第四章土的压缩与固结

第四章土的压缩与固结,1土的压缩性2地基最终沉降量计算3地基沉降与时间的关系,如果在地基上修建建筑物，地基土内各点要承担由建筑物通过基础传递给地基的荷载产生的附加应力作用，这都将导致地基土体的变形。,在附加应力作用下，地基土将产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降。,基础的沉降量或者各部位的沉降差过大，那么将影响上部建筑物的正常使用，甚至会危及建筑物的安全。,事故的原因是：设计时未对谷仓地基承载力进行调查研究，而采用了邻近建筑地基352kPa的承载力,基坑开挖，引起阳台裂缝,通过预压可提高软土地基的强度，降低建筑使用期间的沉降。在预压过程中，通过在软土中设置砂井、塑料排水板等竖向排水系统，可大大缩短孔隙水的排水距离，提高固结速度。,这两个筒仓是农场用来储存饲料的，建于加拿大红河谷的LakeAgassiz粘土层上，由于两筒之间的距离过近，在地基中产生的应力发生叠加，使得两筒之间地基土层的应力水平较高，从而导致内侧沉降大于外侧沉降，仓筒向内倾斜。,4-2土的压缩特性,在外力作用下，土颗粒重新排列，土体体积缩小的现象称为压缩。,通常，土粒本身和孔隙水的压缩量可以忽略不计，在研究土的压缩时，均认为土体压缩完全是由于土中孔隙体积减小的结果。,土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。,渗透性较大的土砂土，加荷后，孔隙中的水较快排出，压缩完成得快；,渗透性小的土粘土，加荷后，孔隙中的水缓慢排出，且土颗粒间的力作用使压缩完成得慢。,先研究最终沉降量,压缩性测试,荷载试验,旁压试验,侧限压缩,固结仪,4.2.2固结试验,内环,透水石,试样,传压板,百分表,用这种仪器进行试验时，由于刚性护环所限，试样只能在竖向产生压缩，而不能产生侧向变形，故称为单向固结试验或侧限固结试验。,e,压缩参数,1.压缩系数,kPa或MPa,-1,-1,曲线越缓，压缩系数越小，土的压缩性越小,在工程中，习惯上采用100kPa和200kPa范围的压缩系数来衡量土的压缩性高低。,2.压缩指数,Cc愈大，曲线愈陡，土压缩性愈大,3.压缩模量,侧限状态下地基土的压缩变形计算,现场荷载试验确定地基承载力,现场载荷试验,pcr,pu,地基破坏的判定,(1)明显侧向挤出或发生裂纹(2)荷载增量很小,沉降急剧增加,(3)某级荷载增量下,24小时内沉降不能稳定,Pcr比例界限对应的荷载,E0地基土的变形模量,b为承压板的直径或边长;为沉降系数,方形承压板=0.88,圆形承压板=0.79;为土体的泊松比,粘土取0.42,粉土取0.35,砂土取0.3,碎石土取0.27,土的变形模量与压缩模量的关系(理论关系),查表4.3.1,4.3、用ep曲线法计算地基的最终沉降量4.3.1分层总和法,分层总和法的基本思路是：将压缩层范围内地基分层，计算每一分层的压缩量，然后累加得总沉降量。,分层总和法有两种基本方法：ep曲线法和elgp曲线法。,基础中心处的沉降代表基础的沉降。,分层总和法计算地基的最终沉降量计算步骤,1.画出基础及土层的剖面图，选择沉降计算点的位置,2.地基分层,每层厚度12m,=0.4b；,d,地面,基底,p,不同土层界面；地下水位线；,3.计算原地基中自重应力分布：从地面计算,d,地面,基底,p,自重应力,附加应力,si,zi,Hi,4.计算基础中心点以下地基中竖向附加应力分布。,z从基底算起；z是由基底附加应力p0引起的,si,zi,Hi,5.确定计算深度,一般土层：z0.2c；软粘土层：z0.1c；,6.按算术平均求各分层平均自重应力和平均附加应力,si,zi,Hi,7.求出第i分层的压缩量（用ep曲线）,（7）最后将每一分层的压缩量累加，即得地基的总沉降量为：S=Si,例：有一矩形基础，放置在均质粘土层上，如图所示。基础长度L为10m，宽度B为5m，埋置深度D为1.5m，其上作用着中心荷载P等于10000kN。地基上的天然湿容重为20kN/m3，饱和容重为21kN/m3，土的压缩曲线如图所示。若地下水位距离基底2.5m，试求基础中心点的沉降量。,d=1.5m,地面,2.5m,解:由L/B=10/5=2p0超固结1、定pc位置线和C点;2、由p0和e0定D;3、作DD平行与EF确定D4、连DC,A,1,3,2,B,前期固结应力Pc,E,F,e,e0,0.42e0,C,D,D,P0=rh,p(lg),现场压缩曲线,现场再压缩曲线,（1）正常固结土的沉降计算,（2）超固结土的沉降计算应力增量pi区分为两种情况：第一种情况是各分层的应力增量pi大于（pci-p0）第二种情况是pi小于（pci-p0）。,对于第一种情况，即pi（pci-p0）,孔隙比的总改变量为,=,对第二种情况，即pi（pci-p0,（三）欠固结土的沉降计算欠固结土的沉降不仅仅包括地基受附加应力所引起沉降，而且还包括地基土在自重作用下尚未固结的那部分沉降。