第四章土压缩与固结一

1、第四章土压缩与固结一 本章提要本章提要 本章特点本章特点 学习难点学习难点 第四章：第四章：土的压缩性与固结土的压缩性与固结 土的压缩性土的压缩性 -测试方法和指标测试方法和指标 地基的最终沉降量地基的最终沉降量-分层总合法分层总合法 地基的沉降过程地基的沉降过程-饱和土渗流固结理论饱和土渗流固结理论 有一些较严格的理论有一些较严格的理论 有较多经验性假设和公式有较多经验性假设和公式 应力历史及先期固结压力应力历史及先期固结压力 不同条件下的总沉降量计算不同条件下的总沉降量计算 渗流固结理论及参数渗流固结理论及参数 第四章土压缩与固结一 4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 土的压缩性测试

2、方法土的压缩性测试方法 4.3 4.3 一维压缩性及其指标一维压缩性及其指标 4.4 4.4 地基的最终沉降量计算地基的最终沉降量计算 4.5 4.5 饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 第四章土压缩与固结一 自重应力压缩稳定自重应力压缩稳定 附加应力导致地基土体变形附加应力导致地基土体变形 体积变形 形状变形 由正应力引起，会使土的体积缩小压密，不会导致土体破坏 形状变形主要由剪应力引起，当剪应力超过一定限度时， 土体将产生剪切破坏，此时的变形将不断发展。通常在地 基中是不允许发生大范围剪切破坏的。 本章讨论重点 概概 述述 第四章土压缩与固结一 沉降：沉降： 在附加应力作用下，地

3、基土产生体积缩小，从而引在附加应力作用下，地基土产生体积缩小，从而引 起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降 某些特殊性土由于含水量的变化也会引起体积变形，某些特殊性土由于含水量的变化也会引起体积变形， 如湿陷性黄土地基，由于含水量增高会引起建筑物的如湿陷性黄土地基，由于含水量增高会引起建筑物的 附加下沉，称湿陷沉降。相反在膨胀土地区，由于含附加下沉，称湿陷沉降。相反在膨胀土地区，由于含 水量的增高会引起地基的膨胀，甚至把建筑物顶裂。水量的增高会引起地基的膨胀，甚至把建筑物顶裂。 第四章土压缩与固结一 除此之外某些大城市，如墨西哥、上海等由

4、于大量开除此之外某些大城市，如墨西哥、上海等由于大量开 采地下水使地下水位普遍下队从而引起整个城市的普采地下水使地下水位普遍下队从而引起整个城市的普 遍下沉。这可以用地下水位下降后地层的自重应力增遍下沉。这可以用地下水位下降后地层的自重应力增 大来解释。当然，实际问题也是很复杂的，还涉及工大来解释。当然，实际问题也是很复杂的，还涉及工 程地质、水文地质方面的问题。程地质、水文地质方面的问题。 第四章土压缩与固结一 如果地基土各部分的竖向变形不相同，则在基础的不如果地基土各部分的竖向变形不相同，则在基础的不 同部位会产生沉降差，使建筑物基础发生不均匀沉降。同部位会产生沉降差，使建筑物基础发生不均

5、匀沉降。 基础的沉降量或沉降差基础的沉降量或沉降差( (或不均匀沉降或不均匀沉降) )过大不但会降过大不但会降 低建筑物的使用价值，而且往往会造成建筑物的毁坏。低建筑物的使用价值，而且往往会造成建筑物的毁坏。 第四章土压缩与固结一 为了保证建筑物的安全和正常使用，我们必须预先对建筑为了保证建筑物的安全和正常使用，我们必须预先对建筑 物基础可能产生的最大沉降量和沉降差进行估算。如果建物基础可能产生的最大沉降量和沉降差进行估算。如果建 筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差，在规定的允许筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差，在规定的允许 范围之内，那么该建筑物的安全和正常使用一般是有保证范围之内，那

