高等土力学5152.pptx

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,#,第,5,章 土的沉降与固结,5.1,概述,5.2,土的压缩与固结,5.3,地基沉降的计算方法,5.4,单向固结的普遍方程及太沙基,（,Terzaghi),固结理论,5.5,单向固结的复杂情况,5.6,土的三维固结,5.7,关于土体固结的其它问题简介,5.2,土的压缩与地基的沉降,5.2.1,压缩、沉降与固结,5.2.2,研究历史与发展,5.2.3,土的压缩的机理,5.2.4,土的压缩性的参数,5.2.5,影响土的压缩性的因素,5.2.6,引起地基沉降的原因,5.2.7,沉降的分类：瞬时沉降、固结沉降,和次固结沉降,压缩：平均应力,p,增加，使土的体积减少,(,体缩、收缩）,沉降：地基竖直向下的位移，主要是由于压缩引起的（也可能由于剪缩与形变）,固结：土体完成压缩变形要经历一段时间过程。对于饱和土，荷载增加时,引起孔隙水压力增加,部分孔隙水从土体中排出,土中孔隙水压力相应地转为土粒间的有效应力,土体一般是逐渐压缩（反之，应力解除一般引起膨胀）。直至变形趋于稳定。这一变形的全过程称为,固结,5.2.1,压缩、沉降与固结,5.2.2,研究历史与发展,压缩,1,.,单向压缩变形,分层总和法,2.,考虑三向变形的沉降计算,3.,考虑土的应力历史、应力路径等因素的沉降计算,4.,非线性弹性模型、弹塑性模型的有限单元法计算及其它,数值计算,方法,5.2.2,研究历史与发展,固结,1.,太沙基,(,Terzaghi,),的饱和土体一维固结理论：假设。,2.,太沙基与伦杜立克（,Rendulic,）的拟三向固结方程，其中假设了固结过程中总应力（正应力之和）为常量。,3.,比奥,（,Biot,）,考虑了三向变形材料与孔隙压力的相互作用，导出比较完善的三向固结方程。,4.,比奥固结理论与各种本构模型的耦合。,5.,非饱和土的固结问题。,6.,非饱和土的流固耦合的渗流固结问题。,5.2.3,土中水的变化与土的压缩,土体变形一般是孔隙中流体体积变化的结果。,土中水重,W,w,饱和度变化；,孔隙比变化；,水容重变化,；,土粒容重变化,。,后二者是微不足道的。,土中水重的几种变化,1,4,3,2,（,1,）,e,与,S,r,均,为常量；稳定渗流。,（,2,）,S,r,为常量（,1,）,e,变化；饱和,土体的渗流固结问题。,（,3,）,e,为常量,S,r,变化；非饱和土体积恒定,时的排水（减小）或吸水（增大）。,（,4,）,e,与,S,r,均变化；非饱和土的压缩与膨胀,问题。,土中水总重量的几种变化,5.2.4,单向压缩试验的各种参数,压缩系数：,a,v,体积压缩压缩系：,m,v,（侧限）压缩模量：,E,s,压缩指数：,C,c,回弹（再压缩）指数：,C,e,次压缩系数：,C,5.2.4,单向压缩试验的各种参数,p,e,图,5,1,压缩系数与压缩模量,5.2.4,单向压缩试验的各种参数,lg p,e,图,5,2,压缩指数与回弹指数,次压缩系数,C,e,lg,t,时间,图,5,3,次压缩系数,1,）,土粒粒度、矿物成分和土体结构,粗粒土,在压力作用下，土粒,发生滑动与滚动，位移到,比较密实、更稳定的位置,如果压力较大，其压,缩有可能是部分土粒被压,碎,粗粒土的压缩一般比细,粒土的要小，但在高压时也能达到相当的量级。,细粒土,颗粒间的水膜被挤薄，,土粒间发生相对滑移达到较,密实状态，扁平薄土粒具有,弹性，在压力下产生挠曲变,形。,分散结构的粘土颗粒，,主要由于颗粒间的孔隙水,被挤出。,具絮凝结构的沉积粘土，,主要由于结构破坏和土粒发,生弹性挠曲。,1,土体本身性状,5.2.5,影响土的压缩性的因素,2,）有机质,（,1,）,泥炭（有机质含量大于,60,）；泥炭质土,（有机质含量,10%,60,）；垃圾土。,（,2,）,与龄期、降解有关。,（,3,）,含水率很高（,w,=,100,900,）。,（,4,）,孔隙比大（,e,=1.0,5.0,）。,（,5,）,比重,G,s,低。,（,6,）,液、塑限大。,（,7,）,渗透系数比较大：（,k,=10,3,10,5,cm/s,）。,（,8,）,水平渗透系数为垂直向的,1.5,3,倍。,（,9,）,这类土的压缩性极高，但固结较快。,3,）孔隙水,1,）,孔隙水中阳离子浓度高、价数高，结合水膜,薄，压缩性,(,大？小？,),。,（,2,）,如果土中含有膨胀性粘土矿物，当孔隙水中,的阳离子性质和浓度变化，使粘结水膜厚度减薄,时，土的膨胀性与膨胀压力均将减小；反之亦然。,2,环境因素,1,）应力历史 固结,2,）温度,对主固结有一定影响。,对于含有机质的土影响大。