1,1dz,）,微小时段（,dt,）,2,、数学模型,一、一维渗流固结理论,孔隙体积的变化流出的水量,土的压缩特性,有效应力原理,达西定律,表示超静孔隙水压力的时空分布的微分方程,超静孔隙水压力,孔隙比,超静孔隙水压力,孔隙比,土骨架的体积变化,不透水岩层,饱和压缩层,z,69,（,3,）建立方程,2,、,数学模型,一、一维渗流固结理论,固体体积：,孔隙体积：,dt,时段内：,孔隙体积的变化流出的水量,70,（,3,）建立方程,2,、,数学模型,一、一维渗流固结理论,dt,时段内：,孔隙体积的变化流出的水量,土的压缩性：,有效应力原理：,达西定律,:,孔隙体积的变化土骨架的体积变化,71,C,v,反映了土的固结性质：孔压消散的快慢,固结速度；,C,v,与渗透系数,k,成正比，与压缩系数,a,成反比；,（,cm,2,/s,；,m,2,/year,，粘性土一般在,10,-4,cm,2,/s,量级）,固结系数,（,3,）建立方程,2,、,数学模型,一、一维渗流固结理论,或,72,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,u,z,t,。,3,、,方程求解,一、一维渗流固结理论,（,1,）求解思路,73,不透水岩层,饱和压缩层,z,=p,p,0 z H:,u=p,z=0:u=0,z=H:uz,0 z H:,u=0,（,2,）边界、初始条件,3,、,方程求解,一、一维渗流固结理论,z,74,(3),微分方程的解,时间因数,m,1,，,3,，,5,，,7,3,、,方程求解,一、一维渗流固结理论,0 z H:,u=p,z=0:u=0,z=H:uz,0 z H:,u=0,基本微分方程：,初始边界条件：,微分方程的解：,反映孔隙水压力的消散程度,固结程度,75,H,单面排水时孔隙水压力分布,双面排水时孔隙水压力分布,z,z,排水面,不透水层,排水面,排水面,H,H,渗流,渗流,渗流,T,v,=0,T,v,=0.05,T,v,=0.2,T,v,=0.7,T,v,=,T,v,=0,T,v,=0.05,T,v,=0.2,T,v,=0.7,T,v,=,u,0,=p,u,0,=p,(3),微分方程的解,3,、,方程求解,一、一维渗流固结理论,时间因数,m,1,76,二、,固结度的计算,一点,M,：,地 层：,一层土的平均固结度,U,z,t,=0,1：,表征总应力中有效应力所占比例,1,、基本概念,M,77,2,、平均固结度,U,t,与沉降量,S,t,之间的关系,t,时刻：,确定,S,t,的关键是确定,U,t,确定,U,t,的核心问题是确定,u,z.t,在时刻,t,的沉降量与最终沉降量之比,二、,固结度的计算,78,3.,地基沉降过程计算,1)基本计算方法,均布荷载，单向排水情况,确定地基的平均固结度,U,t,已知,解得,近似,图表,教材,P92,，图4-,18,，曲线,二固结度的计算,T,v,反映固结程度,79,二、,固结度的计算,不透水边界,透水边界,渗,流,1,2,3,80,（1）压缩应力分布不同时,2)常见计算,条件,实践背景：,H,小，,p,大,自重应力,附加应力,自重应力,附加应力,压缩土层底面的附加应力还不接近零,解析公式（4-,21,）,图表：图4-,17,、,图4-,18,计算公式：,应力分布：,1,2,5,3,4,基本情况：,3.,地基沉降过程计算,二、,固结度的计算,不透水边界,透水边界,81,3.,地基沉降过程计算,二、,固结度的计算,不透水边界,透水边界,渗,流,1,2,3,82,2)常见计算,条件,（2）双面排水时,压缩土层深度,H,取1/2值,二、,固结度的计算,3.,地基沉降过程计算,透水边界,应力分布：,1,2,5,3,4,基本情况：,透水边界,H,?,83,1,、求某一时刻,t,的固结度与沉降量,2,、求达到某一固结度所需要的时间,三、有关沉降时间的工程问题,84,1,、求某一时刻,t,的固结度与沉降量,t,T,v,=C,v,t/H,2,S,t,=U,t,S,三、有关沉降时间的工程问题,85,2,、求达到某一沉降量,(,固结度,),所需要的时间,U,t,=S,t,/S,从,U,t,查表（计算）确定,T,v,三、有关沉降时间的工程问题,86,本周五之前交作业！,作业：,P112 4-1,P112 4-2,P112 4-6,P112 4-9,P112 4-11,