工程地质与土力学第9章 土的压缩性与地基沉降计算

第九章土的压缩性与地基沉降计算,基本内容在学习土的压缩性指标确定方法的基础上，掌握地基最终沉降量计算原理和地基固结问题的分析计算方法。学习要求掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法；重点掌握地基最终沉降量计算方法；掌握固结理论及地基沉降与时间的关系。,一、概述,如果在地基上修建建筑物，地基土内各点不仅要承受土体本身的自重应力，而且要承担由建筑物通过基础传递给地基的荷载产生的附加应力作用，这都将导致地基土体的变形。在附加应力作用下，地基土将产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降。为什么研究沉降？基础的沉降量或者各部位的沉降差过大，那么将影响上部建筑物的正常使用，甚至会危及建筑物的安全。,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,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,日本1995年1月17日阪神大地震,大Nishinomiya桥的桥墩破坏.6个桥墩中至少2个严重破坏，其可能的原因是岸边桥墩的大变形导致第一组桥墩过载。,相邻建筑物施工引起的原有建筑物的局部倾斜（软粘土地基）,膨胀土地基上建筑物的开裂（美国加拿大）,潜在性膨胀土的分布限与热带和温带的半干旱地区内。这种条件助长了蒙特石形成。很多国家都发现了膨胀土。印度的黑棉土膨胀土上的基础陈孚华TU4431,高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除,地基土层发生变形的主要因素,内因：土具有压缩性,外因：主要是建筑物荷载的作用,建筑物荷载作用，这是普遍存在的因素,地下水位大幅度下降,施工影响，基槽持力层土的结构扰动,振动影响，产生震沉,浸水下沉，如黄土湿陷，填土下沉,土体压缩性土在压力（附加应力或自重应力）作用下体积缩小的特性。通常，均认为土体压缩完全是由于土中孔隙体积减小的结果。土的固结土体在压力作用下其压缩量随时间增长的过程。,沉降值的大小取决于地基土的压缩实质,下一节,退出,返回,9.1土的压缩性,9.2压缩试验和压缩性指标,9.3现场载荷试验和变形模量,1.饱和土中的应力形态,PS,PSV,a,a,一、有效应力原理,PS,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,2.饱和土的有效应力原理,（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,有效应力,总应力已知或易知,孔隙水压测定或算定,通常,孔隙水压力的作用对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献，并且水不能承受剪应力，因而孔隙水压力对土的强度没有直接的影响；它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到等向压力，由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身压缩变形极小。因而孔隙水压力对变形也没有直接的影响，土体不会因为受到水压力的作用而变得密实。,变形的原因颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动与有关；接触点处应力过大而破碎与有关。,强度的成因凝聚力和摩擦与有关,（2）,土的变形与强度都只取决于有效应力,饱和土的渗透固结过程就是孔隙水压力向有效应力转化的过程。在渗透固结过程中，伴随着孔隙水压力逐渐消散，有效应力在逐渐增长，土的体积也就逐渐减小，强度随着提高。,3、结论,静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力,平面上的总应力为：,孔隙水应力：,有效应力：,结论：在静水条件下，孔隙水应力等于研究平面上单位面积的水柱重量，与水深成正比，呈三角形分布；而有效应力等于研究平面上单位面积的土柱有效重量，与土层深度成正比，也呈三角形分布，而与土面以上静水位的高低无关。,土的压缩性土在压力作用下体积缩小的特性,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：土体在压力作用下，压缩量随时间增长的过程,9.2压缩性指标的测定,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,9.2压缩试验和压缩性指标,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,1.