结构性软土沉降计算-浙江大学.

高等基础工程学陈仁朋浙江大学岩土工程研究所一、绪论二、土的基本特性三、沉降四、承载力五、基坑工程六、桩基工程七、地基处理目录一、绪论二、土的基本特性三、沉降四、承载力五、基坑工程六、桩基工程七、地基处理目录三、沉降3.1概述3.2地基中的应力3.3沉降组成3.4沉降随时间变化3.5土体压缩性指标确定3.1概述沉降原因：（1）地基中产生附加应力；（2）土体具有压缩性3.1概述种类：总沉降，不均匀沉降，倾斜，局部倾斜危害：（1）影响使用功能；（2）引起结构开裂不同建（构）筑物对沉降要求不同D[D]地下水位降低引起建筑物附加沉降地下水位降低引起地基有效应力增加，产生沉降例如：水位下降2m，引起地基有效应力增加20kPa，相当于地面堆载1m邻近建筑物荷载引起既有建筑不均匀沉降膨胀性土的影响土体中粘粒含量多土体性质受含水量影响大塑性指数和液限指数大膨润土的微结构及双电层p3.2地基中的应力•自重应力：土体自重引起的应力，通过骨架传递•附加应力：外荷载作用所引起的应力，如基础荷载•施工应力：施工扰动引起的应力，如打桩挤土等czhAz基岩hczz预制桩0xczxKDpBoussinesq解和Mindlin解（单相介质）•竖向集中力下的地基附加应力作用于地基表面（Boussinesq解）作用于地基内部（Mindlin解）地基表面作用集中力示意图OzrQ(r,z)P地基表面作用集中力示意图rzQ(r,z)PO竖向应力分布等值线（a）条形荷载（b）方形荷载竖向应力分布规律饱和土介质（两相介质）•点荷载作用下初始有效应力，初始孔压及位移解35332RzRzPz32RzPuOzrQ(r,z)P图2.2.1点荷载作用下求解示意图饱和土中条形荷载下初始解•条形荷载作用下的初值解222211mnmnnmmnpznmnmpu1arctanarctan式中：BxmBznM(x,z)xzpo2B饱和土中条形荷载下初始应力和孔压分布-2.0B-1.0B0.0B1.0B2.0BBp-2B-1B0B1B2B-4B-3B-2B-1B0BBp超静孔隙水压力竖向有效应力初始孔压和有效应力沿深度分布0.00.20.40.60.81.02.01.51.00.50.0深深/B深深/p深深深深深深深深深深深深深深深深深深0.00.20.40.60.81.02.01.51.00.50.0深深/B深深/p深深深深深深深深深深深深深深深深深深X=0X=1/2B实例分析—高速公路拓宽工程•填土4m，拓宽路堤4.5m，原路堤13m超静孔隙水压力竖向有效应力既有道路拓宽道路初始附加有效应力决定瞬时沉降初始孔压决定固结沉降根据初始附加有效应力和孔压分布确定地基处理的范围3.3地基沉降组成•瞬时沉降(Ss)不排水条件下，地基土体侧向变形形成的沉降•主固结沉降(Sc)孔压消散，有效应力增加，地基固结产生的沉降•次固结沉降(Ss)土骨架上有效应力不变情况下，土体蠕变引起的沉降时间有效应力应变瞬时压缩延迟压缩主固结次固结明显孔隙水压消散阶段无明显孔隙水压消散阶段时间00瞬时压缩、延迟压缩与主固结、次固结比较（Bjerrum,1967）饱和地基瞬时沉降(Ss)•弹性地基瞬时沉降瞬时沉降是由于加荷瞬时地基中的附加有效应力产生的。要计算瞬时沉降，只需对有效应力引起的竖向应变积分即可。•传统矩形面积或圆形面积荷载算法：•条形面积荷载算法：udEpBS21EpBCSdd21式中：241ln121DCd1ln11ln222mmmmm条形荷载作用下的瞬时沉降软土的压缩性•土的结构性是指土颗粒在长期沉积过程中形成的物理和化学胶结作用。•成因：风化、淋洗、卸荷、次固结及离子反应等因素。•由于成因的不同，结构性的强弱程度及其稳定性也有所差异。•绝大多数的天然沉积土都具有一定程度的结构性。软粘土的室内和现场试验•固结压缩试验三轴固结排水试验现场十字板试验钻孔取样进行室内试验的过程钻孔取样储藏推土制样试验正常固结粘土取样后的应力路径固结压缩试验•初始孔隙比：薄壁土样1.9，普通土样1.7•薄壁土样存在明显的屈服点00.511.522.5101001000P(kPa)e薄壁土样薄壁土样普通土样固结试验•固结系数：原状土是扰动土的5～15倍。02004006008001000012345固结系数10-3cm2/s固结压力/kPa原状土重塑土pc室内三轴固结排水试验•软土结构性：•主应力差达峰值•结构破坏•残余应力十字板试验0510152025020406080100原位十字板强度(kPa)深度(m)打排水板前打排水板后0510152025020406080100原位十字板强度(kPa)深度(m)打排水板前打排水板后0510152025020406080100原位十字板强度(kPa)深度(m)打十字板前打十字板后图2-51#测孔图2-62#测孔图2-73#测孔塑料排水板施工导致土体强度平均降低45%根据柱孔扩张理论计算得到施打排水板引起地基处理区的扰动程度约为30%左右日本学者奥村指出土体的结构受到扰动破坏短期内很难恢复的Akagi(1981)试验分析了砂井施工扰动对土体十字板强度的影响，指出砂井施工扰动程度为20%~40%，国内学者的工程实测数据也证实了这一点扰动及其对沉降的影响*%100%uuurSSSDSSuS*uSrS，——分别为扰动前后的十字板剪切峰值强度——重塑土的十字板剪切峰值强度土体结构扰动程度的评价方法SD——扰动度扰动程度越大，压缩曲线越向下移不同扰动程度的土体，其压缩曲线最终交于0.42e0点软土压缩曲线的校正方法—Schmertmann（1955）方法O0P可能变化范围cPcP'OeCcC'cCmaxeDeD0eePlg'F042.0e图2.14Schmertmann提出的原位压缩曲线校正方法软土压缩曲线的校正方法—Schmertmann（1955）方法软土压缩曲线的校正方法——Nagaraj(1990)方法BAenlog没有表现土的结构性变化过程试验要求的固结压力过大，很难实现，且校正曲线不便于工程应用11.11.21.31.41.51.61.71.81.9101001000压力，kPa孔隙比，e重塑土样薄壁土样CDE0zpc校正曲线AB•压缩曲线由四段组成1.