土的压缩性剖析ppt课件.ppt

学习情境二地基变形计算 1 主要内容 任务一土体压缩系数和压缩模量计算任务二土体固结试验指标的应用任务三分层总和法和规范法计算地基最终沉降任务四地基固结度计算 2 概述 自重应力压缩稳定附加应力导致地基土体变形 体积变形 形状变形 由正应力引起 会使土的体积缩小压密 不会导致土体破坏 形状变形主要由剪应力引起 当剪应力超过一定限度时 土体将产生剪切破坏 此时的变形将不断发展 通常在地基中是不允许发生大范围剪切破坏的 3 土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性 沉降 在附加应力作用下 地基土产生体积缩小 从而引起建筑物基础的竖直方向的位移 或下沉 称为沉降某些特殊性土由于含水量的变化也会引起体积变形 如湿陷性黄土地基 由于含水量增高会引起建筑物的附加下沉 称湿陷沉降 相反在膨胀土地区 由于含水量的增高会引起地基的膨胀 甚至把建筑物顶裂 4 除此之外某些大城市 如墨西哥 上海等由于大量开采地下水使地下水位普遍下降从而引起整个城市的普遍下沉 这可以用地下水位下降后地层的自重应力增大来解释 当然 实际问题也是很复杂的 还涉及工程地质 水文地质方面的问题 如果地基土各部分的竖向变形不相同 则在基础的不同部位会产生沉降差 使建筑物基础发生不均匀沉降 基础的沉降量或沉降差 或不均匀沉降 过大不但会降低建筑物的使用价值 而且往往会造成建筑物的毁坏 5 基础沉降量或沉降差的大小首先与土的压缩性有关 易于压缩的土 基础的沉降大 而不易压缩的土 则基础的沉降小 基础的沉降量与作用在基础上的荷载性质和大小有关 一般而言 荷载愈大 相应的基础沉降也愈大 而偏心或倾斜荷载所产生的沉降差要比中心荷载为大 在这项任务里 我们首先讨论土的压缩性 然后介绍目前工程中常用的沉降计算方法 最后介绍沉降与时间的关系 6 土的压缩性 土的压缩性 土在压力作用下体积缩小的现象 土体产生体积缩小的原因 1 固体颗粒的压缩 2 孔隙水和孔隙气体的压缩 孔隙气体的溶解 3 孔隙水和孔隙气体的排出 土的固结 土的压缩随时间而增长的过程 显然 对于饱和砂土 由于它的透水性强 在压力作用下孔隙中的水易于向外排出 固结很快就能完成而对于饱和粘土由于它的透水性弱 孔隙中的水不能迅速排出 因而固结需要很长时间才能完成 7 由于沉降相互影响 两栋相邻的建筑物上部接触 8 墨西哥城 地基的沉降及不均匀沉降 9 10 2 1土的压缩性 2 1 1侧限压缩试验及e p曲线 压缩 在外力作用下 土体体积缩小的现象 1 土粒本身和孔隙中水的压缩变形 2 孔隙气体的压缩变形 3 孔隙中的水和气体有一部分向外排出 固结 土的压缩随时间增长的过程 11 饱和砂土 透水性强 在压力作用下 固结很快完成 饱和粘土 透水性弱 在压力作用下 固结需要很长时间完成 2 1 1 1侧限压缩试验研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法称为压缩试验 亦称固结试验 对一般工程来说 在压缩土层厚度较小的情况下 常用侧限压缩试验来研究土的压缩性 12 13 14 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 侧限压缩试验 实验室测定突地压缩性主要装置为固结仪 不能产生侧向变形 只有竖向压缩 土的压缩是由于孔隙体积的减小所致 所以土的变形常用孔隙比e表示 15 16 2 1 1 2e p曲线 17 18 3 1 2压缩性指标 e e e p曲线 e lgp曲线 19 2 1 2 1压缩系数 e p曲线 压缩系数是表征土的压缩性的重要指标之一 压缩系数越大 表明土的压缩性越大 20 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 21 22 e e p曲线 P1 100kPa P2 200kPa 23 2 1 2 2压缩模量 压缩模量Es 为土体在无侧向变形条件下 竖向应力与竖向应变之比 24 2 1 2 3体积压缩系数 体积压缩系数mV 土体在单位应力作用下单位体积的体积变化 25 2 1 2 4变形模量 变形模量E 土体在无侧限条件下应力与应变之比 广义虎克定律 26 土的变形模量以载荷试验测定土的变形模量 27 利用弹性力学公式反求地基土的变形模量 载荷试验优点 试验结果能反映较大一部分土体的压缩性比钻孔取样在室内测试所受到的扰动要小得多土中应力状态在承压板较大时与实际基础情况比较接近 载荷试验缺点 试验工作量大费时久所规定的沉降稳定标准带有较大的近似性成果不易准确 28 单向压缩试验的各种参数的关系 29 2 2地基最终沉降量计算 1 土的压缩完全是由于孔隙体积减小导致骨架变形的结果 土粒本身的压缩可忽略不计 一 无侧向变形条件下单向压缩量计算假设 2 土体仅产生竖向压缩 而无侧向变形 3 土层均质且在土层厚度范围内 压力是均匀分布的 30 二 单一压缩土层单向压缩量公式 31 32 三 分层总和法 计算地基的沉降时 