土力学4土的压缩性和地基沉降计算

第四章土的变形性质及地基沉降计算土的压缩性地基最终沉降量计算应力历史对地基沉降的影响地基变形与时间的关系建筑物沉降观测与地基容许变形土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性压缩量的组成固体颗粒的压缩土中水的压缩空气的排出水的排出占总压缩量的1/400不到，忽略不计压缩量主要组成部分说明：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果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4.1土的压缩性（1/26）固结：土体在压力作用下，压缩量随时间增长的过程。在荷载作用下，饱和土体中产生超静孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土体中水被排出，超静孔隙水压力逐步消散，土体中有效应力逐步增大，直至超静孔隙水压力完全消散，这一过程称为固结。无粘性土:其压缩过程在很短时间内就可以完成;粘性土:透水性小，其压缩稳定所需的时间要比砂土长得多。4.1土的压缩性（2/26）墨西哥某宫殿左部：1709年右部：1622年地基：20多米厚粘土工程实例问题：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4.1土的压缩性（3/26）工程实例由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触Kiss4.1土的压缩性（4/26）工程实例基坑开挖，引起阳台裂缝4.1土的压缩性（5/26）新建筑引起原有建筑物开裂4.1土的压缩性（6/26）47m3915019419917587沉降曲线(mm)工程实例建筑物过长：长高比7.6:14.1土的压缩性（7/26）目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m，塔顶离中心线已达5.27m，倾斜5.5°比萨斜塔1590年:伽利略在此塔做自由落体实验4.1土的压缩性（8/26）苏州虎丘塔概况：位于虎丘公园山顶，建于宋太祖建隆二年(公元961年)。塔高47.5m，平面呈八角形。问题：塔身向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线达2.31m，底层塔身发生不少裂缝，成为危险建筑物。原因：坐落于不均匀粉质粘土层，产生不均匀沉降。处理：在四周建造圈桩排式地下连续墙并对塔周围与塔基进行钻孔注浆和打设树根桩加固塔身。4.1土的压缩性（9/26）日本关西机场问题：沉降大且不均匀•设计沉降：5.7-7.5m•完成时(1990年)实际沉降：8.1m，5cm/月•预测主固结需：20年•比设计多超填：3m4.1土的压缩性（10/26）侧限压缩试验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1.压缩仪示意图注意：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4.1土的压缩性（11/26）三联固结仪4.1土的压缩性（12/26）Vv＝e0Vs＝1H0/(1+e0)H0Vv＝eVs＝1H1/(1+e)pH1s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eHeHHvAAHv11100土粒高度在受压前后不变整理1)1(000wswGe＝其中根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制e-p曲线，为压缩曲线4.1土的压缩性（13/26）)1(100000010eHseeHeeeHHs压缩曲线（e-p曲线）压缩曲线（e-lgp曲线）4.1土的压缩性（14/26）e0eppee-p曲线压缩性指标压缩性不同的土，曲线形状不同，曲线愈陡，说明在相同压力增量作用下，土的孔隙比减少得愈显著，土的压缩性愈高根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标1.