6、么该建筑物的安全和正常使用一般是有保证 的；否则，是没有保证的。对后一种情况，我们必须采取的；否则，是没有保证的。对后一种情况，我们必须采取 相应的工程措施以确保建筑物的安全和正常使用。相应的工程措施以确保建筑物的安全和正常使用。 第四章土压缩与固结一 基础沉降量或沉降差的大小首先与土的压缩性有关，易于基础沉降量或沉降差的大小首先与土的压缩性有关，易于 压缩的土，基础的沉降大，而不易压缩的土，则基础的沉压缩的土，基础的沉降大，而不易压缩的土，则基础的沉 降小。降小。 基础的沉降量与作用在基础上的荷载性质和大小有关。一基础的沉降量与作用在基础上的荷载性质和大小有关。一 般而言，荷载愈大，相应的基

7、础沉降也愈大；而偏心或倾般而言，荷载愈大，相应的基础沉降也愈大；而偏心或倾 斜荷载所产生的沉降差要比中心荷载为大。斜荷载所产生的沉降差要比中心荷载为大。 在这一章里，我们首先讨论土的压缩性；然后介绍目前工在这一章里，我们首先讨论土的压缩性；然后介绍目前工 程中常用的沉降讨算方法；最后介绍沉降与时间的关系。程中常用的沉降讨算方法；最后介绍沉降与时间的关系。 第四章土压缩与固结一 土的压缩变形问题土的压缩变形问题 土的压缩性与地基沉降计算土的压缩性与地基沉降计算 试验方法试验方法 压缩性指标压缩性指标 沉降的大小沉降的大小 沉降的过程沉降的过程 F土的压缩性测试方法土的压缩性测试方法 F一维压缩性

8、及其指标一维压缩性及其指标 F地基的最终沉降量计算地基的最终沉降量计算 F饱和土体的渗流固结理论饱和土体的渗流固结理论 第四章土压缩与固结一 土的压缩性测试方法土的压缩性测试方法 现场试验现场试验 荷载试验荷载试验 旁压试验旁压试验 三轴应力状态三轴应力状态 侧限压缩试验侧限压缩试验 三轴压缩试验三轴压缩试验 其他特殊试验其他特殊试验 室内试验室内试验 一维问题一维问题 第四章土压缩与固结一 F 固结容器：固结容器： 环刀、护环、导环、透水环刀、护环、导环、透水 石、加压上盖和量表架等石、加压上盖和量表架等 F 加压设备：杠杆比例加压设备：杠杆比例1:101:10 F 变形测量设备变形测量设备

9、 侧限压缩（固结）仪支架支架 加压设备加压设备 固结容器固结容器 变形测量变形测量 侧限压缩试验 第四章土压缩与固结一 常规三轴压缩试验常规三轴压缩试验 试样试样 围压围压 力力 3 阀门阀门阀门阀门 马达马达 横梁横梁 量力环量力环 百分表百分表 量水管量水管 孔压孔压 量测量测 类型类型 施加施加 3 3 施加施加 1 1- - 3 3 量测量测 固结固结 排水排水 固结固结排水排水体变体变 固结固结 不排水不排水 固结固结不排水不排水 孔隙水孔隙水 压力压力 不固结不固结 不排水不排水 不固结不固结不排水不排水 孔隙水孔隙水 压力压力 常用试验类型常用试验类型 第四章土压缩与固结一 一维

10、压缩性及其指标一维压缩性及其指标 F - p（或（或）曲线）曲线 F e p（或（或）曲线）曲线 F e lgp（或（或lg）曲线）曲线 F 先期固结压力先期固结压力 F 原位压缩曲线及原位再压缩曲线原位压缩曲线及原位再压缩曲线 由侧限压缩试由侧限压缩试 验整理得到的验整理得到的 三条常用曲线三条常用曲线 第四章土压缩与固结一 施加荷载，静置至施加荷载，静置至 变形稳定变形稳定 逐级加大荷载逐级加大荷载 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 n 侧限压缩试验侧限压缩试验 P1 s1 e1 e0 p t e s t P2 s2 e2 P3

