第四章土的压缩与固结.

第四章土的压缩与固结1土的压缩性2地基最终沉降量计算3地基沉降与时间的关系如果在地基上修建建筑物，地基土内各点要承担由建筑物通过基础传递给地基的荷载产生的附加应力作用，这都将导致地基土体的变形。在附加应力作用下，地基土将产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降。基础的沉降量或者各部位的沉降差过大，那么将影响上部建筑物的正常使用，甚至会危及建筑物的安全。事故的原因是：设计时未对谷仓地基承载力进行调查研究，而采用了邻近建筑地基352kPa的承载力基坑开挖，引起阳台裂缝通过预压可提高软土地基的强度，降低建筑使用期间的沉降。在预压过程中，通过在软土中设置砂井、塑料排水板等竖向排水系统，可大大缩短孔隙水的排水距离，提高固结速度。这两个筒仓是农场用来储存饲料的，建于加拿大红河谷的LakeAgassiz粘土层上，由于两筒之间的距离过近，在地基中产生的应力发生叠加，使得两筒之间地基土层的应力水平较高，从而导致内侧沉降大于外侧沉降，仓筒向内倾斜。高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除4-2土的压缩特性在外力作用下，土颗粒重新排列，土体体积缩小的现象称为压缩。通常，土粒本身和孔隙水的压缩量可以忽略不计，在研究土的压缩时，均认为土体压缩完全是由于土中孔隙体积减小的结果。土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。渗透性较大的土砂土，加荷后，孔隙中的水较快排出，压缩完成得快；渗透性小的土粘土，加荷后，孔隙中的水缓慢排出，且土颗粒间的力作用使压缩完成得慢。先研究最终沉降量压缩性测试室内试验室外试验侧限压缩、三轴压缩等荷载试验、旁压试验等荷载试验旁压试验侧限压缩固结仪4.2.2固结试验内环透水石试样传压板百分表用这种仪器进行试验时，由于刚性护环所限，试样只能在竖向产生压缩，而不能产生侧向变形，故称为单向固结试验或侧限固结试验。1hsh1vh2h1vV2vVsVsVSsh2vhsv1sv1sv11hhAhAhVVe1sv1ehhsv11hhh11se1hhsv1sv2sv22hshAhAhVVesehh2sv1shhshhsv11221se1shh)e(1hsee1112s1d(1w)e1ρ2111e1she1ha'(kP)01002003004000.60.70.80.91.0ePt1p2pSt1e2e0e3e1s2s3se)e(1hsee01011ρw)(1ρes04.2.3压缩参数1.压缩系数1221vppeea1e2ekPa或MPa-1-1曲线越缓，压缩系数越小，土的压缩性越小ep2p1p在工程中，习惯上采用100kPa和200kPa范围的压缩系数来衡量土的压缩性高低。中压缩性高压缩性低压缩性0.50.1a1-2(MPa-1)'ea'(kP)01002003004000.60.70.80.91.0e000012eea21v2.压缩指数Cc愈大，曲线愈陡，土压缩性愈大1221clogplogpeeC3.压缩模量1s/hΔp2h2vVsVSsh2vh)e(1hsee11121221vppeea221v21eeeaee1εσEsv1ae14.体积压缩系数mv1vve1am卸荷和再加荷的固结试验。4.3侧限状态下地基土的压缩变形计算ΔpHe1as1vHe1eeS121He1)p/(paS112vsEΔpHs)e(1hsee11121221vppeeav1sae1EΔpHmsv4.4、用e～p曲线法计算地基的最终沉降量分层总和法地基土体沉降分为：初始沉降是指当荷载施加较快，土体允许有侧向变形时，加荷瞬时土体的竖向变形量固结沉降也称主固结沉降，是土体在附加压力作用下，由于土中孔隙水和孔隙气体的排出而引起的土体体积的减小。次固结沉降是指含水量较高的软粘土在固结沉降完成后期，较厚的吸着水层因土体受挤压使得其中的一部分吸着水逐渐转变为自由水，土体体积减小所出现的压缩量。scdSSSStSSi：初始瞬时沉降Ss:次固结沉降Sc：主固结沉降niiSS1分层总和法的基本思路是：将压缩层范围内地基分层，计算每一分层的压缩量，然后累加得总沉降量。d地面基底分层总和法有两种基本方法：e~p曲线法和e～lgp曲线法。基础中心处的沉降代表基础的沉降。He1eeS121分层总和法计算地基的最终沉降量计算步骤1.画出基础及土层的剖面图，选择沉降计算点的位置2.地基分层②每层厚度2~4m,=0.4b；d地面基底p①不同土层界面；地下水位线；3.计算原地基中自重应力分布：从地面计算d地面基底pp0d自重应力附加应力siziHin1inn2211sihiγhγ......hγhγσBLPp4.计算基础中心点以下地基中竖向附加应力分布。γdLBPσpps0σz从基底算起；σz是由基底附加应力p0引起的d地面基底pp0d自重应力附加应力沉降计算深度siziHi5.确定计算深度①一般土层：σz=0.2σs；②软粘土层：σz=0.1σs；6.按算术平均求各分层平均自重应力和平均附加应力2σσσ1issisi2σσσ1izzizid地面基底pp0d自重应力附加应力沉降计算深度siziHi7.求出第i分层的压缩量（用e～p曲线）i1i2i1iiHe1eeSii1iviiHΔpe1aSee1ie2isip2iziiisiiHΔpE1S（7）最后将每一分层的压缩量累加，即得地基的总沉降量为：S=∑Si例：有一矩形基础，放置在均质粘土层上，如图所示。基础长度L为10m，宽度B为5m，埋置深度D为1.5m，其上作用着中心荷载P等于10000kN。地基上的天然湿容重为20kN/m3，饱和容重为21kN/m3，土的压缩曲线如图所示。