土的变形性质及地基沉降计算和组成

1、土的变形性质及地基沉降计算和组成土的变形性质及地基沉降计算和组成第一节 土的压缩性一、基本概念1、土的压缩性：地基土在压力作用下体积减小的特性。土体积缩小包括三个方面： 土中水、气从孔隙中排出，使孔隙体积减小；土颗粒本身被压缩; 土中水及封闭在土中的气体被压缩 。由于在一般的压力作用下，土粒（土的固相）和水（土的液相）的压缩量与土的总压缩量相比十分微小，故可近似认为土粒和水是不可压缩的。土的变形性质及地基沉降计算和组成2、固结：土的压缩随时间增长的过程称为固结。 在荷载作用下，饱和土体中产生超静孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土体中水被排出，超静孔隙水压力逐步消散，土体中有效应力逐步增

2、大，直至超静孔隙水压力完全消散，这一过程称为固结。 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。土的变形性质及地基沉降计算和组成二、压缩试验和压缩性指标（一）压缩试验和压缩曲线1、侧限压缩试验 压缩仪简图在压缩过程中只发生竖向变形,不发生侧向变形的试验叫侧限压缩试验.土的变形性质及地基沉降计算和组成2、变形表达式（孔隙比计算）假定：受压前后土粒体积不变、土样横截面面积不变。土的变形性质及地基沉降计算和组成三、土的压缩曲线与压缩性指标 (一).土的压缩曲线压缩曲线（e-p曲线）压缩曲线（e-lgp曲线）土的变形性质及地基沉降计

3、算和组成 (二).土的压缩性指标 (1)土的压缩系数 a:土的压缩系数，p1：一般指土中自重应力；p2：自重应力加附加应力；e1：相应于p1下压缩稳定 后的孔隙比；e2：相应于p2下压缩稳定 后的孔隙比。 土的变形性质及地基沉降计算和组成a切线斜率的绝对值（理论上的，反映某压力下土的压缩性）。 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,为了便于应用，通常采用压力由p1=100kPa增加到p2=200kPa时所得到的压缩系数a1-2。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.

4、5 Mpa-1 属高压缩性土。压缩性评价：土的变形性质及地基沉降计算和组成 (二)土的压缩指数Cc 由elgp曲线得到。土的elgp曲线的后段接近直线，直线的斜率的绝对值。压缩指数越大，反映土的压缩性越高。低压缩性土；中压缩性土高压缩性土。与压缩系数的区别?土的变形性质及地基沉降计算和组成 压缩系数随着起始压力和压力增量的不同而不同,因此必须规定起始压力和同一压力变化范围,常用a1-2 作为判断土压缩性的标准;而压缩指数由于选用的坐标不同,它是elgp曲线后段(压力较大)部分的直线斜率,在很大范围内是常数,所以Cc并不随压力变化范围而异.土的变形性质及地基沉降计算和组成(三).压缩模量Es 压

5、缩模量：土在完全侧限条件下的竖向附加应力增量与相应的应变增量之比。 Es越小，表示土的压缩性越高。Es15MPa 低压缩性土土的变形性质及地基沉降计算和组成 4.回弹曲线和再压缩曲线 在室内压缩试验过程中，如加压到某一值pi后，逐级进行卸压 ，则可观察到土样的回弹。若测得其回弹稳定后的孔隙比，则可绘制相应的孔隙比与压力的关系曲线，即回弹曲线。由于回弹曲线与原来的压缩曲线并不重合，说明土的压缩变形是由可以恢复的弹性变形和不可恢复的残余变形两部分组成的，并以残余变形为主。土的变形性质及地基沉降计算和组成 如重新逐级加压，则可测得土样在各级荷载下再压缩稳定后的孔隙比，从而绘制再压缩曲线。土的变形性质

6、及地基沉降计算和组成(四)、土的变形模量 变形模量E0 指土体在无侧限条件下的应力与应变的比值.1.以载荷试验测定变形模量 与压缩模量的主要区别?土的变形性质及地基沉降计算和组成沉降影响系数 地基土的泊松比b承压板的边长或直径s与所取定的比例界限P相对应的沉降 用载荷试验来测定土的变形模量，费时、费力，且费用较高，对于深层土的试验结果可靠性较差。现应着重发展现场快速测定变形模量的方法（旁压试验、触探试验等）。土的变形性质及地基沉降计算和组成弹性模量E:土体在无侧限条件下瞬时压缩的应力应变增量,由室内三轴反复加卸载的不排水试验求得.模量的选用 地基土的压缩性压缩模量Es 分层总和法或规范推荐公式

