土的压缩性及地基变形

1、 土的压缩性及地基变形一、 学习基本要求1知识点与教学要求1.1土的压缩性及压缩量计算掌握压缩试验原理及其压缩性指标，掌握土的单向压缩的计算公式及适用条件。了解影响土的压缩性的主要因素，了解土的弹性变形和塑性变形的概念，了解应力历史对土压缩性的影响。1.2基础沉降的计算掌握用ep曲线计算沉降量和沉降差的方法。理解用elgp曲线计算沉降量。了解规范法计算沉降量的原理。1.3饱和粘性土地基的单向渗透固结理论掌握固结度的概念及其用UTv曲线计算某一时刻的沉降量St。了解饱和粘性土地基单向渗透固结理论。2能力培养要求2.1用分层总和法计算地基的最终沉降量和沉降差。2.2用UTv曲线计算不同应力分布状态

2、下某一时刻的沉降量St。二、考核知识点1、土的压缩性1.1有效应力原理（1）有效应力与孔隙水应力的概念；（2）有效应力原理表达方法；（3）利用有效应力原理计算一点的有效应力和孔隙水应力。1.2侧限压缩实验（1）压缩实验的条件；（2）根据实验资料计算孔隙比的原理；（3）ep曲线和elgp曲线的绘制方法，及其作用；（4）土的回弹变形和残余变形的概念及对土的工程性质的影响。1.3压缩指标（1）压缩系数与压缩模量的概念及特点；（2）压缩系数与压缩模量的关系，计算方法；（3）压缩指数的概念及特点；（4）现场原位测试压缩性的方法；（5）三种固结状态土的概念及对土压缩性的影响，先期固结压力的确定方法。2.地

3、基最终沉降量2.1分层总和法(1)计算原理及单一压缩土层的计算公式；（2）公式S= 中各符号的含义及获取方法；（3）地基分层计算的原则及分层方法；（4）计算深度的确定方法。2.2用现场压缩曲线计算地基最终沉降量（1）正常固结土的变形计算公式中各符号的含义和获取方法；2.3“规范法”计算地基变形量（1）公式的计算原理，各符号的含义和获取方法；（2）计算深度的控制方法；（3）沉降量经验系数s的影响因素3.饱和粘性土的单向渗透固结理论3.1饱和土单向渗透固结模型（1）单向渗透固结的概念；（2）超静水应力的概念及产生条件；（3）模型中的有效应力、超静水应力与时间的关系；（4）渗透固结的实质。3.2饱和

4、土的单向固结理论（1）单向渗透固结的基本假定；（2）平均固结度的概念和几种情况的平均固结度计算方法；（3）固结系数Cv和时间因数Tv的影响因素；（4）沉降与时间关系中的两种计算情况（既固结历时t或固结度Ut的计算）；（5）两面排水与单面排水的关系。三、考点分析1.基本概念1.1土的压缩性土在压缩作用下体积缩小的特性。土的压缩可以认为是由孔隙体积减小而使水和气体向外排出产生的土体压缩变形。1.2有效应力通过土颗粒传递的应力称有效应力。1.3 孔隙水应力和超静水应力通过孔隙水传递的应力称孔隙水应力，孔隙水应力可分为静水应力和超静水应力；超静水应力是外荷载引起的孔隙水中超过静水压力的部分水应力，它是

5、由于外荷载而引起的，一般随时间的增长逐渐消失。1.4侧限压缩模量与变形模量土在侧向不产生变形时，竖向附加应力增量z和相应竖向变形z的比值，即。土的压缩模量与其他建材的弹性模量相似，但有所不同。变形模量是在无侧限条件下得到的模量E0。土的侧限压缩模量大于变形模量，变形模量E0与弹性模量相似，但有所不同。1.5固结与固结度土体的变形与其它材料不同，弹性材料的变形是瞬时完成。而土体的变形需要一个时间过程。土体的压缩变形随时间增长的过程称土的固结，在外力作用下土体的固结可分为主固结、次固结和瞬时固结。固结度是指土体在外荷载作用下压缩变形完成的程度。常用相应的变形量St和最终变形量S的比值表示，实际是有

