河海大学土力学4-第四章.ppt

河海大学水利水电工程学院,《土力学》之第四章,土的压缩性与地基沉降计算,本章提要 本章特点 学习难点,第四章：土的压缩性与地基沉降计算,土的压缩性 -测试方法和指标 地基的最终沉降量-分层总合法 地基的沉降过程-饱和土渗流固结理论 有一些较严格的理论 有较多经验性假设和公式 应力历史及先期固结压力 不同条件下的总沉降量计算 渗流固结理论及参数,土的压缩变形问题,土的压缩性与地基沉降计算,,,试验方法,压缩性指标,沉降的大小,沉降的过程,土的压缩性测试方法 一维压缩性及其指标 地基的最终沉降量计算 饱和土体的渗流固结理论,,,,§4.1 概述 §4.2 土的压缩性测试方法 §4.3 一维压缩性及其指标 §4.4 地基的最终沉降量计算 §4.5 饱和土体的渗流固结理论,第四章：土的压缩性与地基沉降计算,§4.1 概述,墨西哥某宫殿,左部：1709年 右部：1622年 地基：20多米厚粘土,工 程 实 例,问题： 沉降2.2米，且左右两部分存在明显的沉降差左侧建筑物于1969年加固,§4.1 概述,工 程 实 例,由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触,§4.1 概述,工 程 实 例,基坑开挖，引起阳台裂缝,§4.1 概述,,新建筑引起原有建筑物开裂,§4.1 概述,工 程 实 例,高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除,§4.1 概述,工 程 实 例,建筑物立面高差过大,,,,47m,,,,,,39,150,194,199,175,87,沉降曲线(mm),,工 程 实 例,建筑物过长：长高比7.6:1,§4.1 概述,§4.1 概述,压缩性测试,最终沉降量,沉降速率,§4.2 土的压缩性测试方法 §4.3 一维压缩性及其指标,一维压缩：基本方法 复杂条件：修正,一维固结 三维固结,室内：三轴压缩 侧限压缩 室外：荷载试验 旁压试验,§4.4 地基的最终沉降量计算,§4.5 饱和土体的渗流固结理论,概 述,,,,,,,主线、重点：一维问题！,§4.1 概述  §4.2 土的压缩性测试方法 §4.3 一维压缩性及其指标 §4.4 地基的最终沉降量计算 §4.5 饱和土体的渗流固结理论,第四章：土的压缩性与地基沉降计算,§4.2 土的压缩性测试方法,土的变形特性测定方法,§4.2 土的压缩性测试方法,,固结容器： 环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等 加压设备：杠杆比例1:10 变形测量设备,侧限压缩（固结）仪,支架,加压设备,固结容器,,变形测量,,§4.2 土的压缩性测试方法,,施加荷载，静置至变形稳定 逐级加大荷载,,,,侧限压缩试验,P1,s1,e1,e0,测定： 轴向压缩应力 轴向压缩变形,,§4.2 土的压缩性测试方法,侧限压缩试验,侧限变形（压缩）模量：,压缩曲线及特点,非线性 弹塑性,加载：,卸载和重加载：,,§4.2 土的压缩性测试方法,常规三轴与侧限压缩试验,应力应变关系曲线的比较,常规三轴： 存在破坏应力 侧限压缩试验： 不存在破坏应力 存在体积压缩极限,§4.2 土的压缩性测试方法,常规三轴与侧限压缩试验,变形模量 E 与侧限变形模量 Es间的关系,则:,E Es,,,虎克定律,侧限条件,§4.2 土的压缩性测试方法,土体变形的机理,土体的变形特性,土体的特点：散粒体,体应变主要由孔隙体积变化引起 剪应变主要由土颗粒的大小和排列形态变化引起,,§4.2 土的压缩性测试方法,土的本构模型,,,1,E,,,1-3,f,1,,,1-3,1,,,1,2,,,1-3,1,,,1,2,,,,3,4,线弹性-理想塑性,非线性弹性,弹塑性,,§4.1 概述  §4.2 土的压缩性测试方法  §4.3 一维压缩性及其指标 §4.4 地基的最终沉降量计算 §4.5 饱和土体的渗流固结理论,第四章：土的压缩性与地基沉降计算,§4.3 一维压缩性及其指标,一维压缩性及其指标, - p（或）曲线 e – p（或）曲线 e – lgp（或lg）曲线 先期固结压力 原位压缩曲线及原位再压缩曲线,,由侧限压缩试验整理得到的三条常用曲线,§4.3 一维压缩性及其指标,侧限压缩试验,已知： 试样初始高度H0 试样初始孔隙比e0,试验结果： 每级压力p作用下，试样的压缩变形S,§4.3 一维压缩性及其指标,,,,,侧限压缩试验,卸载和再加载曲线,在试验曲线的卸载和再加载段，土样的变形特性同初始加载段明显不同，前者的刚度较大 在再加载段，当应力超过卸载时的应力p时，曲线逐渐接近一次加载曲线 卸载和再加载曲线形成滞回圈,§4.3 一维压缩性及其指标,侧限压缩试验,应力历史及影响,土体在历史上所承受过的应力情况（包括最大应力等）称为应力历史,应力历史的影响非常显著,土样在A和B点所处的应力状态完全相同，但其变形特性差别很大,,§4.3 一维压缩性及其指标, - p曲线,初始加载Es 卸载和重加载Ee,体积压缩系数：,单位压应力变化引起的单位体积的体积变化,,侧限压缩（变形）模量 KPa ,MPa,§4.3 一维压缩性及其指标,侧限压缩试验,由三相草图：,可得到e-p关系,,§4.3 一维压缩性及其指标,,e-p曲线,,,不同土的压缩系数不同，a越大，土的压缩性越大 同种土的压缩系数a不是常数，与应力p有关 通常用a1-2即应力范围为100-200 kPa的a值对不同土的压缩性进行比较,压缩系数 KPa-1，MPa-1,§4.3 一维压缩性及其指标,e-p曲线–压缩系数a,压缩系数a1-2常用作比较土的压缩性大小,§4.3 一维压缩性及其指标,压缩系数,侧限压缩模量,体积压缩系数,压缩指标间的关系,,§4.3 一维压缩性及其指标,e-lgp曲线,Ce Cc， 一般Ce≈0.1-0.2Cc,特点：在压力较大部分， 接近直线段,指标：,,反映了土的应力历史,压缩指数,§4.3 一维压缩性及其指标,侧限压缩试验指标汇总,§4.3 一维压缩性及其指标,先期固结压力,先期固结压力：土层历史上所经受到的最大压力p,p= s：正常固结土 p s：超固结土 p s：欠固结土,OCR=1：正常固结 OCR1：超固结 OCR1：欠固结,,超固结比：,如土层当前承受的自重压力为s,,,相同s 时，一般OCR越大，土越密实，压缩性越小,,§4.3 一维压缩性及其指标,,,,,,,,e,,,,p(lg),正常固结土的原位压缩曲线：直线,正常固结土初始压缩曲线,,,,,,,,,,,,,§4.3 一维压缩性及其指标,在先期固结压力p附近发生转折，据此可确定p,先期固结压力,,AB：沉积过程，到B点应力为p BC：取样过程，应力减小，先期固结压力为p CD：压缩试验曲线，开始段位于再压缩曲线上，后段趋近原位压缩曲线,§4.3 一维压缩性及其指标,在e-lgp曲线上，找出曲率最大点m 作水平线m1 作m点切线m2 作m1,m2 的角分线m3 m3与试验曲线的直线段交于点B B点对应于先期固结压力p,先期固结压力p的确定,Casagrande 法,§4.3 一维压缩性及其指标,原位压缩及原位再压缩曲线,正常固结土:,超固结土:, 沉积ab  取样bb  室内试验bcd,§4.3 一维压缩性及其指标,原位初始压缩曲线的推求,基本假定： 取样后不回弹，即土样取出后孔隙比保持不变，(e0,s)点位于原状土初始压缩或再压缩曲线上 压缩指数Cc和回弹指数Ce为常数 试验曲线上的0.42e0点不受到扰动影响，未受扰动的原位初始压缩曲线也应相交于该点,§4.3 一维压缩性及其指标,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0.1 1 10 p(100kPa),1.0 0.8 0.6 0.4,e,e0,,0.42e0,扰动增加,,,,,原状样,,重塑样,,不同扰动程度试样的室内压缩曲线,§4.3 