土的压缩性剖析课件

1、学习情境二学习情境二 地基变形计算地基变形计算1土的压缩性剖析主要内容n任务一 土体压缩系数和压缩模量计算n任务二 土体固结试验指标的应用n任务三 分层总和法和规范法计算地基最终沉降n任务四 地基固结度计算2土的压缩性剖析 概 述n自重应力压缩稳定n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。3土的压缩性剖析 土在压力作用下体积缩小的特性称为土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性土的压缩性。n沉降：n 在附加应

2、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n 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。4土的压缩性剖析n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降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。n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。n

3、基础的沉降量或沉降差(或不均匀沉降)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。5土的压缩性剖析n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，则基础的沉降小。n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。n在这项任务里，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计算方法；最后介绍沉降与时间的关系。6土的压缩性剖析土的压缩性n 土的压缩性：土在压力作用下体积缩小的现象n 土体产生体积缩小的原因：(1) 固体颗粒的压缩(2) 孔隙水和

4、孔隙气体的压缩，孔隙气体的溶解(3) 孔隙水和孔隙气体的排出n 土的固结：土的压缩随时间而增长的过程显然，对于饱和砂土，饱和砂土，由于它的透水性强，在压力作用下孔隙中的水易于向外排出，固结很快就能完成而对于饱和粘土饱和粘土由于它的透水性弱，孔隙中的水不能迅速排出，因而固结需要很长时间才能完成7土的压缩性剖析由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触8土的压缩性剖析（墨西哥城）地基的沉降及不均匀沉降9土的压缩性剖析10土的压缩性剖析2.1 土的压缩性2.1.1 侧限压缩试验及e-p曲线压缩压缩：在外力作用下，土体体积缩小的现象。：在外力作用下，土体体积缩

5、小的现象。 1 1、土粒本身和孔隙中水的压缩变形；、土粒本身和孔隙中水的压缩变形； 2 2、孔隙气体的压缩变形；、孔隙气体的压缩变形； 3 3、孔隙中的水和气体有一部分向外排出。、孔隙中的水和气体有一部分向外排出。 固结固结：土的压缩随时间增长的过程。：土的压缩随时间增长的过程。11土的压缩性剖析饱和砂土透水性强，在压力作用下，固结很快完成饱和粘土透水性弱，在压力作用下，固结需要很长时间完成2.1.1.1 侧限压缩试验 研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法称为压缩试验，亦称固结试验。对一般工程来说，在压缩土层厚度较小的情况下，常用侧限压缩试验来研究土的压缩性12土的压缩性剖析13土的压缩性

6、剖析14土的压缩性剖析试样试样水槽水槽内环内环环刀环刀透水石透水石传压板传压板百分表百分表测定：测定：轴向应力轴向应力 轴向变形轴向变形侧限压缩试验 实验室测定突地压缩性主要装置为固结仪，不能产生侧向变形，只有竖向压缩。土的压缩是由于孔隙体积的减小所致，所以土的变形常用孔隙比e表示15土的压缩性剖析16土的压缩性剖析2.1.1.2 e-p曲线17土的压缩性剖析00000(1)svsssvh avvve vve010101h,hhsee11设土样初始高度为，土样受荷变形稳定后的高度为h，土样压缩量为s，即。若土样受压前初始孔隙比为则受压后孔隙比为 。a由于试验过程中土粒体积不变和在侧限条件下试验

7、使得图样的面积 不变，则根据实验过程中的基本物理量关系可以列出下式：1111sveavhheh00由于 及为不变量，则则恒为不变量，所以有1+e h11000(1)seeeh整理后可得18土的压缩性剖析3.1.2 压缩性指标ap(kp )0 0100100200200 3003004004000.60.60.70.70.80.80.90.91.01.0e eap(lgkp )，0.70.70.80.80.90.91.01.0e eepep曲线曲线elgpelgp曲线曲线19土的压缩性剖析2.1.2.1 压缩系数1221eeeappp e p 1p1e2p2eap(kp )0.60.60.70.