压缩系数a2.压缩指数Cc3.压缩模量Es曲线A曲线B曲线A压缩性＞曲线B压缩性4.1土的压缩性（15/26）压缩系数a土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应力增量的比值p1p2e1e2M1M2e0epe-p曲线△p△e利用单位压力增量所引起得孔隙比改变表征土的压缩性高低peadd在压缩曲线中，实际采用割线斜率表示土的压缩性1221ppeepea＝《规范》用p1＝100kPa、p2＝200kPa对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性a1-2＜0.1MPa-1低压缩性土0.1MPa-1≤a1-2＜0.5MPa-1中压缩性土a1-2≥0.5MPa-1高压缩性土1221ppeepea＝斜率4.1土的压缩性（16/26）土的压缩指数Cc由e-lgp曲线得到。土的e-lgp曲线的后段接近直线，直线的斜率的绝对值。1221loglogppeeCc压缩指数越大，反映土的压缩性越高。2.0cC低压缩性土；中压缩性土高压缩性土。4.0cC4.02.0cC与压缩系数的区别?4.1土的压缩性（17/26）压缩指数与压缩系数的区别压缩系数随着起始压力和压力增量的不同而不同,因此必须规定起始压力和同一压力变化范围,常用作为判断土压缩性的标准;压缩指数由于选用的坐标不同,它是e-lgp曲线后段(压力较大)部分的直线斜率,在很大范围内是常数,所以Cc并不随压力变化范围而异.214.1土的压缩性（18/26）压缩模量Es土在侧限条件下竖向附加压应力与相应的应变增量之比，或称为侧限模量说明：土的压缩模量Es与土的的压缩系数a成反比，Es愈大，a愈小，土的压缩性愈低Es4MPa高压缩性土Es=4MPa-15MPa中压缩性土Es15MPa低压缩性土aeeeeppHHppEzzs11211211211/土的一般化的压缩曲线)(00e1e1Es1Eez=pz土的一般化的压缩曲线)(00e1e1Es1Es1Ee1Eez=pz4.1土的压缩性（19/26）回弹曲线和再压缩曲线在室内压缩试验过程中，如加压到某一值pi后，逐级进行卸压，则可观察到土样的回弹。若测得其回弹稳定后的孔隙比，则可绘制相应的孔隙比与压力的关系曲线，即回弹曲线。由于回弹曲线与原来的压缩曲线并不重合，说明土的压缩变形是由可以恢复的弹性变形和不可恢复的残余变形两部分组成的，并以残余变形为主。如重新逐级加压，则可测得土样在各级荷载下再压缩稳定后的孔隙比，从而绘制再压缩曲线。4.1土的压缩性（20/26）土的变形模量变形模量E0指土体在无侧限条件下的应力与应变的比值.（1）.以载荷试验测定变形模量与压缩模量的主要区别?4.1土的压缩性（21/26）SpBE)1(20ω—沉降影响系数μ—地基土的泊松比b—承压板的边长或直径s—与所取定的比例界限P相对应的沉降用载荷试验来测定土的变形模量，费时、费力，且费用较高，对于深层土的试验结果可靠性较差。现应着重发展现场快速测定变形模量的方法（旁压试验、触探试验等）。土的变形模量4.1土的压缩性（22/26）变形模量与压缩模量※土的变形模量E0是土体在无侧限条件下的应力与相应的应变的比值。※土的压缩模量Es是土体在完全侧限条件下的有效应力与相应的应变的比值。由侧向不允许膨胀的条件，可以得到土的静止侧压力系数K0与泊松比的关系由竖向的应力、应变关系以及压缩模量的定义可得到土的变形模量与压缩模量换算的理论关系公式式中:为的常数,可查表得.10KsssEEEKE)121()21(20014.1土的压缩性（23/26）模量的选用地基土的压缩性压缩模量Es分层总和法或规范推荐公式计算地基最终沉降量变形模量Eo—弹性理论方法计算地基沉降量考虑不同变形阶段的瞬时沉降计算弹性模量E计算高耸结构物风荷载作用下的倾斜地震反应分析计算或路面设计4.1土的压缩性（24/26）旁压试验及旁压模量旁压试验又称横压试验.也是一种原位测试的方法。