固结压缩试验217.pptx

背景背景沉降是地基设计中最基本问题之一不均匀沉降背景背景温州机场不均匀沉降路面路面软土地基软土地基桩桩桥面桥面桥头桥头“跳车现象跳车现象”3比萨斜塔目前：目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m1.80m，塔顶离中心线已达塔顶离中心线已达5.27m5.27m，倾斜，倾斜5.55.513601360：再复工，至1370年竣工，全塔共8层，高度为55m12721272：复工，经6年至7层，高48m，再停工11781178：至4层中，高约29m，因倾斜停工11731173：动工原因：原因：地基持力层为粉砂，下面为粉土地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，模量较低，变形较大和粘土层，模量较低，变形较大。1590:伽利略在伽利略在此塔做落体实验此塔做落体实验 41838-18391838-1839：挖环形基坑卸载挖环形基坑卸载1933-19351933-1935：基坑防水处理基坑防水处理 基础环灌浆加固基础环灌浆加固19901990年年1 1月月:封闭封闭19921992年年7 7月：月：加固塔身，用压重加固塔身，用压重 法和取土法进行地法和取土法进行地 基处理基处理目目 前前:已向游人开放已向游人开放。处理措施处理措施比萨斜塔日本关西机场 深深海沉积物来源海沉积物来源硅藻土层高压塑性 深深海沉积物来源海沉积物来源海底海底400400米，米，1313个土层个土层土层含有硅藻）土层含有硅藻）深深海沉积物来源海沉积物来源Q1Q1试验步骤l 切样l 装样l 加载l 读数Q1 压缩和固结的区别？压缩和固结的区别？Q2 试验曲线如何获得？试验曲线如何获得？Q3 可以得出哪些参数？可以得出哪些参数？固结固结系数Cv，土体固结度U时间因子Tv时间变形量砂土：只有压缩粘土：变形缓慢发生固结固结与与压缩压缩的区别的区别压缩：压缩：comperssion有效应力引起土体体积的变化称为土的压缩有效应力引起土体体积的变化称为土的压缩所有土体都有的现象所有土体都有的现象压缩试验主要测试在该级压力下稳定时的沉降量、孔隙比等压缩试验主要测试在该级压力下稳定时的沉降量、孔隙比等固结：固结：consolidation细粒土特有的细粒土特有的其变形特征与粗粒土不同，体积的变化（变形）不完全是受荷其变形特征与粗粒土不同，体积的变化（变形）不完全是受荷后立即发生的，会持续很长一段时间后立即发生的，会持续很长一段时间该过程伴随着超静孔隙水压力的消散、有效应力逐步增大该过程伴随着超静孔隙水压力的消散、有效应力逐步增大固结试验主要测试固结速率、孔压消散程度固结试验主要测试固结速率、孔压消散程度无粘性土的压缩压缩固结试验方法压缩固结试验方法标准固结的原理hi百分表百分表加压上盖加压上盖试样试样透水石透水石护环护环环刀环刀压缩压缩容器容器假定土体颗粒不被压缩增量分级加荷压缩固结试验原理压缩固结试验原理假定土体颗粒不被压缩，固体体积不变h土的压缩性参数土的压缩性参数绘制e-p，e-log p曲线计算侧限条件下土的压缩性参数：可以相互换算e-p曲线e-log p曲线压缩固结试验方法压缩固结试验方法标准固结试验在固结容器内放置护环透水板和薄型滤纸将带有试样的环刀装入护环内放上导环试样上依次放上薄型滤纸透水板和加压上盖并将固结容器置于加压框架正中使加压上盖与加压框架中心对准安装百分表或位移传感器确定需要施加的各级压力压力等级宜为12.5、25、50、100、200、400、800、1600kPa。第一级压力的大小应视土的软硬程度而定宜用12.5、25或50kPa。最后一级压力应大于土的自重压力与附加压力之和需要测定沉降速率及固结系数时，施加每一级压力后宜按下列时间顺序测记试样的高度变化，时间为6s、15s、1min、2min15s、4min、6min15s、9min、12min15s、16min、20min15s、25min、30min15s、36min、42min15s、49min、64min、100min、200min、400min、23h,24h，至稳定为止。不需要测定沉降速率时，则施加每级压力后测定试样高度变化作为稳定标准。按此步骤逐级加压至试验结束压缩试验的目的压缩试验的目的绘制e-p，e-log p曲线计算压缩系数、压缩模量、压缩指数、先期固结压力等根据压缩性对土体进行分类e-p曲线e-log p曲线固结试验的目的固结试验的目的l求固结系数Cv，判定土体固结度U等l原理：根据Terzarghi固结理论得到固结度U与时间因子Tv之间的关系，与某级荷载作用下试样垂直变形随时间发展过程的曲线形状大致相似。将两曲线相比较，得到Tv与t的相应值，进而求得Cvl方法：时间对数法、时间平方根法饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论n渗透固结理论是针对土这种多孔多相松散介质渗透固结理论是针对土这种多孔多相松散介质,建建立起来的反映土体变形过程的基本理论。土力学立起来的反映土体变形过程的基本理论。