渗流固结沉降

第六章地基变形土受力以后为什么会表现出变形特性？——土的特殊性弹性变形体应变主要是由于孔隙体积变化引起的；剪应变主要是由于土颗粒的大小和排列形态变化引起的。接触点处弹性变形弹性挠曲变形颗粒滚爬的可逆性封闭气泡受压塑性变形大孔隙消失接触点颗粒破碎颗粒相对滑移扁平颗粒断裂§6.1概述§6.2基础最终沉降量最终沉降量S∞：StSt∞时地基最终沉降稳定以后的最大沉降量，不考虑沉降过程。不可压缩层可压缩层σz=p0p0国内常用的几种沉降计算方法：分层总和法、《建筑地基基础设计规范》推荐的方法和弹性力学公式。一、单一土层一维压缩问题二、地基最终沉降量分层总和法四、应力历史法计算地基最终沉降量三、《建筑地基基础设计规范》方法五、地基沉降计算的若干问题1、计算简图压缩前czσczH2压缩后1czp1e2czzp2e侧限条件σz=p0p0HH/2H/2γ,e1一、单一土层一维压缩问题（a）e-p曲线（b）e-lgp曲线e1Vs1e1Vs2e12zv11eee1e1ezvSHH12zv1eeSHHH1e2、计算公式Z2111SHaaS(pp)HpH1e1eEs0pHpHSEE以e-p曲线为例1221eea(pp)1aSA1evvSmpHmA12zv1eeSHHH1eee1e2p1p2pee1e2p1p2p受荷面积ee1e2p1p2p以公式为例He1eeS121;;czzH121eeSH1e•确定：•测定：e-p曲线或者e-lgp曲线•查定：•算定：1czp2czzp2e;1e3、计算步骤czσczH2侧限条件σz=p0p0HH/2H/2γ,e11、基本假定和基本原理理论上不够完备，缺乏统一理论；单向压缩分层总和法是一个半经验性方法。二、地基最终沉降量分层总和法（a）假设基底压力为线性分布（b）附加应力用弹性理论计算（c）只发生单向沉降：侧限应力状态（d）只计算固结沉降，不计瞬时沉降和次固结沉降（e）采用基础中心点下的附加应力计算地基的变形量（f）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：1niiSS2、计算步骤情况1•不考虑地基回弹的情形：•沉降量从原基底算起；•适用于基础底面积小，埋深浅，施工快。•考虑地基回弹的情形：•沉降量从回弹后的基底算起；•基础底面大，埋深大，施工期长。情况2d地面基底已知：地基各土层的压缩曲线原状土压缩曲线d地面基底p0Hi自重应力附加应力沉降计算深度cizizip2、计算步骤－情况1(a)基底附加压力p0(b)地基中附加应力z确定(c)地基分层Hi(d)计算深度确定zn(e)计算每层沉降量si(f)各层沉降量叠加sid地面基底2、计算步骤－情况1(a)计算原地基中自重应力分布(b)基底附加压力p0pp0p0=p-0d(c)确定地基中附加应力z分布自重应力附加应力(d)确定计算深度zn①一般土层：σz=0.2σcz；②软粘土层：σz=0.1σcz；③一般房屋基础：Zn=B(2.5-0.4lnB)；④基岩或不可压缩土层。沉降计算深度σcz从地面算起；σz从基底算起；σz是由基底附加压力p-γ0d引起的2、计算步骤－情况1(a)计算原地基中自重应力分布(b)基底附加压力p0(c)确定地基中附加应力z分布(d)确定计算深度znd地面基底pp0d自重应力附加应力沉降计算深度(e)地基分层Hi①不同土层界面；②地下水位线；③每层厚度不宜大于0.4B或4m；④z变化明显的土层，适当取小。(g)各层沉降量叠加Si(f)计算每层沉降量SicziziHid地面基底2、计算步骤－情况2(a)计算原地基中自重应力分布(b)计算开挖后地基中自重应力分布(c)确定地基中附加应力z分布'f(d,z)czcz＝z0＝f(p,z)p0’czizi下同情况1自重应力附加应力pee1ie2ip1ip2izi3、计算公式12zv1eeSHHH1eii2i1iizii1i1iaaS(pp)HH1e1eziiziiisi0iHHSEE以e-p曲线为例d地面基底pp0d自重应力附加应力沉降计算深度cziziHi1.公式来源:ii2i1iizii1i1iaaS(pp)HH1e1e以e-p曲线为例iii1iaSA1ei0iii1i1Ap(zz)ziz(i-1)Ai实际面积附加应力p0规范法zi-1zii平均附加应力系数三、《建筑地基基础设计规范》方法矩形面积2.计算公式:149页表6-5各种假定导致S的误差，如：①取中点下附加应力值，使S偏大;②侧限压缩使计算值偏小；③地基不均匀性导致的误差等。•软粘土（应力集中）S偏小,Ψs1•硬粘土（应力扩散）S偏大,Ψs1'sSS＝沉降经验修正系数149页表6-43.结果修正•基底压力线性分布假设•弹性附加应力计算•单向压缩的假设•只计主固结沉降•原状土现场取样的扰动•参数线性的假设•按中点下附加应力计算•《建筑地基基础设计规范》方法'sSS基底附加应力2.54.07.015.020.0p0fak1.41.31.00.40.2p00.75fak1.11.00.70.40.282页表4.5沉降计算经验系数ssE3.结果修正0zi0z(i-1)AiisisiAEAEi0iii1i1Ap(zz)附加应力p0s=1.4---0.2,(1)与土质软硬有关,(2)与基底附加应力p0/fak的大小有关fak：地基承载力特征值注：地基沉降计算深度zn需满足：niinss1''025.0--在计算深度zn范围内，第i层土的计算沉降值（㎜）；--在计算深度zn处向上取厚度为△z土层的计算沉降值（㎜）。按表4.6确定。'is'ns按上式计算确定的zn下仍有软弱土层时，在相同压力条件下，变形会增大，故尚应继续往下计算，直至软弱土层中所取规定厚度Δz的计算沉降量满足上式为止。