高等土力学-土的压缩与固结-清华大学于玉贞-2015

1高等土力学清华大学水利水电工程系岩土工程研究所于玉贞第5章土的压缩与固结2第5章土的压缩与固结作业19，243关西国际机场世界最大人工岛年8月第二条跑道运营冲积层预设排水砂桩上洪积层未作处理5.10km25.45km24关西国际机场世界最大人工岛1986年：开工1990年：人工岛完成1994年：机场运营面积：4370m×1250m填筑量：180×106m3平均厚度：33m地基：多层厚粘土问题：沉降大且有不均匀沉降设计时预测沉降：5.7-7.5m完成时实际沉降：8.1m，5cm/月(1990年)预测主固结完成：20年后比设计超填：3m5冲积层预设排水砂桩洪积层未作处理6日期测点及沉降值（m）123578101112151617平均00-1210.69.712.811.710.613.011.610.312.712.59.014.111.6801-1210.89.913.011.910.713.211.810.512.912.79.114.311.8706-1211.510.513.712.511.113.812.411.013.613.39.515.012.4908-1211.710.713.912.711.213.912.511.113.713.59.615.112.6309-1211.810.814.012.711.314.012.611.113.813.69.615.212.7112-1212.111.014.313.011.414.212.811.314.013.89.715.412.927关西国际机场二期81.水路部門パナマ運河2.空港部門関西国際空港3.鉄道部門ユーロトンネル鉄道4.ダム部門フーバーダム5.道路部門アメリカ州間高速道路6.長大橋部門ゴールデン・ゲート・ブリッジ7.高層ビル部門エンパイア・ステート・ビル8.下水道部門シカゴ下水システム9.上水道部門カリフォルニア上水システム10.廃棄物処理システム部門未選定9新京报2011年4月9日报道最近，深圳填海区地面下沉，裂缝赫然蜿蜒在广场上和一些楼盘底部。深圳以牺牲生态环境为代价的大规模填海造地，填海区内不少土地被用于发展房地产，造商品房、豪宅。专家指出，深圳向海洋要房地产，暴露出地方政府“唯GDP”论和“土地财政”思维，与建设世界一流城市目标背道而驰。近日，记者在深圳填海区看到，一些楼盘地面发生沉降，严重之处，地面和台阶之间撕裂形成的缝隙，足以塞进一个拳头，“局部看上去，有点像美国灾难片中的场景。”深圳市民徐燕说。105.1概述5.2地基沉降的计算方法5.3单向固结的普遍方程及一般问题5.4土的三维固结理论5.5关于土体固结的其它问题简介115.1概述5.1.1压缩、沉降与固结5.1.2研究历史与发展5.1.3土中水的变化与土的压缩5.1.4单向压缩试验的各种参数5.1.5影响土的压缩性的因素5.1.6引起地基沉降的原因5.1.7沉降的分类：瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降12压缩：平均应力p增加，使土的体积减少(体缩、收缩）沉降：地基竖直向下的位移，主要是由于压缩引起的，也可能由于剪缩、形变、湿陷、融陷等固结：土体完成压缩变形要经历一段时间过程。对于饱和土，荷载增加→引起(超静）孔隙水压力增加→部分孔隙水从土体中排出→土中孔隙水压力相应地转为土粒间的有效应力→土体逐渐压缩（反之，负孔压及应力解除引起膨胀）,直至变形趋于稳定。这一变形的全过程称为固结。5.1.1压缩、沉降与固结5.1概述135.1.2研究历史与发展—压缩与沉降计算1.单向压缩变形—分层总和法2.考虑三向变形的沉降计算3.考虑土的应力历史、应力路径等因素的沉降计算4.