土的变形特性与地基沉降.

1土的变形特性与地基沉降计算2工程实例§4土的压缩性与地基沉降计算问题：沉降2.2米，且左右两部分存在明显的沉降差。墨西哥某宫殿地基：20多米厚的粘土3Kiss由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触4基坑开挖，引起阳台裂缝5修建新建筑物：引起原有建筑物开裂6高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除7建筑物立面高差过大8建筑物过长：长高比7.6:147m3915019419917587沉降曲线(mm)9土具有变形特性荷载作用地基发生沉降荷载大小土的压缩特性地基厚度一致沉降（沉降量）差异沉降（沉降差）建筑物上部结构产生附加应力影响结构物的安全和正常使用概述§4土的压缩性与地基沉降计算土的特点（碎散、三相）沉降具有时间效应－沉降速率10变形特性及测试方法最终沉降量一维压缩一维固结沉降速率多维固结修正复杂条件下的计算公式简化条件主线、重点：一维问题！§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法§4.3地基的最终沉降量计算§4.4饱和土体的渗流固结理论室内试验室外试验侧限压缩、三轴压缩等荷载试验、旁压试验等概述§4.2一维压缩性及其指标较复杂应力状态？11§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法§4.2一维压缩性及其指标§4.3地基的最终沉降量计算§4.4饱和土体的渗流固结理论12特殊应力状态一维问题侧限压缩试验轴对称问题常规三轴试验§4.1变形特性测试方法§4土的压缩性与地基沉降计算一般应力状态理论拓展、经验积累室内试验旁压试验原状土荷载试验室外试验试验目的：变形、强度特性静力触探试验标准贯入试验13§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法一、常规三轴试验二、侧限压缩试验三、普遍应力－应变关系及本构模型四、现场原位试验14§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法试样压力室压力水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩橡皮膜透水石顶帽33133类型施加σ3时施加σ1－σ3时量测固结排水固结排水体变固结不排水固结不排水孔隙水压力不固结不排水不固结不排水孔隙水压力量测体变或孔压一、常规三轴试验15应力应变关系－以正常固结粘土为例3111Ei1Et11zzE31xz变形模量：≠弹性模量泊松比：固结排水试验一、常规三轴试验§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法•与围压有关•非线性•剪胀性•弹塑性16二、侧限压缩试验§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法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1、侧限压缩仪（固结仪）支架加压设备固结容器变形测量17水槽内环环刀透水石试样传压板百分表•施加荷载，静置至变形稳定•逐级加大荷载测定：轴向应力轴向变形试验结果：§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法二、侧限压缩试验2、试验方法P1s1e1e0PtestP2s2e2P3s3e318应力应变关系－以正常固结粘土为例zpz)e1(e001Es1Ee非线性弹塑性记忆性zszE侧限变形模量：§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法二、侧限压缩试验19侧限压缩试验常规三轴试验常规三轴试验与侧限压缩试验应力应变关系曲线的比较（趋势图）zpz)e1(e00§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法20由虎克定律:yxzzEExyxyz0;1侧限条件下:2zz2E11则:1211212EEEzzzEEs变形模量E与侧限变形模量Es之间的关系（相同的初始状态）2s2EE,111§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法21三、普遍应力－应变关系及本构模型1.土变形的物理机制（原因）土受力以后为什么会表现出上述变形特性？——土的特殊性弹性变形体应变主要是由于孔隙体积变化引起的；剪应变主要是由于土颗粒的大小和排列形态变化引起的。接触点处弹性变形弹性挠曲变形颗粒滚爬的可逆性封闭气泡受压塑性变形大孔隙消失接触点颗粒破碎颗粒相对滑移扁平颗粒断裂§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法剪胀性与围压有关碎散性记忆性结构性223112131121非线性弹性31113243111324弹塑性线弹性-理想塑性311f1E311f311f1E2.土的本构模型§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法三、普遍应力－应变关系及本构模型23§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法§4.2一维压缩性及其指标§4.3地基的最终沉降量计算§4.4饱和土体的渗流固结理论24§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标一、e-σ′曲线二、e-lgσ′曲线三、先期固结压力四、原位压缩曲线及原位再压缩曲线低灵敏度粘性土25应力历史与应力应变关系zpz粘土地基一次沉积侧限条件§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标上覆土取样或剥蚀加载或再覆土应力历史非常重要26§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标一、e-σ′曲线a'(kP)01002003004000.60.70.80.91.0ei00i0ee(1e)S/HP1s1e1e0PtestP2s2e2P3s3e327§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标一、e-σ′曲线'ea'(kP)01002003004000.60.70.80.91.0eea'压缩系数，KPa-1，MPa-1e1e0sz'E侧限压缩模