要点小结：①准备资料②应力分布③沉降计算•建筑基础（形状、大小、重量、埋深）•地基各土层的压缩曲线原状土压缩曲线•计算断面和计算点•确定计算深度•确定分层界面•计算各土层的czi，zi•计算各层沉降量•地基总沉降量•自重应力•基底压力基底附加应力•附加应力④结果修正'sSS＝计算公式2C111peHSHClg()1e1ep四、考虑应力历史影响的地基最终沉降量计算以e-lgp曲线为例优点:•可使用推定的原状土压缩曲线；•可以区分正常固结土和超固结土并分别进行计算。正常固结土：超固结土(并假定p2pc)：12zv1eeSHHH1e1e2eBCelgp1p2p1e2eBCelgp1p2pApc正常固结土1iczipcziziiCi2i1iCiczieClgppClg用e-lgp曲线计算计算公式d地面基底pp0d自重应力附加应力沉降计算深度cziziHi1ie2ieBCelgp1ip2ip2iczizipCicziziiiii1i1icziCeSHHlg1e1e2icieii2iiii1i1i1ipp:CepSHHlg1e1ep计算公式d地面基底pp0d自重应力附加应力沉降计算深度cziziHiBCelgppciA1ie2ie1ip2ip超固结土1iczip用e-lgp曲线计算2iczizip2icieicicii2iiiii1i1i1i1icipp:CpCepSHHlgHlg1e1ep1ep考虑地基回弹的沉降量计算条件：•正常固结土，e-lgp曲线•基底面积大，埋深大，施工期长i层地基的沉降量Si=再压缩沉降量S1i+压缩沉降量S2i计算公式•类似于超固结土的计算；•式中采用开挖前地基的天然孔隙比e1i，无论是回弹、再压缩或压缩，均是相对于开挖前的拟定基底高程而言。三者的基准点均是e1i状态时的Hi。d地面基底p0’czizi自重应力附加应力计算公式czi'cziczizi'BCelgpA1ie2ied地面基底p0’czizi自重应力附加应力eiczi1i1iii1i1icziCeSHHlg1e1e'ciczizi2i2iii1i1icziC'eSHHlg1e1eczicziziii1i2ieici1icziczi'HSSSCClg1e'重点：一维渗流固结沉降与时间之间的关系：饱和土层的渗流固结固结沉降的速度？固结沉降的程度？问题：§6.3地基变形与时间的关系StS不可压缩层可压缩层p0二、一维渗流固结理论（Terzaghi渗流固结理论）三、地基固结度的计算五、固结系数的测定四、有关沉降－时间的工程问题一、饱和土中的有效应力一、饱和土中的有效应力土＝孔隙水固体颗粒骨架+三相体系对所受总应力，骨架和孔隙流体如何分担？孔隙气体+总应力总应力由土骨架和孔隙流体共同承受它们如何传递和相互转化？它们对土的变形和强度有何影响？受外荷载作用Terzaghi（1923）有效应力原理固结理论土力学成为独立的学科孔隙流体1.饱和土中的应力形态PSPSVaaA（一）.有效应力原理的基本概念PSA：Aw：As：土单元的断面积颗粒接触点的面积孔隙水的断面积a-a断面通过土颗粒的接触点有效应力σ’1AAwu'wsvAuPAa-a断面竖向力平衡：wSAAAuAAAPwsvu：孔隙水压力2.饱和土的有效应力原理u'（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分σ’和u，并且（2）土的变形与强度都只取决于有效应力u一般地，u000u000u'''zzyzxyzyyxxzxyxzzyzxyzyyxzxxyx有效应力总应力已知或易知孔隙水压测定或算定通常,u'③孔隙水压力的作用对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献，并且水不能承受剪应力，因而孔隙水压力对土的强度没有直接的影响；它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到等向压力，由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身压缩变形极小。因而孔隙水压力对变形也没有直接的影响，土体不会因为受到水压力的作用而变得密实。①变形的原因颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动—与σ’有关；接触点处应力过大而破碎—与σ’有关。试想：海底与土粒间的接触压力哪一种情况下大？1mσz=u=0.01MPa104mσz=u=100MPa②强度的成因凝聚力和摩擦—与σ’有关u'（2）（1）土的变形与强度都只取决于有效应力1.自重应力情况（侧限应变条件）二.饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算(1)静水条件地下水位海洋土毛细饱和区(2)稳定渗流条件2.附加应力情况(1)单向压缩应力状态(2)等向压缩应力状态(3)偏差应力状态sat自重应力情况(1)静水条件地下水位2sat1HH地下水位下降引起σ’增大的部分H1H2σ’=σ-uu=γwH2u=γwH2σ’=σ-u=γH1+γsatH2-γwH2=γH1+(γsat-γw)H2=γH1+γ’H2地下水位下降会引起σ’增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因。海洋土(1)静水条件1HH2H2sat1wHHHwγwH1γwH12Hσ’=σ-u=γwH1+γsatH2-γwH=γsatH2-γw(H-H1)=(γsat-γw)H2=γ’H2satsat毛细饱和区(1)静水条件毛细饱和区H