4第四章－土的压缩与固结ppt课件

1、第第4章章 土的紧缩与固结土的紧缩与固结l概概 述述l土的紧缩特性土的紧缩特性l单向紧缩量公式单向紧缩量公式l地基沉降计算的地基沉降计算的ep曲线法曲线法l地基沉降计算的地基沉降计算的elgp曲线法曲线法l地基沉降与时间关系土的单向固结实际地基沉降与时间关系土的单向固结实际l普通条件下的地基沉降普通条件下的地基沉降第第1节节 概述概述第第1节节 概述概述沉降沉降在附加应力作用下，地基土将产生体积减少，从在附加应力作用下，地基土将产生体积减少，从而引起建筑物根底的竖直方向的位移或下沉而引起建筑物根底的竖直方向的位移或下沉 称为称为沉降。沉降。沉降差沉降差假设地基土各部分的竖向变形不一样，假设地基

2、土各部分的竖向变形不一样， 那么在那么在基基 础的不同部位将会产生沉降差，使建筑物根底发生不础的不同部位将会产生沉降差，使建筑物根底发生不均匀沉降。均匀沉降。 为保证建筑物的平安和正常运用，根底的沉降量和沉为保证建筑物的平安和正常运用，根底的沉降量和沉降差必需限制在保证建筑物平安的允许范围之内。降差必需限制在保证建筑物平安的允许范围之内。第第2节节 土的紧缩特性土的紧缩特性 书研讨的是饱和土体。书研讨的是饱和土体。一、土的紧缩与固结一、土的紧缩与固结固结固结-土的紧缩随时间增长的过程称为土土的紧缩随时间增长的过程称为土 的固结。的固结。 饱和土中孔隙水向外排出要有一个时间过程饱和土中孔隙水向外

3、排出要有一个时间过程，其排，其排出速率与土体的浸透性有关，即土的紧缩随时间出速率与土体的浸透性有关，即土的紧缩随时间而增长而增长。透水性强的土，孔隙水排出速率快；透水性弱。透水性强的土，孔隙水排出速率快；透水性弱的土，的土，孔隙水排出速率慢。砂土的固结可以为是瞬时完孔隙水排出速率慢。砂土的固结可以为是瞬时完成的，成的，而粘性土的固结那么随时间增长逐渐完成。而粘性土的固结那么随时间增长逐渐完成。二、土的紧缩性目的二、土的紧缩性目的一室内固结实验与紧缩曲线一室内固结实验与紧缩曲线用这种仪器进展实验时，由于刚性护环所限，试样只能用这种仪器进展实验时，由于刚性护环所限，试样只能在竖向产生紧缩，而不能产

4、生侧向变形，故称为单向固在竖向产生紧缩，而不能产生侧向变形，故称为单向固结实验或侧限固结实验。结实验或侧限固结实验。一室内固结实验与紧缩曲线一室内固结实验与紧缩曲线一室内固结实验与紧缩曲线一室内固结实验与紧缩曲线一室内固结实验与紧缩曲线一室内固结实验与紧缩曲线一室内固结实验与紧缩曲线一室内固结实验与紧缩曲线一室内固结实验与紧缩曲线一室内固结实验与紧缩曲线紧缩曲线反紧缩曲线反映了土受压映了土受压后的紧缩特后的紧缩特性。性。 1、ep曲线一室内固结实验与紧缩曲线一室内固结实验与紧缩曲线 2、elgp曲线二紧缩系数二紧缩系数二紧缩系数二紧缩系数三紧缩指数与回弹再紧缩指数三紧缩指数与回弹再紧缩指数三紧

