河海大学土力学4-第四章.

河海大学水利水电工程学院《土力学》之第四章土的压缩性与地基沉降计算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-分层总合法•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土的压缩性测试方法§4.3一维压缩性及其指标§4.4地基的最终沉降量计算§4.5饱和土体的渗流固结理论第四章：土的压缩性与地基沉降计算§4.1概述墨西哥某宫殿左部：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土的压缩性测试方法§4.3一维压缩性及其指标•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§4.4地基的最终沉降量计算§4.5饱和土体的渗流固结理论概述主线、重点：一维问题！§4.1概述§4.2土的压缩性测试方法§4.3一维压缩性及其指标§4.4地基的最终沉降量计算§4.5饱和土体的渗流固结理论第四章：土的压缩性与地基沉降计算§4.2土的压缩性测试方法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土的压缩性测试方法•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土的压缩性测试方法侧限压缩试验•侧限变形（压缩）模量：压缩曲线及特点土的一般化的压缩曲线)(00e1e1Es1Eez=pz非线性弹塑性zzsE加载：zzeE卸载和重加载：§4.2土的压缩性测试方法常规三轴与侧限压缩试验应力应变关系曲线的比较常规三轴：•存在破坏应力侧限压缩试验：•不存在破坏应力•存在体积压缩极限)(00e1ez=pz侧限压缩试验常规三轴试验§4.2土的压缩性测试方法常规三轴与侧限压缩试验变形模量E与侧限变形模量Es间的关系xzyyzyxxyxzzEEEEEE则:121E12EE12zzzEEszyx1s2zzE121E虎克定律yxyx0侧限条件§4.2土的压缩性测试方法土体变形的机理弹性变形•接触点处弹性变形•弹性挠曲变形•颗粒翻转的可逆性•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•扁平颗粒断裂土体的变形特性土体的特点：散粒体体应变主要由孔隙体积变化引起剪应变主要由土颗粒的大小和排列形态变化引起§4.2土的压缩性测试方法土的本构模型1E1-3f11-31121-311234线弹性-理想塑性非线性弹性弹塑性§4.1概述§4.2土的压缩性测试方法§4.3一维压缩性及其指标§4.4地基的最终沉降量计算§4.5饱和土体的渗流固结理论第四章：土的压缩性与地基沉降计算§4.3一维压缩性及其指标一维压缩性及其指标-p（或）曲线e–p（或）曲线e–lgp（或lg）曲线先期固结压力原位压缩曲线及原位再压缩曲线由侧限压缩试验整理得到的三条常用曲线§4.3一维压缩性及其指标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S§4.3一维压缩性及其指标zpz初始加载卸载再加载一次加载侧限压缩试验卸载和再加载曲线p在试验曲线的卸载和再加载段，土样的变形特性同初始加载段明显不同，前者的刚度较大在再加载段，当应力超过卸载时的应力p时，曲线逐渐接近一次加载曲线卸载和再加载曲线形成滞回圈§4.3一维压缩性及其指标侧限压缩试验应力历史及影响土体在历史上所承受过的应力情况（包括最大应力等）称为应力历史zpz初始加载卸载再加载p应力历史的影响非常显著土样在A和B点所处的应力状态完全相同，但其变形特性差别很大AB§4.3一维压缩性及其指标-p曲线pEs初始加载Es卸载和重加载EeP1s1e1e0ptestP2s2e2P3s3e31Es1Eep(kPa)=s/H0体积压缩系数：svE1m单位压应力变化引起的单位体积的体积变化侧限压缩（变形）模量KPa,MPa§4.3一维压缩性及其指标1e0e孔隙固体颗粒H0See1e1SHH000000HS)e1(ee侧限压缩试验由三相草图：可得到e-p关系§4.3一维压缩性及其指标e-p曲线ep01002003000.60.70.80.91.0ep(kPa)pea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§4.3一维压缩性及其指标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