土的压缩

土的压缩与固结华北水利水电学院土力学课程组土力学系列讲座九4－1概述自重应力压缩稳定附加应力导致地基土体变形体积变形形状变形由正应力引起，会使土的体积缩小压密，不会导致土体破坏形状变形主要由剪应力引起，当剪应力超过一定限度时，土体将产生剪切破坏，此时的变形将不断发展。通常在地基中是不允许发生大范围剪切破坏的。本章讨论重点4－1概述沉降：在附加应力作用下，地基土产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降某些特殊性土由于含水量的变化也会引起体积变形，如湿陷性黄土地基，由于含水量增高会引起建筑物的附加下沉，称湿陷沉降。相反在膨胀土地区，由于含水量的增高会引起地基的膨胀，甚至把建筑物顶裂。4－1概述除此之外某些大城市，如墨西哥、上海等由于大量开采地下水使地下水位普遍下队从而引起整个城市的普遍下沉。这可以用地下水位下降后地层的自重应力增大来解释。当然，实际问题也是很复杂的，还涉及工程地质、水文地质方面的问题。4－1概述如果地基土各部分的竖向变形不相同，则在基础的不同部位会产生沉降差，使建筑物基础发生不均匀沉降。基础的沉降量或沉降差(或不均匀沉降)过大不但会降低建筑物的使用价值，而且往往会造成建筑物的毁坏。4－1概述为了保证建筑物的安全和正常使用，我们必须预先对建筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差进行估算。如果建筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差，在规定的允许范围之内，那么该建筑物的安全和正常使用一般是有保证的；否则，是没有保证的。对后一种情况，我们必须采取相应的工程措施以确保建筑物的安全和正常使用。4－1概述基础沉降量或沉降差的大小首先与土的压缩性有关，易于压缩的土，基础的沉降大，而不易压缩的土，则基础的沉降小。基础的沉降量与作用在基础上的荷载性质和大小有关。一般而言，荷载愈大，相应的基础沉降也愈大；而偏心或倾斜荷载所产生的沉降差要比中心荷载为大。在这一章里，我们首先讨论土的压缩性；然后介绍目前工程中常用的沉降讨算方法；最后介绍沉降与时间的关系。4－2土的压缩特性一、土的压缩与固结压缩：土在压力作用下，体积将缩小。这种现象称为压缩。固结：土的压缩随时间增长的过程称为固结一、土的压缩与固结目前我们在研究土的压缩性，均认为土的压缩完至是由于孔隙中水和气体向外排出而引起的。饱和砂土透水性强，在压力作用下，固结很快完成饱和粘土透水性弱，在压力作用下，固结需要很长时间完成一、土的压缩与固结瞬时沉降主固结沉降次固结沉降一、土的压缩与固结瞬时沉降指在加荷后立即发生的沉降饱和粘土在很短的时间内，孔隙中的水来不及排出，加之土体中的土粒和水是不可压缩的，因而瞬时沉降是在没有体积变形的条件下发生的，它主要是由于土体的侧向变形引起的瞬时沉降一般不予考虑一、土的压缩与固结对于控制要求较高的建筑物，瞬时沉降可用弹性理论估算。对于饱和粘土在局部均布荷载作用下，地基地瞬时沉降可用下式计算影响系数，表4－1一、土的压缩与固结瞬时沉降主固结沉降次固结沉降一、土的压缩与固结主固结与主固结沉降在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致土体体积随时间逐渐减小，有效应力逐渐增加，这一过程称为主固结随着时间的增加，孔隙水应力逐渐消散，有效应力逐渐增加并最终达到一个稳定值，此时孔隙水应力消散为零，主固结沉降完成，这一过程所产生的沉降为固结沉降。一、土的压缩与固结瞬时沉降主固结沉降次固结沉降一、土的压缩与固结次固结沉降土体在主固结成将完成之后有效应力不变得情况下还会随时间的增长进一步产生沉降，称为次固结沉降次固结沉降对某些土如软粘土是比较重要的，对于坚硬土或超固结土，这一分量相对较小。