5、缩指数与回弹再紧缩指数三紧缩指数与回弹再紧缩指数四其它紧缩性目的四其它紧缩性目的四其它紧缩性目的四其它紧缩性目的紧缩模量紧缩模量Es-定义为土体在无侧向变形条件下，定义为土体在无侧向变形条件下，竖向应力与竖向应变之比，即竖向应力与竖向应变之比，即Es=z /z，其大小，其大小等于等于1/mv或或1+e1 /av 。 Es的大小反映了土的大小反映了土体在单向紧缩条件下对紧缩变形的抵抗才干。体在单向紧缩条件下对紧缩变形的抵抗才干。变形模量变形模量E-表示土体在无侧限条件下应力与应表示土体在无侧限条件下应力与应变之比，相当于理想弹性体的弹性模量，但是由变之比，相当于理想弹性体的弹性模量，但是由于土体

6、不是理想弹性体，故称为变形模量。于土体不是理想弹性体，故称为变形模量。E的的大小反映了土体抵抗弹塑性变形的才干。大小反映了土体抵抗弹塑性变形的才干。五应力历史对粘性土紧缩性的影响五应力历史对粘性土紧缩性的影响1.根本概念根本概念应力历史应力历史-就是土体在历史上曾经遭到过就是土体在历史上曾经遭到过的应力形状。的应力形状。固结应力固结应力-是指可以使土体产生固结或紧是指可以使土体产生固结或紧缩的应力。就地基土而言，可以使土体产生缩的应力。就地基土而言，可以使土体产生固结或紧缩的应力主要有两种：其一是土的固结或紧缩的应力主要有两种：其一是土的自重应力；其二是外荷在地基内部引起的附自重应力；其二是外

7、荷在地基内部引起的附加应力。加应力。1.根本概念根本概念l前期固结应力前期固结应力-将土在历史上曾遭到过将土在历史上曾遭到过的的l 最大有效应力称为前期固结应力，以最大有效应力称为前期固结应力，以pc表示。表示。l超固结比超固结比-把前期固结应力与现有有效把前期固结应力与现有有效应力应力l po之比定义为超固结比，以之比定义为超固结比，以OCR表表示，即示，即OCR=pc/ po。2.天然土层的固结形状天然土层的固结形状l当当OCR=1时，该土是正常固结土。时，该土是正常固结土。2.天然土层的固结形状天然土层的固结形状l当当OCR1时，那么为超固结土。时，那么为超固结土。2.天然土层的固结形状

8、天然土层的固结形状 假设土在自重应力假设土在自重应力po作作用下尚未完全固结，这用下尚未完全固结，这种土称为欠固结土。对种土称为欠固结土。对欠固结土，其现有有效欠固结土，其现有有效应力即是历史上曾经遭应力即是历史上曾经遭到过的最大有效应力，到过的最大有效应力，因此，其因此，其OCR=1，故欠，故欠固结土实践上是属于正固结土实践上是属于正常固结土一类。常固结土一类。第第3节节 单向紧缩量公式单向紧缩量公式二、单向紧缩量公式二、单向紧缩量公式二、单向紧缩量公式二、单向紧缩量公式l根据根据av，mv和和Es的定义，上式又的定义，上式又可表示为：可表示为：第第4节节 地基沉降计算的地基沉降计算的ep曲

9、线法曲线法l一、分层总和法简介一、分层总和法简介l 上述公式是在土层上述公式是在土层均一且应力沿高度均均一且应力沿高度均匀分布假定下得到的。匀分布假定下得到的。但通常地基是分层的，但通常地基是分层的，自重应力和附加应力自重应力和附加应力也沿深度变化，所以也沿深度变化，所以不能直接采用上述公不能直接采用上述公式进展计算。式进展计算。一、分层总和法简介一、分层总和法简介一、分层总和法简介一、分层总和法简介 然后对每一分层分别计算其紧缩量Si，最后将各分层的紧缩量总和起来，即得地基外表的最终沉降量S，这种方法称为分层总和法。一、分层总和法简介一、分层总和法简介一、分层总和法简介一、分层总和法简介 对

