大学课程《工程地质与土力学》教学PPT课件：第9章 土的压缩性与地基沉降计算

1、第九章第九章 土的土的压缩性与地基沉降性与地基沉降计算算第一第一节 土的土的压缩性性第二第二节 地基最地基最终沉降量的沉降量的计算算第三第三节 地基沉降与时间的关系地基沉降与时间的关系 第四章第四章 土的土的压缩性与地基沉降性与地基沉降计算算学习要点：学习要点：学习要点：学习要点：掌握土的压缩性、压缩性指标、地基掌握土的压缩性、压缩性指标、地基最终沉降量的计算方法以及粘性土渗透固结的影响最终沉降量的计算方法以及粘性土渗透固结的影响因素。因素。建筑物荷载建筑物荷载 地基地基 附加应力附加应力 地基变形地基变形 （主要是竖向变形）（主要是竖向变形）建筑物基础亦随之沉降。建筑物基础亦随之沉降。计算意义：计算意义：计算意义：计算意义：沉降沉降沉降沉降或或不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降超容许值，将会影响建筑物的超容许值，将会影响建筑物的正常使用。因此，研究地基的变形，对于保证建筑物的经济正常使用。因此，研究地基的变形，对于保证建筑物的经济性和安全具有重要意义。性和安全具有重要意义。第一第一节 土的土的压缩性性土体积缩小的原因土体积缩小的原因有以下三个方面：有以下三个方面：土颗粒本身的压

2、缩土颗粒本身的压缩(一般建筑基底一般建筑基底压力在压力在 p=100600kPa，)可忽略不可忽略不计；计；土孔隙中不同形态的水和气体的压土孔隙中不同形态的水和气体的压缩忽略不计缩忽略不计；土体压缩土体压缩土体压缩土体压缩的实质是的实质是孔隙体积孔隙体积Vv Vv 减减小，小，孔隙中部分水和气被挤出。孔隙中部分水和气被挤出。一、基本概念一、基本概念（一）土的压缩性（一）土的压缩性:土在压力作用下体积缩小土在压力作用下体积缩小的特性。的特性。土的压缩需要一定的时间才能完成土的压缩需要一定的时间才能完成土的压缩需要一定的时间才能完成土的压缩需要一定的时间才能完成无粘性土无粘性土，压缩过程所需的，压缩过程所需的时间较短时间较短；饱饱和和粘粘性性土土，由由于于水水被被挤挤出出的的速速度度较较慢慢，压压缩缩 过过程程所所需需的的时时间间就就相相当当长长，需需几几年年甚甚至至几几十十年年才才能压缩稳定。能压缩稳定。（二）土的固结（二）土的固结土的压缩随时间而增长的过程称为土的压缩随时间而增长的过程称为土的压缩随时间而增长的过程称为土的压缩随时间而增长的过程称为土的固结土的固结土的固结土的固结。二、

3、室内压缩试验与压缩性指标二、室内压缩试验与压缩性指标 （一）压缩试验与压缩曲线（一）压缩试验与压缩曲线 试试试试验验验验时时时时，逐逐逐逐级级级级对对对对土土土土样样样样施施施施加加加加分分分分布布布布压压压压力力力力，一一一一般般般般按按按按p p=50=50=50=50、100100100100、200200200200、300300300300、400kPa400kPa400kPa400kPa五五五五级级级级加加加加荷荷荷荷，待待待待土土土土样样样样压压压压缩缩缩缩相相相相对对对对稳稳稳稳定定定定后后后后（符符符符合合合合现现现现行行行行土土土土工工工工试试试试验验验验方方方方法法法法标标标标准准准准GB/T GB/T GB/T GB/T 50123501235012350123 1999199919991999有有有有关关关关规规规规定定定定要求）测定相应变形量要求）测定相应变形量要求）测定相应变形量要求）测定相应变形量S Si i，室内压缩试验又称为室内压缩试验又称为侧限压缩试侧限压缩试侧限压缩试侧限压缩试验验验验。室内压缩试验仪器室内压缩试验仪器加载导环加载导环土样环刀土样