6、效应力占总应力的比重。1.6先期固结压力pc土体在历史上曾受到过的最大固结压力称先期固结压力，根据先期固结压力pc和目前所受压力p0的关系可将土体分为正常固结土、超固结土和欠固结土。2.基本规律和基本原理2.1有效应力原理作用在饱和土体上的任何应力都可以通过土颗粒间的接触点传递（有效应力）或通过连通的孔隙水传递（孔隙水应力或中性应力）。也只有通过以上两种途径传递。其总应力等于有效应力与孔隙水应力即=+u，其中可以是自重引起的应力，也可是附加应力。由外荷引起的孔隙水应力称超静水应力，常随时间的增长而逐渐转化为有效应力，这就是饱和土体固结的实质。因此，饱和土体的超静水应力的变化也常引起土体强度的变

7、化。土体的固结和强度都只取决于有效应力的大小，孔隙水应力不会引起土体变形，也不能承受剪力作用。2.2土的压密定律（1）由于土粒及孔隙中水的体积缩小常可忽略不计，因此土体的变形只认为是孔隙体积的减小，所以常用土体孔隙比的变化来反映土体的变形大小。在侧限压缩试验中，可以分别测到在不同压力作用下试样所产生的变形量Si，可由初始孔隙比e0和土样初始高度Ho按下式计算相应的孔隙比ei。ei=e0-(1-e0)si/H0 （4-1）根据实验计算出的ei和相应的pi可以给出ep曲线或elgp曲线。（2）压缩曲线反映了土的压缩特性，不同的土具有不同形状的压缩曲线，曲线的陡缓程度反映了土体压缩性的大小。当压力变

8、化不大时，曲线可用割线代替，如图41，割线的斜率为：a = tan=e/p （4-2）式4-2被称为压密定律，a为压缩系数，反映了土的压缩性大小，但a并非常数，与p1和p的大小有关。因此，评价土体的压缩性必须用同一压力变化范围对应的a，工程中常以p1=100kPa和p2=200kPa所对应的a1-2作为判断土体压缩性大小的标准。由于elgp曲线的后部相当大的范围为直线变化，其直线段的斜率被称为压缩指数，用Cc表示。Cc= （4-3）（3）反映土体压缩性的指标有压缩系数a、压缩模量Es、压缩指数Cc以及变形模量E0等。一般压缩性大的土体其a、Cc均较大，Es和E0较小。2.3土的侧限压缩变形特点

9、（1）任何一级荷载作用下土体的变形有一个时间过程，如图42（a），其原因是在压力作用下土孔隙中的水、气体需排出来，土粒间需要调整。因此这一时间过程的长短取决于土孔隙的大小。砂土孔隙大，所需时间就短；粘土孔隙小，所需时间就长。土的压缩随压力增大而减小。（2）土的压缩变形包括弹性变形和塑性变形，如图42（b）。减压曲线和再压缩曲线都比原压缩曲线平缓，因此土的受荷历史直接影响土的压缩性。先期固结压力大的土体其压缩性较小，先期固结压力小的土体，其压缩性较大。所以欠固结土易变形，而超固结土不易变形。2.4饱和土体单向渗透固结原理（1）单向渗透固结理论的基本假定是：压缩是均质，各向同性的饱和土体；土颗粒和

10、水都称为不可压缩体；固结过程中渗透系数k和a称为常数；渗流只在铅直方向发生，渗透符合达西定律；外荷瞬时施加。（2）单向渗透固结过程即是土中超静水应力向有效应力转化的过程，超静水应力分布与时间和初始条件有关，任一时刻土体的平均固结度可用有效应力面积和总应力面积的比值表示，即：Ut= （4-4）3.基本方法3.1侧限压缩实验侧限压缩实验是室内测定土体压缩性的基本方法，常用的有标准压缩实验和快速压缩实验。标准压缩实验是在每级荷载作用下，让土体达到稳定后再施加新一级荷载，直至实验结束；快速压缩实验是每级荷载作用下一小时施加新的荷载，到最后一级荷载让土样达到稳定，具体方法见第二篇土工实验部分。3.2土体

11、压缩指标的测定方法土的压缩性可以取原状土在室内用侧限压缩法测定，也常在现场进行载荷实验或旁压实验测定土的压缩指标。现场载荷实验是根据分级加荷所测到的地基的变形量s，绘出ps关系曲线，据此求出2倍承载板深度范围内土体的压缩性（变形模量）。而旁压实验可以测定各种深度处土的变形特性。3.3前期固结压力及原始压缩曲线的确定方法前期固结压力常用卡萨格兰德图解法确定，如图43，具体方法见教材第四章，现场原始压缩曲线，是对室内压缩曲线修正，消除了取土扰动影响的土体压缩性曲线，根据它可以找出土体接近实际情况的压缩指数。因此，用elgp曲线法计算地基变形量是，需要绘出现场原始压缩曲线，从中求出相应的压缩指数Cc

