第四章土的压缩与固结

1、第四章第四章 土的压缩与固结土的压缩与固结1 土的压缩性土的压缩性2 地基最终沉降量计算地基最终沉降量计算 3 地基沉降与时间的关系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，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。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

2、的沉降差过大，那么将影响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。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调查研究，而采用了邻近建筑地基 352kPa 的承载力的承载力基坑开挖，引起阳台裂缝基坑开挖，引起阳台裂缝通过预压可提高软土地基的通过预压可提高软土地基的强度，降低建筑使用期间的强度，降低建筑使用期间的沉降。在预压过程中，通过沉降。在预压过程中，通过在软土中设置砂井、塑料排在软土中设置砂井、塑料排水板等竖向排水系统，可大水

3、板等竖向排水系统，可大大缩短孔隙水的排水距离，大缩短孔隙水的排水距离，提高固结速度。提高固结速度。这两个筒仓是农场用这两个筒仓是农场用来储存饲料的，建于来储存饲料的，建于加拿大红河谷的加拿大红河谷的 Lake Agassiz 粘土层上，粘土层上，由于两筒之间的距离由于两筒之间的距离过近，在地基中产生过近，在地基中产生的应力发生叠加，使的应力发生叠加，使得两筒之间地基土层得两筒之间地基土层的应力水平较高，的应力水平较高，从而导致内侧沉降从而导致内侧沉降大于外侧沉降，大于外侧沉降，仓筒向内倾斜。仓筒向内倾斜。高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除4-2 土的压缩特

4、性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。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。减小的结果。土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。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；排出，压缩完成得快；渗透性小的土粘土，加荷后，孔隙中的水缓慢渗透性小的

5、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。排出，且土颗粒间的力作用使压缩完成得慢。 先研究最终沉降量先研究最终沉降量压缩性测试室内试验室内试验室外试验室外试验侧限压缩、三轴压缩等侧限压缩、三轴压缩等荷载试验、旁压试验等荷载试验、旁压试验等荷载试验荷载试验旁压试验旁压试验侧限压缩侧限压缩固结仪固结仪4.2.2固结试验固结试验内环内环透水石透水石试样试样传压板传压板百分表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。缩，而不能产生侧向

6、变形，故称为单向固结试验或侧限固结试验。1hsh1vh2h1vV2vVsV sVSsh2vhsv1sv1sv11hhAhAhVVe1sv1ehhsv11hhh11se1hhsv1sv2sv22hshAhAhVVesehh2sv1shhshhsv11221se1shh)e(1hsee1112s1d (1w)e12111e1she1ha(kP ) 0100200 3004000.60.70.80.91.0e ePt1p2pSt1e2e0e3e1s2s3se)e(1hsee01011w)(1es04.2.3压缩参数压缩参数1.压缩系数压缩系数1221vppeea1e2ekPa 或或MPa-1-1曲线

7、越缓，压缩系数越小，曲线越缓，压缩系数越小，土的压缩性越小土的压缩性越小ep2p1p在工程中，习惯上采用在工程中，习惯上采用100kPa和和200kPa范围的范围的压缩系数来衡量土的压缩性高低。压缩系数来衡量土的压缩性高低。0.50.1e a(kP ) 0100200 3004000.60.70.80.91.0e e000012eea21v2.压缩指数压缩指数Cc愈大，曲线愈陡，土压缩性愈大愈大，曲线愈陡，土压缩性愈大 1221clogplogpeeC3.压缩模量压缩模量1s/hp2h2vVsVSsh2vh)e(1hsee11121221vppeea221v21eeeaee1Esv1ae14.

8、体积压缩系数体积压缩系数mv1vve1am卸荷和再加荷的固结试验。卸荷和再加荷的固结试验。4.3侧限状态下地基土的压缩变形计算侧限状态下地基土的压缩变形计算pHe1as1vHe1eeS121He1)p/(paS112vsEpHs )e(1hsee11121221vppeeav1sae1EpHmsv4.4、用、用ep曲线法计算地基的最终沉降量曲线法计算地基的最终沉降量 分层总和法分层总和法地基土体沉降分为地基土体沉降分为：初始沉降初始沉降是指当荷载施加较快，土体允许有侧向变形时，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加荷瞬时土体的竖向变形量 固结沉降固结沉降也称主固结

9、沉降，是土体在附加压力作用下，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。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，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。渐转变为自由水，土体体积减小所出现的压缩量。 scdSSSStSS Si i ：初始瞬时沉降：初始瞬时沉降Ss: 次固结沉降次固结沉降S Sc c：主固结沉降：主固结沉降n

