土的压缩、固结与沉降.ppt

1,第四章,土的压缩、固结与沉降,2,土工结构物或地基,土,强度问题变形问题渗透问题,强度特性变形特性渗透特性,土力学可以解决工程实践问题，这正是土力学存在的价值以及我们学习土力学的目的。,3,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。,墨西哥某宫殿,地基：20多米厚的粘土,4,工程实例,4土的压缩、固结与沉降,墨西哥城,地基：20多米厚的粘土,5,意大利比萨斜塔,6,Kiss,由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触,7,基坑开挖，引起阳台裂缝,8,修建新建筑物：引起原有建筑物开裂,新建11层楼房,已有4层楼房,9,高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除,10,建筑物立面高差过大,主楼4层,翼楼2层,11,建筑物过长：长高比7.6:1,12,荷载作用下土体的压缩性;土的压缩固结试验;地基最终沉降量的计算;土的变形与时间关系(一维固结理论)。,土的压缩性和压缩性指标的确定;用分层总和法和规范法计算基础沉降;了解固结原理和固结随时间变化的概念。,主要内容,重点,13,土具有变形特性,荷载作用,地基发生沉降,荷载大小,土的变形特性,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,4-1概述,4土的压缩、固结与沉降,土的特点（碎散、三相）,沉降具有时间效应沉降速率,14,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！,较复杂应力状态？,15,土压缩性的组成,固体土颗粒被压缩,土中水及封闭气体被压缩,水和气体从孔隙中被挤出,土体在压力作用下体积减小的特性称为土的压缩性,4.2土的压缩性,16,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,4.2土的压缩性,一般应力状态,理论拓展、经验积累,室内试验,旁压试验,原位土,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,17,一、土的压缩试验,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,18,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：轴向应力轴向变形时间,试验结果：,2、试验方法,P1,s1,e1,e0,19,研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律,Vve0,Vs1,Vvei,Vs1,受荷后土样的高度变化:设初始高度h0,受压后的高度hi,则hi=h0-si,si为每级荷载作用下的变形量,土样体积在受压前后不变,其中,由于逐级（一般为4级）施加荷载在不同压力p作用下，可得到相应的孔隙比e，根据一一对应关系，以横座标表示压力，以纵座标表示孔隙比，绘制e-p曲线，称为压缩曲线,20,二、e-曲线,e,21,22,压缩系数，kPa-1，MPa-1,侧限压缩模量,kPa,MPa,固体颗粒,孔隙,体积压缩系数，kPa-1，MPa-1,压缩模量：土在完全侧限条件下竖向应力与相应的应变增量的比值。,23,压缩系数,a1-2常用于比较土的压缩性大小,24,单向压缩试验的各种参数的关系,25,e-曲线缺点：不能反映土的应力历史,26,三、e-lg曲线,e,压缩指数,Ce,回弹指数（再压缩指数）,Ces：超固结土p1：超固结OCR1硬粘土S偏大,s1,沉降经验修正系数,二、地基最终沉降量分层总和法,4、结果修正,基底压力线性分布弹性附加应力计算单向压缩只计主固结沉降原状土现场取样的扰动参数为常数按中点下附加应力计算,52,P.99表4-4沉降计算经验系数s,二、地基最终沉降量分层总和法,4、结果修正,s=1.4-0.2,(1)与土质软硬有关,(2)与基底附加应力p0/fk的大小有关,fk：地基承载力标准值,53,要点小结：,准备资料,应力分布,沉降计算,建筑基础（形状、大小、重量、埋深）地基各土层的压缩曲线原状土压缩曲线计算断面和计算点,确定计算深度确定分层界面计算各土层的szi，zi计算各层沉降量地基总沉降量,自重应力基底压力基底附加应力附加应力,结果修正,二、地基最终沉降量分层总和法,54,三.地基沉降计算的若干问题,4.3地基的最终沉降量计算,3、单向分层总和法的评价,2、砂性土地基的沉降计算,1、粘土地基的沉降量计算,55,1、粘土地基的沉降量计算,三.地基沉降计算的若干问题,2、砂性土地基的沉降计算,砂性土地基的沉降速率比较快，大部分沉降在施工期间便完成，运用期沉降量一般不会很大。,56,3、单向分层总和法的评价,可计算多层地基；可计算不同形状基础、不同分布的基底压力；参数的试验测定方法简单；已经积累了几十年应用的经验，适当修正。,（1）基本假定：,（2）优点：,三.