土的压缩性与固结(修改)总结（课堂PPT）

土力学地基基础SoilMechanicsandFoundationEngineering,河南工程学院土木工程学院孙彦飞,1,土的压缩性与固结,5.1土的压缩性5.2地基最终沉降量5.3土的变形与时间的关系5.4建筑物沉降观测与地基容许变形,2,荷载作用下土体的压缩性;土的压缩试验和固结试验;地基最终沉降量的计算;土的变形与时间关系(一维固结理论)。,主要内容:,重点：,土的压缩性和压缩性指标的确定;用分层总和法和规范法计算基础沉降;了解固结原理和固结随时间变化的概念.,3,土具有压缩性,荷载作用,地基发生沉降,荷载大小,土的压缩特性,地基厚度,均匀沉降（沉降量）,不均匀沉降（沉降差）,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,概述,土的特点（碎散、三相）,沉降具有时间效应沉降速率,4,5.1土的压缩性,土压缩的原因,固体土颗粒本身被压缩,土空隙中水及封闭气体被压缩,水和气体从孔隙中被挤出,土体在压力作用下体积减小的特性称为土的压缩性,1、压缩性,一、基本概念,5,2、固结与固结度,作用于饱和土体内某截面上总的正应力由两部分组成：一部分为孔隙水压力u，它沿着各个方向均匀作用于土颗粒上，其中由孔隙水自重引起的称为静水压力，由附加应力引起的称为超静孔隙水压力（孔隙水压力）；另一部分为有效应力，它作用于土的骨架（土颗粒）上，其中由土粒自重引起的即为土的自重应力，由附加应力引起的称为附加有效应力。饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间存在如下关系：,（1）任一平面上受到的总应力等于有效应力加孔隙水压力之和；（2）土的变形是有效应力引起的。,固结：土的压缩随时间而增长的过程,6,对饱和土来说，土的压缩变形取决于土中水排出的快慢，即土的渗透性的大小。对于透水性大的砂土，压缩过程在加荷后较短时期即可完成；对于粘性土，尤其是饱和软粘土，压缩过程需要十几年甚至几十年压缩变形才能稳定。主固结：依赖于孔隙水压力变化而产生的固结；次固结：不依赖于孔隙水压力的变化，在有效应力不变时，由于土体的蠕变而引起的固结称为次固结。,7,加荷瞬间，=u而=0。随着时间的增长，u下降，而增长。当固结变相稳定时，u=0而=，由此可见饱和土压密过程实际上是孔隙水压力逐渐消散，有效压力增加的过程。,固结度ut:土的固结过程中某一时间t的固结沉降量s1与固结稳定的最终沉降量s之比称为固结度ut。,当t=0时，st=0，则ut=0，即固结完成0%当固结稳定时，st=s,则ut=1.0，即固结基本上达到100%完成。,固结度的变化范围为01，它表示在某一荷载作用下经过t时间后土体所能达到的固结程度。,8,土的应力历史对土的压缩性的影响土的应力历史：土体在历史上曾经受到过的应力状态先期固结压力pc：土在其生成历史中曾受过的最大有效固结压力土层的先期固结压力对其固结程度和压缩性有明显的影响，用先期固结压力pc与现时的土压力p0的比值描述土层的应力历史，将粘性土进行分类1.正常固结土先期固结压力等于现时的土压力pcp02.超固结土先期固结压力大于现时的土压力pcp03.欠固结土先期固结压力小于现时的土压力pcp0,9,水槽,内环,环刀,透水石,试样,传压板,百分表,逐级施加荷载，至变形稳定,测定：竖向压应力竖向变形,试验结果：,二、室内压缩试验与压缩性指标,10,1、压缩试验与e-p曲线,研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律,Vv1e1,Vs1,Vv2e2,Vs1,受荷后土样的高度变化:设初始高度h1,受压后的高度h2,则h2=h1s,s为荷载作用下的变形量,11,试验过程中的两个基本条件:受压前后土粒体积不变和土样横截面面积不变。