,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。,4.5地基沉降与时间的关系太沙基一维固结理论,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。,1、物理模型,p,p,总应力:p孔隙水压力:u=p有效应力:z=0,渗流固结过程,总应力:p孔隙水压力:u0,总应力:p孔隙水压力:u=0有效应力:z=p,4.6.1一维固结模型,0zH:u=p,0zH:u=0,z,4.5.2一维固结理论,太沙基单向固结理论有下列一些基本假定：,（1）土是均质、各向同性且饱和的；,（2）土粒和孔隙水是不可压缩的，土的压缩完全由孔隙体积的减小引起；,（3）土的压缩和固结仅在竖直方向发生；,（4）孔隙水的向外排出符合达西定律，土的固结快慢决定于它的渗流速度；,（5）在整个固结过程中，土的渗透系数、压缩系数等均视为常数；,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,孔隙水压力的时空分布,孔隙水压力,孔隙水压力,土骨架的体积变化,固结系数,时间因数,H为最大排水距离，在单面排水条件下为土层厚度，在双面排水条件下为土层厚度的一半。,4.5.3、固结度的的概念及应用,式中：st经过时间t后的基础沉降量；,基础的最终沉降量。,双面排水取1时间因子中厚度H用H/2代替,排水面附加应力,不排水面附加压力,1、求某一时刻t的固结度与沉降量,t,Tv=Cvt/H2,St=US,2、求达到某一沉降量(固结度)所需要的时间,U=St/S,查表确定U,Tv,例：设饱和粘土层的厚度为10m，位于不透水坚硬岩层上，由于基底上作用着竖直均布荷载，在土层中引起的附加应力的大小和分布如图所示。若土层的初始孔隙比e1为0.8，压缩系数a为2.510-4kPa1，渗透系数k为2.0cm/year。试问:(1)加荷一年后，基础中心点的沉降量为多少？(2)当基础的沉降量达到20cm时需要多少时间？,【解】（1）该土层的平均附加应力为,z=(240+160)/2=200kPa,最终沉降量,固结系数,时间因子,查表确定,U=0.45,（2）已知基础的沉降为St=20cm，最终沉降量S=27.8cm,查表确定,Tv=0.27,1.下述关于土体压缩性描述正确的是。(A)压缩系数a越大，压缩模量Es越小，压缩性越高(B)压缩系数a越大，压缩模量Es越小，压缩性越低(C)压缩系数a越大，压缩模量Es越大，压缩性越高(D)压缩系数a越大，压缩模量Es越大，压缩性越低2.均匀地基上两相同基础，基底压力相同，但埋置深度不同，两基础的计算最终沉降量。(A)埋深大的比埋深浅的沉降大(B)埋深大的比埋深浅的沉降小(C)两基础计算沉降无差别,3.土体压缩性ep曲线是在条件下试验得到的。(A)三轴(B)无侧限(C)有侧限4.对于某一种特定的粘性土，压缩系数a是不是一个常数？(A)是常数(B)不是常数，随竖向压力p增大而减小(C)不是常数，随竖向压力p增大而增大,5.有一箱形基础，上部结构传至基底的压力p=80kPa。若地基土的重度=18kN/m3，地下水位在地表下10m处，试问埋置深度时，理论上可不考虑地基的沉降。(A)4.4m(B)8.3m(C)10m,6.用分层总和法计算地基沉降时，附加应力曲线表示(A)总应力(B)孔隙水应力(C)有效应力7.当土为欠固结状态时，其先期固结压力pc与目前的上覆压力z的关系为。(A)pcz(B)pc=z(C)pcz,作业：设某粘土层的厚度为8m，表面作用有大面积均布荷载，设荷载瞬时加上。若土层的初始孔隙比e0为0.9，压缩系数a为0.25MPa1，渗透系数k为17mm/year。试问:(1)加荷一年后，基础中心点的沉降量为多少？(2)当基础的沉降量达到最终沉降量的一半时需要多少时间？,地基土体沉降分为：,初始沉降是指当荷载施加较快，土体允许有侧向变形时，加荷瞬时土体的竖向变形量,固结沉降也称主固结沉降，是土体在附加压力作用下，由于土中孔隙水和孔隙气体的排出而引起的土体体积的减小,次固结沉降是指含水量较高的软粘土在固结沉降完成后期，较厚的吸着水层因土体受挤压使得其中的一部分吸着水逐渐转变为自由水，土体体积减小所出现的压缩量。,t,S,Si：初始瞬时沉降,Ss:次固结沉降,Sc：主固结沉降,总结,1土的压缩性,压缩系数,压缩模量,2侧限状态下地基土的压缩变形计算,3、用ep曲线法计算地基的最终沉降量,（1）画出基础及土层的剖面图，选择沉降计算点的位置,（2）地基分层,每层厚度12m,=0.4b；,不同土层界面；地下水位线；,（3）计算原地基中自重应力分布：从地面计算,（4）计算基础中心点以下地基中竖向附加应力分布。,地基土体附加应力zp0,（5）确定计算深度,一般