地基沉降计算的若干问题,较多,误差比较大,（3）精度：,欧美可判定原状土压缩曲线区分不同固结状态计算结果偏大,（4）e-曲线与e-lg曲线的对比：,原苏联无法确定现场土压缩曲线不区分不同固结状态计算结果偏小,e-,e-lg,57,4土的压缩性与地基沉降计算,关西国际机场世界最大人工岛,http:/www.kiac.co.jp/,58,关西国际机场世界最大人工岛,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,4土的压缩性与地基沉降计算,59,设计时预测沉降：5.77.5m完成时实际沉降：8.1m，5cm/月(1990年)预测主固结完成：20年后比设计超填：3.0m,问题：沉降大且有不均匀沉降,4土的压缩性与地基沉降计算,60,4土的压缩性与地基沉降计算,大连新机场建设,61,4土的压缩性与地基沉降计算,大连新机场建设,62,4土的压缩性与地基沉降计算,大连新机场建设,63,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：,4.5饱和土的单向固结理论,64,一、一维渗流固结理论（Terzaghi渗流固结理论）,二、固结度的计算,三、有关沉降时间的工程问题,65,实践背景：大面积均布荷载,侧限应力状态,一、一维渗流固结理论（Terzaghi渗流固结理论）,1、物理模型,2、数学模型,（1）基本假定,（2）基本变量,（3）建立方程,3、问题求解,固结系数,时间因数,（1）求解思路,（2）初始、边界条件,（3）微分方程的解,66,1、物理模型,4.4饱和土体的渗流固结理论,p,p,附加应力:z=p超静孔压:u=z=p有效应力:z=0,渗流固结过程变形逐渐增加,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,一、一维渗流固结理论,67,2、数学模型,一、一维渗流固结理论,4.4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）；荷载均布且一次施加并在固结过程中保持不变z=const；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。,（1）基本假定,（2）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,68,（3）建立方程,微小单元（11dz）微小时段（dt）,2、数学模型,一、一维渗流固结理论,孔隙体积的变化流出的水量,土的压缩特性,有效应力原理,达西定律,表示超静孔隙水压力的时空分布的微分方程,超静孔隙水压力孔隙比,超静孔隙水压力孔隙比,土骨架的体积变化,z,69,（3）建立方程,2、数学模型,一、一维渗流固结理论,固体体积：,孔隙体积：,dt时段内：,孔隙体积的变化流出的水量,70,（3）建立方程,2、数学模型,一、一维渗流固结理论,dt时段内：,孔隙体积的变化流出的水量,土的压缩性：,有效应力原理：,达西定律:,孔隙体积的变化土骨架的体积变化,71,Cv反映了土的固结性质：孔压消散的快慢固结速度；Cv与渗透系数k成正比，与压缩系数a成反比；（cm2/s；m2/year，粘性土一般在10-4cm2/s量级）,固结系数,（3）建立方程,2、数学模型,一、一维渗流固结理论,或,72,线性齐次抛物线型微分方程式，一般可用分离变量方法求解。给出定解条件，求解渗流固结方程，就可以解出uz,t。,3、方程求解,一、一维渗流固结理论,（1）求解思路,73,0zH:u=p,z=0:u=0z=H:uz,0zH:u=0,（2）边界、初始条件,3、方程求解,一、一维渗流固结理论,z,74,(3)微分方程的解,时间因数,m1，3，5，7,3、方程求解,一、一维渗流固结理论,0zH:u=p,z=0:u=0z=H:uz,0zH:u=0,基本微分方程：,初始边界条件：,微分方程的解：,反映孔隙水压力的消散程度固结程度,75,单面排水时孔隙水压力分布,双面排水时孔隙水压力分布,z,z,排水面,不透水层,排水面,排水面,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=,(3)微分方程的解,3、方程求解,一、一维渗流固结理论,时间因数,m1,76,二、固结度的计算,一点M：,地层：,一层土的平均固结度,Uz,t=01：表征总应力中有效应力所占比例,1、基本概念,M,77,2、平均固结度Ut与沉降量St之间的关系,t时刻：,确定St的关键是确定Ut确定Ut的核心问题是确定uz.t,在时刻t的沉降量与最终沉降量之比,二、固结度的计算,78,3.地基沉降过程计算,1)基本计算方法均布荷载，单向排水情况,确定地基的平均固结度Ut,已知,解得,近似,图表教材P92，图4-18，曲线,二、固结度的计算,Tv反映固结程度,79,二、固结度的计算,80,（1）压缩应力分布不同时,2)常见计算条件,实践背景：,H小，p大,自重应力,附加应力,自重应力附加应力,压缩土层底面的附加应力还不接近零,解析公式（4-21）图表：图4-17、图4-18,计算公式：,应力分布：,3.地基沉降过程计算,二、固结度的计算,81,3.地基沉降过程计算,二、固结度的计算,82,2)常见计算条件,（2）双面排水时,压缩土层深度H取1/2值,二、固结度的计算,3.地基沉