04 土的压缩性与地基沉降计算ppt课件

4土的压缩性与地基沉降计算Compressibilityofsoilandsettlementcalculationofthebasement,4.1概述4.2土的压缩性试验及指标4.3地基沉降实用计算方法4.4饱和粘性土地基沉降与时间的关系,4土的压缩性与地基沉降计算,地基土内各点除了承受自重应力外还要承受附加应力。地基将会产生体积变形和形状变形。土在外力作用下体积缩小的特性即为土的压缩性。土的压缩性特点：1.土的压缩主要由孔隙体积减少引起。饱和土可不予考虑。但土中水具有流动性，在外力作用下会沿土中孔隙排出，从而引起土体积减少而发生压缩。2.孔隙水的排出对于饱和粘性土需要时间。土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。基底地基土主要由于压缩而引起的竖直方向位移称为沉降。研究建筑物地基沉降包括：1.绝对沉降量的大小（最终沉降）;2.沉降与时间的关系。,4.1概述,4.2土的压缩性试验及指标,一、室内侧限压缩试验及压缩模量二、现场载荷试验及变形模量三、弹性模量及试验测定四、关于三种模量的讨论,土的压缩性高低，常用压缩性指标定量表示。压缩性指标，通常由工程地质勘察取天然结构的原状土样，进行室内侧限压缩试验测定。,4.2土的压缩性试验及指标,一、室内侧限压缩试验及压缩模量,(1)试验仪器,(2)试验方法室内侧限压缩试验亦称固结试验，主要用于饱和土。试验时用环刀切取钻探取得的保持天然结构的原状土样，由于地基沉降主要与土竖直方向的压缩性有关，且土石各向异性的，切土方向还应与天然状态时的垂直方向一致。常规压缩试验的加荷等级p为：50、100、200、300、400kPa.慢速压缩试验法（每级荷载要求恒压24h或当在1h内的压缩量不超过0.005mm)。实际工程采用快速压缩试验法（不要求达到变形稳定，每级荷载只恒压1-2h,只在最后一级荷载下才压缩至24h）。,4.2土的压缩性试验及指标,一、室内侧限压缩试验及压缩模量,(3)试验结果,一、室内侧限压缩试验及压缩模量,4.2土的压缩性试验及指标,(4)试验结果（孔隙比）的推导,4.2土的压缩性试验及指标,一、室内侧限压缩试验及压缩模量,(a)土的压缩系数,(5)土的压缩性指标,4.2土的压缩性试验及指标,由固结试验可绘制出e-p曲线（如图4.4）曲线的斜率可以反映出土的压缩性的大小，当压力变化范围不大时，可将曲线M1M2用割线来代替，用割线的斜率来表示土在这一段压力范围内的压缩性。,一般采用压力段由p1=100kPa增加到p2=200kPa时的压缩系数a1-2来评定土的压缩性如下：,0.1,0.5,高压缩性,中压缩性,低压缩性,4.2土的压缩性试验及指标,(a)土的压缩系数,由e-p曲线得到的侧限压缩指标-侧限压缩模量，简称压缩模量。定义为在完全侧限的条件下竖向应力增量与相应的应变增量的比值。,4.2土的压缩性试验及指标,(b)土的压缩模量Es,在室内固结试验中连续递增加压，得到常规的压缩曲线，如果加压到某一值后不再加压，而是逐级进行卸载直至零，并且测得各级卸载下的土样高度，换算成孔隙比，即可绘出卸载阶段的关系曲线，如右图，bc为回弹曲线。若接着重新逐级加压，测得土样的孔隙比，相应的可绘出再压缩曲线,(c)土的回弹再压缩曲线及回弹再压缩模量,4.2土的压缩性试验及指标,(d)室内压缩试验e-lgp曲线及有关指标,在压力较大部分，e-lgp关系接近直线，这是该方法区别于e-p曲线的独特优点。