一维压缩性及其指标,正常固结土原位压缩曲线的推求,对正常固结土先期固结压力p=s (e0,p)位于原位压缩曲线上 以0.42e0在压缩曲线上确定C点 通过B、C两点的直线即为所求的原位压缩曲线,推定方法,,,,,,,,§4.3 一维压缩性及其指标,,,,,,超固结土原位再压缩曲线的推求,确定p,s的作用线 因为ps,点D(e0,s)位于再压缩曲线上 过D点作斜率为Ce的直线DB，DB为原位再压缩曲线 以0.42e0在压缩曲线上确定C点，BC为原位初始压缩曲线 DBC即为所求的原位再压缩和压缩曲线,推定方法,,,,,,§4.3 一维压缩性及其指标,小 结, - p（或）曲线 e – p（或）曲线 e – lgp（或lg）曲线 先期固结压力 原位压缩曲线及原位再压缩曲线,,由侧限压缩试验整理得到的三条常用曲线,§4.1 概述  §4.2 土的压缩性测试方法  §4.3 一维压缩性及其指标  §4.4 地基的最终沉降量计算 §4.5 饱和土体的渗流固结理论,第四章：土的压缩性与地基沉降计算,§4.4 地基的最终沉降量计算,粘性土地基的沉降量S由机理不同的三部分沉降组成：,初始瞬时沉降 Sd ：在不排水条件下，由剪应变引起侧向变形导致 主固结沉降 Sc ：由超静孔压消散导致的沉降，通常是地基变形的主要部分 次固结沉降 Ss ：由于土骨架的蠕变特性引起的变形,粘性地基的沉降类型,§4.4 地基的最终沉降量计算,地基的最终沉降量计算,最终沉降量S∞：,,t∞时地基最终沉降稳定以后的最大沉降量，不考虑沉降过程。

以一维侧限应力状态土的压缩特性为基础的分层总和法,计算方法：,§4.4 地基的最终沉降量计算,地基的最终沉降量计算,单一土层一维压缩问题 地基最终沉降量分层总和法 地基沉降计算的若干问题,§4.4 地基的最终沉降量计算,单一土层一维压缩问题,计算简图,,（a）e-p曲线,（b）e-lgp曲线,§4.4 地基的最终沉降量计算,计算公式：e-p曲线,单一土层一维压缩问题,,§4.4 地基的最终沉降量计算,优点: 可使用推定的原位压缩和再压缩曲线 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行计算,计算公式：e-lgp曲线,单一土层一维压缩问题,§4.4 地基的最终沉降量计算,计算公式：e-lgp曲线-正常固结土,单一土层一维压缩问题,可使用推定的原位压缩曲线的Cc值进行计算：,§4.4 地基的最终沉降量计算,计算公式：e-lgp曲线-超固结土,单一土层一维压缩问题,可使用推定的原位压缩和再压缩曲线的Cc和Ce值进行计算：,当p2p,,当p2p,§4.4 地基的最终沉降量计算,计算步骤：,单一土层一维压缩问题,确定：,查定：,算定：,以公式 为例,§4.4 地基的最终沉降量计算,理论上不够完备，缺乏统一理论,是一个半经验性方法,假设基底压力为线性分布 附加应力用弹性理论计算 侧限应力状态,只发生单向沉降 只计算固结沉降，不计瞬时沉降和次固结沉降 将地基分成若干层，认为整个地基的最终沉降量为各层沉降量之和：,基本假定和基本原理：,地基最终沉降量分层总和法,,§4.4 地基的最终沉降量计算,,施工步骤,地基最终沉降量分层总和法,,基坑开挖：基础土层卸载，基础底面回弹,基础施工：基础土层重加载，基础底面再压缩,基坑回填：基础土层重加载，基础地面再压缩,建筑物施工：基础土层压缩沉降,§4.4 地基的最终沉降量计算,沉降量从原基底算起 适用于基础底面积小，埋深浅，施工快的情况,沉降量从回弹后的基底算起 基础底面大，埋深大，施工期长的情况,已知：地基各土层的压缩曲线  原状土压缩曲线,计算步骤,情况1：不考虑地基回弹,情况2：考虑地基回弹,地基最终沉降量分层总和法,,§4.4 地基的最终沉降量计算,计算步骤 – 情况1,地基最终沉降量分层总和法,原地基的自重应力分布sz 基底附加压力p0 确定地基中附加应力z分布 确定计算深。