试验在钻孔内进行（有的是预先钻孔，有的是自行钻孔)，将旁压器置于孔内后，用液压迫使旁压器的工作腔不断扩大，对孔壁土体施加压力(横压)，迫使孔周围的土变形外挤，直至破坏.量测所加的压力p的大小以及旁压器测量腔的体积V的变化(见图4.13)。再换算为土的应力应变关系，从而获得地基土强度和变形模量等参数。4.1土的压缩性（25/26）旁压试验的成果为p-V曲线可划分为三个阶段：I阶段为初步阶段，为橡皮膜膨胀与孔壁初步接触阶段。若完全紧贴时的压力用表示，则相当于原位总的水平应力;Ⅱ阶段称为似弹性阶段，这时压力与体积变化量大致成直线关系，表示土尚处于弹性状态，压力为开始屈服的压力，称为临塑压力;Ⅲ阶段为塑性阶段，随着压力增大，土内局部环状区域产生塑性变形。表现为体积变化量v迅速增加，最后达到极限压力.根据曲线第Ⅱ阶段的坡度()，可得到土的旁压模量，其值与土的变形模量相近。0p图4.13旁压试验p-V曲线0plpfpVpME0E4.1土的压缩性（26/26）有关概念1、地基最终沉降量：地基在建筑物荷载作用下，最后的稳定沉降量。2、计算的目的：在于确定建筑物的最大沉降量、沉降差和倾斜，并控制在容许范围之内，以保证建筑物的安全和正常使用。3、分层总和法和《规范》推荐法概述：分层总和法假设土层只有垂直单向压缩，侧向不能膨胀。而《规范》推荐法根据建国以来二十多年实践经验，对分层总和法进行了修正。4.2地基最终沉降量计算(1/23)分层总和法1.基本假设地基是均质、各向同性的半无限线性变形体，可按弹性理论计算土中应力在压力作用下，地基土不产生侧向变形，可采用侧限条件下的压缩性指标为了弥补假定所引起误差，取基底中心点下的附加应力进行计算，以基底中点的沉降代表基础的平均沉降基础最终沉降量等于基础底面下某一深度范围内各土层压缩量的总和。该深度以下土层的压缩变形值小到可以忽略不计。4.2地基最终沉降量计算(2/23)计算原理取土中基底中心下截面面积为、高度为的第层小土柱为研究对象，设：--为平均自重应力；--为平均自重应力作用下的孔隙比；--为平均附加应力；--为作用下的孔隙比。Aihicziie1zicziip1ie2zicziip2ip24.2地基最终沉降量计算(3/23)iiiiiiiiiiHeeessHeHe12121111zicziiicziiipepe2211~~inisiziinisiiniiiiiiiniiiiniiHEHEpHeppaHeeess11111211211114.2地基最终沉降量计算(4/23)计算方法及步骤1)按比例尺绘出地基剖面图和基础剖面图。2)分层一般hi≤0.4b(b为基础宽度)。还需考虑下述条件：A、地质剖面图中的不同土层，应为分层面。B、地下水位，应为分层面。C、基底附近附加应力变化大，分层厚度应小些,使各计算分层的附加应力分布可视为直线。3)计算基底中心点下各分层面上土的附加应力和自重应力,并绘制自重应力和附加应力分布曲线。4)确定地基沉降计算深度Zn(地基压缩层厚度)5)计算各分层土的平均自重应力和平均附加应力。6)计算各层压缩量。7)计算地基的最终沉降量。4.2地基最终沉降量计算(5/23)地基沉降计算深度的下限：地基土的压缩性随着深度的增大而降低，局部荷载引起的附加应力又随深度的增大而减少，所以超过一定深度的土，其变形对沉降量的贡献小到可忽略不计。沉降时应考虑其土体变形的深度范围内的土层称为地基压缩层，该深度称为地基沉降计算深度（地基压缩层厚度）。一般情况：取地基附加应力等于自重应力的20%处，即σz=20%σc；特殊情况：如在该深度以下如有高压缩性土，则应继续向下计算至σz=10%σc处；在沉降计算深度范围内存在基岩时，Zn可取至基岩表面为止。这种确定沉降计算深度的传统方法称为应力比法。)(1.0)(2.0软土一般土orcznzn4.2地基最终沉降量计算(6/23)孔隙比e的确定)2(2)1(221)1(1izziziizicziiicziiczcziiepep查得查得4.2地基最终沉降量计算(7/23)例4.1柱荷载F=851.2kN,基础埋深d=0.8m，基础底面尺寸子;地基土层如图4.15及表4.2所示，试用分层总和法计算基础沉降量。2