土力学的创始人的创始人TerzaghiTerzaghi教授于教授于2020世纪世纪2020年代提出饱和年代提出饱和土的一维渗透固结理论土的一维渗透固结理论物理模型物理模型 太沙基一维渗透固结模型太沙基一维渗透固结模型数学模型数学模型 渗透固结微分方程渗透固结微分方程方程求解方程求解 理论解答理论解答固结程度固结程度 固结度的概念固结度的概念一维渗流固结理论一维渗流固结理论Terzaghi一维渗流固结模型一维渗流固结模型l 实践背景：大面积均布荷载实践背景：大面积均布荷载侧限状态的简化模型侧限状态的简化模型pz=p不透水不透水岩层岩层饱和饱和压缩层压缩层pK0pK0pF处于侧限状态，渗流和土体的变形只沿竖向发生处于侧限状态，渗流和土体的变形只沿竖向发生p不变形不变形的钢筒的钢筒饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论钢筒钢筒弹簧弹簧 水体水体 带孔活塞带孔活塞 活塞小孔大小活塞小孔大小渗透固结过程渗透固结过程初始状态初始状态边界条件边界条件相间相互作用相间相互作用物理模型物理模型p侧限条件侧限条件 土骨架土骨架 孔隙水孔隙水 排水顶面排水顶面 渗透性大小渗透性大小土体的固结土体的固结p饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论Terzaghi一维渗流固结模型一维渗流固结模型p附加应力附加应力:z=p超静孔压超静孔压:u=z=p有效应力有效应力:z=0附加应力附加应力:z=p超静孔压超静孔压:u 0附加应力附加应力:z=p超静孔压超静孔压:u=0有效应力有效应力:z=p饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论Terzaghi一维渗流固结模型一维渗流固结模型1.1.土层是均质且完全饱和土层是均质且完全饱和2.2.土颗粒与水不可压缩土颗粒与水不可压缩3.3.水的渗出和土层压缩只沿竖向发生水的渗出和土层压缩只沿竖向发生4.4.渗流符合达西定律且渗透系数保持不变渗流符合达西定律且渗透系数保持不变5.5.压缩系数压缩系数a a是常数是常数6.6.荷载均布荷载均布,瞬时施加，瞬时施加，总应力不随时间变化总应力不随时间变化u 基本假基本假定定u 基本变基本变量量总应力总应力已知已知有效应力原理有效应力原理超静孔隙水压超静孔隙水压力的时空分布力的时空分布饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论数数 学学 模模 型型u0=pt=0u=p z=0t=u=0 z=pzu0t u0p 不透水岩层不透水岩层z排水面排水面Hu：超静孔压：超静孔压z：有效应力：有效应力p：总附加应力：总附加应力u+z=ppF土层超静孔压是土层超静孔压是z z和和t t的函数，渗流固的函数，渗流固结的过程取决于土层可压缩性（总排结的过程取决于土层可压缩性（总排水量）和渗透性（渗透速度）水量）和渗透性（渗透速度）饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论数数 学学 模模 型型p 不透水岩层不透水岩层z排水面排水面Hu0=pu：超静孔压：超静孔压z：有效应力：有效应力p：总附加应力：总附加应力u+z=pu0：初始超静孔压：初始超静孔压zdz微单元微单元t时刻时刻dz11微小单元（微小单元（11dz）微小时段（微小时段（dt）土的压缩特性土的压缩特性 有效应力原理有效应力原理 达西定律达西定律渗流固结渗流固结基本方程基本方程土骨架的体积变化土骨架的体积变化孔隙体积的变化孔隙体积的变化流入流出水量差流入流出水量差连续性连续性条件条件zu饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论数数 学学 模模 型型固体体积：固体体积：孔隙体积：孔隙体积：dtdt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dz11z饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论数数 学学 模模 型型dtdt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达西定律达西定律:土的压缩性：土的压缩性：有效应力原理：有效应力原理：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u-超静孔压超静孔压饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论数数 学学 模模 型型uCv 反映土的固结特性：孔压消散的快慢固结速度反映土的固结特性：孔压消散的快慢固结速度uCv 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；u单位：单位：cm2/s；m2/year，粘性土一般在，粘性土一般在 10-4 cm2/s 量级量级F 固结系数固结系数:饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论数数 学学 模模 型型方程求解方程求解 -解题思路解题思路反映了超静孔压的消散速度与孔压沿竖向的分布有关反映了超静孔压的消散速度与孔压沿竖向的分布有关是一线性齐次抛物型微分方程式与热传导扩散方程形是一线性齐次抛物型微分方程式，与热传导扩散方程形式上完全相同，一般可用分离变量方法求解式上完全相同，一般可用分离变量方法求解其一般解的形式为：其一般解的形式为：只要给出定解条件，求解渗透固结方程，可得出只要给出定解条件，求解渗透固结方程，可得出u(z,t)u(z,t)F 渗透固结微分方程：渗透固结微分方程：饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论p 不透水不透水z排水面排水面Hzuu：超静孔压：超静孔压z：有效应力：有效应力p：总附加应力：总附加应力u0：初始超静孔压：初始超静孔压ou+z=p u0=pzuz=p0 z H:u=pz=0:u=0z=H:u z 0 z H:u=0初始条件初始条件 边界条件边界条件饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论方程求解方程求解 边界条件边界条件p 不透水不透水z排水面排水面Hzuo 微分方程：微分方程：初始条件和边界条件初始条件和边界条件为无量纲数，称为时间因数，为无量纲数，称为时间因数，反映超反映超静孔压消散的程度也即固结的程度静孔压消散的程度也即固结的程度 方程的解：方程的解：饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论方程求解方程求解 方程的解方程的解渗流渗流z zu u0 0=p=p不透水不透水排水面排水面HTv=0Tv=0.05Tv=0.2Tv=0.7Tv=F从超静孔压分布从超静孔压分布u-z曲线的曲线的移动情况可以看出渗流固结移动情况可以看出渗流固结的进展情况的进展情况Fu-z曲线上的切线斜率反映曲线上的切线斜率反映该点的水力梯度水流方向该点的水力梯度水流方向思考：思考：两面排水时如何计算？两面排水时如何计算？饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论方程求解方程求解 固结过程固结过程 方程的解：方程的解：渗流渗流排水面排水面H渗流渗流z z排水面排水面HTv=0Tv=0.05Tv=0.2Tv=0.7Tv=u u0 0=p=p 双面排水的情况双面排水的情况u上半部和单面排水的上半部和单面排水的解完全相同解完全相同u下半部和上半部对称下半部和上半部对称饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -一维渗流固结理论一维渗流固结理论方程求解方程求解 固结过程固结过程饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -固结系数确定方法固结系数确定方法固结系数确定方法固结系数确定方法F固结系数固结系数 Cv为反映固结速度的指标为反映固结速度的指标,Cv 越越大，固结越快，确定方法有四种：大，固结越快，确定方法有四种：直接计算法直接计算法 直接测量法直接测量法 时间平方根法时间平方根法经验方法经验方法 时间对数法时间对数法经验方法经验方法n 固结方程固结方程：直接计算法直接计算法Fk k与与a a均是变化的均是变化的FC Cv v在较大的应力范围内接近常数在较大的应力范围内接近常数F精度较低精度较低u 压缩试验压缩试验 a au 渗透试验渗透试验 k k饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -固结系数确定方法固结系数确定方法直接测量法直接测量法u 压缩试验压缩试验 S-tS-t曲线曲线u 因为因为 Ut=90%Tv=0.848F由于次固结，由于次固结，S不易确定不易确定F存在初始沉降，产生误差存在初始沉降，产生误差饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -固结系数确定方法固结系数确定方法SOS90AS60FU Ut t 60%60%时二线基本重合，之时二线基本重合，之后逐渐分开后逐渐分开F按按(2)式，式，U=0.9F按按(1)式式，U=0.9时间平方根法时间平方根法 校正初始沉降误差校正初始沉降误差去除次固结影响去除次固结影响饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -固结系数确定方法固结系数确定方法SOS90Au绘制压缩试验绘制压缩试验S-t1/2 曲线曲线u做做近近似似直直线线段段的的延延长长线线交交S轴轴于于S0，即即为为主主固固结结的的起起点点，dS为的初始压缩量为的初始压缩量u从从S0作作直直线线S0A，其其横横坐坐标标为直线为直线的的1.15倍倍u直直线线S0A与与试试验验曲曲线线之之交交点点A所对应的所对应的t值为值为t90dSS0饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 -固结系数确定方法固结系数确定方法时间平方根法时间平方根法时间对数法？自学仪器机械空隙等变形标定仪器机械空隙等变形标定仪器变形量仪器变形量试验过程中要注意的问题试验过程中要注意的问题砝码代表压力和加压顺序砝码代表压力和加压顺序试验过程中要注意的问题试验过程中要注意的问题百分表如何读？百分表初始设定值？4 级压力：50、100、200、400kPa 快速法 校正系数试验过程中要注意的问题试验过程中要注意的问题