《土的压缩性》PPT课件.ppt

第四章 土的压缩性 第一节 概 述 第二节 固结试验及压缩指标 第三节 应力历史对压缩性的影 响 第四节 土的变形模量 第五节 土的弹性模量 主要内容 重点及难点： 重点：固结试验及土压缩指标概念、性质、用 途。 难点： 室内固结试验e-p曲线和e-lgp曲线测定土的 压缩性指标， 应力历史对土的压缩性的影响。 第四章 土的压缩性 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。 墨西哥某宫殿 左部：1709年；右部：1622年；地基：20多米厚的粘土 第一节 概 述 Kiss 由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触 基坑开挖，引起阳台裂缝 一、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 n固体颗粒的压缩 n土中水的压缩 n空气的排出 n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 土的固结：饱和土土体在压力作用下，随土中水所占体积 减小的过程称为土的固结或称土的压密。 第一节 概 述 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 三联固结仪 第一节 概 述 试验测定指标 室内 试验 (操作简单) 侧限压缩 、三轴压 缩等 压缩系数 a 压缩模量Es 静止侧压力 系数K0 弹性模量E 室外 试验 (费时、费 工、复杂) 荷载试验 、旁压试 验等 变形模量E0 二、压缩试验 刚性护环 加压活塞 透水石 环刀 底座 透水石 土样 荷载 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，即土 的横截面积不会发生 变化。 一、固结试验 第二节 固结试验及压缩指标 固结仪固结容器简图 根据不同压力p作用下，测定达到稳定的压缩量 , 计算孔 隙比ei，绘制e-p曲线或e-lgp曲线，为压缩曲线 土样在压缩前后变 形量为 ，整个过 程中土粒体积和底 面积不变 2.e-p曲线 压缩曲线：研究土在不同压力作用下，孔隙比与所受压力的 关系曲线。 Vve0 Vs1 H0/(1+e0) H0 Vvei Vs1 H1/(1+e) p H1 土样横截面积在 受压前后不变 整理 其中 p 二、压缩曲线 2.1 曲线 0100200 300400 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 e 0100200 300400 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 e 压缩系数，KPa-1，MPa-1 侧限条件下孔隙比减小量与有效应力 增量的比值 2.1 曲线 通常采用压力段p1=0.1MPa 增 加到p2=0.2MPa时的压缩系数 a1-2来评定土的压缩性。 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0.51.0Es16MPa 2.2 e - lgp曲线 1001000 0.6 0.7 0.8 0.9 e Cc 1 1 Ce Ce回弹指数（再压缩指数） Ce 0.4 一、先期固结压力 先期固结压力：天然土层在历史上所经受到的最大固结压力Pc（指有效应力） p0= z：自重压力 pc= p0：正常固结土 pc p0：超固结土 pc1：超固结 OCRp0 欠固结 pc=hc pcP0 假定： 土取出地面后体积不变，即（e0,p0）在原位再压缩 曲线上； 再压缩指数Ce 为常数(室内回弹曲线与再压缩曲线 的平均斜率)； 0.42e0处的土与原状土一致，不受扰动影响。 推定： 确定p0，pc的作用线； 过e0作水平线与p0作用线交于D点； 过B和C点作直线即为原位压缩压缩曲 线。 