10、于普通粘性土，当地基某深度的附加应力z 与自重应力s之比等于0.2时，该深度范围内的土层即为紧缩层；对于软粘土，以z/s=0.1为规范确定紧缩层的厚度。一、分层总和法简介一、分层总和法简介 分层总和法的根本思绪是：将紧缩层分层总和法的根本思绪是：将紧缩层范围内地基分层，计算每一分层的紧缩范围内地基分层，计算每一分层的紧缩量，然后累加得总沉降量。量，然后累加得总沉降量。 分层总和法有两种根本方法：分层总和法有两种根本方法： ep曲线法和曲线法和elgp曲线法。曲线法。二、用二、用ep曲线法计算地基的最终沉降量曲线法计算地基的最终沉降量二、用二、用ep曲线法计算地基的最终沉降量曲线法计算地基的最终

11、沉降量2将地基分层：将地基分层： 天然土层的交界面天然土层的交界面 地下水位地下水位 每层厚度控制在每层厚度控制在Hi=2m4m或或Hi0.4b，b为根底宽为根底宽度度二、用二、用ep曲线法计算地基的最终沉降量曲线法计算地基的最终沉降量3计算地基中土的计算地基中土的自重应力分布。自重应力分布。4计算地基中竖向计算地基中竖向附加应力分布。附加应力分布。5按算术平均求各按算术平均求各分层平均自重应力和分层平均自重应力和平均附加应力平均附加应力二、用二、用ep曲线法计算地基的最终沉降量曲线法计算地基的最终沉降量6求出第求出第i分层的紧分层的紧缩量。缩量。7最后将每一分层最后将每一分层的紧缩量累加，即

12、得的紧缩量累加，即得地基的总沉降量为：地基的总沉降量为： S= Si 【例题41】【例题41】 地基土的天然湿重度为20kN/m3，饱和重度为21kN/m3，土的紧缩曲线如图b所示。假设地下水位距基底2.5m，试求根底中心点的沉降量。【例题41】【例题41】2由于是均质土，且由于是均质土，且地下水位在基底以下地下水位在基底以下2.5m处，取分层厚度处，取分层厚度Hi=2.5m。3求各分层面的自重求各分层面的自重应力留意：从地面算应力留意：从地面算起并绘分布曲线见图起并绘分布曲线见图a。【例题41】【例题41】【例题41】l该根底为矩形，属空间问题，故运用该根底为矩形，属空间问题，故运用“角点法

13、角点法求解。为此，经过中心点将基底划分为四块求解。为此，经过中心点将基底划分为四块相等的计算面积，每块的长度相等的计算面积，每块的长度l1=5m，宽度，宽度b1=2.5m。中心点正好在四块计算面积的公共。中心点正好在四块计算面积的公共角点上，该点下恣意深度角点上，该点下恣意深度zi处的附加应力为任处的附加应力为任一分块在该点引起的附加应力的一分块在该点引起的附加应力的4倍，计算结倍，计算结果如下表：果如下表：【例题41】【例题41】【例题41】6计算各分层的计算各分层的平均自重应力和平平均自重应力和平均附加应力。均附加应力。 各分层的平均自重各分层的平均自重应力和平均附加应应力和平均附加应力计

14、算结果见下表力计算结果见下表【例题41】【例题41】7由图由图412(b)根据根据p1i= si和和p2i= si+ zi分分别查取初始孔隙别查取初始孔隙比和紧缩稳定后比和紧缩稳定后的孔隙比，结果的孔隙比，结果列于下表。列于下表。【例题】第第6节节 地基沉降与时间关系地基沉降与时间关系土的单向土的单向固结实际固结实际l饱和土体的紧缩是由于孔隙水的排出，孔隙体饱和土体的紧缩是由于孔隙水的排出，孔隙体积减少所致。排水速率将影响到土体紧缩稳定积减少所致。排水速率将影响到土体紧缩稳定所需的时间，而排水速率又直接与土的浸透性所需的时间，而排水速率又直接与土的浸透性有关，因此，土体在外荷载作用下的紧缩过程