若地下水位距离基底2.5m，试求基础中心点的沉降量。d=1.5m地面10m5m2.5m解:由L/B=10/5=210可知，属于空间问题，且为中心荷载，所以基底压力为p=P/(L×B)=10000/(10×5)＝200kPa基底附加应力为p0=p-γd=200-20×1.5＝170kPa因为是均质土，且地下水位在基底以下2.5m处，取分层厚Hi=2.5m。2.5m2.5m2.5m2.5m求各分层面的自重应力（注意：从地面算起）并绘分布曲线σs0=γd=20×1.5=30kPaσs1=σs0+γH1=30+20×2.5=80kPa地面2.5m2.5m2.5m2.5m2.5md=1.5mPσs2=σs1+γˊH2=80+(21-9.8)×2.5=108kPaσs3=σs2+γˊH3=108+(21-9.8)×2.5=136kPaσs4=σs3+γˊH4=136+(21-9.8)×2.5=164kPaσs5=σs4+γˊH5=164+(21-9.8)×2.5=192kPa3080108136164192地面P30801081361641922.5m2.5m2.5m2.5m2.5md=1.5m求各分层面的竖向附加应力并绘分布曲线通过中心点将基底划分为四块相等的计算面积，每块的长度L1=5m，宽度B1=2.5m位置00020.2517012.5120.199913625.0220.12028237.5320.073250410.0420.047432512.5520.032822)(mizBziBLSK(kPa)p4KσSz02345117082503222136(4)确定压缩层厚度。从计算结果可知，在第4点处有σz4/σs4＝0.1950.2，所以，取压缩层厚度为10m。（6）计算各分层的平均自重应力和平均附加应力。根据p1i=σsi和p2i=σsi+σzi分别查取初始孔隙比和压缩稳定后的孔隙比，层号030170180550.9351361532080.872108940.915821092030.8731361220.89550661880.87541641500.88532411910.873siσ2σσσ1issisiziσ2σσσ1izzizizisi2iσσp1ie2ie（5）（8）计算地基的沉降量。计算各分层的沉降量，然后累加即得由附加应力面积A求沉降，该法又称规范法附加应力分布图面积efdccdbaabfeS=S-S—为平均附加应力系数（可查表4-5）Zi、zi-1—为从基底算至所求土层i的底面、顶面ii-1α,α规范法求最终沉降量dfp0Pzi-1zi01pi0piaceziHibziiisσHS=Eii-10i0i-1=α×p×z-α×p×zii-10ii-1isp(α×z-α×z)S=Eii-1izii0ii-1A=σH=p(α×z-α×z)nii=1S=S沉降计算深度：由计算深度向上取厚度为的土层沉降计算值；（可查表4-6）S—计算深度范围内各个分层土的沉降计算值的总和。具体应用时采用试算法，先假定一个沉降计算深度znSS025.0//Szznz=b(2.5-0.4lnb)4-5地基沉降计算的e～lgp曲线法一、概述粘土的应力历史不同，压缩性不同；一般情况下，室内的压缩曲线已经不能代表地基中现场压缩曲线，它的起始段实际上已是一条再压缩曲线。因此，必须对室内单向固结试验得到的压缩曲线进行修正，利用室内e～lgp曲线可以推出现场压缩曲线，同时能考虑应力历史的影响，（a）正常固结早期地表现在地表（b）超固结hph现在地表早期地表（c）欠固结hhph现在地表早期地表hp=hp=hcp'0pcp'0pcp'0pcp'0p=前期固结应力PC:历史上曾受到过的（包括现在）最大有效固结应力超固结比OCR:前期固结应力PC与现有有效固结应力之比正常固结超固结欠固结OCR=1先期固结压力等于现时的土压力OCR1先期固结压力大于现时的土压力先期固结压力小于现时的土压力'0cppOCR地基的变形不是瞬时完成的，地基在建筑物荷载作用下要经过相当长的时间才能达到最终沉降量。4.6太沙基一维固结理论在工程设计中，除了要知道地基最终沉降量外，往往还需要知道沉降随时间的变化过程即沉降与时间的关系。1、物理模型0tt0twphpphh0hp总应力:p孔隙水压力:u=p有效应力:σ’z=0渗流固结过程总应力:p孔隙水压力:up有效应力:σ’z0总应力:p孔隙水压力:u=0有效应力:σ’z=p4.6.1一维固结模型cp4.6.2一维固结理论太沙基单向固结理论有下列一些基本假定：（1）土是均质、各向同性且饱和的；（2）土粒和孔隙水是不可压缩的，土的压缩完全由孔隙体积的减小引起；（3）土的压缩和固结仅在竖直方向发生；（4）孔隙水的向外排出符合达西定律，土的固结快慢决定于它的渗流速度；（5）在整个固结过程中，土的渗透系数、压缩系数等均视为常数；孔隙体积的变化＝流出的水量土的压缩特性有效应力原理达西定律孔隙水压力的时空分布孔隙水压力孔隙水压力土骨架的体积变化＝212wk1euutaz固结系数2v2uuCtzvCwv1vra)ek(1C不透水岩层饱和压缩层σz=pHp0tt0tzt,zuzt,zt,zut,zz0zH:u=p0zH:u=0zvv2CTtHH为最大排水距离，在单面排水条件下为土层厚度，在双面排水条件下为土层厚度的一半。时间因数H4.6.3、固结度的的概念及应用式中：st——经过时间t后的基础沉降量；SSUt......e251e91eπ81Uv2v2v2T4π25T4π9T4π2——基础的最终沉降量。Hσe1aSz1vS'zσ''zσ''z'zσσααforthecaseoftwowaydrainage,isequalto1andthedrainagepathHshouldbehalftheth