10、iiSS1分层总和法的基本思路是：分层总和法的基本思路是：将压缩层范围内地基分层，将压缩层范围内地基分层，计算每一分层的压缩量，计算每一分层的压缩量，然后累加得总沉降量然后累加得总沉降量。d地面地面基底基底分层总和法有两种基本方法：分层总和法有两种基本方法：ep曲线法和曲线法和elgp曲线法。曲线法。基础中心处的沉降代表基础的沉降。基础中心处的沉降代表基础的沉降。He1eeS121分层总和法计算地基的最终沉降量分层总和法计算地基的最终沉降量计算步骤计算步骤1.画出基础及土层的剖面图，画出基础及土层的剖面图，选择沉降计算点的位置选择沉降计算点的位置2.地基分层地基分层每层厚度每层厚度24m, =

11、0.4b ；d地面地面基底基底p 不同土层界面；不同土层界面；地下水位线地下水位线；3.计算原地基中自重应力分布：计算原地基中自重应力分布：从地面计算从地面计算d地面地面基底基底pp0 d 自重应力自重应力附加应力附加应力siziHin1inn2211sihih.hhBLPp 4.计算基础中心点以下计算基础中心点以下地基中竖向附加应力分布。地基中竖向附加应力分布。dLBPpps0z从基底算起；从基底算起；z是由基底附加应力是由基底附加应力 p0引起的引起的d地面地面基底基底pp0 d 自重应力自重应力附加应力附加应力沉降计算深度沉降计算深度siziHi5.确定计算深度确定计算深度 一般土层：一

12、般土层：z=0.2 s； 软粘土层：软粘土层：z=0.1 s；6.按算术平均求各分层平均按算术平均求各分层平均自重应力和平均附加应力自重应力和平均附加应力21issisi21izzizi d地面地面基底基底pp0 d 自重应力自重应力附加应力附加应力沉降计算深度沉降计算深度siziHi7.求出第求出第i分层的压缩量（用分层的压缩量（用ep曲线）曲线） i1i2i1iiHe1eeSii1iviiHpe1aS ee1ie2i sip2i ziiisiiHpE1S （7）最后将每一分层的压缩量累加，）最后将每一分层的压缩量累加，即得地基的总沉降量为：即得地基的总沉降量为：S= Si 例：有一矩形基础

13、，放置在均质粘土层上，如图所示。基础长度例：有一矩形基础，放置在均质粘土层上，如图所示。基础长度L为为10m，宽度，宽度B为为5m，埋置深度，埋置深度D为为1.5m，其上作用着中心荷载，其上作用着中心荷载P等于等于10000kN。地基上的天然湿容重为。地基上的天然湿容重为20kN/m3，饱和容重为，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，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。试求基础中心点的沉降量。 d=1.5m地面地面10m5m2.5m解解:由由L/B=10/5=210可知，可知，属于空间问题，且为中心荷载，属于空间问题，且为中

14、心荷载，所以基底压力为所以基底压力为p=P/(LB) =10000/(105)200kPa基底附加应力为基底附加应力为p0=p-d=200-20 1.5170kPa因为是均质土，且地下水位在基底以因为是均质土，且地下水位在基底以下下2.5m处，取分层厚处，取分层厚Hi=2.5m。2.5m2.5m2.5m2.5m求各分层面的自重应力（注意：从地面算起）求各分层面的自重应力（注意：从地面算起）并绘分布曲线并绘分布曲线s0= d=20 1.5=30kPas1= s0 +H1=30+20 2.5=80kPa地面地面2.5m2.5m2.5m2.5m2.5md=1.5mPs2= s1 +H2=80+(21

15、-9.8) 2.5=108kPas3= s2 +H3=108+(21-9.8) 2.5=136kPas4= s3 +H4=136+(21-9.8) 2.5=164kPas5= s4 +H5=164+(21-9.8) 2.5=192kPa3080108136164192地面地面P30801081361641922.5m2.5m2.5m2.5m2.5md=1.5m求各分层面的竖向附加应力并绘分布曲线求各分层面的竖向附加应力并绘分布曲线通过中心点将基底划分为四块相等的计算面积，通过中心点将基底划分为四块相等的计算面积，每块的长度每块的长度L1=5m，宽度，宽度B1=2.5m位位置置00020.251