过D点作斜率为Ce的直线，与pc作用线 交于B点，DB为原位再压缩曲线； 过0.42e0 作水平线与e-lgp曲线交 于点C； 三、原位压缩曲线的近似推求 p pcp0 第三、四节 土的变形和弹性模量 2、土的变形模量E0：指土体在无侧限条件下的 竖向应力和应变的比值 1、土的压缩模量Es：指土体在侧限条件下的 竖向应力和应变的比值 用于静载荷 作用下土的 变形计算 3、土的弹性模量：指土体在无侧限条件下 正应力与弹性正应变(可恢复应变)的比值 用于动荷载 作用下土的 变形计算 变形模量与压缩 模量之间关系 其中 土的泊松比 ，一般0 0.5之间 弹性模量压缩模量和变形模量 静水压力：已知总应力为自重应力时，饱和土中的空隙水压力称为静水压力，不产生变形； 超静水压力：已知总应力为附加应力时，饱和土中开始全部由孔隙水压力传递附加应力，此空隙水 压力称为超静水压力，其消散后，有效应力增长，出现体积变形。 一、有效应力原理 总应力由土骨架和孔隙流体共同承受 土孔隙水固体颗粒骨架+孔隙气体+ 总应力 受外荷载作用 孔隙流体 总 应 力 有效应力 土粒所传递的粒间应力， 是控制土的体积（变形） 和强度两者变化的应力。 指土中水和空气所 传递的应力 空隙应力 空隙 水压力 空隙 气压力 1.1 饱和土中的应力形态 Fi FSV aa 1.有效应力原理的基本概念 Fi A： Aw： As： 土单元的断面积 颗粒接触点的面积 孔隙水的断面积 a-a断面通过土 颗粒的接触点 有效应力 a-a断面竖向力平衡： u：孔隙水 压力 一、有效应力原理 （1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分 和u，并且 （2）土的变形与强度都只取决于有效应力 有效应力 总应力已知或易知 孔隙水压测定或算定 通常, 1.有效应力原理的基本概念 饱和土中任意点的总应力等于有效应力加上空隙水压力， 即称为饱和土的有效应力原理 一、有效应力原理 2.土中水渗流时的土中有效应力 2.1 静水条件只是自重应力情况 地下水位下降引起 增大的部分 H1 H2 =- u u=wH2u=wH2 =-u =H1+satH2-wH2 =H1+(sat-w)H2 =H1+H2 地下水位下降会引起 增大，土会产生 压缩，这是城市抽水 引起地面沉降的一个 主要原因。 取土骨架为隔离体 A 向上渗流:向下渗流: H h 砂层，承压水 粘土层 sat 自重应力:渗透力: 渗透力产生的应力: 渗透力产生有效应力 2.2 有渗流发生的情况 2.土中水渗流时的土中有效应力 研究空隙水压力和 有效应力的相互消长以 及土体变形达到最终值 的过程,称为固结理论. 3. 饱和土固结的土中有效应力附加应力情况 外荷载 附加应力z 土骨架：有效应力 几种简单的情形： (2) 轴对称三维应力状态 (1) 侧限应力状态 孔隙水：孔隙水压力 超静孔隙水压力 饱和土固结: 主固结:空袭水排出形成 次固结:土骨架的蠕变产生 3.1 侧限应力状态及一维渗流固结 物理模型： 钢筒侧限条件 弹簧土骨架 水体孔隙水 带孔活塞排水顶面 活塞小孔渗透性大小 初始状态 边界条件 渗透固结过程 p 一般方程 p 3. 饱和土固结的土中有效应力附加应力情况 p p p 附加应力:z=p 超静孔压: u = z=p 有效应力:z=0 渗透固结过程 附加应力:z=p 超静孔压: u 0 附加应力:z=p 超静孔压: u =0 有效应力:z=p 3.1 侧限应力状态及一维渗流固结 3. 饱和土固结的土中有效应力附加应力情况 v不排水条件下相当于t=0时刻: 渗透固结过程 vu,随时间在变化,任意时间t，任意点满足 v产生超静孔隙水压力 v只要土中超空隙水压力存在，就意味着土的渗透固结 没有完成，即饱和土的固结过程就是就是空隙水压力 的消散和有效应力相应增长的过程 3.1 侧限应力状态及一维渗流固结 3. 饱和土固结的土中有效应力附加应力情况 重点： 一维渗流固结 沉降与时间之间的关系：饱和土层的渗流固结 固结沉降的速度 ？ 固结沉降的程度 ？ 