12、和Cs。具体方法见教材第四章。3.4分层总和法计算地基最终沉降量（1）分层总和法计算地基变形是将地基分成若干薄层分别计算每一层的变形量。然后求和的方法。每层土的变形量计算是按基础中心点下土层的平均自重应力和附加应力。土层受荷前后的平均应力，由侧限压缩实验成果找出压缩前后的孔隙比e1和e2，按下列公式计算土层变形量Si。Si= （4-5）式中：e1i、e2i土层压缩前后的孔隙比，根据p1=平均自重应力、p2=平均自重应力与平均附加应力之和查ep曲线得到；H1i土层变形前的厚度。平均自重应力和平均附加应力的计算，一般是按计算土层的上层面和下层面的应力值取平均，所以在用式（45）时要先计算土层上下层

13、面处的自重应力和附加应力。需要注意的是p1是土层受荷前的固结应力，p2是土层受荷稳定后的固结应力，根据变形产生的原因来确定p1和p2。土层变形的原因可能是外荷作用，也可能是地基表面超载（如大面积填土），或者是土体的有效重度发生变化（如大面积降低地下水位）等。不同情况中p1和p2都具有不完全相同的内含，但变形都是由于有效应力增加而引起的。（2）分层总和法的土层分层有以下要求：自重应力应在计算土层内呈直线分布，所以土层的分界面和地下水位面处都是计算的分层面；不同压缩性的土体其ep关系不同，因此也要作为不同土层分别计算；在同一计算层内附加应力的分布要尽量接近直线，因此要求分层厚度不能太大，一般按基础

14、宽度的0.4倍考虑，而基础尺寸很大时，可按0.25倍考虑。（3）若将压缩系数和压缩模量的概念引入变形计算中，可以得以下变形计算公式：Si= （4-6）Si= （4-7）式中：ai、Esi计算土层的压缩系数和压缩模量；zi计算土层的平均附加应力；即土层附加应力的平均值。需要注意的是用式（46）和式（47）计算时，a和Es是对应于p1=变形前的固结应力，p2=变形后的固结应力所计算得的压缩系数和压缩模量。式中的ziH1i既是附加应力在计算土层中分布图形的面积。3.5规范推荐法计算地基变形（1）由公式（47）可知：某土层的变形量可用该层附加应力分布图形面积除以压缩模量得到。由于附加应力与附加应力系数

15、成正比例，所以变成了求附加应力系数的分布图形面积，简化后的变形公式为：S=S （4-8）式中：、分别为计算层上下层面以上至基底的附加应力系数平均值；zi、zi-1分别为基底至计算层上下层面的深度；s经验系数，可据地区观测资料确定。由此可以看出规范推荐法与分层总和法计算地基变形原理基本一致的，由于规范法较为准确地计算了附加应力分布图形面积，因此可以按天然分层面划分土层，无须考虑计算层内附加应力直线分布。（2）规范推荐法计算地基变形，其压缩厚度是用变形比来控制的，方法见教材第四章。在确定压缩层厚度时，既考虑了附加应力随厚度的分布，又考虑了土层压缩性的影响，方法较为合理。（3）公式中引进了经验系数s，实测资料证明，分层总和法计算的沉降量，对低压缩性土比实际偏大；对高压缩性土比实测偏小。3.6减少沉降危害的方法基础过大的沉降量或沉降差都会给建筑物带来很大危害，常用以下措施减小危害：减小建筑物基底附加应力，如采用轻型结构、轻型材料、尽量减少上部自重；减少填土；增设地下室。改变地基土的变形性能，采用地基处理，提高局部软弱土层的抗变形能力。调整基础形式及基础尺寸，增大埋深，必要时采用深基础。加大基础的刚度和强度；提高建筑物整体性，如设置圈梁、基础梁。设置沉陷缝，分期施工。先施工荷载较大的部位。简化建筑物平面布置，减少基础荷载差异。加强施工防护，防止土的性质发生变化。控制地面堆载范围和堆