它通常用来整理有特殊要求的试验。试验时以较小的压力开始，采用小增量多级加荷，并加到较大的荷载为止，一般为12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200kPa.回弹指数（再压缩指数）Ce：卸载段和再压缩段的平均斜率。一般粘性土Ce（0.10.2）Cc.,4.2土的压缩性试验及指标,4.2土的压缩性试验及指标,(e)土的压缩指数Cc,由固结试验可绘制出e-logp曲线（如图4.5）e-logp曲线直线段的斜率用Cc表示，称为压缩指数,在图4-7的e-lgp曲线上，对应于曲线段过渡到直线段的某拐点的压力值是土层历史上所曾经承受过的最大固结压力，也就是土体在固结过程中所受到的最大有效应力，称为前期固结压力pc。它是了解土层应力历史的重要指标。,(f)前期固结压力,4.2土的压缩性试验及指标,图4-7卡萨格兰德经验作图法确定前期固结压力pc,1.正常固结土：自重应力p0=pc,土自重应力就是该土层历史上受过的最大有效应力。超固结比OCR=pc/p0=1.2.超固结土：p01.3.欠固结土：p0pc.该土层在自重作用下的固结尚未完成。如新近沉积粘土、人工填土等。由于沉积时间短，其OCR0,up,p=u+,4、时间t趋于无穷大：u=0,=p,2饱和土的渗流固结,从固结模型模拟的土体的固结过程可以看出：在某一压力作用下，饱和土的固结过程就是土体中各点的超孔隙水应力不断消散、附加有效应力相应增加的过程，或者说是超孔隙水应力逐渐转化为附加有效应力的过程，而在这种转化的过程中，任一时刻任一深度上的应力始终遵循着有效应力原理，即p=u+。因此，关于求解地基沉降与时间关系的问题，实际上就变成求解在附加应力作用下，地基中各点的超孔隙水应力随时间变化的问题。因为一旦某时刻的超孔隙水应力确定，附加有效应力就可根据有效应力原理求得，从而，根据上节介绍的压缩性理论，求得该时刻的土层压缩量。,2饱和土的渗流固结,一、基本假定：（1）土是均质、各向同性且饱和的；（2）土粒和孔隙水是不可压缩的，土的压缩完全由孔隙体积的减小引起；（3）土的压缩和固结仅在竖直方向发生；（4）孔隙水的向外排出符合达西定律，土的固结快慢决定于它的渗流速度；（5）在整个固结过程中，土的渗透系数、压缩系数等均视为常数；（6）地面上作用着连续均布荷载并且是一次施加的。,3太沙基一维渗流固结理论,不透水岩层上：均质、各向同性的饱和粘土层；连续均布荷载；粘土层与砂土层接触会处为透水层。,取一离透水层z处边长分为dx、dy、dz的微元体。由连续性条件:dt时间内微元体内的水量变化等于微元体内孔隙体积的变化，dQ=dV,二、固结微分方程的建立及求解：,如图4-24所示,3太沙基一维渗流固结理论,t时刻：顶面渗流速度：q底面渗流速度：,由达西渗透定律：,dt时间内净流出水量：,3太沙基一维渗流固结理论,所以有：,现计算微元体压缩量dV。由书上72页公式（4-4b)有：微元体t时刻垂直方向压缩量,所以有，dt时间内，微元体总压缩量为：,由第五个假设压缩系数不变，有,所以有，dt时间内，微元体总压缩量为：,3太沙基一维渗流固结理论,任何时刻t，任何位置z，土体中孔隙水压力u都必须满足（1-1）方程。反过来，在一定的初始条件和边界条件下，由（1-1）可以求解得任一深度z在任一时刻t的孔隙水应力的表达式。