土的压缩性与固结理论.ppt

第四章,土的压缩性和地基 沉降计算,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,Tv=0.05,Tv=0.2,Tv=0.7,Tv=,Tv=0,Tv=0.05,Tv=0.2,Tv=0.7,Tv=,三、固结系数确定方法,固结系数 Cv反映固结速度的指标, Cv 越 大，固结越快。,时间平方根法经验方法,O,S,S90,S0=0,O,A,一维固结与多维固结的比较,一维固结 渗流：仅在竖直方向发生 变形：仅在竖直方向发生 土中总应力：不变 土中孔隙水压力：逐渐减小 土中有效应力：逐渐增加 土的强度：逐渐提高,多维(二维、三维)固结 渗流：竖直、水平向均可发生 变形：竖直、水平向均可发生 土中总应力：不均匀变化 土中孔隙水压力：逐渐减小 土中有效应力：逐渐增加 土的强度：逐渐提高,第五结 地基容许沉降量与减小沉降危害的措施,一、地基的变形特征 1.沉降量：基础某点的沉降值 2.沉降差：基础两点或相邻柱基中点的沉降量之差 3.倾斜：基础倾斜方向两端点沉降差与其距离的比例 4.局部倾斜：砌体承重结构纵向610m内基础两点的 沉降差与其距离的比值 二、建筑物对变形的设计要求 地基沉降量的某一特征值不能超过规范规定的容许值(见表410)。即 ,三、沉降过大对建筑物可能产生的危害,开裂、倾斜、渗漏(水、气) 、倒塌 有损正常使用 有损外观,四、减小沉降危害的主要措施,1.建筑措施 (1).建筑物的体型应力求简单 避免平面形状复杂(L、T、形) 高低、轻重不要变化太大 (2)控制长高比及合理布置墙体 长高比一般不超过2.53 纵墙刚度一般较弱，应予以加强 内外纵、横墙尽量贯通，避免中断、转折 (3)设置沉降缝 沉降缝将建筑物分割层独立的单元，可有效防止不均匀沉降产生的危害,(4)相邻建筑物基础间应保持适当的间距（避免附加应力叠加） (5)调整某些设计标高 提高室内地坪或地下设施的标高 提高沉降较大部分的标高 管道贯穿建筑物时，应预留足够