非线性弹性模型、弹塑性模型的有限单元法计算及其它数值计算方法5.1概述145.1.2研究历史与发展—固结分析1.太沙基的饱和土体一维固结理论：假设；2.太沙基(Terzaghi)与伦杜立克（Rendulic）的拟三维固结方程，其中假设了固结过程中总应力（正应力之和）为常量；3.比奥（Biot）考虑了材料三向变形以及孔隙流体与土骨架的相互作用，导出比较完善的三向固结方程；4.比奥固结理论与各种本构模型的耦合；5.非饱和土的固结问题；6.非饱和土的流固耦合的渗流固结问题。5.1概述155.1.3土中水的变化与土的压缩wrwssswsrswrwrrw2ssss()()1111WSe土体压缩一般是孔隙中流体体积变化的结果。rws,wsSeWw：土中水重5.1概述16①饱和度变化；②孔隙比变化；③水容重变化；④土粒容重变化。后二者微不足道。wwsrswrwrrw2ssss1111WSeWeSSeSettttt土中水重量的几种变化14325.1概述17（1）e与Sr均为常量：稳定渗流。（2）Sr为常量（＝1）,e变化：饱和土体的渗流固结问题。（3）e为常量,Sr变化：非饱和土体积恒定时的减湿（Sr减小)或增湿(Sr增大)。（4）e与Sr均变化：非饱和土的压缩与膨胀问题。土中水总重量变化的几种组合：wwsrswrwrrw2ssss1111WSeWeSSeSettttt5.1概述185.1.4单向压缩试验的各种参数压缩系数：av体积压缩系数：mv侧限压缩模量：Es压缩指数：Cc回弹（再压缩）指数：Ce次压缩系数：C5.1概述1912v21eeeappp5.1.4单向压缩试验的各种参数1svv11zepEmavv11vznampppe压缩系数与压缩模量pe11eev5.1概述205.1.4单向压缩试验的各种参数)(lg)lg(1221cpeppeeC)(lg)lg(1221epeppeeClgpe压缩指数与回弹指数5.1概述21次压缩系数CelgtteClgα次压缩系数5.1概述221）土粒粒度、矿物成分和土体结构粗粒土在压力作用下，土粒发生滑动与滚动，位移到比较密实、更稳定的位置。如果压力较大，可能部分土粒被压碎，增加压缩量。粗粒土的压缩一般比细粒土的要小，但在高压时也能达到相当的量级。细粒土颗粒间的水膜被挤薄，土粒间发生相对滑移达到较密实状态；扁平薄土粒具有弹性，在压力下产生挠曲变形。具分散结构的粘性土：直接原因主要由于颗粒间的孔隙水被挤出。具凝聚结构的粘性土：直接原因主要由于结构破坏和土粒发生弹性挠曲。1．土体本身性状5.1.5影响土的压缩性的因素5.1概述232）有机质（1）泥炭（有机质含量大于60％）；泥炭质土（有机质含量10%～60％）；（生活）垃圾土。（2）与龄期、降解有关。（3）含水率很高（w=100％～900％）。（4）孔隙比大（e=1.0～5.0）。（5）比重Gs低。（6）液、塑限大。（7）渗透系数比较大：k=10－3～10－5cm/s。（8）水平渗透系数为竖直向的1.5～3倍。（9）压缩性极高，但固结较快。5.1概述243）孔隙水表现为水中阳离子对粘土表面性质（包括水膜厚度）的影响。如：孔隙水中阳离子浓度高、价数高，结合水膜薄，压缩性变小。如果土中含有膨胀性粘土矿物，当孔隙水中的阳离子性质和浓度变化、使粘结水膜厚度减薄时，土的膨胀性与膨胀压力均将减小；反之亦然。5.1概述252．环境因素1）应力历史固结2）温度对主固结有一定影响。对于含有机质的土影响大。对于次固结（蠕变）影响更大。ep应力历史:正常固结土与超固结土5.1.5影响土的压缩性的因素5.1概述26升温后压缩曲线下移，表观pc减小；反之，则曲线上移。（温度提高，水的黏性减小，易于压缩）升温降温固结中的升温与降温5.1概述27不同温度超固结有机质粘土的典型固结曲线温度对压缩（含次固结和蠕变）曲线的影响超固结有机土的固结曲线5.1概述285.1.6引起地基沉降的原因1.