16、7012.5120.199913625.0220.12028237.5320.073250410.0 420.047432512.5 520.032822)(mizBziBLSK(kPa)p4KSz02345117082503222136(4)确定压缩层厚度。从计算结果可知，在第确定压缩层厚度。从计算结果可知，在第4点处有点处有z4/ s40.195hph 1先期固结压力大于现时的土压力先期固结压力大于现时的土压力先期固结压力小于现时的土压力先期固结压力小于现时的土压力0cppOCR 地基的变形不是瞬时完成的，地基在建筑物荷载作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

17、才能达到最终沉降量。用下要经过相当长的时间才能达到最终沉降量。4.6太沙基一维固结理论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。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、物理模型物理模型0t t0 twph pphh 0h p总应力总应力: p孔隙水压力孔隙水压力: u =p有效应力有效应力: : z=0渗流固结过程渗流固结过程总应力总应力: p孔隙水压力孔隙水压力: u 0总应力总应力: p孔隙水压力孔隙水压力: u =0有效应力有效应力: :z=p4.6.1一

18、维固结一维固结模型模型cp4.6.2 一维固结理论一维固结理论太沙基单向固结理论有下列一些基本假定：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；）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）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；的减小引起；（3）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；（4）孔隙水的向外排出符合达西定律，土的固结快慢决定于）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；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；）在整

19、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孔隙体积的变化流出的水量土的压缩特性土的压缩特性有效应力原理有效应力原理达西定律达西定律孔隙水压力的时空分布孔隙水压力的时空分布孔隙水压力孔隙水压力孔隙水压力孔隙水压力土骨架的体积变化土骨架的体积变化 212wk 1euutaz 固结系数固结系数2v2uuCtz vCwv1vra)ek(1C不透水岩层不透水岩层饱和压缩层饱和压缩层z=pHp0t t0 tz t , zuz t , z t , zut , z z 0 z H:u=p 0 z H: u=0z zvv2CTtH H为最大排水距离，在单面排水条件下为土层为最大排

20、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。厚度，在双面排水条件下为土层厚度的一半。时间因数时间因数H4.6.3、固结度的的概念及应用、固结度的的概念及应用式中：式中：st经过时间经过时间t后的基础沉降量；后的基础沉降量； SSUt.e251e91e81Uv2v2v2T425T49T42基础的最终沉降量。基础的最终沉降量。He1aSz1vSz z zz for the case of two way drainage, is equal to 1 and thedrainage path H should be half the thickness of the la

21、yer.1、求某一时刻、求某一时刻t的固的固结度与沉降量结度与沉降量tTv=Cvt/H2St=U S2、求达到某一沉降量、求达到某一沉降量(固结度固结度)所需要的时间所需要的时间U= St /S 查表确定查表确定Uv2vCHTt Tv zz He1aSz1vwv1vra)ek(1C例：设饱和粘土层的厚度为例：设饱和粘土层的厚度为10m，位于不透水坚硬岩层上，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的大小和分布如图所示。若土层的初始孔隙比e1为为0.8，压缩，压缩系数系数

22、av为为2.510-4kPa1，渗透系数，渗透系数k为为2.0cm/year。试问试问:(1)加荷一年后，基础中心点的沉降量为多少？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当基础的沉降量达到20cm时需要多少时间？时需要多少时间？透水层p=240kPa240kPaH=10m不透水层160kPa【解】（【解】（1）该土层的平均附加应力为）该土层的平均附加应力为 z=(240+160)/2=200kPaHe1aSz1v27.8cmwv1vra)ek(1C3110kN/m0.00025kPa0.8)2cm/y(1/ycm101.4725225cm10001/ycm101.47

23、2USSt2.5cm12vvHtCT 1470.最终沉降量最终沉降量固结系数固结系数时间因子时间因子1.5160240 zz查表确定查表确定U=0.451000cm200kPa0.81kPa102.5-1-4（2）已知基础的沉降为）已知基础的沉降为St=20cm，最终沉降量，最终沉降量S=27.8cmSSUt0.722vvHtCT 0.73yeart vC/ycm101.4725查表确定查表确定1.5160240 zzTv=0.47总结总结1 土的压缩性土的压缩性)e(1hsee01011w)(1es0压缩系数压缩系数1221vppeea1e2eep2p1p压缩模量压缩模量v1sae1E体积压缩系数体积压缩系数1vve1am1221clogplogpeeC2侧限状态下地基土的压缩变形计算侧限状态下地基土的压缩变形计算pHe1as1vHe1eeS1