水平段（AB）；2.弹性压缩段(BC)；3.结构破坏突降段（CD）；4.重塑压缩段(DE)，最终交于0.42e0点。•结构屈服应力比结构性软土压缩曲线校正结构性强的软土采用四折线法pc•压缩曲线由三段组成1：水平段（AB）2：弹性压缩段(BC)3：重塑压缩段(CE)，最终交于0.42e0点。结构性弱的软土采用三折线法p(kPa)0.50.60.70.80.911.11.21.31.410100100010000eJEG试验室压缩曲线原位压缩曲线K重塑土ABC(D)E0zpc结构性软土压缩曲线校正zopc042.0eplog0ee重塑土原状土当pczoPD，cS]log[11zoiizoisinioiiPCehD当zopcPD，cS]loglog[11pciizoicizoipcisinioiiPCCehD结构性软土地基沉降计算方法siCciCzopcpf042.0eplog0ee重塑土扰动土原状土扰动土的压缩曲线siCciCzof0)%)(1(zzopcpfSD0%)1(zzofSD扰动土的结构屈服应力与表观自重应力sfCcfC042.0epplog0ee重塑土扰动土原状土rede0SrSdS扰动产生附加沉降示意图0SSSrD0maxSSSdD式中SD——扰动产生的附加沉降；maxSD——某级荷载下最大附加沉降；0S——按原状土计算的地基沉降；rS——按扰动土计算的地基沉降；dS——按重塑土计算的地基沉降。扰动土地基的沉降及附加沉降计算温州电厂2#堆煤场中心点沉降计算和实测结果上覆压力(kPa)3676106136156①考虑结构性沉降算法(原状土,扰动度=0%)0.2930.7951.211.621.87②考虑结构性沉降算法(扰动土,扰动度30%)0.5881.301.722.092.316③附加沉降理论预测值=②-①0.2950.5050.510.470.446④按Es法计算（不修正）1.76⑤实测沉降=沉降值/此时固结度0.5/0.9=0.5561.686/0.8=2.11•扰动使竖井区地基的总沉降增大扰动及其对沉降的影响次固结沉降(Ss)3.3地基沉降组成•瞬时沉降(Ss)不排水条件下，地基土体侧向变形形成的沉降•主固结沉降(Sc)孔压消散，有效应力增加，地基固结产生的沉降•次固结沉降(Ss)土骨架上有效应力不变情况下，土体蠕变引起的沉降总沉降：S=Ss+Sc+Ss固结沉降和次固结沉降与时间有关3.4沉降随时间的变化（固结理论，Sc）•有效应力小于结构屈服应力时，结构性软土的固结系数基本为一常数；•当有效应力接近屈服应力时，固结系数迅速降低；•当有效应力大于结构屈服应力时，固结系数又趋于一常数。结构性软土大面积荷载一维固结理论结构破坏结构未破坏2VVCC1VVCCZ0Zm底面不排水固结系数和渗透系数简化模型和Terzaghi固结理论比较10100100010000100000100806040200Consolidationdegree,Ut(%)Timet,daytheresultofthisstudyTerzaghi'stheory(Cv=Cv1)Terzaghi'stheory(Cv=Cv2)Cv1=3?0-3cm2/sCv2=0.5?10-3cm2/sk1=1.2?10-6cm/sk2=0.4?10-6cm/s20151050020406080100120140160Cv1=3?10-3cm2/sCv2=0.5?10-3cm2/sk1=1.2?10-6cm/sk2=0.4?10-6cm/sEffectivestress,kPaS(t)|t=10S(t)|t=3Depth,meffectivestress,teffectivestress,t=10yeareffectivestress,t=3yearyieldstresseffectiveweight地基有效应力随时间变化地基中的孔压及其消散201510500204060Cv1=3Cv2=0.5k1=1.2k2=0.4s(t)Porewaterpressure,kPaDepth,mtheresultofthisstudyTerzaghi'stheory(Cv=Cv1)Terzaghi'stheory(Cv=Cv2)201510500204060Cv1=3Cv2=0.5k1=1.2k2=0.4s(t)Porewaterpressure,kPaDepth,mtheresultofthisstudyTerzaghi'stheory(Cv=Cv1)Terzaghi'stheory(Cv=Cv2)T＝3年t＝10年结构性软土砂井地基固结理论•径向和竖向组合排水条件下，地基中平均超静孔隙水压力分布'l深深2upuul0Cv2,Ch2Cv1,Ch1深深1深深深深深深深深深'l'12jj+1j-1n当；取pczoP1hhCC1vvCC12)12(sin12141mtBhtreHzmmUvTmmvteHzmmU4)12(1222)12(sin)12(1412)(8d