4、环刀加载活塞加载活塞测微表支架测微表支架压缩容器压缩容器 试验装置示意图试验装置示意图室内侧限压缩仪室内侧限压缩仪特点：只有竖向变形，而无侧向变形特点：只有竖向变形，而无侧向变形完全侧限条件完全侧限条件加压活塞刚性护环环刀底座透水石透水石荷载分级施加Vv0=e0VsVv1=e1VsP1.室内压缩试验原理室内压缩试验原理VsVsH0H1S孔隙比孔隙比e0=PSe式中：式中：e0土的初始孔隙比，土的初始孔隙比，h0土样的初始孔高，土样的初始孔高，ei荷载荷载Pi作用下土的孔隙比，作用下土的孔隙比，Si荷载荷载Pi作用下土的稳定压缩量。作用下土的稳定压缩量。2.室内压缩试验曲线室内压缩试验曲线eP曲线曲线elogP曲线曲线 a a 值表示单位压力增量所引起的孔隙值表示单位压力增量所引起的孔隙比的变化，称为土的比的变化，称为土的压缩系数压缩系数压缩系数压缩系数 。e1e2e p1p2P/kPaM1M20 土压缩试验曲线土压缩试验曲线1.1.压缩系数压缩系数压缩系数压缩系数 土的压缩性评价：土的压缩性评价：当当 a a 1-21-20.5MPa0.5MPa0.5MPa0.5MPa-1-1-1-1

5、时，为时，为高高高高压缩性土；压缩性土；当当0.5MPa0.5MPa0.5MPa0.5MPa-1-1-1-1a a 1-21-20.1MPa0.1MPa0.1MPa0.1MPa-1-1-1-1时，为时，为中中中中压缩性土；压缩性土；当当 a a 1-21-20.1MPa0.1MPa0.1MPa0.1MPa-1-1-1-1时，为时，为低低低低压缩性土。压缩性土。工程实践中，常采用工程实践中，常采用p p1 1=100kPa=100kPa=100kPa=100kPa p p2 2=200kPa=200kPa=200kPa=200kPa 压力区间相对应的压缩系数将土的压缩性分为压力区间相对应的压缩系数将土的压缩性分为 以下三类：以下三类：(2)(2)土的压缩指数土的压缩指数ve-logP曲线的后段接近为直线，其斜率曲线的后段接近为直线，其斜率Cc称为称为压缩指数压缩指数压缩指数压缩指数。用用Cc评价土的压缩性评价土的压缩性用用压缩模量压缩模量Es：土在完全侧限压缩条件下竖向土在完全侧限压缩条件下竖向土在完全侧限压缩条件下竖向土在完全侧限压缩条件下竖向附加应力增量与相应应变增量之比，也称附加应

6、力增量与相应应变增量之比，也称附加应力增量与相应应变增量之比，也称附加应力增量与相应应变增量之比，也称侧限侧限侧限侧限压缩模量压缩模量压缩模量压缩模量。（。（。（。（MPaMPaMPaMPa）判别标准：判别标准：Es P1时，地基沉降的计算时，地基沉降的计算应根据回弹再压缩曲线和压缩曲线计应根据回弹再压缩曲线和压缩曲线计算。算。（三）（三）受荷历史对压缩性的影响受荷历史对压缩性的影响 前期固前期固结压力力 可用可用卡卡萨格格兰德德的的经验作作图法确定，如法确定，如图27所示。所示。在在 曲曲线上找出曲上找出曲率半径最小的一点率半径最小的一点A，过A点作水平点作水平线A1和切和切线A2，作，作1A2的平分的平分线A3并与曲并与曲线中直中直线段的延段的延长线相交于相交于B点，点，B点所点所对应的的压力就是前期固力就是前期固结压力力 图图4-4-7 7 卡卡卡卡萨萨格格格格兰兰德法确定德法确定德法确定德法确定 土土的的前前期期固固结压力力 是是指指土土层形形成成后后的的历史史上上所所经受受过的的最最大大固固结压力。力。将将土土层所所受受的的前前期期固固结压力力Pc与与土土层现在在所所受受的的

7、自自重重应力力c的比的比值称称为超固超固结比比，以，以OCR表示。表示。根据根据OCR可将天然土可将天然土层分分为三种固三种固结状状态。1.1.正常固结土（正常固结土（正常固结土（正常固结土（OCR OCR=1=1）Pc=c 一一般般土土体体的的固固结结是是在在自自重重应应力力的的作作用用下下伴伴随随土土的的沉沉积积过过程程逐逐渐渐达达到到的，如图（的，如图（a）所示，工程中多数建筑物地基均为正常固结土。）所示，工程中多数建筑物地基均为正常固结土。2.2.超固结土（超固结土（超固结土（超固结土（OCROCR1 1）Pc c 当当土土层层在在历历史史上上经经受受过过较较大大的的固固结结压压力力作作用用而而达达到到固固结结稳稳定定后后，由由于于受受到到强强烈烈的的侵侵蚀蚀、冲冲刷刷等等原原因因，如如图图（b）所所示。示。3.3.欠固结土（欠固结土（欠固结土（欠固结土（OCROCR1 1）Pc c 土土层层沉沉积积历历史史短短，在在自自重重应应力力作作用用下下尚尚未未达达到到固固结结稳稳定定，这种状态的土称为这种状态的土称为欠固结土欠固结土欠固结土欠固结土，如图（，如图（c）所示。）所示。图