压缩仪示意图,水槽,内环,环刀,透水石,试样,传压板,百分表,测定：轴向应力轴向变形,试验结果：,P1,s1,e1,e0,研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律,Vv0,Vs0,Vvi,Vsi,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,土粒横截面积在受压前后不变,整理,2.e-p曲线,压缩前：,联立：,压缩后：,e0,p,e,e-p曲线,曲线A压缩性曲线B压缩性,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,土的回弹曲线和再压缩曲线,a,d,b,e-lgp曲线,e-p曲线,思考：1、施工工艺上的运用2、室内实验的误差,压缩指标反映土的压缩性的指标主要有压缩系数、压缩指数、压缩模量和变形模量、体积压缩系数。压缩系数：曲线上任意两点割线的斜率。可表示为：式中，负号表示随着压力P的增加，e逐渐减少。压缩性不同的土，其压缩曲线的形状是不一样的。曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高。工程上，自重应力P1增加到外荷作用土中应力P2(自重与附加应力之和),压缩指数,e-p曲线缺点：不能反映土的应力历史,特点：有一段较长的直线段,指标：,压缩指数Cc,e-lgp曲线,一般：低压缩性土Cc0.4,p1,p2,e1,e2,为了便于应用和比较，通常采用压力由P1100kPa增加到P2200kPa时所得的压缩系数a1-2来评定土的压缩性：工程中，为减少土的孔隙比，从而达到加固土体的目的,常采用砂桩挤密、重锤夯实、灌浆加固等方法,a1-20.1MPa-1时，低压缩性土0.1a1-280低压缩性土：5080%中压缩性土：2050%高压缩性土：520%在设计时不仅需计算基础的最终沉降，有时还需知道地基沉降与时间的关系。,1986年：开工1990年：人工岛完成1994年：机场运营面积：4370m1250m填筑量：180106m3平均厚度：33m地基：15-21m厚粘土问题：沉降大且不均匀,日本关西国际机场,世界最大人工岛,关西国际机场,设计预测沉降：5.77.5m完工实际沉降：8.1m，5cm/月(1990年)预测主固结完成：20年后比设计超填：3.0m,p,附加应力:z=p超静孔压:u=z=p有效应力:z=0,附加应力:z=p超静孔压:u0,附加应力:z=p超静孔压:u=0有效应力:z=p,Terzaghi一维渗流固结模型,土层是均质且完全饱和土颗粒与水不可压缩水的渗出和土层压缩只沿竖向发生渗流符合达西定律且渗透系数保持不变压缩系数a是常数荷载均布,瞬时施加，总应力不随时间变化,基本假定,基本变量,总应力已知,有效应力原理,超静孔隙水压力的时空分布,数学模型,土层超静孔压是z和t的函数，渗流固结的过程取决于土层可压缩性（总排水量）和渗透性（渗透速度）,数学模型,微小单元（11dz）微小时段（dt）,土的压缩特性有效应力原理达西定律,渗流固结基本方程,土骨架的体积变化孔隙体积的变化流入流出水量差,连续性条件,数学模型,固体体积：,孔隙体积：,dt时段内：,孔隙体积的变化流入流出的水量差,数学模型,dt时段内：,孔隙体积的变化流入流出的水量差,达西定律:,孔隙体积的变化土骨架的体积变化,u-超静孔压,数学模型,4.6地基沉降与时间关系,Cv反映土的固结特性：孔压消散的快慢固结速度，Cv越大，固结越快Cv与渗透系数k成正比，与压缩系数a成反比；单位：cm2/s；m2/year，粘性土一般在10-4cm2/s量级,固结系数:,数学模型,4.6地基沉降与时间关系,固结度的概念,一点M的固结度：其有效应力zt对总应力z的比值,Uz,t=01：表征一点超静孔压的消散程度,Ut=01：表征一层土超静孔压的消散程度,一层土的平均固结度,平均固结度Ut与沉降量St之间的关系,t时刻：,确定沉降过程也即St的关键是确定Ut确定Ut的核心问题是确定uz.t,固结度等于t时刻的沉降量与最终沉降量之比,固结度的概念,均布荷载单向排水,图表解：P219，图9-23,一般解：,近似解(Tv较大时，只取级数的第一项）：,地基的平均固结度计算,Ut是Tv的单值函数，Tv可反映固结的程度,地基的平均固结度计算,（1）单面排水，压缩应力分布不同时,工程背景,H小，p面积大,自重应力,附加应力底面接近零,自重应力附加应力,和3类似底面不接近零,应力分布,基本情况12345,不透水,透水,pa,pb,=1=0=1,常见计算条件,（2）双面排水时,无论哪种情况，均按情况1计算，即取：压缩土层深度H取1/2值,地基的平均固结度计算,常见计算条件,有关沉降时间的工程问题,求某一时刻t的固结度与沉降量求达到某一固结度所需要的时间,4.6地基沉降与时间关系,求某一时刻t的固结度与沉降量,Tv=Cvt/H2,St=UtS,有关沉降时间的工程问题,t,求达到某一