土力学4压缩与固结.ppt

第四章,土的压缩性与固结理论,修建新建筑物：引起原有建筑物开裂,高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除,建筑物立面高差过大,建筑物过长,4.1概述,地基沉降,一致沉降（沉降量）,差异沉降（沉降差）,导致结果：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,土体的压缩性，以及荷载的作用，使得地基发生沉降。,影响因素：荷载大小；土的压缩特性；地基厚度；,土的压缩性土体在压力的作用下体积缩小的特性,室外试验,室内试验,压缩性测试,侧限压缩,三轴压缩,荷载试验,旁压试验,本章主要内容,4.2土的压缩性测试方法及压缩性指标4.2.1土的压缩性测试方法4.2.2土的压缩性及其指标4.3饱和土中的有效应力4.4饱和土体的渗透固结理论,4.2土的压缩性测试方法及压缩性指标,4.2.1土的压缩性测试方法,侧限压缩试验,试样,水槽,内环,环刀,透水石,传压板,百分表,测定：轴向应力轴向变形,*施加荷载，静置至变形稳定*逐级加大荷载,土变形的物理机制（原因）,弹性变形,塑性变形,体应变主要是由于孔隙体积变化引起的；剪应变主要是由于土颗粒的大小和排列形态变化引起的。,本节主要内容：,一、ep曲线、elgP曲线及土的压缩性指标,二、原始压缩曲线、回弹再压缩曲线,一、e-p曲线,压缩系数，KPa-1，MPa-1,侧限压缩模量,KPa,MPa变形模量？弹性模量？,称为压缩系数，KPa-1,a1-2常用作比较土的压缩性大小,单向压缩试验的各种参数的关系,a=mv(1+e0),Es=(1+e0)/a,Mv=1/Es,e-lgP曲线,压缩指数,Ce,回弹指数（再压缩指数）,CeCc，一般Ce0.1-0.2Cc,e-lgP曲线：压缩曲线的另一种表达方式,特点：有一段较长的直线段,指标：,二、原始压缩曲线、回弹曲线及再压缩曲线,e,地下水位上升土层剥蚀冰川融化,引起卸载，使土处于回弹状态,原状土的原位压缩曲线：客观存在的，无法直接得到,lgP,压缩曲线,再压缩曲线,回弹曲线,4.3饱和土有效应力原理,土,孔隙水,固体颗粒骨架,+,三相体系,孔隙气体,+,总应力,总应力由土骨架和孔隙流体共同承受,受外荷载作用,1.饱和土中的应力形态,PS,PSV,a,a,一、有效应力原理的基本概念,PS,A为土单元的断面积；Aw为孔隙水的断面积；As为颗粒接触点的面积且接近于0,a-a断面竖向力平衡：,因为,其中,所以,并且令有效应力=Psv/A,得出有效应力原理为：,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，,（2）土的变形与强度都只取决于有效应力,求得有效应力,总应力已知或易知,孔隙水压测定或算定,通常,通过,自重应力情况（侧限应变条件）,二、饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,(1)静水条件,地下水位,海洋土,毛细饱和区,(2)稳定渗流条件,1.自重应力情况,(1)静水条件,地下水位,=-u,u=wH2,u=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。,海洋土,(1)静水条件,wH1,wH1,=-u=wH1+satH2-wH=satH2-w(H-H1)=(sat-w)H2=H2,毛细饱和区,(1)静水条件,毛细饱和区,+,-,H,h,砂层，承压水,粘土层sat,H,h,砂层，排水,sat,(2)稳定渗流条件两种形式：,向上渗流,向下渗流,土水整体分析,向上渗流:,向下渗流:,渗流压密,为渗透压力,所以,4.4饱和土体的渗流固结理论,一、饱和土的渗透固结,二、一维渗流固结理论（Terzaghi渗流固结理论）,三、固结系数的测定,本节主要内容：,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,土体的单向固结理论,不可压缩层,可压缩层,工程实践背景：大面积均布荷载,p,不透水岩层,饱和压缩层,z=p,p,侧限应力状态,一、饱和土的渗透固结,1、物理模型,p,p,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,二、Terzaghi一维渗流固结理论,2、数学模型,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；假定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。,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,建立方程：,微小单元（11dz）微小时段（dt）,z,土骨架的体积变化孔隙体积的变化流出的水量,固体体积：,孔隙体积：,dt时段内,孔隙体积的变化流出的水量,达西定律:,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）,固结系数,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。,方程求解：,（1）求解思路：,0zH:u=p,z=0:u=0z=H:uz,0zH:u=0,（2）边界、初始条件：,z,(3)微分方程的解,时间因数,m1，3，5，7,0zH: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,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