第五章土的压缩性与地基沉降计算.ppt

本章主要内容,土的压缩性地基最终沉降量计算地基沉降与时间的关系,沉降的大小,沉降的过程,试验方法、压缩性指标,学习该章内容的目的,地基沉降过大将影响建筑物的正常使用，某些情况下甚至造成建筑物的破坏，因此须进行沉降计算，预知工程建成后将产生的最终沉降量，判断地基变形是否超出允许的范围，以便在建筑物设计时，为采取相应的工程措施提供科学依据，保证建筑物的安全。,地基最终沉降量计算,不均匀沉降引起路面的变形,（墨西哥城）,地基的沉降及不均匀沉降,工程实例,由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触,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。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。,地基沉降与时间的关系,地基最终沉降量计算,地基沉降与时间的关系,土的压缩性,第二节土的压缩性,一.土的压缩性,土体在压力作用下体积缩小的特性,土的压缩,土粒的压缩,土中水的压缩,孔隙体积减小,工程常见压力水平下可忽略不计,实质,土体受压后，粒间联结破坏，土颗粒重新排列，土的孔隙体积减小,定义：,固结容器：环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等加压设备：杠杆比例1:10变形测量设备,侧限压缩（固结）仪,支架,加压设备,固结容器,变形测量,二.室内侧限压缩试验,1.试验设备,施加垂直荷载，静置至变形稳定逐级加大荷载,百分表,加压上盖,试样,透水石,护环,环刀,压缩容器,侧限压缩试验,测定：,2.侧限压缩试验,各级荷载Pi作用下变形达到稳定时土样的压缩量Hi，换算相应的孔隙比ei,绘制土样压缩曲线,Hi,Hi,H0,Pi,注意：土样受荷时，由于受到环刀及护环的限制，只产生竖向压缩，不产生侧向变形,侧限,试样,3、由Hi求ei公式推导,已知：试样初始高度H0，试样初始孔隙比e0，第i级压力pi作用下，试样的压缩变形Hi欲求：第i级压力pi作用下，变形稳定后土样的孔隙比ei,假定：受压前后土粒体积不变、土样横截面面积不变。,受压前后,其中,Pi,三.压缩曲线与压缩指标,根据试验结果，可绘制e-P或e-lgP压缩曲线,e-P曲线,（1）压缩系数a,e-p曲线愈陡,说明土的压缩性愈高。所以，曲线上任意一点的切线斜率a就表示了相应于压力作用下土的压缩性。,压缩系数：,设压力由P1增加到P2，孔隙比由e1减小到e2。此时，土的压缩性可由割线M1M2的斜率表示：,1.e-P曲线及有关指标,不同土的压缩系数不同，a越大，土的压缩性越大同种土的压缩系数a不是常数，与应力p有关通常用a1-2即应力范围为100-200kPa的a1-2值对不同土的压缩性进行比较,几点说明：,（2）压缩模量ES,ES越大，则土的压缩性越低,2.e-lgP曲线及土的压缩指数Cc,将试验结果用半对数坐标表示，得到e-lgP曲线,特点：压力较大时，e-lgP曲线为直线,a值随压力变化而变化，Cc值在压力较大时保持常数，不随压力变化而变化,Cc，土的压缩性,Cc0.4高压缩性土,四.变形模量E0,1.现场载荷试验,（1）试验装置,反压重物,定义:,土样在侧向自由变形的条件下，竖向应力增量与竖向应变增量之比,测定：现场载荷试验,（2）试验过程,逐级加载，测量各级荷载下沉降随时间的发展及稳定时的沉降量s，绘制P-s曲线,曲线的开始部分往往接近于直线，与直线段终点对应的荷载称为地基的比例界限荷载Pcr。,当P现时的土压力p0，OCR1,3.欠固结土,先期固结压力pc超,在e-lgp曲线上，找出曲率最大点m作水平线m1作m点切线m2作m1,m2的角分线m3m3与试验曲线的直线段交于点BB点对应于先期固结压力Pc,Casagrande法,三.前期固结压力的确定,e-lgp曲线上对应于曲线段过渡到直线段某拐弯点的压力值为前期固结压力。,四.原位压缩曲线的推求,原位压缩曲线：由室内试验测得的e-lgP曲线经过修正得到的符合现场土实际压缩性的关系曲线,不可避免,e-lgP曲线,修正,原位压缩曲线,基本假定：土样取出后不回弹，孔隙比保持不变，(e0,pc)点位于原状土初始压缩或再压缩曲线上压缩指数Cc和回弹指数Ce为常数e-lgP曲线上的e=0.42e0点不受到扰动影响，未受扰动的原位压缩曲线也相交于该点,1.