土力学-第四章.

本章提要本章特点学习难点第四章：土的压缩性与地基沉降计算•土的压缩性-测试方法和指标•地基的最终沉降量-分层总和法•地基的沉降过程-饱和土渗流固结理论•有一些较严格的理论•有较多经验性假设和公式•应力历史及先期固结压力•不同条件下的总沉降量计算•渗流固结理论及参数土的压缩变形问题土的压缩性与地基沉降计算试验方法压缩性指标沉降的大小沉降的过程土的压缩性测试方法一维压缩性及其指标地基的最终沉降量计算饱和土体的渗流固结理论§4.1概述§4.2土的压缩性§4.3地基的最终沉降量计算§4.4应力历史对地基沉降的影响§4.5地基变形与时间的关系§4.6地基沉降计算有关问题综述第四章：土的压缩性与地基沉降计算§4.1概述工程实例由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触§4.1概述工程实例基坑开挖，引起阳台裂缝§4.1概述新建筑引起原有建筑物开裂§4.1概述工程实例高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除§4.1概述工程实例建筑物立面高差过大47m3915019419917587沉降曲线(mm)工程实例建筑物过长：长高比7.6:1§4.1概述§4.1概述压缩性测试最终沉降量沉降速率§4.2土的压缩性•一维压缩：基本方法•复杂条件：修正•一维固结•三维固结•室内：三轴压缩侧限压缩•室外：荷载试验旁压试验§4.3地基的最终沉降量计算§4.4地基变形与时间的关系概述主线、重点：一维问题！§4.1概述§4.2土的压缩性§4.3地基的最终沉降量计算§4.4应力历史对地基沉降的影响§4.5地基变形与时间的关系§4.6地基沉降计算有关问题综述第四章：土的压缩性与地基沉降计算§4.2土的压缩性土体变形的机理土的压缩性•固体土颗粒被压缩•土中水及封闭气体被压缩•水和气体从孔隙中被挤出土体的变形特性土体的特点：散粒体土的压缩可只看做是土中水和气体从孔隙中被挤出，与此同时，土颗粒相应发生移动，重新排列，靠拢挤紧，从而土孔隙体积减少。压缩量微不足道主要原因§4.2土的压缩性土体变形的机理土压缩变形的快慢与土的渗透性有关。饱和无粘性土建筑物施工完毕，压缩变形完成饱和粘性土压缩过程所需时间长•土的固结：土在外力作用下，压缩随时间增长的过程§4.2土的压缩性土的变形特性测定方法现场试验•荷载试验•旁压试验三轴应力状态•侧限压缩试验•三轴压缩试验•其他特殊试验室内试验一维问题§4.2土的压缩性固结容器：环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等加压设备：杠杆比例1:10变形测量设备侧限压缩（固结）仪支架加压设备固结容器变形测量§4.2土的压缩性•施加荷载，静置至变形稳定•逐级加大荷载百分表加压上盖试样透水石护环环刀压缩容器侧限压缩试验P1s1e1e0ptest测定：•轴向压缩应力•轴向压缩变形P2s2e2P3s3e3§4.2土的压缩性侧限压缩试验百分表试样环刀P1S1e1e0ptestP2S2e2P3S3e3已知：•试样初始高度H0•试样初始孔隙比e0试验结果：每级压力p作用下试样的压缩变形Sp(kpa)=50、100、200、300、400§4.2土的压缩性1e0e孔隙固体颗粒H0Sie000iH1eHS1e0i00HS)e1(ee侧限压缩试验由三相草图：可得到e-p关系1)1(00wswde§4.2土的压缩性e-p曲线ep01002003000.60.70.80.91.0ep(kPa)1221peappee不同土的压缩系数不同，a越大，土的压缩性越大同种土的压缩系数a不是常数，与应力p有关通常用a1-2即应力范围为100-200kPa的a值对不同土的压缩性进行比较压缩系数KPa-1，MPa-1§4.2土的压缩性e-p曲线–压缩