《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 压缩量的组成固体颗粒的压缩土中水的压缩空气的排出水的排出 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 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 二 压缩试验 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 Vv e0 Vs 1 Vv ei Vs 1 土样横截面积在受压前后不变 整理 其中 二 压缩曲线 2 1曲线 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 P1自重应力P2自重应力和附加应力之和 体积压缩系数 KPa 1 MPa 1土体在侧限条件下竖向 体积 应变与竖向附加应力之比 mv越大 压缩性越高 2 1曲线 压缩模量 KPa MPa土体在侧限条件下的竖向附加应力与竖向应变的比值 2 2e lgp曲线 e Ce 回弹指数 再压缩指数 Ce Cc 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 a c b f 压缩指数土体在侧限条件下孔隙比减小与有效压应力常用对数增量的比值 d p 压缩指数越大 土的压缩性越高 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pc p0 欠固结土 OCR 1 正常固结OCR 1 超固结OCR 1 欠固结 相同P1时 一般OCR越大 土越密实 压缩性越小 第三节应力历史对压缩性的影响 超固结比 粘性土的固结类型实例 p0 h 正常固结 超固结 p0 h p0 h pc h pc p0 pc hc pc hc pc p0 欠固结 pc hc pc p0 pc hc A B C D m rmin 1 2 3 先期固结压力Pc的确定 卡萨格兰德 Casagrande 法 f B点对应于先期固结压力 p b 作水平线m1 c 作m点切线m2 d 作m1 m2的角分线m3 e m3与试验曲线的直线段的延长线交于点B a 在e lgp压缩试验曲线上 找曲率最小点m p 二 先期固结压力 p pc 确定先期固结压力pc 过e0作水平线与pc作用线交于B 由假定 知 B点必然位于原状土的初始压缩曲线上 以0 42e0在压缩曲线上确定C点 由假定 知 C点也位于原状土的初始压缩曲线上 土样取出以后e不变 等于原状土的初始孔隙比e0 因而 e0 P1 点应位于原状土的初始压缩曲线上 0 42e0时 土样不受到扰动影响 正常固结土pc P0 假定 推定 三 原位压缩曲线的近似推求 通过B C两点的直线即为所求的原位压缩曲线 p 超固结土pc P0 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 pc p0 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 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 1 1饱和土中的应力形态 Fi FSV a a 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 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 取土骨架为隔离体 A 向上渗流 向下渗流 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 孔隙水 孔隙水压力 超静孔隙水压力 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 3 饱和土固结的土中有效应力 附加应力情况 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 u0 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 不排水条件下 相当于t 0时刻 渗透固结过程 u 随时间在变化 任意时间t 任意点满足 产生超静孔隙水压力 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 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 0 z H u p z 0 u 0z H u z 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 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 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 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 级数解收敛很快 当U 30 近似取第一项 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 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 1 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2 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3 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零4 视为1 2种附加应力分布的叠加5 视为1 3种附加应力分布的叠加 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 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 Ut st 三 例题分析 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