第三章-土力学与基础工程

1、由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触土具有变形特性荷载作用地基发生沉降荷载大小土的变形特性地基厚度一致沉降（沉降量）差异沉降（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土的特点（碎散、三相）沉降具有时间效应沉降速率体积变形体积变形形状变形形状变形由正应力引起，会使土的体积缩小压密，由正应力引起，会使土的体积缩小压密，不会导致土体破坏。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

2、是不允许发变形将不断发展。通常在地基中是不允许发生大范围剪切破坏的。生大范围剪切破坏的。本章讨论重点地基土在压力作用下体积减小的特性。地基土在压力作用下体积减小的特性。土体积缩小包括两个方面：土体积缩小包括两个方面： 土中水、气从孔隙中排出，土中水、气从孔隙中排出，使孔隙体积减小；使孔隙体积减小；土颗粒本身、土中水及封闭在土中土颗粒本身、土中水及封闭在土中的气体被压缩，很小可忽略不计。的气体被压缩，很小可忽略不计。土的压缩随时间增长的过程称土的压缩随时间增长的过程称为固结。对于透水性大的无粘性土，其压缩过程在很短为固结。对于透水性大的无粘性土，其压缩过程在很短时间内就可以完成。而透水性小的粘性

3、土，其压缩稳定时间内就可以完成。而透水性小的粘性土，其压缩稳定所需的时间要比砂土长得多。所需的时间要比砂土长得多。n土的压缩性与沉降土的压缩性与沉降： 在附加应力作用下，地基土产生体积缩小，这种在附加应力作用下，地基土产生体积缩小，这种特性称为特性称为土的压缩性土的压缩性，从而引起建筑物基础的竖，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为直方向的位移（或下沉）称为沉降沉降。n某些特殊性土由于含水量的变化也会引起体积变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。相反在膨胀土建筑物

4、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。至把建筑物顶裂。n除此之外某些大城市，如墨西哥、上海等由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。质、水文地质方面的问题。n为了保证建筑物的

5、为了保证建筑物的安全和正常安全和正常使用，我们必须使用，我们必须预先对建筑物基础可能产生的预先对建筑物基础可能产生的最大沉降量最大沉降量和和沉沉降差降差进行估算。如果建筑物基础可能产生的最进行估算。如果建筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差，在规定的允许范围之内，大沉降量和沉降差，在规定的允许范围之内，那么该建筑物的安全和正常使用一般是有保证那么该建筑物的安全和正常使用一般是有保证的；否则，是没有保证的。对后一种情况，我的；否则，是没有保证的。对后一种情况，我们必须采取相应的工程措施以确保建筑物的安们必须采取相应的工程措施以确保建筑物的安全和正常使用。全和正常使用。室内侧限压缩试验（固结试验）

6、室内侧限压缩试验（固结试验）现场原位试验（荷载试验、旁压试验）现场原位试验（荷载试验、旁压试验）支架支架加压设备加压设备固结容器固结容器变形测量变形测量n用环刀切取扁圆柱体，一般高用环刀切取扁圆柱体，一般高2 2厘米，面积为厘米，面积为30cm30cm2 2或或50cm50cm2 2, ,试样连同环刀一起装入护环内，试样连同环刀一起装入护环内，上下有透水石以便试样在压力上下有透水石以便试样在压力作用下排水。作用下排水。n在透水石顶部放一加压上盖，在透水石顶部放一加压上盖，所加压力通过加压支架作用在所加压力通过加压支架作用在上盖，同时安装一只百分表用上盖，同时安装一只百分表用来量测试样的压缩。来

7、量测试样的压缩。n由于试样不可能产生侧向变形由于试样不可能产生侧向变形而只有竖向压缩。于是，把这而只有竖向压缩。于是，把这种条件下的压缩试验称为单向种条件下的压缩试验称为单向压缩试验或侧限压缩试验。压缩试验或侧限压缩试验。水槽水槽内环内环环刀环刀透水石透水石试样试样传压板传压板百分表百分表测定：测定：轴向应力轴向应力轴向变形轴向变形时间时间试验结果：试验结果：P1s1e1e0Pte stP2s2e2P3s3e3n假定试样土粒本身体积不变，土的压缩仅由于孔隙体积假定试样土粒本身体积不变，土的压缩仅由于孔隙体积的减小，因此土的压缩变形常用孔隙比的减小，因此土的压缩变形常用孔隙比e的变化来表示。的变