11、 s3 e3 n 已知：已知： 试样初始高度试样初始高度H H0 0 试样初始孔隙比试样初始孔隙比e e0 0 n 试验结果：试验结果： 每级压力每级压力p p作用下，作用下， 试样的压缩变形试样的压缩变形S S 第四章土压缩与固结一 1 e0 e 孔隙孔隙 固体固体 颗粒颗粒 H0 S e e1 e1 SH H 0 0 0 0 00 H S )e1(ee 由三相草图：由三相草图： 可得到可得到e-p关系关系 Se 的关系 第四章土压缩与固结一 e-pe-p曲线曲线 e p 0100200 300 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 e e p(kPa) p e a F不同土的压缩系数不同

12、，不同土的压缩系数不同， a越大，土的压缩性越越大，土的压缩性越 大大 F同种土的压缩系数同种土的压缩系数a不不 是常数，与应力是常数，与应力p有关有关 F通常用通常用a1-2即应力范围为即应力范围为 100-200 kPa的的a值对不值对不 同土的压缩性进行比较同土的压缩性进行比较 n 压缩系数压缩系数 KPa-1，MPa-1 第四章土压缩与固结一 e-p曲线曲线压缩系数压缩系数a 土的类别土的类别a1-2 (MPa-1) 高压缩性土高压缩性土0.5 中压缩性土中压缩性土0.1-0.5 低压缩性土低压缩性土0.1 压缩系数压缩系数a1-2常用作常用作 比较土的压缩性大小比较土的压缩性大小 压

13、缩系数：压缩系数： p e a 0100200 300 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 e e p e p(kPa) 第四章土压缩与固结一 Es p n 体积压缩系数：体积压缩系数： mv p 1 Es 单位压应力变化引起的单位体积的体积变化（单位压应力变化引起的单位体积的体积变化（Kpa-1 ,Mpa-1） n 侧限压缩模量（侧限压缩模量（KPa ,Mpa） 土体无侧限变形条件下，竖向应力与竖向应变之比土体无侧限变形条件下，竖向应力与竖向应变之比 第四章土压缩与固结一 n 压缩系数压缩系数 n 侧限压缩模量侧限压缩模量 v s0 1a m E1e n 体积压缩系数体积压缩系数 压缩指

14、标间的关系压缩指标间的关系 1 e0 e 孔隙孔隙 固体固体 颗粒颗粒 e p Es p e a 0 e1 e 第四章土压缩与固结一 变形模量变形模量E E：无侧限条件下，应力与应变之比：无侧限条件下，应力与应变之比 变形模量与弹性模量的关系：变形模量与弹性模量的关系：EbE s b1 2m 2 1m m x z 0.5 b1 EE s 泊松比 第四章土压缩与固结一 z p z 初始初始 加载加载 卸载卸载 再加载再加载 一次一次 加载加载 n 卸载和再加载曲线卸载和再加载曲线 p F在试验曲线的卸载和再加在试验曲线的卸载和再加 载段，土样的变形特性同载段，土样的变形特性同 初始加载段明显不同

15、，前初始加载段明显不同，前 者的刚度较大者的刚度较大 F在再加载段，当应力超过在再加载段，当应力超过 卸载时的应力卸载时的应力 p时，曲线时，曲线 逐渐接近一次加载曲线逐渐接近一次加载曲线 F卸载和再加载曲线形成滞卸载和再加载曲线形成滞 回圈回圈 第四章土压缩与固结一 n 应力历史及影响应力历史及影响 n土体在历史上所承受过的土体在历史上所承受过的 应力情况（包括最大应力应力情况（包括最大应力 等）称为应力历史等）称为应力历史 z p z 初始初始 加载加载 卸载卸载 再加载再加载 p 应力历史的影响应力历史的影响 非常显著非常显著 F土样在土样在A和和B点所处的应力点所处的应力 状态完全相同