,e0,pi,残余变形,e-p曲线,压缩曲线的绘制方式,e-p曲线,e-lgp曲线,弹性变形,由于逐级（一般为5级）施加荷载在不同压力p作用下，可得到相应的孔隙比e，根据一一对应关系，以横座标表示压力，以纵座标表示孔隙比，绘制e-p曲线，称为压缩曲线,12,e,e-lgp曲线,13,2、压缩性指标,（MPa-1）,1）压缩系数：,一般取压缩曲线上M1M2两点切线的斜率值，称为土的压缩系数。,实际工程中，往往用割线斜率表示：,p1,p2,e1,e2,M1,M2,e0,e-p曲线,p,e,规范用p1100kPa、p2200kPa对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性,根据压密定律：在竖向压力变化不大的范围内，孔隙比的变化量与压力之间的变化量，二者之间的关系近似用一条直线来代替。,14,2）压缩指数Cc：,e,压缩指数,Ce,回弹指数（再压缩指数）,Ce1硬粘土（应力扩散）S偏大,s1,沉降计算经验系数,43,1.计算原理,1、计算公式：设地基土层均质、压缩模量不随深度变化，则：,44,2.地基沉降计算深度（地基压缩层厚度）,对于地基的计算深度，即地基压缩层厚度，可分两种情况：,无相邻荷载的基础中点下:式中b-基础宽度，适用于1m30m范围。,有相邻荷载影响:或,：在计算深度zn范围内，第i层土的变形值：在zn处向上取厚度z土层的计算变形值，z按规定确定。,计算层厚度z值的选取：,表3-5,45,在计算地基变形时，应考虑相邻荷载的影响，其值可按应力叠加原理，采用角点法计算。,3、规范法计算基础沉降量的步骤为：,（1）计算基底附加应力；（2）以天然土层作为分层面（即按Es分层）；（3）确定压缩层厚度zn，采用变形比（4）分别计算每层土的变形量（5）计算基础总沉降量,46,47,48,49,三种特殊情况下的地基沉降计算在下述三种情况下，地基附加应力均随深度呈线性分布，因此，地基的分层可按天然土层划分，并以分层中心点的应力作为平均应力，按下式之一计算各分层土的压缩量：,50,(1)薄压缩层地基当基础底面以下可压缩土层的厚度h小于或等于基底宽度b的一半时，称该地基为薄压缩层地基。此时，可认为基底中心点下的附加应力不扩散，即取zp0(p0为基底附加压力)。(2)地下水位下降可将因地下水位下降而引起的自重应力增量视为附加应力z。在原水位与新水位之间点呈三角形分布；在新水位以下，z为一常量。（3）大面积地面填土地基若填土厚度为h，重度为，则填土荷载p0h。在天然地面以下，填土荷载所产生的附加应力zp0。,51,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,52,53,三、土的沉降与时间的关系,饱和粘性土地基在建筑物荷载作用下要经过相当长时间才能达到最终沉降，不是瞬时完成的。为了建筑物的安全与正常使用，对于一些重要或特殊的建筑物应在工程实践和分析研究中掌握沉降与时间关系的规律性，这是因为较快的沉降速率对于建筑物有较大的危害。例如，在第四纪一般粘性土地区，一般的四、五层以上的民用建筑物的允许沉降仅10cm左右，沉降超过此值就容易产生裂缝；而沿海软土地区，沉降的固结过程很慢，建筑物能够适应于地基的变形。因此，类似建筑物的允许沉降量可达20cm甚至更大。,54,碎石土和砂土的压缩性小而渗透性大，在受荷后固结稳定所需的时间很短，可以认为在外荷载施加完毕时，其固结变形就已经基本完成。饱和粘性土与粉土地基在建筑物荷载作用下需要经过相当长时间才能达到最终沉降，例如厚的饱和软粘土层，其固结变形需要几年甚至几十年才能完成。因此，工程中一般只考虑粘性土和粉土的变形与时间的关系。