15、有关，因此，土体在外荷载作用下的紧缩过程与时间有关。与时间有关。l工程设计中，有时不但需求预估建筑物根底能工程设计中，有时不但需求预估建筑物根底能够产生的最终沉降量，而且还经常需求预估建够产生的最终沉降量，而且还经常需求预估建筑物根底到达某一沉降量所需的时间或预估建筑物根底到达某一沉降量所需的时间或预估建筑物完工以后经过一定时间能够产生的沉降量。筑物完工以后经过一定时间能够产生的沉降量。如：如：第第6节节 地基沉降与时间关系地基沉降与时间关系土的单向土的单向固结实际固结实际l1.控制恣意时间相邻根底的沉降差；控制恣意时间相邻根底的沉降差；l2.控制施工进度。随时间增长，强度变大，而控制施工进度

16、。随时间增长，强度变大，而施工加荷速率要满足强度添加的要求；施工加荷速率要满足强度添加的要求；l3.合理预留施工超高桥梁、引水渠道等合理预留施工超高桥梁、引水渠道等l 超高超高开工后的稳定沉降量，等于最终沉开工后的稳定沉降量，等于最终沉降量减去开工时的沉降量降量减去开工时的沉降量l 即即S=S超超+S竣竣第第6节节 地基沉降与时间关系地基沉降与时间关系土的单向土的单向固结实际固结实际 一、单向固结模型一、单向固结模型 可见，饱和土的浸透固结也就是孔隙水压力逐渐散失可见，饱和土的浸透固结也就是孔隙水压力逐渐散失和有和有效应力相应增长的过程。效应力相应增长的过程。一、单向固结模型一、单向固结模型一

17、、单向固结模型一、单向固结模型 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散失、附加有效应力相应添加的过程，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，任一时辰任一深度上的应力一直遵照着有效应力原理，即p=u+ 。一、单向固结模型一、单向固结模型 因此，关于求解地基沉降与时间关系的问题，实践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。由于一旦某时辰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，根据上节引见的实际，求得该时辰的土层紧缩量。一、单向固结模型一、单向固结模型l留意：以后提到的由附加应力引

18、起的孔留意：以后提到的由附加应力引起的孔隙水隙水l应力和有效应力，都是指超静孔隙水应应力和有效应力，都是指超静孔隙水应力和附加力和附加l有效应力而言的。它们所表示的是土层有效应力而言的。它们所表示的是土层中孔隙水中孔隙水l应力和有效应力的增量，它们只与附加应力和有效应力的增量，它们只与附加应力有应力有l关，而土层中实践作用着的孔隙水应力关，而土层中实践作用着的孔隙水应力和有效应和有效应l力那么应包含原有孔隙水应力和有效应力那么应包含原有孔隙水应力和有效应力。力。二、太沙基二、太沙基Terzaghi单向固结实际单向固结实际l地基土层的单向固结地基土层的单向固结二、太沙基二、太沙基Terzaghi

19、单向固结实际单向固结实际二、太沙基二、太沙基Terzaghi单向固结实际单向固结实际3土的紧缩和固结仅在竖直方向发生；土的紧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，土的固结快慢孔隙水的向外排出符合达西定律，土的固结快慢决议于它的渗流速度；决议于它的渗流速度；二、太沙基二、太沙基Terzaghi单向固结实际单向固结实际5在整个固结过程中，土的浸透系数、紧缩系数等在整个固结过程中，土的浸透系数、紧缩系数等均视为常数；均视为常数；6地面上作用着延续均布荷载并且是一次施加的。地面上作用着延续均布荷载并且是一次施加的。二、太沙基二、太沙基Terzaghi单向固结实际单向固结实际二、太沙