问题： 二、一维固结理论饱和土体的渗流固结理论 不可压缩层 可压缩层 p 土体任意 时间的变形 实践背景：大面积均布荷载， 载荷面积远大于可压缩土层厚度 p 不透水岩层 饱和压缩层 z=p p 侧限应力状态 1.一维渗流固结理论（太沙基Terzaghi渗流固结理论） 二、一维固结理论饱和土体的渗流固结理论 土层均匀且完全饱和； 土颗粒与水不可压缩； 变形是单向压缩（水的渗出和土层压缩是单向的-竖向）； 荷载均布且一次施加；假定z 不变 渗流符合达西定律且渗透系数保持不变； 压缩系数a是常数； 土体变形完全是由土层中超空隙水压力引起的。 基本假定： 求解思路： 总应力已知 有效应力原理 超静孔隙水压力的时空分布 1.一维渗流固结理论（太沙基Terzaghi渗流固结理论） 2. 一维固结方程 在可压缩厚度为H的饱和土层上面施加的无限均匀布荷载P，土中附 加应力沿深度均与分布z=P，土层只在竖直方向发生渗透 z U p z=P cv ：土的竖向固结系数，反映了土的固结性质 ： 孔压消散的快慢固结速度；（cm2/s；m2/a） 根据水连续流动原理 、 达西定律和有效应力 原理，建立固结方程 ： 不透水岩层 饱和压缩层 z=p p 0 z H: u=p z=0: u=0 z=H: uz 0 z H: u=0 z 定解条件：边界和初始条件 3. 一维固结方程的解 方程的解：采用分离变量法 时间因数反映孔隙水压力 的消散程度，是无量纲 H: 土层最远排水距离 H=土层厚度 单面排水 H=土层厚度之半 双面排水 uzt土层z深度处在t时刻的孔隙水压力 由t时刻的uz可绘制出t时刻土层的孔隙 水压力分布图。 H 单面排水时孔隙水压力分布双面排水时孔隙水压力分布 zz 排水面 不透水层 排水面 排水面 H H 渗流 渗流渗流 Tv=0 Tv=0.05 Tv=0.2 Tv=0.7 Tv= Tv=0 Tv=0.05 Tv=0.2 Tv=0.7 Tv= u0=pu0=p 地基固结度 地基固结度：地基固结过程中任一时刻t的固结沉降量sct与 其最终固结沉降量sc之比 说明： n在压缩应力、土层性质和排水条件等已定的情况下，U仅是时 间t的函数 n竖向排水情况，固结沉降与有效应力成正比，因此在某一时 刻有效应力图面积和最终有效应力图面积之比值即为竖向排 水的平均固结度Uz n级数解收敛很快，当U 30%近似取第一项 n土质相同而厚度不同的两层土，当压缩应力分布和排水条件 相同时，达到同一固结度时时间因素相等 土质相同、厚度不同土层， 荷载和排水条件相同时，达到 相同固结度所需时间之比等于 排水距离平方之比 n结论：对于同一地基情况，将单面排水改为双面排水，要达 到相同的固结度，所需历时应减少为原来的1/4 各种情况下地基固结度的求解 地基固结度基本表达式中的Uz随地基所受附加应力和排水条件不 同而不同，因此在计算固结度与时间的关系时也应区别对待 n1.适用于地基土在其自重作用下已固结完成，基底面积很大而压缩 土层又较薄的情况 n2.适用于土层在其自重作用下未固结，土的自重应力等于附加应力 n3.适用于地基土在自重作用已固结完成，基底面积较小，压缩土层 较厚，外荷在压缩土层的底面引起的附加应力已接近于零 n4.视为1、2种附加应力分布的叠加 n5.视为1、3种附加应力分布的叠加 12345H 利用压缩层透水面上压缩 应力与不透水面上压缩应力 之比，绘制固结度与时间因 素曲线，确定相应固结度 a 透水面上的压缩应力 不透水面上的压缩应力 固结度的应用 1. 求某一时刻t的固结度与沉降量 已知k、a、e1 t 查曲线 Ut st 2. 求达到某一沉降量(固结度)所需要的时间 已知k、a、e1 t 查曲线 Ut st 三、例题分析 n【例】厚度H=10m粘土层，上覆透水层，下卧不透水层 ，其压缩应力如下图所示。粘土层的初始孔隙比e1=0.8， 压缩系数a=0.00025kPa-1，渗透系数k=0.02m/年。试求： 加荷一年后的沉降量St 地基固结度达Uz=0.75时所需要的历时t 若将此粘土层下部改为透水层，则Uz=0.75时所需历时t 15