在地基可能产生压缩的土层深度内 按土的特性和应力状态的变化将地基分为若干 n 层 假定每一分层土质均匀且应力沿厚度均匀分布 然后对每一分层分别计算其压缩量Si 最后将各分层的压缩量总和起来 即得地基表面的最终沉降量S 这种方法称为分层总和法 33 8 地基最终沉降量s的分层总和法公式 34 35 36 四 规范法 由 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 提出分层总和法的另一种形式沿用分层总和法的假设 并引入平均附加应力系数和地基沉降计算经验系数 附加应力面积 深度z范围内的附加应力面积 附加应力通式 z Kp0 引入平均附加应力系数 因此附加应力面积表示为 因此 37 第n层 第i层 38 沉降计算深度zn应该满足 当确定沉降计算深度下有软弱土层时 尚应向下继续计算 直至软弱土层中所取规定厚度的计算沉降量也满足上式 若计算深度范围内存在基岩 zn可取至基岩表面为止 当无相邻荷载影响 基础宽度在1 30m范围内 基础中点的地基沉降计算深度可以按简化公式计算 地基最终沉降量修正公式 39 地基沉降计算中的有关问题 1 分层总和法在计算中假定不符合实际情况假定地基无侧向变形 计算结果偏小采用基础中心点下土的附加应力和沉降 计算结果偏大 2 分层总和法中附加应力计算应考虑 土体在自重作用下的固结程度 相邻荷载的作用 3 基础埋置较深时 应考虑开挖基坑时地基土的回弹 建筑物施工时又产生地基土再压缩的情况 回弹再压缩影响的变形量 计算深度取至基坑底面以下5m 当基坑底面在地下水位以下时取10m 40 2 3地基沉降与时间的关系一 土的渗透性 达西渗透定律 41 42 渗透系数的测定 43 渗透变形的形式 流土 在渗流作用下局部土体表面隆起 或土粒群同时起动而流失的现象 它主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处 管涌 在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象 它主要发生在砂砾土中 44 流土与管涌的比较 流土 土体局部范围的颗粒同时发生移动或局部土体表面隆起 管涌 只发生在水流渗出的表层 只要渗透力足够大 可发生在任何土中 破坏过程短 导致下游坡面产生局部滑动等 现象 位置 土类 历时 后果 土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动 可发生于土体内部和渗流溢出处 一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土 破坏过程相对较长 导致结构发生塌陷或溃口 45 二 有效应力原理 p p 附加应力 z p超静孔压 u0 z p附加有效应力 z 0 附加应力 z p超静孔压 u p附加有效应力 0 z p 附加应力 z p超静孔压 u 0附加有效应力 z p 46 饱和土体在某一压力作用下的固结过程就是土体中各点的超静孔隙水应力不断消散 附加有效应力相应增加的过程 或者说超静孔隙水应力逐渐转化为有效应力的过程 而在转化过程中 任一时刻任一深度处的应力始终遵循有效应力原理 孔隙水压力 总应力 有效应力 47 土中的应力按土体中土骨架和土中孔隙 水 气 的应力承担作用原理或应力传递方式可分为有效应力和孔隙应 压 力 有效应力 由土骨架传递 或承担 的应力 孔隙应力 由土中孔隙流体水和气体传递 或承担 的应力 当总应力保持不变时 孔隙水应力和有效应力可以相互转化 即孔隙水应力减小 增大 等于有效应力的等量增加 减小 48 三 饱和土的一维固结理论基本假定 1 土层是均质的 完全饱和的2 土粒和水是不可被压缩的3 水的渗出和土的压缩只沿竖向发生4 土中水的渗流服从达西定律5 渗透固结中 土的渗透系数和压缩系数保持不变6 外荷一次瞬时施加 49 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 太沙基 Terzaghi 单向固结理论 50 51 2地基沉降与时间关系计算步骤 1 计算地基最终沉降量 2 计算地基附加应力沿深度的分布 3 计算土层的竖向固结系数和时间因子 4 求解地基固结过程中某一时刻t沉降量 52 粘土层 砂土层 太沙基 Terzaghi 单向固结理论 53 固结度 在某一附加应力下 经某一时间t后 土体发生固结或孔隙水应力消散的程度 固结度及其应用 某一点的固结度 平均固结度 单向固结 54 附加应力 沿竖向 均匀分布 平均固结度 55 土层的平均固结度是时间因数Tv的单值函数 它与所加的附加应力的大小无关 但与附加应力的分布形式有关 定义为透水面上的附加应力与不透水面上附加应力之比 反映附加应力分布形态的参数 56 情况1 其附加应力随深度呈逐渐增大的正三角形分布 其初始条件为 当t 0时 0 z H 实践背景 H小 p大大面积堆载 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 应力分