工程地质与土力学第9章土的压缩性与地基沉降计算.

第九章土的压缩性与地基沉降计算基本内容在学习土的压缩性指标确定方法的基础上，掌握地基最终沉降量计算原理和地基固结问题的分析计算方法。学习要求◇掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法；◆重点掌握地基最终沉降量计算方法；◇掌握固结理论及地基沉降与时间的关系。一、概述如果在地基上修建建筑物，地基土内各点不仅要承受土体本身的自重应力，而且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。为什么研究沉降？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。工程实例问题：沉降2.2米，且左右两部分存在明显的沉降差。左侧建筑物于1969年加固。墨西哥某宫殿左部：1709年；右部：1622年；地基：20多米厚的粘土由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触基坑开挖，引起阳台裂缝日本1995年1月17日阪神大地震大Nishinomiya桥的桥墩破坏.6个桥墩中至少2个严重破坏，其可能的原因是岸边桥墩的大变形导致第一组桥墩过载。相邻建筑物施工引起的原有建筑物的局部倾斜（软粘土地基）膨胀土地基上建筑物的开裂（美国—加拿大）潜在性膨胀土的分布限与热带和温带的半干旱地区内。这种条件助长了蒙特石形成。很多国家都发现了膨胀土。印度的黑棉土《膨胀土上的基础》陈孚华TU4431高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除地基土层发生变形的主要因素内因：土具有压缩性外因：主要是建筑物荷载的作用建筑物荷载作用，这是普遍存在的因素地下水位大幅度下降施工影响，基槽持力层土的结构扰动振动影响，产生震沉浸水下沉，如黄土湿陷，填土下沉土体压缩性——土在压力（附加应力或自重应力）作用下体积缩小的特性。通常，均认为土体压缩完全是由于土中孔隙体积减小的结果。土的固结——土体在压力作用下其压缩量随时间增长的过程。沉降值的大小取决于地基土的压缩实质性、各土层厚度及其压缩地基土层的类型、分布布建筑物荷载的大小和分。会被压缩，也会被排出部分）；）不变；但会被排出（孔隙水体积（不变；土粒体积（asVVV)下一节退出返回9.1土的压缩性9.2压缩试验和压缩性指标9.3现场载荷试验和变形模量1.饱和土中的应力形态PSPSVaaA一、有效应力原理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。②强度的成因凝聚力和摩擦—与σ’有关u'（2）土的变形与强度都只取决于有效应力饱和土的渗透固结过程就是孔隙水压力向有效应力转化的过程。在渗透固结过程中，伴随着孔隙水压力逐渐消散，有效应力在逐渐增长，土的体积也就逐渐减小，强度随着提高。3、结论u'静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力aa平面上的总应力为：孔隙水应力：有效应力：结论：在静水条件下，孔隙水应力等于研究平面上单位面积的水柱重量，与水深成正比，呈三角形分布；而有效应力等于研究平面上单位面积的土柱有效重量，与土层深度成正比，也呈三角形分布，而与土面以上静水位的高低无关。土的压缩性——土在压力作用下体积缩小的特性无粘性土粘性土透水性好，水易于排出压缩稳定很快完成透水性差，水不易排出压缩稳定需要很长一段时间土的固结：土体在压力作用下，压缩量随时间增长的过程9.2压缩性指标的测定研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法，亦称固结试验三联固结仪9.2压缩试验和压缩性指标注意：土样在竖直压力作用下，由于环刀和刚性护环的限制，只产生竖向压缩，不产生侧向变形1.压缩仪示意图水槽内环环刀透水石试样传压板百分表测定：轴向应力轴向变形试验结果：P1s1e1e0PtestP2s2e2P3s3e3研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律Vv0Vs0H0VviVsipHis土样在压缩前后变形量为s，整个过程中土粒体积和底面积不变00AHV土粒横截面积在受压前后不变iisiAHeV)1(整理000)1(Hseeeiip2.e-p曲线压缩前：联立：压缩后：iiAHV00)1(AHeVso)1()1(000eVeVHHsisiie0eppee-p曲线曲线A曲线B曲线A压缩性＞曲线B压缩性根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制e-p曲线，为压缩曲线土的回弹曲线和再压缩曲线pe弹性变形塑性变形adbcb压缩曲线回弹曲线再压缩曲线pie-lgp曲线epe-p曲线回弹曲线压缩曲线再压缩曲线pi思考：1、施工工艺上的运用2、室内实验的误差压缩指标反映土的压缩性的指标主要有压缩系数、压缩指数、压缩模量和变形模量、体积压缩系数。压缩系数：曲线上任意两点割线的斜率。可表示为：式中，负号表示随着压力P的增加，e逐渐减少。压缩性不同的土，其压缩曲线的形状是不一样的。曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高。