土力学4压缩与固结.ppt

第四章,土的压缩性与 固结理论,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,建筑物立面高差过大,建筑物过长,4.1 概述,地基沉降,一致沉降 （沉降量）,差异沉降 （沉降差）,导致结果：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,土体的压缩性，以及荷载的作用，使得地基发生沉降。,影响因素： 荷载大小； 土的压缩特性； 地基厚度；,土的压缩性土体在压力的作用下体积缩小的特性,室外试验,室内试验,压缩性测试,侧限压缩,三轴压缩,荷载试验,旁压试验,本章主要内容,4.2土的压缩性测试方法及压缩性指标 4.2.1 土的压缩性测试方法 4.2.2 土的压缩性及其指标 4.3饱和土中的有效应力 4.4 饱和土体的渗透固结理论,4.2土的压缩性测试方法及压缩性指标,4.2.1 土的压缩性测试方法,侧限压缩试验,试样,水槽,内环,环刀,透水石,传压板,百分表,测定：轴向应力 轴向变形,*施加荷载， 静置至变形稳定 *逐级加大荷载,土变形的物理机制（原因）,弹性变形,塑性变形,体应变主要是由于孔隙体积变化引起的； 剪应变主要是由于土颗粒的大小和排列形态变化引起的。,本节主要内容：,一、e p 曲线、e lgP 曲线及土的压缩性指标,二、原始压缩曲线、回弹再压缩曲线,一、e - p曲线,压缩系数，KPa-1，MPa-1,侧限压缩模量,KPa ,MPa 变形模量？弹性模量？,称为压缩系数，KPa-1,a1-2常用作比较土的压缩性大小,单向压缩试验的各种参数的关系,a= mv(1+e0),Es= (1+e0)/a,Mv=1/Es,e - lgP曲线,压缩指数,Ce,回弹指数（再压缩指数）,Ce Cc， 一般Ce0.1-0.2Cc,e-lgP曲线：压缩曲线的另一种表达方式,特点：有一段较长的直线段,指标：,二、原始压缩曲线、回弹曲线及再压缩曲线,e,地下水位上升 土层剥蚀 冰川融化,引起卸载， 使土处于回弹状态,原状土的原位压缩曲线： 客观存在的，无法直接得到,lgP,压缩曲线,再压缩曲线,回弹曲线,4.3 饱和土有效应力原理,土,孔隙水,固体颗粒骨架,+,三相体系,孔隙气体,+,总应力,总应力由土骨架和孔隙流体共同承受,受外荷载作用,1.饱和土中的应力形态,PS,PSV,a,a,一、有效应力原理的基本概念,PS,A为土单元的断面积； Aw为孔隙水的断面积； As为颗粒接触点的面积且接近于0,a-a断面竖向力平衡：,因为,其中,所以,并且令有效应力=Psv/A,得出有效应力原理为：,2.饱和土的有效应力原理,（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力 可分为两部分 和u，,（2）土的变形与强度都只取决于有效应力,求得有效应力,总应力已知或易知,孔隙水压测定或算定,通常,通过,自重应力情况 （侧限应变条件）,二、饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,(1) 静水条件,地下水位,海洋土,毛细饱和区,(2) 稳定渗流条件,1.自重应力情况,(1) 静水条件,地下水位,=-u,u=wH2,u=wH2,=-u =H1+satH2-wH2 =H1+(sat-w)H2 =H1+H2,地下水位下降会引起增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因。,海洋土,(1)静水条件,wH1,wH1,=-u =wH1+satH2-wH =satH2-w(H-H1) =(sat-w)H2 =H2,毛细饱和区,(1)静水条件,毛细饱和区,+,-,H,h,砂层，承压水,粘土层 sat,H,h,砂层，排水,sat,(2) 稳定渗流条件两种形式：,向上渗流,向下渗流,土水整体分析,向上渗流:,向下渗流:,渗流压密,为渗透压力,所以,4.4 饱和土体的渗流固结理论,一、饱和土的渗透固结,二、一维渗流固结理论（Terzaghi渗流固结 理论）,三、固结系数的测定,本节主要内容：,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,土体的单向固结理论,不可压缩层,可压缩层,工程实践背景：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、饱和土的渗透固结,1、物理模型,p,p,p,附加应力:z=p 超静孔压: u =z=p 有效应力:z=0,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,二、Terzaghi一维渗流固结理论,2、数学模型,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；假定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。,基本假定：,求解思路：,总应力已知,有效应力原理,超静孔隙水压力的时空分布,建立方程：,微小单元（11dz） 微小时段（dt）,z,土骨架的体积变化 孔隙体积的变化 流出的水量,固体体积：,孔隙体积：,dt时段内,孔隙体积的变化流出的水量,达西定律:,Cv 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k成正比，与压缩系数a成反比； （cm2/s；m2/year）,固结系数,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uz,t。,方程求解：,（1）求解思路：,0 z H: u=p,z=0: u=0 z=H: uz,0 z H: u=0,（2）边界、初始条件：,z,(3) 微分方程的解,时间因数,m1，3，5，7,0 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,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,渗流,渗流,渗流,Tv=0,