4－2土的压缩特性二、土的压缩指标为了研究土的压缩特性，通常需要进行试验室内固结试验现场原位试验（荷载试验、旁压试验）室内固结试验与压缩曲线室内固结试验与压缩曲线用环刀切取扁园柱体，一般高2厘米，直径应于高度2．5倍，面积为30cm2或50cm2,试样连同环刀一起装入护环内，上下有透水石以便试样在压力作用下排水。在进水石顶部放一加压上盖，所加压力通过加压支架作用在上盖，同时安装一只百分表用来量测试样的压缩。由于试样不可能产生侧向变形而只有竖向压缩。于是，我们把这种条件下的压缩试验称为单向压缩试验或侧限压缩试验。室内固结试验与压缩曲线假定试样土粒本身体积不变，土的压缩仅由于孔隙体积的减小，因此土的压缩变形常用孔隙比e的变化来表示。压力p与相应的稳定孔隙比的关系曲线称为压缩曲线e-p曲线e-lgp曲线室内固结试验与压缩曲线a图：压力与加荷历时关系b图：各级压力下，试样孔隙比随时间的变化过程压缩快＝》压缩稳定，稳定的快慢和土的性质有关压缩系数用单位压力增量所引起的孔隙比的改变，即压缩曲线的割线坡度表征土的压缩性的高低压缩系数压缩系数av是表征土压缩性的重要指标之一e~p曲线越陡，av就越大，土的压缩性越高e~p曲线越平缓，av就越小，土的压缩性越低压缩系数压缩曲线不是直线，即使是同一种土，其压缩系数也不是常量。工程上为了便于统一比较，习惯采用100kpa~200kpa范围的压缩系数来衡量土的压缩性的高低我国《建筑地基基础设计规范》规定压缩指数与回弹再压缩指数在较高的压力范围内，压缩曲线近似为一直线，很明显，该直线越陡，意味着土的压缩性越高。压缩指数压缩指数与回弹再压缩指数Cc与土的压缩性的关系e~lgp曲线越陡，Cc就越大，土的压缩性越高e~lgp曲线越平缓，Cc就越小，土的压缩性越低压缩指数与回弹再压缩指数试样回弹不是沿初始压缩曲线，说明土体的变形是由可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形组成回滞环＝》非完全弹性回弹和再压缩曲线比初始曲线平缓，说明在回弹和再压缩范围内土的压缩性降低超过b点，再压缩曲线趋于初始压缩曲线的延长线压缩指数与回弹再压缩指数Cs=(0.1~0.2)Cc土的压缩性减小土体如果承受到比现在大的压力，其压缩性将降低，也就是说土的应力历史对压缩性有很大影响回弹指数软土地基加固其它压缩性指标体积压缩系数mv单位应力作用下单位体积的体积变化)1/(1emvv初始孔隙比其它压缩性指标压缩模量：土体在无侧向变形条件下，竖直应力与竖向应变之比。其大小反映了土体在单向压缩条件下对压缩变形的抵抗能力。zzsEvsmE1其它压缩性指标变形模量表示土体在无侧限条件下应力应变之比，相当于理想弹性体的弹性模量。其大小反映了土体抵抗弹塑性变形的能力用于瞬时沉降的估算，可用室内三轴试验或现场试验测定其它压缩性指标广义虎克定律变形模量与压缩模量关系00yxzyxK不同土类的变形模量经验值应力历史对粘性土压缩性的影响应力历史：土体在历史上曾经受过的应力状态固结应力能够使土体产生固结或压缩的应力自重应力附加应力固结应力新沉积的土或人工填土大多数天然土应力历史对粘性土压缩性的影响前期固结应力土在历史上曾受到过的最大有效应力pc现有有效应力超固结比0p0/ppOCRc应力历史对粘性土压缩性的影响OCR1超固结土OCR＝1正常固结土OCR＝1欠固结土现有有效应力是历史上曾经收到过的最大有效应力应力历史对粘性土压缩性的影响应力历史对粘性土压缩性的影响三种土层现有应力相同，但是它们的应力历史不同。压缩时从不同的位置开始，逐渐压缩稳定三种土应力增量相同，但由于应力历史不同，所以其压缩量不同。应力历史对地基沉降产生很大的影响4－3单向压缩量公式无侧向变形条件下单向压缩量计算假设分层总和法（1）、土的压缩完全是由于孔隙体积减小导致骨架变形的结果，土粒本身的压缩可忽略不计；（2）、土层仅产生竖向压缩，而无侧向变形；（3）、土层均质且在土层厚度范围内，压力是均匀分布的。