,55,土的单向固结理论1、饱和土体渗流固结过程,56,两种应力在深度上随时间的分布,57,不同排水条件下一维渗流固结过程单面排水双面排水,58,土的单向固结理论太沙基一维固结理论适用条件：荷载面积远大于压缩土层的厚度，地基中孔隙水主要沿竖向渗流。单向固结微分方程及其解答基本假定：（1）土中水的渗流只沿竖向发生，服从达西定律；（2）土的渗透系数和压缩系数为常数；（3）土颗粒和土中水都是不可压缩的；（4）土是完全饱和的均质、各向同性体；（5）外荷是一次瞬时施加。,59,一、建筑物沉降观测,5.3建筑物沉降观测与地基容许变形值,（1）验证工程设计与沉降计算的正确性；（2）判别建筑物施工的质量；（3）发生事故后作为分析事故原因和加固处理依据。,能够及时发现建筑物变形并防止有害变形的扩大。,（1）埋设地点要靠近观测对象，但必须在建筑物所产生的压力影响范围以外。（2）在一个观测区内，水准基点3个，埋置深度应与建筑物基础的埋深相应。,（1）根据建筑物的平面形状，结构特点和工程地质条件考虑布置观测点。（2）一般设置在四周的角点、转角处、纵横墙的中点、沉降缝和新老建筑物的连接处。（3）数量一般不小于6点，间距一般为612米。,1.目的,2.必要性,3.水准基点的设置,4.观测点的设置,60,地基的沉降及不均匀沉降（墨西哥城）,61,62,63,64,沉降观测采用精密水准仪，观测精度为0.01。,民用建筑每增高一层观测一次；工业建筑在不同荷载阶段分别进行观测，施工期间不应少于4次；竣工后第一年不少于35次；第二年不少于2次；以后每年一次，直到稳定。（稳定标准为半年沉降量不超过2）,减速沉降（沉降速率减少到0.05/d以下时）：认为沉降趋于稳定。等速沉降：导致地基丧失稳定的危险。加速沉降：表示地基已丧失稳定，应及时采取措施，防止发生事故。,5.仪器与精度,6.观测次数和时间,7.观测资料的整理,65,建筑物地基变形的特征，可分为沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜4种。1.沉降量(mm)定义:特指基础中心的沉降差，以mm为单位；作用:若沉降量过大，势必影响建筑物的正常使用。,（一）地基变形分类,二、地基允许变形值,2.沉降差(mm)定义:指同一建筑物中相邻两个基础沉降的差值；作用:若沉降差过大，建筑物将发生裂缝、倾斜和破坏。,66,3.倾斜（）定义:指独立基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值，以表示。作用:若建筑物倾斜过大，将影响正常使用，遇台风或强烈地震时危及建筑物整体稳定，甚至倾覆。,4.局部倾斜（）定义:指砖石砌体承重结构，沿纵向6m10m内基础两点的沉降差与其距离的比值，以表示。作用:若建筑物局部倾斜过大，往往使砖石砌体承受弯矩而拉裂。,67,防止地基有害变形的措施（1）减小沉降量的措施1）外因方面措施地基沉降由附加应力产生，如减小基础底面的附加应力p0，则可相应减小地基沉降量。上部结构采用轻质材料，则可减小基础底面的接触压力p0；当地基中无软弱下卧层时，可加大基础埋深d。（2）内因方面措施地基产生沉降的内因：地基土由三相组成，固体颗粒之间存在孔隙，在外荷作用下孔隙发生压缩所致。因此，为减小地基的沉降量，在修适建筑物之前，可预先对地基进行加固处理。,68,（2）减小沉降差的措施1）设计中尽量使上部荷载中心受压，均匀分布。2）遇高低层相差悬殊或地基软硬突变等情况，可合理设置沉降缝。3）增加上部结构对地基不均匀沉降的调整作用。如设置封闭圈梁与构造柱，加强上部结构的刚度；将超静定结构改为静定结构，以加大对不均匀沉降的适应性。4）妥善安排施工顺序。例如，建筑物高、重部位沉降大先施工；拱桥先做成三铰拱，并可预留拱度。5)人工补救措施。,69,土的压缩性测试方法,一、侧限压缩试验及其表示方法,一维压缩性及其指标,一、e-p曲线形状可以反映土压缩性高低，平缓压缩性低，陡