8、化来表示。0001HHeee110s0e1sV1sV0V1eVeVV2s压缩前压缩前压缩后压缩后na a图：压力与加荷历时图：压力与加荷历时关系。关系。nb b图：各级压力下，试图：各级压力下，试样孔隙比随时间的变化样孔隙比随时间的变化过程。过程。 用单位压力增量所引起用单位压力增量所引起的孔隙比的改变，即的孔隙比的改变，即压缩曲线的割线坡度压缩曲线的割线坡度表征土的压缩性的高表征土的压缩性的高低。低。1221tanppeepea各参数含义见课本各参数含义见课本P71n压缩曲线不是直线，即使是同一种土，其压缩系数也不压缩曲线不是直线，即使是同一种土，其压缩系数也不是常量。是常量。n工程上为了便

9、于统一比较，习惯采用工程上为了便于统一比较，习惯采用100kPa200kPa范范围的压缩系数来衡量土的压缩性的高低。围的压缩系数来衡量土的压缩性的高低。我国我国建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范规定规定a1-20.1 Mpa-1 属属压缩性土。压缩性土。0.1a1-215MPas=415MPas1 超固结土超固结土OCR1 正常固结土正常固结土OCR1 欠固结土欠固结土ep(lg)A132B前期固结应力前期固结应力Pcn由于应力历史对粘土的压缩性具有较大的影响，而钻探取样获得土样经过扰动或应力释放，在实验室内得到的压缩曲线已经不能代表地基中现场压缩曲线，所以压缩曲线的起始段实际上是一条再

10、压缩曲线。因此必须对室内固结试验所得的压缩曲线进行修正，得到符合原位土体压缩性的现场压缩曲线，由此计算得到的地基沉降才会更符合实际。原始压缩曲线：原始压缩曲线：是指由室内压是指由室内压缩试验缩试验e-logP曲线经修正后得出曲线经修正后得出的符合现场原始土体孔隙比与的符合现场原始土体孔隙比与有效应力的关系曲线。有效应力的关系曲线。p(lg)A132B前期固结应力前期固结应力Pce0eD0.42e0C现场压缩曲现场压缩曲线线A132B前期固结应力前期固结应力PcEFee00.42e0CDDp0p(lg)现场压缩曲线现场压缩曲线现场再压缩曲现场再压缩曲线线iniiiHees101iiiicpppe

11、ppeeC111221loglogloglogiiicipppCe11logn选择沉降计算断面和计算点，确定基底压力n地基分层n计算地基中各分层面的自重应力及土层平均自重应力n计算地基中各分层面的附加应力及土层平均附加应力n用casagrande法根据室内压缩曲线确定前期固结应力，判断土层所处的状态；推求现场压缩曲线n根据土层所处的状态，分别用不同的方法求各分层的压缩量n将各分层沉降量总和得到累加的总沉降量要考虑不同应力历史对土层压缩性的影响：n判断土层属于正常固结土、超固结土还是欠固结土（确定土层的前期固结应力和现有有效应力）n推求能够反应土体的真实压缩特性的现场压缩曲线iniiiHees1

12、01iiiicpppeppeeC111221loglogloglogiiicipppCe11logiiiciniiipppCeHs1110log1ipip1ie0ciCn针对压力增量的大小不同分为两种情况0pppcii0pppcii当当 时，土的孔隙比变化由两部分组成，即：时，土的孔隙比变化由两部分组成，即：cppp1eee 1logppCece ccpppCe1logciiiciiieiniiinpppCppCeHs11c10loglog1当当 时时,土的孔隙比变化只沿着再压土的孔隙比变化只沿着再压缩曲线缩曲线b1b发生发生,其大小为其大小为:cppp111logpppCeeiieimiii

13、mpppCeHs1110log1bb则总沉降量则总沉降量S:mnSSS n 压缩土层中具有压缩土层中具有 的分层数的分层数;cppp1cppp1m压缩土层中具有压缩土层中具有 的分层数的分层数.n欠固结土的沉降不仅仅包括受附加应力所引起的沉欠固结土的沉降不仅仅包括受附加应力所引起的沉降，而且还包括地基土在自重作用下尚未固结的那降，而且还包括地基土在自重作用下尚未固结的那部分沉降，部分沉降，其孔隙比的变化可近似地按与正常固结其孔隙比的变化可近似地按与正常固结土一样的方法求得的原始压缩曲线确定。土一样的方法求得的原始压缩曲线确定。n对于欠固结土来说，即使没有外荷载作用，该土层对于欠固结土来说，即使