8、70.80.80.90.91.01.0epep曲线曲线压缩系数是表征土的压缩性的重要指标之一。压缩系数越大，表明土的压缩性越大20土的压缩性剖析曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高21土的压缩性剖析22土的压缩性剖析土的类别土的类别a a1-21-2 (mp (mpa a-1-1) )高压缩性土高压缩性土=0.5=0.5中压缩性土中压缩性土0.1-0.50.1-0.5低压缩性土低压缩性土0.10.1121 221eeeapp100 e p 1p1e2p2eap(kp )0.60.60.70.70.80.80.90.91.01.0e eepep曲线曲线,p1=1

9、00kpa,p2=200kpa,p1=100kpa,p2=200kpa23土的压缩性剖析2.1.2.2 压缩模量1121211111111zzzszzvveeeeaeeeaeeeam 压缩模量压缩模量e es s ：为土体在：为土体在无侧向变形无侧向变形条件下，竖向应力条件下，竖向应力 与竖向应变之比。与竖向应变之比。 孔隙孔隙 土粒土粒 e e1 1体积体积 1 1 1+e1+e1 1e e2 21+e1+e2 2z24土的压缩性剖析2.1.2.3 体积压缩系数体积压缩系数体积压缩系数m mv v：土体在单位应力作用下单位体积：土体在单位应力作用下单位体积 的体积变化。的体积变化。 1211

10、21111111111vveevmpvpeeeepepeae 孔隙孔隙 土粒土粒 e e1 1体积体积 1 1 1+e1+e1 1e e2 21+e1+e2 2p25土的压缩性剖析2.1.2.4 变形模量变形模量变形模量e e ：土体在：土体在无侧限无侧限条件下应力与应变之比。条件下应力与应变之比。 xxyzyyyxzzxyeeeeeezzen广义虎克定律26土的压缩性剖析n土的变形模量以载荷试验测定土的变形模量27土的压缩性剖析利用弹性力学公式反求地基土的变形模量：11201sbpen 载荷试验优点：试验结果能反映较大一部分土体的压缩性比钻孔取样在室内测试所受到的扰动要小得多土中应力状态在承

11、压板较大时与实际基础情况比较接近n 载荷试验缺点：试验工作量大费时久所规定的沉降稳定标准带有较大的近似性成果不易准确28土的压缩性剖析单向压缩试验的各种参数的关系单向压缩试验的各种参数的关系已知已知 求解求解a av vm mv ve es sa av v m mv v(1+e(1+e1 1) )(1+e(1+e1 1)/e)/es sm mv va av v /(1+e /(1+e1 1) ) 1/e1/es se es s(1+e(1+e1 1)/ a)/ av v1/m1/mv v 29土的压缩性剖析 2.2 地基最终沉降量计算（1 1）土的压缩完全是由于）土的压缩完全是由于孔隙体积减小

12、孔隙体积减小导致骨架变形的导致骨架变形的 结果，土粒本身的压缩可忽略不计；结果，土粒本身的压缩可忽略不计； 一、无侧向变形条件下单向压缩量计算假设一、无侧向变形条件下单向压缩量计算假设（2 2）土体仅产生）土体仅产生竖向压缩竖向压缩，而，而无侧向变形无侧向变形； （3 3）土层均质且在）土层均质且在土层厚度范围内，压力是均匀分布土层厚度范围内，压力是均匀分布的。的。 30土的压缩性剖析1211211211)1 ()1 ()1 (eeevevevevvvsss二、单一压缩土层单向压缩量公式二、单一压缩土层单向压缩量公式121vvhah asasvhahah体积体积sv2se v高度高度hs1se

13、 v1psv体积体积h高度高度1p1p31土的压缩性剖析1211eeshe121111eeeshhee111vvsasphmphphee体积体积sv2se v高度高度hs1se v1psv体积体积h高度高度1p1p32土的压缩性剖析三、分层总和法三、分层总和法 计算地基的沉降时，在计算地基的沉降时，在地基地基可能产生压缩的土层深度内可能产生压缩的土层深度内，按，按土的特性和应力状态的变化土的特性和应力状态的变化将地基分为若干（将地基分为若干（n n）层，假定）层，假定每一分层土质均匀且应力沿厚度每一分层土质均匀且应力沿厚度均匀分布，然后对每一分层分别均匀分布，然后对每一分层分别计算其压缩量计算

14、其压缩量s si i，最后将各分层，最后将各分层的压缩量总和起来，即得地基表的压缩量总和起来，即得地基表面的最终沉降量面的最终沉降量s s，这种方法称，这种方法称为为分层总和法分层总和法。33土的压缩性剖析8) 地基最终沉降量s 的分层总和法公式34土的压缩性剖析35土的压缩性剖析36土的压缩性剖析四、规范法四、规范法n由由建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范（gb500072002）提出提出 n分层总和法的另一种形式分层总和法的另一种形式 n沿用分层总和法的假设，并引入平均附加应力系数和地沿用分层总和法的假设，并引入平均附加应力系数和地基沉降计算经验系数基沉降计算经验系数 szzszsz