式（1-1）在一定的边界条件下可求得解析解：对于书中图4-26所示的土层和受荷情况，其初始条件和边界条件为,由于在固结过程中，外荷保持不变，因而在z深度处的附加应力也为常数，则有效应力的增加将等于孔隙水应力的减小,(1-1),(1-1)中，竖向固结系数：,3太沙基一维渗流固结理论,采用分离变量法求解：设m=1，3，5，,代入（1-1）有：,各阶分别相等，有：,3太沙基一维渗流固结理论,求得：,所以：,由初始条件：t=0时,3太沙基一维渗流固结理论,由于在0，H上正交，故可方便的求得各个Cm,(1-2),（一般取一项就足够了，即m=1),式（1-2）中，m正奇数（1，3，5.）；Tv时间因数。其中，H为最大排水距离，在单面排水条件下为土层厚度，在双面排水条件下为土层厚度的一半。,3太沙基一维渗流固结理论,式（1-2）表示图4-26所示的土层在单面排水、起始超孔隙水压力沿深度线性分布条件下，土体中孔隙水应力随时间、深度而变化的表达式。其中的可以描述起始超孔隙水压力线性分布情况。孔隙水应力是时间和深度的函数。任一时刻任一点的孔隙水应力可由式（1-2）求得。对于双面排水推导过程类同。,3太沙基一维渗流固结理论,三、固结度及其应用所谓固结度，就是指在某一附加应力下，经某一时间t后，土体发生固结或孔隙水应力消散的程度。对某一深度z处土层经时间t后，该点的固结度可用下式表示:,式中：u0初始孔隙水应力，其大小即等于该点的附加应力p；ut时刻该点的孔隙水应力。某一点的固结度对于解决工程实际问题来说并不重要，为此，常常引入土层平均固结度的概念，它被定义为,(1-3),或者,式中：st经过时间t后的基础沉降量；s基础的最终沉降量。,3太沙基一维渗流固结理论,土层的平均固结度是时间因数Tv的单值函数，它与所加的附加应力的大小无关，但与附加应力的分布形式有关。反映附加应力分布形态的参数：,对书中图426所示的问题，附加应力为（沿竖向）均匀分布,(1-2)式（取一项）代入式(1-3),定义为起始时透水面上的附加应力与不透水面上附加应力之比。,(1-4),3太沙基一维渗流固结理论,情况0，其附加应力在各深度外相同。其初始条件为：当t=0时，0zH，。据此，以=0代入式（1-4）可得,情况1，以=0代入式（1-4），同理可求得。,情况2-4，可由情况0和情况1通过简单叠加而得。,3太沙基一维渗流固结理论,地基沉降的理论计算结果往往实测资料不完全符合，因此从建筑物施工后掌握的沉降观测资料，根据起发展趋势来推测未来的沉降规律有重要的意义。,4利用观测资料推算后期沉降与时间的关系,介绍两种经验方法：,一、对数曲线法：,最终沉降量,二、双曲线法：,推算公式为：,推算公式为：,sd瞬时沉降sc固结沉降ss次固结沉降,5饱和软粘土地基沉降的三个阶段,饱和软粘土地基最终的沉降量从机理上来分析，是由三部分组成的，即：,一、瞬时沉降：,瞬时沉降是在施加荷载后瞬时发生的，在很短的时间内孔隙中的水来不及排出，因此对于饱和粘性土来说，沉降是在没有体积变形的条件下产生的，这种变形的实质是通过剪应变引起的侧向挤出，是形状变形。,5饱和软粘土地基沉降的三个阶段,大比例尺的室内实验及现场实测表明，可用弹性理论公式来计算瞬时沉降，即：,式中E，-弹性模量及泊松比,5饱和软粘土地基沉降的三个阶段,二、固结沉降：,固结沉降是在荷载作用下，孔隙水被逐渐挤出，孔隙水体积逐渐减小，从而土体压密产生体积变形而引起的沉降，是粘性土地基沉降最主要的部分,三、次固结沉降：,次固结沉降是指超孔隙水压力消散