土力学与基础工程-第四章

1、土的变形性质及地基(dj)沉降计算安徽建筑(jinzh)大学 土木工程学院共一百零三页由于(yuy)沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触共一百零三页(2)苏州虎丘塔 此塔位于苏州市虎丘公园山顶，落成于宋太祖建隆二年（公元961年），距今已有1036。全塔7层，高47.5米。平面呈八角形。青砖砌筑。 1980年时，塔身已向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线已达2.31米。底层塔身出现不少裂缝(li fng)。 宝塔倾斜为地基覆盖层相差悬殊等原因造成。共一百零三页土具有(jyu)变形特性荷载(hzi)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

2、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共一百零三页4.1 土的压缩性自重应力(yngl)压缩稳定附加应力导致地基土体变形体积(tj)变形形状变形由正应力引起，会使土的体积缩小压密，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。通常在地基中是不允许发生大范围剪切破坏的。本章讨论重点共一百零三页4.1 土的压缩性1、土的压缩性：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： 土中水、气从孔隙中排出，使孔隙体积减小；土颗粒本身(bnshn)、土中水及封闭在土中的气体被压缩，很小可忽略不

3、计。2、固结：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。共一百零三页土的压缩性与沉降： 在附加应力作用下，地基土产生体积缩小，这种特性称为土的压缩性，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降。某些特殊性土由于含水量的变化也会引起体积变形(bin xng)，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。共一百零三页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

4、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。当然，实际问题也是很复杂的，还涉及(shj)工程地质、水文地质方面的问题。共一百零三页为了保证建筑物的安全和正常使用，我们必须预先对建筑物基础(jch)可能产生的最大沉降量和沉降差进行估算。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，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。共一百零三页为了研究(ynji)土的压缩特性，通常需要进行试验。室内侧限压缩试验(shyn)（固结试验(shyn)）现场原位试验（荷载试

5、验、旁压试验）4.1.2 土的压缩性试验与压缩性指标共一百零三页室内(sh ni)固结试验与压缩曲线支架加压设备固结容器变形测量共一百零三页用环刀切取扁圆柱体，一般高2厘米，面积为30cm2或50cm2,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作用下排水。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上盖，同时安装一只百分表用来量测试样的压缩。由于试样不可能产生侧向变形而只有竖向压缩。于是，把这种条件下的压缩试验(shyn)称为单向压缩试验(shyn)或侧限压缩试验(shyn)。共一百零三页水槽内环环刀透水(tu shu)石试样(sh yn)传压板百分表测定：轴向应力轴向变

6、形时间试验结果：P1s1e1e0Pte stP2s2e2P3s3e3共一百零三页假定试样土粒本身体积不变，土的压缩仅由于孔隙(kngx)体积的减小，因此土的压缩变形常用孔隙(kngx)比e的变化来表示。压缩前压缩后共一百零三页压力p与相应(xingyng)的稳定孔隙比的关系曲线称为压缩曲线。共一百零三页a图：压力与加荷历时关系。b图：各级压力下，试样孔隙比随时间(shjin)的变化过程。共一百零三页(1) 压缩系数 用单位压力增量所引起的孔隙比的改变(gibin)，即压缩曲线的割线坡度表征土的压缩性的高低。共一百零三页(1) 压缩系数压缩曲线不是直线，即使是同一种土，其压缩系数也不是常量。工程

7、(gngchng)上为了便于统一比较，习惯采用100kPa200kPa范围的压缩系数来衡量土的压缩性的高低。我国建筑(jinzh)地基基础设计规范规定a1-20.1 Mpa-1 属低压缩性土。0.1a1-20.5 Mpa-1 属中压缩性土。a1-20.5 Mpa-1 属高压缩性土。 共一百零三页(2) 压缩(y su)指数Cc 在较高的压力范围内，压缩曲线(qxin)近似为一直线，很明显，该直线越陡，意味着土的压缩性越高。共一百零三页低压缩性土中压缩性土高压缩性土Cc0.4共一百零三页(3) 压缩(y su)模量 Es 土在完全(wnqun)侧限条件下竖向应力增量p与相应的应变增量 的比值侧限