系数a土的类别a1-2(MPa-1)高压缩性土0.5中压缩性土0.1-0.5低压缩性土0.1压缩系数a1-2常用作比较土的压缩性大小压缩系数：pea01002003000.60.70.80.91.0epep(kPa)§4.2土的压缩性e-lgp曲线0e0elgp)lg(lglgC12211221ppeeppeecCc越大，土的压缩性越大压缩指数e1e2lgp2lgp1土的类别Cc高压缩性土0.4中压缩性土0.2-0.4低压缩性土0.2§4.2土的压缩性压缩模量s211211211E/11zzzpppHHppeeeea侧限压缩模量Es与压缩系数成反比土的类别Es(kPa或MPa)高压缩性土4MPa中压缩性土4-15MPa低压缩性土15MPa1e1e孔隙固体颗粒e压缩系数的倒数1/a§4.2土的压缩性压缩系数侧限压缩模量1s1eEa压缩指数压缩指标间的关系1e1e孔隙固体颗粒epEspea1e1e)lg(lglgC12211221ppeeppeec§4.2土的压缩性土的回弹曲线土的回弹曲线ae压缩曲线opie0bcdfp再压缩曲线回弹曲线残余变形弹性变形§4.2土的压缩性10010000.60.70.80.9eCc11Cep(kPa，lg)e-lgp曲线Ce•回弹指数（再压缩指数）CeCc，一般Ce≈0.1-0.2Cc指标：•压缩指数)lgp(eCc载荷试验与旁压试验自学§4.2土的压缩性§4.2土的压缩性载荷实验与变形模量0sppcrpuabc21011pbEs变形模量E0：(4.10)P74地基参数的确定变形模量E0、压缩模量Es土的变形模量E0：土体在无侧限条件下的应力与应变的比值土的压缩模量Es：土体在完全侧限条件下的应力与应变的比值地质勘察对粘性土一般给压缩模量，对碎石土则给变形模量。现在国家规范提供的沉降计算公式用的是压缩模量,所以使用的时候要将变形模量转化为压缩模量，而高层勘察规范则直接给出了以变形模量为基础的计算方法。(P75)§4.2土的压缩性地基参数的确定变形模量E0、压缩模量Es在土的压密变形阶段，假定土为弹性材料，则可根据材料力学理论，推导出变形模量E0和压缩模量Es之间的关系(P75)：0sEE012K一般土体=0~0.5时，b=1~0，即E0/Es的比值在0~1之间变化，E0小于Es。但很多情况下E0/Es都大于1。其原因为：一方面是土不是真正的弹性体，并具有结构性；另一方面就是土的结构影响；三是两种试验的要求不同。§4.2土的压缩性01K地基参数的确定弹性模量E高耸结构物在计算风荷载作用下的倾斜时，如果用压缩模量或变形模量计算，将得出与实际上不可能那样大的结果。这是因为风荷载是重复荷载，每次作用时间很短，此时土体中的孔隙水来不及或不完全排出，压缩变形来不及发生，也就是只发生土骨架的弹性变形，部分土中水排出，封闭土中气的压缩变形，这些都是可恢复的弹性变形，而没有发生不可恢复的残余变形，即土颗粒相互移动，靠拢挤密的现象，应用弹性模量来计算。§4.2土的压缩性地基参数的确定弹性模量E土体在无侧限条件下瞬时压缩的应力应变模量。弹性模量应用来计算瞬时或短时间内即快速作用着荷载时土体变形。如：风荷载作用时，地震反应分析计算时，路面设计时。采用三轴压缩实验或单轴压缩无侧限抗压实验得到初始切线模量Ei或相当于现场荷载条件下的再加荷模量Er。