8、图4-4-66天然土天然土层层的三种固的三种固结结状状态态 （a a）正常固）正常固结结土土；（b b）超固）超固结结土；土；（c c）欠）欠结结固土固土 土的压缩性指标可野外静载荷试验确定；土的压缩性指标可野外静载荷试验确定；变形模量变形模量E E0 0是指土在无侧限条件下受压时，是指土在无侧限条件下受压时，压应力与相应应变之比值；压应力与相应应变之比值；现场原位载荷试验同时可测定地基承载力；现场原位载荷试验同时可测定地基承载力；三、土压缩性的原位测试三、土压缩性的原位测试原位荷载试验装置原位荷载试验装置荷荷 载载试坑试坑支墩支墩次梁次梁主梁主梁承压板承压板千斤顶千斤顶百分表百分表基准梁基准梁加荷稳压装置加荷稳压装置反力装置反力装置观测装置观测装置 1.每级加载后，按间隔每级加载后，按间隔10、10、10、15、15、30分钟读数，当连续分钟读数，当连续2个小时内，每个小时内，每1个小时个小时的沉降量小于的沉降量小于0.1mm时，可加下一级荷载；时，可加下一级荷载；2.当出现承压板周围土当出现承压板周围土有明显的侧向挤出或有明显的侧向挤出或有明显的侧向挤出或有明显的侧向挤出或发生裂纹

9、时发生裂纹时发生裂纹时发生裂纹时、当沉降当沉降当沉降当沉降s s急剧增大时急剧增大时急剧增大时急剧增大时、当某一级荷当某一级荷当某一级荷当某一级荷载载载载2424小时不能达到稳定标准时小时不能达到稳定标准时小时不能达到稳定标准时小时不能达到稳定标准时，s/bs/b 0.060.06即可即可终止加载；终止加载；（此前一级荷载为极限荷载）（此前一级荷载为极限荷载）载荷试验观测标准：载荷试验观测标准：现现场场载载荷荷试试验验ps 曲曲线线：当当ppcr时时，地地基基土土可可看看成成是是直直线线变变形形体体，可可采采用用弹弹性性力力学学公公式式计计算算土土的的变变形形模量模量E0(MPa)。荷载试验荷载试验ps曲线曲线0spcr pu abcs1 变形模量是在现场原位进变形模量是在现场原位进行测定的，所以它能比较准确行测定的，所以它能比较准确地反映土在天然状态下的压缩地反映土在天然状态下的压缩性。性。p pcrp-s曲线直线段终点曲线直线段终点 所对应的应力（所对应的应力（kPakPa），），称为临界压力称为临界压力式中式中式中式中 ww沉降量系数，刚性正方形荷载板沉降量系数，刚性正方形荷载板

10、沉降量系数，刚性正方形荷载板沉降量系数，刚性正方形荷载板 w w=0.88=0.88=0.88=0.88；刚性圆形荷载板；刚性圆形荷载板；刚性圆形荷载板；刚性圆形荷载板w w=0.79=0.79=0.79=0.79；土的泊松比，可按表土的泊松比，可按表土的泊松比，可按表土的泊松比，可按表4-14-14-14-1采用；采用；采用；采用；p pcrcrp p-s s曲曲曲曲 线线线线 直直直直 线线线线 段段段段 终终终终 点点点点 所所所所 对对对对 应应应应 的的的的 应应应应 力力力力（kPakPakPakPa）；）；）；）；s s1 1 1 1与直线段终点所对应的沉降量（与直线段终点所对应的沉降量（与直线段终点所对应的沉降量（与直线段终点所对应的沉降量（mmmmmmmm）；）；）；）；bb承压板宽度（承压板宽度（承压板宽度（承压板宽度（mmmmmmmm）。）。）。）。uu压缩模量压缩模量压缩模量压缩模量：土在：土在完全完全完全完全侧限条件下竖向附加应力与应变增量之比。侧限条件下竖向附加应力与应变增量之比。uu变形模量变形模量变形模量变形模量：土在土在无无无无侧限条件下附加压应力与压

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