量,KPa,MPa侧限变形模量固体颗粒孔隙z0e1e0s1eEavs01amE1e体积压缩系数，KPa-1，MPa-128§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标一、e-σ′曲线ea''ea'(kP)01002003004000.60.70.80.91.0e压缩系数a1-2常用作比较土的压缩性大小土的类别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0.129单向压缩试验的各种参数的关系指标指标amvEsa1mv(1+e0)(1+e0)/Esmva/(1+e0)11/EsEs(1+e0)/a1/mv1§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标一、e-σ′曲线30a'(kP)e§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标一、e-σ′曲线e-σ′曲线缺点：不能反映土的应力历史31§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标二、e-lgσ′曲线a'(kP,lg)10010000.60.70.80.9eceC(lg')Cc11Ce压缩指数Ce回弹指数（再压缩指数）CeCc，一般Ce≈0.1-0.2Cc特点1：有一段较长的直线段指标：32'(lg)e特点2：起始状态不同，但压缩曲线最终趋近于同一条直线二、e-lgσ'曲线§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标330.1110p(100kPa)1.00.80.60.4ee00.42e0扰动增加原状样重塑样二、e-lgσ'曲线§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标特点3：扰动越小，压缩曲线越接近于直线推断：原状土的原位压缩曲线为直线原状土的原位再压缩曲线也是直线34§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标'(lg)eabbdcfgab——上覆土沉积bb’——取样b’cd——室内试验历史上无卸载：历史上有卸载：af——上覆土沉积ff'——剥蚀f'f''——取样f''gh——室内试验s=zp=z'zz'fhf二、e-lgσ'曲线应力历史如何衡量？35三、先期固结压力§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标先期固结压力：历史上所经受到的最大压力p（指有效应力）s=z：自重压力p=s：正常固结土ps：超固结土ps：欠固结土psOCROCR=1：正常固结OCR1：超固结OCR1：欠固结相同σs时，一般OCR越大，土越密实，压缩性越小超固结比：36三、先期固结压力§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标'(lg)eABCDm123先期固结压力σp的确定：Casagrande法(f)B点对应于先期固结压力p(b)作水平线m1(c)作m点切线m2(d)作m1,m2的角分线m3(e)m3与试验曲线的直线段交于点B(a)在e-lgσ’压缩试验曲线上，找曲率最大点mp37§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标四、原位压缩曲线及原位再压缩曲线'(lg)e原状土的原位压缩曲线：直线原状土的原位再压缩曲线：直线客观存在的，无法直接得到！无扰动、无卸载无扰动、有卸载如何求取38ps0e0e42.0BCelg'①确定先期固结压力σp②过e0作水平线与σp作用线交于B。由假定①知，B点必然位于原状土的初始压缩曲线上；③以0.42e0在压缩曲线上确定C点，由假定②知，C点也位于原状土的初始压缩曲线上；①土样取出以后e不变，等于原状土的初始孔隙比e0，因而，（e0,σp）点应位于原状土的初始压缩曲线上；②0.42e0时，土样不受到扰动影响。a.正常固结土假定：推定：原位压缩曲线的近似推求④通过B、C两点的直线即为所求的位压缩曲线。§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标四、原位压缩曲线及原位再压缩曲线39b.超固结土假定：①土取出地面后体积不变，即（e0,σs）在原位再压缩曲线上；②再压缩指数Ce为常数；③0.42e0处的土与原状土一致，不受扰动影响。推定：①确定σs，σp的作用线；②过e0作水平线与σs作用线交于D点；⑤过B和C点作直线即为原位压缩压缩曲线。0e0e42.0spelg'CBD③过D点作斜率为Ce的直线，与σp作用线交于B点，DB为原位再压缩曲线；④过0.42e0作水平线与e-lgσ’曲线交于点C；ps()原位压缩曲线的近似推求§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标四、原位压缩曲线及原位再压缩曲线40§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1变形特性测试方法§4.2一维压缩性及其指标§4.3地基的最终沉降量计算§4.4饱和土体的渗流固结理论41研究表明：粘性土地基在基底压力作用下的沉降量S由三种不同的原因引起•次固结沉降Ss主固结沉降完成以后，在有效应力不变条件下，由于土骨架的蠕变特性引起的变形。这种变形的速率与孔压消散的速率无关，取决于土的蠕变性质，既包括剪应变，又包括体应变。•初始沉降(瞬时沉降)Sd有限范围的外荷载作用下地基由于发生侧向位移(即剪切变形)引起的。•主固结沉降(渗流固结沉降)Sc由于超孔隙水压力逐渐向有效应力转化而发生的土渗透固结变形引起的。是地基变形的主要部分。§4土的压缩性与地基沉降计算tSSd：初始瞬时沉降Ss:次固结沉降Sc：主固结沉降scdSSSS§4.3地基的最终沉降量计算42§4土的压缩性与地基沉降计算最终沉降量S∞：St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§4.3地基的最终沉降量计算主固结沉降43§4土的压缩性与地基沉降计算一、单一土层一维压缩问题二、地基最终沉降量分层总和法三、地基沉降计算的若干问题§4.3地基的最终沉降量计算44§4土的压缩性与地基沉降计算§4.3地基的最终沉降量计算1、计算简图压缩前szσszH2压缩后1szp1e2szzp2e侧限条件σz=ppHH/2H/2γ,e1一、单一土层一维压缩问题（a）e-σ´曲线（b）e-lgσ´曲线e1