8、压缩模量，MPa。共一百零三页试样高度H土粒的体积(tj)Vs孔隙比e1孔隙(kngx)体积：Vv=e1Vs总体积：V1=Vv+Vs=(1+e1)Vs共一百零三页共一百零三页 土体在无侧向变形(bin xng)条件下，竖直应力与竖向应变之比。其大小反映了土体在单向压缩条件下对压缩变形(bin xng)的抵抗能力。共一百零三页低压缩性土中压缩性土高压缩性土Es15MPaEs=415MPaEs30z0.30.60.81.01.21.5共一百零三页无相邻荷载影响(yngxing)，基础宽度在130m范围内时压缩(y su)层厚度zn：共一百零三页应力历史： 土体在历史上曾经(cngjng)受过的应力

9、状态。固结应力： 能够使土体产生固结或压缩的应力。前期固结应力： 土在历史上曾受到过的最大固结应力pc。4.3 土的应力历史对地基(dj)沉降的影响共一百零三页4.3.1 超固结( ji)土比超固结比OCR：前期固结应力pc与现有有效(yuxio)应力（土层自重应力）的比值。共一百零三页OCR1 超固结( ji)土OCR1 正常(zhngchng)固结土OCR=uHztzuHzt uztp uHztz时无渗流不透水时时时s共一百零三页m正奇数(1、3、5）；e自然对数(z rn du sh)的底；TV 竖向固结时间因素， ,t为时间，H为压缩土层最远排水距离，单面排水时，H取土层厚度；双面排水

10、时，H取土层厚度之半。共一百零三页有了孔隙水压力u随时间t和深度(shnd)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：固结( ji)度共一百零三页固结( ji)度共一百零三页固结( ji)度共一百零三页固结( ji)度与时间因素的关系共一百零三页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(fji)应力的大小无关，但与土层中附加(fji)应力的分布形态有关。固结( ji)度及其应用共一百零三页利用图4-28和式4-57，可以解决下列(xili)两类沉降计算问题；已知土层的最终沉降量，求某一固结历时t已完成的沉降；已知土层的

11、最终沉降量，求土层完成某一沉降量所需的时间。固结( ji)度及其应用共一百零三页【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(dusho)？(2)当基础的沉降量达到20cm时需要多少时间？例题(lt)分析共一百零三页实测沉降-时间关系的经验(jngyn)公式共一百零三页4.5 饱和(boh)粘性土地基沉降的三个阶段瞬时(shn sh)沉降主固结沉降次固结沉降共一百

12、零三页瞬时沉降指在加荷后立即发生的沉降。饱和粘土在很短的时间内，孔隙中的水来不及排出，加之土体中的土粒和水是不可压缩的，因而瞬时沉降是在没有体积变形的条件下发生的，它主要是由于土体的侧向(c xin)变形引起的。瞬时沉降一般不予考虑共一百零三页对于控制要求(yoqi)较高的建筑物，瞬时沉降可用弹性理论估算。对于饱和粘土在局部均布荷载作用下，地基的瞬时沉降可用弹性力学公式计算。影响(yngxing)系数共一百零三页主固结与主固结沉降 在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排出导致土体体积随时间逐渐减小，有效应力逐渐增加，这一过程(guchng)称为主固结。 随着时间的增加，孔隙水应力逐渐消散，有效应力逐

13、渐增加并最终达到一个稳定值，此时孔隙水应力消散为零，主固结沉降完成，这一过程所产生的沉降为固结沉降。共一百零三页次固结沉降 土体在主固结成将完成之后有效(yuxio)应力不变的情况下，还会随时间的增长进一步产生沉降，称为次固结沉降。 次固结沉降对某些土，如软粘土是比较重要的，对于坚硬土或超固结土，这一分量相对较小。共一百零三页次固结沉降说明土具有流变性。土体的变形、应力与时间有关(yugun)的性质称为土的流变性。蠕变(r bin)松弛共一百零三页内容摘要土的变形性质及地基沉降计算。形状变形主要由剪应力引起，当剪应力超过。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）。其大小反映了土体在单向压缩条件下对压缩变形的抵抗能力。卸荷再加荷模量：用卸载段和再