正常固结土原位压缩曲线的推求,正常固结土先期固结压力pc=自重应力p0(e0,p0)位于原位压缩曲线上以0.42e0在压缩曲线上确定C点通过B、C两点的直线即为所求的原位压缩曲线,推求方法,pc=,p0,D点(e0,p0)代表取土深度处土的应力状态运用卡萨格兰德法求出pcp0pc，相当于再压缩过程。过D点作斜率为Ce的直线交pc作用线于B点，DB为原位再压缩曲线ppc,土样进入正常固结状态。在室内压缩曲线上取e=0.42e0的C点,连接BC.BC为原位初始压缩曲线DBC即为所求的原位再压缩和压缩曲线,推求方法,2.超固结土原位再压缩曲线的推求,p0,pc,Ce,回弹指数，为e-lgp曲线上回弹曲线和再压缩曲线的平均斜率,与分层总和法区别孔隙比由原位压缩曲线查得可考虑土层的应力历史，区分正常固结土、欠固结土和超固结土分别进行计算,五.用原位压缩曲线计算最终沉降,1.正常固结土层的沉降计算,各层土：先期固结压力pc=自重应力p0,设第i层土的平均应力由p0i增加到p0i+pi,孔隙比的改变量为：,p0i,p0i+pi,第i分层的原位压缩指数,第i分层的压缩量,基础总沉降,e0i,ei,第i分层的平均自重应力,第i分层的平均附加应力,2.欠固结土层的沉降计算,各层土：先期固结压力pcpci,3.超固结土层的沉降计算,分两种情况讨论：,p0i+pipci,p0ipci,超固结阶段,pcip0i+pi,正常固结阶段,第i分层的压缩量,土层中p0i+pipci的土层总的沉降量,土层中p0i+pipci的土层数,n,第i层土的原位回弹指数,Cei,p0i+pipci,土体始终处于超固结阶段，孔隙比的变化只沿原位再压缩曲线进行,第i分层的压缩量,土层中p0i+pi0,u,=+u,结论,饱和土体的渗透固结过程就是土中孔隙水压力不断消散，有效应力相应增长的过程。某一点有有效应力的增长程度就反映了该点土的固结完成程度,二.太沙基一维渗流固结理论,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。1.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。,2.单向固结微分方程的建立,饱和粘土层厚为H，顶面透水，底面不透水，自重作用下固结完成。现透水面上一次施加连续均布荷载，引起土层产生新的固结。,在渗透固结过程中，任意一时刻：,饱和粘土层顶面下深度为z处取一微元体，该微元体内超静孔隙水压力关于深度z和时间t的微分方程为：,一维固结微分方程,k渗透系数a压缩系数、e天然孔隙比,式中,土的竖向固结系数,3.一维固结微分方程求解,初始条件,边界条件,特解,t固结历时，年,式中:,m正奇数,H待固结土层的最远排水距离，m。单面排水时，H取土层厚度；双面排水时，H取土层厚度的一半。,TV时间因素，,4.不同初始条件时，固始微分方程的特解,单面排水时：,双面排水时：,单面排水,双面排水,某点A的固结度：地基中某点A在t时刻竖向有效应力z与总应力z的比值,Uz,t=01：表征一点超静孔压的消散程度,5.固结度的概念,某一点有效应力的增长程度反映了该点土的固结完成程度,土层固结度：t时刻的沉降量与最终沉降量之比,有了孔隙水压力U随时间t和深度z变化的函数解U(z,t)，即可求得地基在任一时间的固结度。,Ut=01：表征一层土超静孔压的消散程度,土层的平均固结度Ut,确定沉降过程也即St的关键是确定Ut确定Ut的核心问题是确定uz.t,（1）单面排水,不同情况下附加应力的分布,情况0：地基土在自重作用下固结完成，基底面积很大，压缩土层很薄,情况1：大面积新填土，自重应力引起固结,情况2：自重应力尚未固结，又在其上新建建筑物,（1）单面排水,情况3：基底面积较小，压缩土层较厚，外荷载在土层底面引起的附加应力已接近于零。,情况4：基底面积较小，压缩土层较厚，但受压底层的附加应力大于零。,（2）双面排水,按情况“0”处理，H取土层厚度的一半计算,求某一时刻t的固结度与沉降量,（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。,地基沉降与时间关系计算步骤,求达到某一沉降量(固结度)所需要的时间,Ut=St/S,由Ut查表（计算）确定Tv,地基沉降与时间关系计算步骤,