15、eadzedzes001附加应力面积附加应力面积深度深度z范围内的范围内的附加应力面积附加应力面积dzazz0附加应力通附加应力通式式z=k p0代入代入引入平均附引入平均附加应力系数加应力系数zpazkdzz00因此附加应力因此附加应力面积表示为面积表示为zpa0sezps0因此因此zkdzp0037土的压缩性剖析地基沉降计算深度地基沉降计算深度znzizzi-153 4612b第第n层层第第i层层38土的压缩性剖析沉降计算深度沉降计算深度zn应该满足应该满足)(1110iiiinisisszzepssniinss1025.0 当确定沉降计算深度下有软弱土层时，尚应向下继续计当确定沉降计算深

16、度下有软弱土层时，尚应向下继续计算，直至软弱土层中所取规定厚度的计算沉降量也满足上算，直至软弱土层中所取规定厚度的计算沉降量也满足上式，若计算深度范围内存在基岩，式，若计算深度范围内存在基岩，zn可取至基岩表面为止可取至基岩表面为止 当无相邻荷载影响，基础宽度在当无相邻荷载影响，基础宽度在130m范围内，基础中范围内，基础中点的地基沉降计算深度可以按简化公式计算点的地基沉降计算深度可以按简化公式计算)ln4 .05 .2(bbzn地基最终沉降量修正公式地基最终沉降量修正公式39土的压缩性剖析地基沉降计算中的有关问题地基沉降计算中的有关问题1.1.分层总和法在计算中假定不符合实际情况分层总和法在

17、计算中假定不符合实际情况 假定地基无侧向变形假定地基无侧向变形 计算结果偏小计算结果偏小采用基础中心点下土的附加应力和沉降采用基础中心点下土的附加应力和沉降 计算结果偏大计算结果偏大 2.2.分层总和法中附加应力计算应考虑分层总和法中附加应力计算应考虑: : 土体在自重作用下的固结程度、相邻荷载的作用土体在自重作用下的固结程度、相邻荷载的作用 3.3.基础埋置较深时，应考虑开挖基坑时地基土的回弹，建筑基础埋置较深时，应考虑开挖基坑时地基土的回弹，建筑 物施工时又产生地基土再压缩的情况物施工时又产生地基土再压缩的情况回弹再压缩影回弹再压缩影响的变形量响的变形量)(111iiiiniciccczz

18、eps计算深度取至计算深度取至基坑底面以下基坑底面以下5m，当基坑底，当基坑底面在地下水位面在地下水位以下时取以下时取10m40土的压缩性剖析 2.3 地基沉降与时间的关系一、土的渗透性kilhkvkiavaq 达西渗透定律达西渗透定律 41土的压缩性剖析i iv vo o砂土砂土i ib bi iv vo o密实粘土密实粘土v vcrcrvkivc ii iv vo o砾土砾土42土的压缩性剖析渗透系数的测定渗透系数的测定常水头试验法常水头试验法变水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验室内试验室内试验测定方法测定方法野外试验野外试验测定方法测定方法43土的压缩

19、性剖析渗透变形的形式渗透变形的形式流土流土：在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动：在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处。管涌：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通管涌：在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。它主要发生在砂砾土中。道中发生移动并被带出的现象。它主要发生在砂砾土中。44土的压缩性剖析流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土 土体局部范围的颗粒同时发生移土体局部范围的颗粒同时发生移动或局部土体表面隆起动或局部土体表面

20、隆起管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，只要渗透力足够大，可发生在任何土中可发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口45土的压缩性剖析二、有效应力原理0t t0 twph p pp phh 0

21、h p p附加应力附加应力:z=p 超静孔压超静孔压: u0 = z=p 附加有效应力附加有效应力: :z=0 附加应力附加应力:z=p 超静孔压超静孔压: u p 附加有效应力附加有效应力: : 0 0 z p附加应力附加应力:z=p 超静孔压超静孔压: u =0 附加有效应力附加有效应力: :z=p 46土的压缩性剖析 饱和土体在某一压力作用下的固结过程就是土体饱和土体在某一压力作用下的固结过程就是土体中各点的中各点的超静孔隙水应力不断消散超静孔隙水应力不断消散、附加有效应力相应增附加有效应力相应增加加的过程，或者说的过程，或者说超静孔隙水应力逐渐转化为有效应力超静孔隙水应力逐渐转化为有效