单向压缩量公式试样高度H土粒的体积Vs孔隙比e1孔隙体积：Vv=e1vs总体积：V1=Vv+Vs=(1+e1)Vs单向压缩量公式压缩稳定后试样高度孔隙比e2孔隙体积e2VsHssvVeVVV)1(22单向压缩量公式压力增量作用所引起的单位体积土体体积变化为单向压缩量公式从以上两式可得无侧向变形条件下的土层压缩量计算公式土层均一且应力沿高度均匀分布假定下得到！天然地基通常由不同的土层组成，而且地基中的自重应力和引起地基变形的附加应力均沿深度变化4－4地基沉降计算的e-p曲线法分层总和法简介分层总和法工程计算地基的沉降时，在地基可能产生压缩的土层深度内，按土的特性和和应力状态的变化将地基分为若干层，假定每一层土质均匀且应力沿厚度均匀分布，然后对每一土层分别计算其压缩量，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多深合适呢？分层总和法简介压缩层的概念及确定水利工程中通常是按照附加竖向应力与自重应力之比确定压缩层的厚度2.0/sz1.0/sz一般粘土软粘土分层总和法基本思路将压缩层范围内的地基分层，计算每一分层的压缩量，然后累加得总沉降量。由e-p或e-lgp曲线求得e-p曲线法e-lgp曲线法用e-p曲线法计算地基的最终沉降量根据建筑物基础的形状，结合地基中土层性状，选择沉降计算点的位置，再按作用在基础上荷载的性质（中心、偏心或倾斜等情况），求出基底压力的大小和分布将地基分层。在分层时天然土层的交界面和地下水位应为分层面，同时在同一分类土层中，各分层的厚度不宜过大。计算地基中土的自重应力分布计算地基中竖向附加应力分布按算术平均求各分层平均自重应力和平均附加应力求出第i层的压缩量将每层的压缩量累加，得到地基的总沉降量地基分层对于水工建筑物，每层的厚度可以控制在2～4m，或Hi≤0.4b，b为基础宽度。对每一分层可以认为压力是均匀分布的。计算地基中土的自重应力分布求出计算点垂线上各分层层面处的竖向自重应力，并绘出它的分布曲线计算地基中竖向附加应力分布求出计算点垂线上各分层层面处的竖向附加应力，并绘出它的分布曲线确定压缩层厚厚当基础有埋置深度，应采用基底净压力去计算地基中的附加应力平均自重应力和平均附加应力求出第i层的压缩量siip1zisiip2地基的总沉降量4－5地基沉降计算的e-lgp曲线法概述由于应力历史对粘土的压缩性具有较大的影响，而钻探取样获得土样经过扰动或应力释放，在实验室内得到的压缩曲线已经不能代表地基中现场压缩曲线，所以压缩曲线的起始段实际上是一条再压缩曲线。因此必须对室内固结试验所得的压缩曲线进行修正，得到符合原位土体压缩性的现场压缩曲线，由此计算得到的地基沉降才会更符合实际。概述利用e~lgp曲线可以推出现场压缩曲线，从而进行更为准确的沉降计算现场曲线可以很直观地反应出先期固结应力，从而清晰地考虑地基的应力历史对沉降的影响现场压缩曲线是由直线或折线组成，通过Cc或Cs两个压缩性指标即可计算，使用方便现场压缩曲线的推求要考虑不同应力历史对土层压缩性的影响：判断土层属于正常固结土、超固结土还是欠固结土（确定土层的前期固结应力和现有有效应力）推求能够反应土体的真实压缩特性的现场压缩曲线现场压缩曲线的推求起始平缓曲线急剧变陡，近乎直线向下延伸交于C点，0.42e扰动剧烈压缩曲线越低曲率越小B点在A点的右下方前期固结应力的确定前期固结应力的确定ep(lg)A132B前期固结应力Pc现场压缩曲线的推求正常固结土超固结土现场压缩曲线的推求p(lg)A132B前期固结应力Pce0eD0.42e0C现场压缩曲线现场压缩曲线的推求A132B前期固结应力PcEFee00.42e0CD’Dp0p(lg)现场压缩曲线现场再压缩曲线e-lgp曲线法计算地基最终沉降e-lgp曲线法计算地基沉降与e-p曲线法相似，都是以无侧向变形条件下压缩量的基本公式和分层总和法为前提。不同之处（1）△e由现场压缩曲线求得（2）初始孔隙比用e0（3）对不同应力历史的土层，用不同的方法计算△ee-lgp曲线法计算地基最终沉降的步骤选择沉降计算断面和计算点，确定基底压力将地基分层计算地基中各分层面的自重应力及土层平均