,对于次固结（蠕变）,影响大。,e,p,图,5,4,应力历史,:,正常固结土与超固结土,5.2.5,影响土的压缩性的因素,升温后压缩曲线下移；反之，则曲线上移。,（温度提高，水的黏性减小，易于压缩）,升温,降温,图,5,5,固结中的升温与降温,不同温度超固结有机质粘土的典型固结曲线,温度对次压缩（蠕变）曲线的影响,图,5,6,超固结有机土的固结曲线,5.2.6,引起地基沉降的原因,1.,建筑物荷重,2.,环境荷载,3.,其它环境原因,1.,建筑物荷重,土体形变,：,瞬时完成,压缩或者剪缩：土体固结时孔隙比（或者体积）发生变化,：,随时间而发展（固结）,图,5,7,体变与形变,2.,环境荷载,土体干缩,：,取决于土体失水后的性质。易形成硬壳层。,地下水位下降,：,土层有效应力（重量）增大，沉降随时间而发展：一些城市地面下沉。,3.,其它环境原因,（,1,）,振动,引起土粒重排列，甚至液化、震陷,：,视振动,性质与土的密度、含水量而异。,（,2,）土体浸水,湿陷或软化,结构破坏丧失粘聚力或结,构破坏、矿物软化。,（,3,）膨胀土遇水膨胀；失水收缩。,（,4,）地下,洞穴（土洞）及冲刷,：,不规则、有可能很严,重。,（,5,）化学或生物化学,腐蚀。,（,6,）矿井（采空区）、地下管道,垮塌、基坑开挖,：,可,能很严重。,（,7,）整体剪切、形变,蠕变、滑坡,，,不规则。,（,8,）冻融变形,：,随土的湿度与温度而变，不规则。,5.2.7,沉降的分类：瞬时沉降、固结沉降 和次固结沉降,S=S,i,+S,c,S,s,图,5,8,瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降,H,B,E,圆形荷载直径,B,1.,瞬时沉降,S,i,的确定,图,5,9,地基上的局部荷载,发生在加荷的瞬时。对于砂土，即是全部沉降；对于饱和粘土，即为不排水条件下土体形变引起的沉降（无体积变化）。,（,1,）与,H,/(,B/2),有关,一维压缩的假设条件,H,/,a,=0,；,（,2,）与泊松比,有关,0.5,，全部为瞬时沉降。,瞬时沉降,/,最终沉降,图,5,10,瞬时沉降的确定,(1),瞬时沉降的弹性理论算,弹性半无限空间,地面距集中荷载作用点距离,r,处的地面沉降,S,P,r,图,5,11,集中荷载的,瞬时沉降,（,2,）矩形均布荷载,q,柔性基础下的瞬时沉降,I,:,影响（修正）系数，与形状、计算点位置有关。,q,B,图,5,12,矩形均布荷载的瞬时沉降,修正系数,I,基础形状,计算点位置,中心,角，边,平均,方形,1.12,0.56,0.95,矩形，长宽比,L,/,B,=2,1.52,0.76,1.30,矩形，长宽比,L,/,B,=5,2.10,1.05,1.83,圆形,1.00,0.64,0.85,修正系数,I,的影响因素,（,3,）考虑地基有限厚度和基础埋深的瞬时沉降,0,：,考虑基础埋深,D,的修正系数；,1,：,考虑地基压缩层,H,的修正系数。,对于饱和粘土，泊松比,为,0.5,。,系数,0,与,1,取决于：,基础形状：圆、方、条,基础长宽比：,L,/,B,压缩层厚度,:,H,/,B,基础埋深,:,D,/,B,图,5,13,基础埋深和层厚的修正系数,（,4,）瞬时沉降的修正：由于设计地基土非弹性，可能屈服，除以小于,1,的修正系数,s,R,沉降比,S,R,，,取决于：,极限承载力,q,ult,与初始剪应力比,f,，,f,按下式计算,土层厚度,/,基础宽度,h,/,B,瞬时沉降的修正,S,R,h,/,B,=0.5,h,/,B,=1.0,h,/,B,=1.5,初始剪应力比,f,图,5,14,瞬时沉降的修正,S,R,瞬时沉降计算的程序,图,5,15,瞬时沉降计算的程序,2.,（主）固结沉降,S,c,（,1,）,土体在外荷作用下产生的超静水压力,u,。,（,2,）,迫使土中水外流，土孔隙减小。,（,3,）,形成的地面下沉。,（,4,）,由于孔隙水排出需要时间，固结沉降是时,间的函数。,（,5,）,它是饱和粘土沉降的主要部分。,3.,次压缩沉降,S,s,（,1,）它基本上发生在土中超静水压力完全消散,以后，是在恒定有效应力下的沉降。,（,2,）它源于土的流变性。,（,3,）时间引起的,“,等效超固结压力,”,称,拟似,先,期固结压力，它们可能是由于土承担恒定,长期荷载引起了次压缩等所导致的。,（,4,）或是风化与胶结，孔隙水水质变化（水中,离子改变）等。,次固结系数,C,图,5,16,次固结沉降的确定,t,，,t,c,从主固结过程开始起算的时间和主固结完成时的时间。,次固结沉降的计算,沉降计算,（,1,）,（,2,）,（,3,）,（,4,）,