)§4.3一维压缩性及其指标压缩系数侧限压缩模量0s1eEavs01amE1e体积压缩系数压缩指标间的关系1e0e孔隙固体颗粒epEspea0e1e§4.3一维压缩性及其指标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特点：在压力较大部分，接近直线段指标：反映了土的应力历史•压缩指数)lgp(eCc§4.3一维压缩性及其指标指标名称定义曲线Es侧限压缩模量p/-p曲线mv体积压缩系数/pa压缩系数-e/pe-p曲线Cc压缩指数-e/(lgp)e-lg(p)曲线Ce回弹指数-e/(lgp)侧限压缩试验指标汇总§4.3一维压缩性及其指标先期固结压力先期固结压力：土层历史上所经受到的最大压力p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超固结比：如土层当前承受的自重压力为s相同s时，一般OCR越大，土越密实，压缩性越小§4.3一维压缩性及其指标ep(lg)正常固结土的原位压缩曲线：直线正常固结土初始压缩曲线§4.3一维压缩性及其指标ep(lg)在先期固结压力p附近发生转折，据此可确定p先期固结压力BACDpAB：沉积过程，到B点应力为pBC：取样过程，应力减小，先期固结压力为pCD：压缩试验曲线，开始段位于再压缩曲线上，后段趋近原位压缩曲线原位压缩曲线沉积过程取样过程压缩试验§4.3一维压缩性及其指标ep(lg)CD1.在e-lgp曲线上，找出曲率最大点m2.作水平线m13.作m点切线m24.作m1,m2的角分线m35.m3与试验曲线的直线段交于点B6.B点对应于先期固结压力pm123p先期固结压力p的确定Casagrande法AB§4.3一维压缩性及其指标原位压缩及原位再压缩曲线水位上升土层剥蚀冰川融化引起卸载，使土处于回弹状态正常固结土:超固结土:原状土的原位压缩曲线：客观存在的，无法直接得到沉积ab取样bb室内试验bcdeabbdcfp(lg)d原状土的原位再压缩曲线：客观存在的，无法直接得到§4.3一维压缩性及其指标原位初始压缩曲线的推求基本假定：取样后不回弹，即土样取出后孔隙比保持不变，(e0,s)点位于原状土初始压缩或再压缩曲线上压缩指数Cc和回弹指数Ce为常数试验曲线上的0.42e0点不受到扰动影响，未受扰动的原位初始压缩曲线也应相交于该点§4.3一维压缩性及其指标0.1110p(100kPa)1.00.80.60.4ee00.42e0扰动增加原状样重塑样不同扰动程度试样的室内压缩曲线§4.3一维压缩性及其指标ep(lg)正常固结土原位压缩曲线的推求对正常固结土先期固结压力p=s(e0,p)位于原位压缩曲线上以0.42e0在压缩曲线上确定C点通过B、C两点的直线即为所求的原位压缩曲线推定方法ps0e42.0BC0e原位压缩曲线§4.3一维压缩性及其指标ep(lg)spCBD0e0e42.0超固结土原位再压缩曲线的推求确定p,s的作用线因为ps,点D(e0,s)位于再压缩曲线上过D点作斜率为Ce的直线DB，DB为原位再压缩曲线以0.42e0在压缩曲线上确定C点，BC为原位初始压缩曲线DBC即为所求的原位再压缩和压缩曲线推定方法原位再压缩曲线§4.3一维压缩性及其指标小结-p（或）曲线e–p（或）曲线e–lgp（或lg）曲线先期固结压力原位压缩曲线及原位再压缩曲线由侧限压缩试验整理得到的三条常用曲线§4.1概述§4.2土的压缩性测试方法§4.3一维压缩性及其指标§4.4地基的最终沉降量计算§4.5饱和土体的渗流固结理论第四章：土的压缩性与地基沉降计算§4.4地基的最终沉降量计算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：§4.4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§4.4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地基沉降计算的若干问题§4.4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（a）e-p曲线（b）e-lgp曲线1Vs1ee1Vs2e12zv11eee1e1ezvSHH12zv1eeSHHH1e§4.4地基的最终沉降量计算计算公式：e-p曲线2111aaS(pp)HpH1e1espHpHSEE1221eea(pp)1aSA1evvSmpHmA单一土层