工程上，自重应力P1增加到外荷作用土中应力P2(自重与附加应力之和)1221eeeappp压缩指数e-p曲线缺点：不能反映土的应力历史特点：有一段较长的直线段指标：压缩指数Cce-lgp曲线12211221lglglgppeeppeeCc－－－＝一般：低压缩性土Cc0.2高压缩性土Cc0.4epp1p2e1e21221lgppeeCclg--斜率为了便于应用和比较，通常采用压力由P1＝100kPa增加到P2＝200kPa时所得的压缩系数a1-2来评定土的压缩性：工程中，为减少土的孔隙比，从而达到加固土体的目的,常采用砂桩挤密、重锤夯实、灌浆加固等方法a1-20.1MPa-1时，低压缩性土0.1≤a1-20.5MPa-1时，中压缩性土a1-2≥0.5MPa-1时，高压缩性土Cc0.2时，低压缩性土Cc≥0.4时，高压缩性土土在侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值，或称侧限模量aeEs11Es与a成反比，Es愈大，a愈小，土的压缩性愈低压缩模量EsEs1-2＜4MPa高压缩性土4MPa≤Es1-2≤20MPa中压缩性土Es1-220MPa低压缩性土说明：土的压缩模量Es用在不考虑土侧向变形的地基沉降计算中，实际上，只有少数情况下地基中土应力与变形与完全侧限条件下压缩试验土样的应力应变情况相同1、水平向无限分布的均质土中自重应力作用下2、满足上式条件的地基在无限均布荷载作用下3、地基可压缩土层厚度与荷载面积尺寸相比相对较小，即薄压缩层，可近似看作荷载水平向无限均布百分表堆载荷载板主梁平台千斤顶堆载平台系统的设备布置现场载荷试验是在工程现场通过千斤顶逐级对置于地基土上的载荷板施加荷载，观测记录沉降随时间的发展以及稳定时的沉降量s，将上述试验得到的各级荷载与相应的稳定沉降量绘制成p-s曲线，即获得了地基土载荷试验的结果。锚桩反力梁系统的设备布置钢绞线锚桩基准梁千斤顶承压板支墩钢板工字钢锚具反力梁反压重物反力梁千斤顶基准梁荷载板百分表（一）承压板类型和尺寸承压板可用混凝土、钢筋混凝土、钢板、铸铁板等制成，多以钢板为主。要求压板具有足够的刚度，不破损、不挠曲，压板底部光滑平整，尺寸和传力重心准确，搬运和安置方便。承压板形状可加工成正方形或圆形，其中圆形压板受力条件较好而且边界条件简单，使用最多。（二）承压板面积岩土工程勘察规范规定一般宜采用0.25~0.50m2，对均质密实的土，可采用0.1m2，对软土和人工填土，不应小于0.5m2。建筑地基基础设计规范GBJ5007-2002规定承压板面积不应小于0.25m2，对于软土不应小于0.5m2。采用单桩复合地基试验方式时，压板面积为一根桩承担的处理面积。采用多桩复合地基试验方式时，压板面积为相应多根桩承担的处理面积。二、试验方法平板载荷试验适用于浅层地基、深层地基或大直径人工挖孔桩的桩端土层测试。试验的加载方式一般采用分级维持荷载沉降相对稳定法（慢速法）和沉降非稳定法（快速法），以慢速法为主。典型的慢速法加载过程（建筑地基基础设计规范GBJ5007-2002）：荷载分级：不应少于8级，最大加载量不应小于设计要求的两倍；数据测读：每级加载后，按间隔10、10、10、15、15min，以后为每隔半小时测读一次沉降量。稳定标准：当在连续两小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，认为沉降已趋稳定，可加下一级荷载。加载终止标准：1.承压板周围的土明显地侧向挤出；2.沉降s急骤增大，荷载~沉降（p~s）曲线出现陡降段；3.在某一级荷载的作用下，24小时内沉降速率不能达到稳定；4.沉降量与承压板宽度或直径之比大于或等于0.06。卸载：该规范没有对卸载过程做出规定，但完整的试验应包含卸载过程。注意各规范的规定有一些差别。由此可得到荷载（p）－沉降（s）曲线（即p－s曲线）。典型的平板载荷试验p－s曲线可划分为三个阶段：（1）直线变形阶段：p－s曲线为直线段（线性关系），对应于此段的最大压力p0，称为比例界限压力（也称为临塑压力），土体以压缩变形为主。（2）剪切变形阶段：当压力超过p0，但小于极限压力pu时，压缩变形所占比例逐渐减少，而剪切变形逐渐增加，p－s线由直线变为曲线，曲线斜率逐渐增大。（3）破坏阶段：当荷载大于极限压力pu时，即使维持荷载不变，沉降也会急剧增大，始终达不到稳定标准。沉积土层的应力历史先期固结压力Pc：天然土层在地质历史上曾受过的最大固结压力。现有上覆土层自重应力P0：现有上覆土层自重产生的竖向应力。超固结比OCR：0PPOCRc压缩至稳定未压缩至稳定新近沉积的黏性土、人工填土1PPOCRc先期固结压力的确定三、基础最终沉降量计算定义地基土层在建筑物荷载作用下，不断产生压缩，直至压缩稳定后地基表面的沉降量称为地基的最终沉降量。原因其外因主要是建筑物荷载在地基中产生附加应力；内因是土的碎散性，孔隙发生压缩变形，引起地基沉降。目的判断地基变形值是否超出允许的范围，以便在建筑物设计时，采取相应的工程措施，保证建筑物的正常使用。方法有关地基沉降量的方法很多，工业与民用建筑中常见的有分层总和法和《规范》法，还有弹性理论法和数值计算法。（一）分层总和法工程上计算地基的沉降时，在地基可能产生压缩的土层深度内，按土的特性和应力状态的变化将地基分为若干(n)层，假定每一分层土质均匀且应力沿厚度均匀分布，然后对每一分层分别计算其压缩量si，最后将各分层的压缩量总和起来，即得地基表面的最终沉降量s，这种方法称为分层总和法。基本假设地基是均质、弹性地基土不产生侧向变形，以基础中点沉降量代替基础沉降量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。Vv1VsH1Vv2VspH2s11AHV22)1(AHeVs整理1121112112211)111()/1(HeeeHeeHHHHHsp压缩前：联立：压缩后：22AHV11)1(AHeVs)1()1(1212eeHH计算步骤1.确定沉降计算深度范围内的分层界面沉降计算分层面可按下述原则确定：第一，不同土层的分界面与地下水位面;第二，每一分层厚度不大于基础宽度的0.4倍。2.计算各分层界面处土的自重应力，计算各分层界面处基底中心下竖向