建筑物荷重2.环境荷载3.其它环境原因5.1概述291.建筑物荷重土体形变：瞬时完成压缩或者剪缩：土体固结时孔隙比（或者体积）发生变化：随时间而发展（固结）形变与体变5.1概述302.环境荷载土体干缩：取决于土体失水后的性质。易形成硬壳层。地下水位下降：土层有效应力（重量）增大，沉降随时间而发展：一些城市地面下沉。5.1概述313.其它环境原因（1）振动引起土粒重排列，甚至液化、震陷：视振动性质与土的密度、含水量而异。（2）土体浸水湿陷或软化，结构破坏丧失粘聚力或矿物软化。（3）膨胀土遇水膨胀；失水收缩。（4）地下洞穴（土洞）及冲刷：不规则、有可能很严重。（5）化学或生物化学腐蚀。（6）矿井（采空区）、地下管道垮塌、基坑开挖：可能很严重。（7）整体剪切、形变—蠕变、滑坡，不规则。（8）冻融变形：随土的湿度与温度而变，不规则。5.1概述32广东梅州出现400平米地陷据称深度超90米(图)2010年04月27日04:10大洋网-广州日报4月23日凌晨2时左右，梅江区长寿水泥有限公司厂区变压器附近发生地陷，地陷口面积大约10m2左右，6根高约4.5米的高压电线杆沉入地底不见了踪影，高压线被扯断导致供电中断。随后，地陷口逐渐扩大，至26日下午扩大到了400m2左右才开始趋于稳定。33矿区乡政府6层宿舍楼体下沉倾斜(组图)2010年04月28日02:37燕赵晚报昨日6时，井陉矿区横涧乡一座6层乡政府宿舍楼居民遭遇惊魂瞬间：楼体突然下沉，楼前地面突现深坑，直径在两米以上，深约3米。整座楼朝东北方倾斜，周围地面出现了数道裂痕。345.1.7沉降的分类：瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降5.1概述S=Si+Sc+Ss35HBE,圆形荷载，直径B1.瞬时沉降Si的确定地基上的局部荷载5.1概述36发生在加荷的瞬时：对于砂土，即是全部沉降；对于饱和粘土，即为不排水条件下土体形变引起的沉降（无体积变化）。（1）与H/(B/2)有关—一维压缩的假设条件：H/(B/2)=0；（2）与泊松比有关,＝0.5，全部为瞬时沉降。瞬时沉降的确定5.1概述37(1)瞬时沉降的弹性理论算法—集中荷载弹性半无限空间2i(1)πPSEr地面距集中荷载作用点距离r处的地面沉降SPr集中荷载作用下的瞬时沉降5.1概述38（2）均布荷载q柔性基础下的瞬时沉降I:影响（修正）系数，与形状、计算点位置有关。IEqBS)1(2iqB矩形均布荷载的瞬时沉降5.1概述39计算点位置中心角、边平均正方形1.120.560.95矩形，L/B＝21.520.761.30矩形，L/B＝52.101.051.83圆形1.000.640.85修正系数I基础形状不同形状基础的修正系数I5.1概述40（3）考虑基础埋深和地基有限厚度的瞬时沉降0：考虑基础埋深D的修正系数；1：考虑地基压缩层厚度H的修正系数。对于饱和粘土，泊松比为0.5。i01qBSE5.1概述410：考虑基础埋深D的修正系数；1：考虑地基压缩层H的修正系数。系数0与1取决于：基础形状：圆、方、条基础长宽比：L/B0：基础埋深:D/B1：压缩层厚度:H/B基础埋深和层厚的修正系数i01qBSE5.1概述42（4）瞬时沉降的修正：由于设计地基土非弹性，可能屈服，除以小于1的修正系数SRRiiSSS/沉降比SR确定根据：•荷载q与极限承载力qult之比q/qult•初始剪应力比fuhvSf2005.1概述43土层厚度/基础宽度＝H/B，瞬时沉降的修正SRH/B=0.5H/B=1.0H/B=1.5初始剪应力比f瞬时沉降的修正SR5.1概述荷载与极限承载力之比q/qult44瞬时沉降计算的程序5.1概述452.固结沉降Sc（1）土体在外荷作用下产生的超静水压力u。（2）迫使土中水外流，土孔