第6章 地基变形-3.ppt

6 5地基变形与时间的关系 第2篇土力学 地基的变形不是瞬时完成的 地基在建筑物荷载作用下要经过相当长的时间才能达到最终沉降量 砂土地基建筑物施工结束沉降完成 高压缩性黏性土建筑物施工结束沉降完成了5 20 上海展览馆历经23年沉降尚未稳定 在工程设计中 除了要知道地基最终沉降量外 往往还需要知道沉降随时间的变化过程即沉降与时间的关系后浇带 6 5地基变形与时间的关系 6 5 1饱和土中的有效应力 1 有效应力原理太沙基有效应力原理的由来有效应力原理是土力学中的一个重要的原理 这是近代土力学与古典土力学的一个重要区别 古典土力学用总应力来研究土的压缩性和土的强度 现代土力学用有效应力来研究土的力学性 它更符合科学性 土中二种应力试验 1 由钢球施加的应力 通过砂土的骨架传递的应力称为有效应力 这种有效应力能使土层发生压缩变形 从而使土的强度发生变化 2 由水施加的应力通过孔隙中水来传递称为孔隙水压力 这种孔隙水压力不能使土层发生压缩变形 几个基本概念 粒间应力 由骨架颗粒间接触点传递的应力 有效应力 指对土体的变形和强度变化有效的粒间应力 孔隙水压力 由孔隙水传递的应力 它不能直接引起土体的变形和强度变化 超静孔隙水压力 由外荷引起的超出静水位以上的那部分孔隙水压力 它在固结过程中不断变化 固结终了时应等于零 Terzaghi有效应力原理要点 1 饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为有效应力和孔隙水压力两部分 两者之间的关系总满足 2 土的压缩变形和强度变化都只取决于有效应力的变化 1 自重应力作用下的两种应力 2 土中水渗流时的土中有效应力 1 自下向上渗流 2 渗流作用下的两种应力 地下水位下降 会在土层中产生朝下的渗流 从而使有效应力增加 导致土层发生压密变形 称为渗流压密 这是引起地面沉降的又一个原因 实质上渗透力就是作用于土骨架上的有效应力 2 自上向下渗流 3 饱和土固结时的有效应力 饱和土固结包括渗透固结 主固结 和次固结两部分渗透固结 主固结 孔隙水排除 孔隙体积减小次固结 土骨架的蠕变引起 饱和土渗透固结模型 渗流固结过程小结 整个渗流固结过程中 u和 都随时间t而不断变化 是时间的函数 渗流固结过程的物理实质就是土中两种不同应力形态的转化过程 侧限条件t 0时 超静水压力 u在数值上等于总应力增量 在固结过程中 u随时间而不断消散 至固结终了时 u 0 饱和土的渗透固结就是孔隙水压力的消散和有效应力相应增长的过程 孔隙水压力随时间变化规律 图6 25 6 5 2Terzaghi一维固结理论 1 基本假设 压缩土层为均质 各向同性的饱和土体 土粒和孔隙水是不可压缩的 水的渗流和土层压缩只能沿垂直方向发生 土中水的渗流符合Darcy定律 固结过程中渗透系数k和压缩系数a均为常数 外荷载是一次瞬时施加于土体的 土体变形完全是由土层中超孔隙水压力消散引起的 2 一维固结微分方程的建立 在时间dt内微分单元体的孔隙水量变化应等于微单元体内孔隙体积的变化 Cv称为竖向固结系数 单位为cm2 s 式 6 58 称为一维固结微分方程 固结微分方程初始和边界条件为 3 一维固结微分方程的解析解 应用富里叶级数 可求得满足上述边界条件的特解如下 H 压缩土层最远的排水距离 单向排水取H 双向排水取H 2m 正奇数 6 5 3固结度 1 地基固结度的概念某时间已经产生的固结沉降量与最终固结沉降量的比值 对某一深度z处 超静水压力的消散部分u0 uzt对t 0初始孔隙水压力u0的比值 称为该点的固结度 土层内沿深度每一点孔隙水压力uzt不同 固结度也不同 我们关心的是整个土层总的固结度 2 荷载一次瞬时施加情况的平均固结度 土层的平均固结度指在时刻t 土层骨架已经承担起来的有效应力面积与全部附加应力面积的比值 式中的Uz和Tv的关系可用图6 26中的曲线表示 实际工程中可能遇到的初始超静水压力的分布可分为五种情况情况1 基础底面积很大而压缩层很薄情况2 大面积新填土 由于自重应力而产生的固结情况3 基础底面积较小 土层很厚 情况4 自重应力下尚未完成固结就在上面修建建筑物情况5 基础底面积较小 土层不厚 A1A2 3 一级或多级等速加载情况的地基平均固结度 自学例题6 4 6 72 按固结度的定义 可以计算地基沉降与时间的关系 6 5 4地基固结过程中任意时刻的变形计算 1 已知地基的最终沉降量 求某一时刻的固结沉降量 根据已知土层的k a e H和给定的时间t 计算Cv和Tv 根据Tv值 查图表求Ut 根据已知的Sc和Ut值 计算Sct 2 已知地基的最终沉降量 求土层达到一定沉降量所需要的时间 根据已知的Sc和给定的Sct 计算Ut 根据Ut值 查图表求Tv 根据已知的Cv H和Tv 计算t 在不透水的非压缩岩层上 为一厚10m的饱和粘土层 其上面作用着大面积均布荷载p 200kPa 已知该土层的孔隙比e1 0 8 压缩系数a 0 00025kPa 1 渗透系数k 6 4 10 8cm s 试计算 1 加荷一年后地基的沉降量 2 加荷后多长时间 年 地基的固结度Ut 75 课堂练习题 解 1 求一年后的沉降量土层的最终沉降量 土层的固结系数 经一年时间的时间因数 由图6 26曲线 查得Ut 0 42 按 计算加荷一年后的地基沉降量 2 求Ut 0 75时所需时