22、应力的的过程，而在转化过程中，任一时刻任一深度处的应力始终过程，而在转化过程中，任一时刻任一深度处的应力始终遵循遵循有效应力原理有效应力原理。 ,u孔隙水压力总应力有效应力47土的压缩性剖析 土中的应力按土体中土骨架和土中孔隙（水、土中的应力按土体中土骨架和土中孔隙（水、气）的应力承担作用原理或应力传递方式可分为气）的应力承担作用原理或应力传递方式可分为有效应有效应力力和和孔隙应（压）力孔隙应（压）力。有效应力有效应力由土骨架传递（或承担）的应力。由土骨架传递（或承担）的应力。孔隙应力孔隙应力由土中孔隙流体水和气体传递（或承担）的由土中孔隙流体水和气体传递（或承担）的 应力。应力。n当总应力保

23、持不变时，孔隙水应力和有效应力可以相互转化，即孔隙水应力减小（增大）等于有效应力的等量增加（减小）48土的压缩性剖析三、饱和土的一维固结理论 基本假定：1、土层是均质的、完全饱和的2、土粒和水是不可被压缩的3、水的渗出和土的压缩只沿竖向发生4、土中水的渗流服从达西定律5、渗透固结中，土的渗透系数和压缩系 数保持不变6、外荷一次瞬时施加49土的压缩性剖析 实践背景：大面积均布荷载实践背景：大面积均布荷载p p不透水岩层不透水岩层饱和压缩层饱和压缩层z=pp p侧限应力状态侧限应力状态 太沙基（太沙基（terzaghiterzaghi）单向固结理论）单向固结理论50土的压缩性剖析vdvm ddz

24、qqdqqdz dtqdtdzdtzzudd pududtt dvdqvvudvm ddzmdtdzt vuqmtz1 1whkuqvkikzz vuqmtz22vwwukukumtzzz 2222vwvukuuctmzzvwvkcm51土的压缩性剖析2 2 地基沉降与时间关系计算步骤地基沉降与时间关系计算步骤 （1 1）计算地基最终沉降量；）计算地基最终沉降量； （2 2）计算地基附加应力沿深度的分布；）计算地基附加应力沿深度的分布； （3 3）计算土层的竖向固结系数和时间因子；）计算土层的竖向固结系数和时间因子； （4 4）求解地基固结过程中某一时刻）求解地基固结过程中某一时刻t t沉降量

25、。沉降量。2vv/htct waekc)1 (vtutstts52土的压缩性剖析不透水层不透水层 粘土层粘土层 地面地面 p p砂土层砂土层 dzzdqq +dzdzqhz00wt = 0,h = uh hd dh h = =d dz zz zw wh h = = u u0t0t太沙基（太沙基（terzaghiterzaghi）单向固结理论）单向固结理论22vuuctz000000000tzhuputzhqztzhu 及时， 及时，故及时， 224141sin1,3,52vmtmm zupemmh2vvc tth53土的压缩性剖析固结度固结度：在某一附加应力下，经某一时间：在某一附加应力下，经

26、某一时间t t后，土体发生后，土体发生 固结或孔隙水应力消散的程度。固结或孔隙水应力消散的程度。 固结度及其应用固结度及其应用某一点的固结度某一点的固结度0001zuuuuuu 平均固结度平均固结度000000011hhhzhhhudzudzdzuu dzpdzpdztsus单向固结单向固结54土的压缩性剖析附加应力（沿竖向）均匀分布附加应力（沿竖向）均匀分布 00hu dzph2242218111,3,5vmtmuemm 224141sin1,3,52vmtmm zupemmh平均固结度平均固结度001hhudzupdz55土的压缩性剖析 土层的平均固结度是土层的平均固结度是时间因数时间因数t tv v的单值函数，它的单值函数，它与与所加的附加应力的大小无关所加的附加应力的大小无关，但，但与附加应力的分布形式与附加应力的分布形式有关有关。zz 定义为定义为透水面上的附加应力与不透水面上附加应力透水面上的附加应力与不透水面上附加应力之比。之比。 2242218111,3,