§4.2土的压缩性3111Ei1Er土的一般化的应力应变曲线5~6个循环后，测得Ei和Er§4.1概述§4.2土的压缩性§4.3地基的最终沉降量计算§4.4应力历史对地基沉降的影响§4.5地基变形与时间的关系§4.6地基沉降计算有关问题综述第四章：土的压缩性与地基沉降计算tS粘性土地基的沉降量S由机理不同的三部分沉降组成：初始瞬时沉降Sd：在不排水条件下，由剪应变引起侧向变形导致主固结沉降Sc：由超静孔压消散导致的沉降，通常是地基变形的主要部分次固结沉降Ss：由于土骨架的蠕变特性引起的变形scdSSSS粘性地基的沉降类型Sd：初始瞬时沉降Ss:次固结沉降Sc：主固结沉降总变形：§4.3地基的最终沉降量计算地基的最终沉降量计算最终沉降量S∞：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=pp以一维侧限应力状态土的压缩特性为基础的分层总和法计算方法：St§4.3地基的最终沉降量计算地基的最终沉降量计算单一土层一维压缩问题地基最终沉降量分层总和法§4.3地基的最终沉降量计算szσszH2HH/2H/2,e1单一土层一维压缩问题计算简图pσz=p压缩前1szp1e压缩后2szzp2e查e-p曲线1Vs1ee1Vs2e121111zeeeeezSH12z1eeSHH1e基底中心点以下的σz不随深度变化§4.3地基的最终沉降量计算pH,e1epH/2H/2σz=pszσszH2计算步骤：单一土层一维压缩问题zszH；；121eeSH1e•确定：•查定：•算定：1sz1ep以公式为例He1eeS1212zsz2epe1e2pp1p2§4.3地基的最终沉降量计算理论上不够完备，缺乏统一理论,是一个半经验性方法附加应力用弹性理论计算，采用基底中心点下的附加应力计算时采用完全侧限条件下的压缩性指标，即：侧限应力状态,只发生单向沉降只计算固结沉降，不计瞬时沉降和次固结沉降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：iSS基本假定和基本原理：地基最终沉降量分层总和法§4.3地基的最终沉降量计算计算步骤地基最终沉降量分层总和法d地面基底计算深度pp0dzsza)原地基的自重应力分布szb)基底附加压力p0c)确定地基中附加应力z分布d)确定计算深度zne)地基分层Hif)计算每层沉降量Sig)各层沉降量叠加Si•sz从地面算起；•z从基底算起，由基底附加应力p0=p-d引起§4.3地基的最终沉降量计算计算步骤地基最终沉降量分层总和法......d)确定计算深度zne)地基分层Hif)计算每层沉降量Sig)各层沉降量叠加Si•经验法：一般土层：σz=0.2σsz软土层：σz=0.1σsz•软土的定义，e≥1、w≥wL，淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉土d地面基底计算深度pp0dzszz§4.3地基的最终沉降量计算计算步骤–情况1地基最终沉降量分层总和法a)原地基的自重应力分布szb)基底附加压力p0c)确定地基中附加应力z分布d)确定计算深度zne)地基分层Hif)计算每层沉降量Sig)各层沉降量叠加Si•不同土层界面•地下水位线•每层厚度不宜0.4b或4m•z变化明显的土层，适当取小Hid地面基底计算深度pp0dzszszizi§4.3地基的最终沉降量计算d地面计算深度pp0dzsz计算公式：e-p曲线地基最终沉降量分层总和法对土层i有：ziiisiHSE压缩前p1i=szie1i压缩后p2i=szi+zie2iHisziziizii1ii1i2ii1iiHe1aH)pp(e1aS§4.3地基的最终沉降量计算可计算成层地基可计算不同形状基础-条性、矩形和园形等可计算不同基底压力分布-均匀、三角和梯形分布参数的试验测定方法简单已经积累了几十年应用的经验，适当修正。基本假定：优点：（a）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单向分层总和法的评价§4.3地基的最终沉降量计算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szi，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•附加应力分层总和法要点小结§4.3地基