16、，但其变形状态完全相同，但其变形 特性差别很大特性差别很大 A B 第四章土压缩与固结一 1001000 0.6 0.7 0.8 0.9 e C Cc c 1 1 1 1 C Ce e p(kPa，lg) e-lgp曲线曲线 Ce 回弹指数回弹指数 （再压缩指数）（再压缩指数） Ce ps ：超固结土：超固结土 p pc c1OCR1：超固结超固结 OCR1OCRps, ,点点D(eD(e0 0,p,ps s) )位于再位于再 压缩曲线上压缩曲线上 F过过D D点作斜率为点作斜率为CeCe的直线的直线DBDB， DBDB为原位再压缩曲线为原位再压缩曲线 F以以0.420.42e e0 0在压缩

17、曲线上确定在压缩曲线上确定C C 点，点，BCBC为原位初始压缩曲线为原位初始压缩曲线 FDBCDBC即为所求的原位再压缩和即为所求的原位再压缩和 压缩曲线压缩曲线 n 推定方法推定方法 原位再压原位再压 缩曲线缩曲线 第四章土压缩与固结一 小小 结结 F - p（或（或）曲线）曲线 F e p（或（或）曲线）曲线 F e lgp（或（或lg）曲线）曲线 F 先期固结压力先期固结压力 F 原位压缩曲线及原位再压缩曲线原位压缩曲线及原位再压缩曲线 由侧限压缩试由侧限压缩试 验整理得到的验整理得到的 三条常用曲线三条常用曲线 第四章土压缩与固结一 单一土层一维压缩问题单一土层一维压缩问题 基本假定

18、：基本假定： 1、土粒本身的压缩忽略不计，土的压缩完全是孔隙、土粒本身的压缩忽略不计，土的压缩完全是孔隙 体积减少的结果；体积减少的结果； 2、土体无侧向变形，仅在竖向压缩；、土体无侧向变形，仅在竖向压缩； 3、土层均匀，在其厚度范围内，压力均匀分布、土层均匀，在其厚度范围内，压力均匀分布 第四章土压缩与固结一 sz sz H 2 H H/2 H/2 n 计算简图计算简图 p z=p 压缩前压缩前 1sz p 1 e 压缩后压缩后 2szz p 2 e （a a）e-pe-p曲线曲线 （b b）e-lgpe-lgp曲线曲线 1Vs 1 e e 1Vs 2 e 12 zv 11 eee 1e1e

19、 zv SHH 12 zv 1 ee SHHH 1e 第四章土压缩与固结一 n 计算公式：计算公式：e-pe-p曲线曲线 21 11 aa S(pp )HpH 1e1e s pHpH S EE b b 1221 eea(pp ) 单一土层一维压缩问题单一土层一维压缩问题 e e e e1 1 e e2 2 p p1 1 p p2 2 p p 12 zv 1 ee SHHH 1e p 自重应自重应 力状态力状态 附加应附加应 力状态力状态 pHpHSmSm v v 第四章土压缩与固结一 优点优点: : F可使用推定的原位压缩和再压可使用推定的原位压缩和再压 缩曲线缩曲线 F可考虑土层的应力历史，

20、区分可考虑土层的应力历史，区分 正常固结土和超固结土分别进正常固结土和超固结土分别进 行计算行计算 n 计算公式：计算公式：e-lgpe-lgp曲线曲线 单一土层一维压缩问题单一土层一维压缩问题 第四章土压缩与固结一 n 计算公式：计算公式：e-lgpe-lgp曲线曲线- -正常固结土正常固结土 单一土层一维压缩问题单一土层一维压缩问题 F可使用推定的原位可使用推定的原位 压缩曲线的压缩曲线的Cc值进值进 行计算：行计算： ) p p (lg e1 H C H e1 e S 1 2 1 c 1 12 zv 1 ee SHHH 1e 1 e 2 e B C e 1 p 2 p p(lg) 推定的原位推定的原位 压缩曲线压缩曲线 实验室试验结果实验室试验结果 Cc 第四章土压缩与固结一 S H 1e1 Celg( p c p1 )C