20、基二、太沙基Terzaghi单向固结实际单向固结实际 根据渗流的延续条件(dt 内微分单元体的孔隙体积变化等于从微分单元体中排出的水量)，得固结微分方程如下：tuzuCv22cv土的固结系土的固结系数数aekcv)1 (1固结微分方程初始和边境条件为：固结微分方程初始和边境条件为：0 0 0 0 0 0 0 000uHztzuHztuztpuuHzt和和和和当二、太沙基二、太沙基Terzaghi单向固结实际单向固结实际)4/(1,222sin14vTmmtzeHzmmpuu运用分别变量法，可求的满足上述边境条件的特解如下：运用分别变量法，可求的满足上述边境条件的特解如下：tHCTvv2m正奇整

21、数正奇整数1，3，5； H固结土层最长排水间隔固结土层最长排水间隔(m)，单面排水取土层厚度，单面排水取土层厚度，双面排水取土层厚度的一半。双面排水取土层厚度的一半。三、固结度及其运用三、固结度及其运用三、固结度及其运用三、固结度及其运用三、固结度及其运用三、固结度及其运用当附加应力为沿竖向均匀分布时，当附加应力为沿竖向均匀分布时， 可见，土层的平均固结度是时间因数可见，土层的平均固结度是时间因数Tv的单值的单值函数，它与所加的附加应力的大小无关，但与土函数，它与所加的附加应力的大小无关，但与土层中固结应力的分布有关。层中固结应力的分布有关。三、固结度及其运用三、固结度及其运用l典型直线型附加

22、应力分布有典型直线型附加应力分布有5种，其中，种，其中，为一反映附为一反映附加应力分布形状的参数，定义为透水面上的附加应力加应力分布形状的参数，定义为透水面上的附加应力z与不透水面上附加应力与不透水面上附加应力z之比。因此，不同的附之比。因此，不同的附加应力分布，加应力分布， 值不同，式值不同，式4-35的解也不同，求的解也不同，求得的土层平均固结度当然也不一样。因此。虽然土层得的土层平均固结度当然也不一样。因此。虽然土层的平均固结度与附加应力大小无关，但与的平均固结度与附加应力大小无关，但与值有关，值有关，即与土层中附加应力的分布形状有关。即与土层中附加应力的分布形状有关。三、固结度及其运用

23、三、固结度及其运用l0.=1，适用于土层已在自重应力作用下固结，适用于土层已在自重应力作用下固结，根底底面积较大而紧缩层较薄的情况。根底底面积较大而紧缩层较薄的情况。l1. =0，相当于大面积新填土层由于外乡层自，相当于大面积新填土层由于外乡层自重应力引起的固结；或者土层由于地下水大幅重应力引起的固结；或者土层由于地下水大幅度下降，在地下水变化范围内，自重应力随深度下降，在地下水变化范围内，自重应力随深度添加的情况。度添加的情况。三、固结度及其运用三、固结度及其运用l2. =，基底面积小，土层厚，土层底面附加，基底面积小，土层厚，土层底面附加应力已接近应力已接近0的情况。的情况。l3. 1，附

24、加应力随深度添加而减少，但底层，附加应力随深度添加而减少，但底层的值不能忽略的情况。的值不能忽略的情况。三、固结度及其运用三、固结度及其运用三、固结度及其运用三、固结度及其运用三、固结度及其运用三、固结度及其运用2知土层的最终沉降量知土层的最终沉降量S，求土层产生某一，求土层产生某一沉降量沉降量St所需的时间所需的时间t。对于这类问题，首先。对于这类问题，首先求出土层平均固结度求出土层平均固结度U=St /S，然后从图中查，然后从图中查得相应的时间因数得相应的时间因数Tv，再按式，再按式t=H2 Tv /Cv求求出所需的时间。出所需的时间。三、固结度及其运用三、固结度及其运用l从上式从上式4-41可知，假设两土层的土质一样即可知，假设两土层的土质一样即Cv相等，附加应力的分布及排水条件也一样，只是土相等，附加应力的分布及排水条件也一样，只是土层厚度不同，那么两土层要到达