14、没有外荷载作用，该土层仍然会产生压缩量。仍然会产生压缩量。ciiciniiipppCeHs110log1cipip1n土体在外荷作用下的压缩过程与时间有关。土体在外荷作用下的压缩过程与时间有关。n工程设计中，我们不但需要预估建筑物基础可能发工程设计中，我们不但需要预估建筑物基础可能发生的最终沉降量，而且还常常需要预估建筑物基础生的最终沉降量，而且还常常需要预估建筑物基础达到某一沉降量所需的时间或者预估建筑物完工后达到某一沉降量所需的时间或者预估建筑物完工后经过一段时间可能产生的沉降量。经过一段时间可能产生的沉降量。n主要是针对粘性土。主要是针对粘性土。0,00,0utututn在某一压力下，饱

15、和土的固结过程就是土体中各点在某一压力下，饱和土的固结过程就是土体中各点的超孔隙水应力不断消散、附加有效应力相应增加的超孔隙水应力不断消散、附加有效应力相应增加的过程，或者说是的过程，或者说是孔隙水应力逐渐转化为附加有效孔隙水应力逐渐转化为附加有效应力的过程应力的过程。n在转化的过程中，任一时刻任一深度上的应力始终在转化的过程中，任一时刻任一深度上的应力始终遵循有效应力原理。遵循有效应力原理。n求解地基沉降与时间关系的问题，实际上就变成求求解地基沉降与时间关系的问题，实际上就变成求解在附加应力作用下，地基中各点的超孔隙水应力解在附加应力作用下，地基中各点的超孔隙水应力随时间变化的问题。随时间变

16、化的问题。n土是均质、各向同性且饱和的。土是均质、各向同性且饱和的。n土粒和孔隙水是不可压缩的，土的压缩完全由孔隙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体积的减小引起（压缩曲线）（压缩曲线）。n土的压缩和固结仅在竖直方向发生。土的压缩和固结仅在竖直方向发生。n孔隙水的渗流符合达西定律，土的固结快慢决定于孔隙水的渗流符合达西定律，土的固结快慢决定于它的渗透速度。它的渗透速度。n在整个固结过程中，土的渗透系数、压缩系数视为在整个固结过程中，土的渗透系数、压缩系数视为常数。常数。n地面上作用着连续均布荷载并且是一次施加的。地面上作用着连续均布荷载并且是一次施加的。Terzaghi

17、单向固结理论单向固结理论tzzqtqtzzqqddddd单元体的渗流条件单元体的渗流条件tzzuktzzqwdddd22zukkivAqw单元体的变形条件单元体的变形条件微单元体孔隙体积的变化率：tzteetzyxeetttVVdd11 dddd1d00p-uapaedddtuatupatetztueattVVdd1 d0tuzuaekw221Vwcaek1tuzucv22该式称为一维固结微分方程，该式称为一维固结微分方程，Vc称为固结系数。称为固结系数。单元体的渗流连续条件单元体的渗流连续条件初始条件、边界条件如下：初始条件、边界条件如下：0,0,0,00,00,000uHztzuHzt u

18、ztp uHztz时无渗流不透水时时时vTmmmztzeHzmmu41,222sin14m正奇数正奇数(1、3、5）；）；e自然对数的底；自然对数的底；TV 竖向固结时间因素，竖向固结时间因素， ,t为时间，为时间，H为压缩土为压缩土层最远排水距离，单面排水时，层最远排水距离，单面排水时，H取土层厚度；双面排水取土层厚度；双面排水时，时，H取土层厚度之半。取土层厚度之半。2HtcTVV有了孔隙水压力u随时间t和深度z变化的函数解，即可求得地基在任一时间的固结沉降。此时，通常要用到地基的固结度U这个指标，其定义如下：cctcctsUsssUtt或固结度固结度HzHztdzdzuzeazueaU0

19、0H0zH0ztzt1d1d1固结度固结度VTmmmemU4122t22181VVTTU49exp914exp81222t或VTeU42t281固结度固结度固结度与时间因素的关系固结度与时间因素的关系n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，但与土层中附加应力的分布形态有关。固结度及其应用固结度及其应用利用图4-28和式4-57，可以解决下列两类沉降计算问题；n已知土层的最终沉降量，求某一固结历时t已完成的沉降；n已知土层的最终沉降量，求土层完成某一沉降量所需的时间。固结度及其应用固结度及其应用【例题1】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av为2.510-4kPa，渗透系数k为2.0cm/y。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？例题分析例题分析实测沉降实测沉降-时间关系的经验公式时间关系的经验公式瞬时沉降瞬时沉降主固结沉降主固结沉降次固结