7、计算地基最终沉降量变形模量Eo 弹性理论方法计算地基沉降量 考虑不同变形阶段的瞬时沉降计算弹性模量E 计算高耸结构物风荷载作用下的倾斜 地震反应分析计算或路面设计土的变形性质及地基沉降计算和组成 2.变形模量与压缩模量 土的变形模量E0是土体在无侧限条件下的应力与相应的应变的比值。 土的压缩模量Es是土体在完全侧限条件下的有效应力与相应的应变的比值。 由侧向不允许膨胀的条件，可以得到土的静止侧压力系数K0与泊松比的关系土的变形性质及地基沉降计算和组成 由竖向的应力、应变关系以及压缩模量的定义可得到土的变形模量与压缩模量换算的理论关系公式土的变形性质及地基沉降计算和组成第二节 地基最终沉降量的

8、计算一、概念说明：1、地基最终沉降量：地基在建筑物荷载作用下，最后的稳定沉降量。2、计算的目的：在于确定建筑物的最大沉降量、沉降差和倾斜，并控制在容许范围之内，以保证建筑物的安全和正常使用。3、分层总和法和规范推荐法概述：分层总和法假设土层只有垂直单向压缩，侧向不能膨胀。而规范推荐法根据建国以来二十多年实践经验，对分层总和法进行了修正。 土的变形性质及地基沉降计算和组成与实际相比,结算结果的影响?二、分层总和法1、假定： 1) 地基土是均质、各向同性的半无限空间弹性体。 2) 地基土层受荷后不能发生侧向变形。 目的：可利用完全侧限压缩试验的指标。 3)基础沉降量根据基础中心点下土柱所受的附加应

9、力z 进行计算。 4)基础最终沉降量等于基础底面下某一深度范围内各土层压缩量的总和。 该深度以下土层的压缩变形值小到可以忽略不计。 计算结果比实际大还是小?土的变形性质及地基沉降计算和组成1.压缩性指标由侧限压缩试验得到,试样只发生竖向变形,而实际土体无侧向约束或认为比试验侧向约束小得多,故计算结果比实际要偏小.2.由于同一深度处,基础中心点下得附加应力最大,向两边逐渐减小,故采用中心点计算沉降量比实际要偏大.3.引入基底附加压力 来计算附加应力,而 即认为净增的基底压力是引起地基土变形的原因,而地基土在开挖基坑后没有回弹,实际上这是一种极端的情况.故计算结果比实际偏大.土的变形性质及地基沉降

10、计算和组成2、计算原理土的变形性质及地基沉降计算和组成土的变形性质及地基沉降计算和组成 3、计算方法及步骤 1) 按比例尺绘出地基剖面图和基础剖面图。 2)分层一般hi0.4b(b为基础宽度)。还需考虑下述条件： A、地质剖面图中的不同土层，应为分层面。 B、地下水位，应为分层面。 C、基底附近附加应力变化大，分层厚度应小些,使各计算分层的附加应力分布可视为直线。 3)计算基底中心点下各分层面上土的附加应力和自重应力,并绘制自重应力和附加应力分布曲线。土的变形性质及地基沉降计算和组成4)确定地基沉降计算深度Zn(地基压缩层厚度) 地基土的压缩性随着深度的增大而降低，局部荷载引起的附加应力又随深

11、度的增大而减少，所以超过一定深度的土，其变形对沉降量的贡献小到可忽略不计。沉降时应考虑其土体变形的深度范围内的土层称为地基压缩层，该深度称为地基沉降计算深度（地基压缩层厚度）。土的变形性质及地基沉降计算和组成地基沉降计算深度的下限，一般取地基附加应力等于自重应力的20%处，z=20%c ,但在该深度以下如有高压缩性土，则应继续向下计算至z=10%c 处；在沉降计算深度范围内存在基岩时，Zn可取至基岩表面为止。这种确定沉降计算深度的传统方法称为应力比法。土的变形性质及地基沉降计算和组成 5) 计算各分层土的平均自重应力和平均附加应力。6) 计算各层压缩量。7)计算地基的最终沉降量。土的变形性质及

12、地基沉降计算和组成三、规范法 与传统的分层总和法相同之处：也采用单向压缩条件下的压缩性指标; 与传统的分层总和法不同之处：1.不按分层,基本上每天然土层就当作一层来计算,省去了分层总和法中压缩性指标随深度变化的麻烦.2.采用平均附加应力系数,使烦琐的计算表格化,简单化.3.规定了地基沉降计算深度的标准，考虑了基础大小这一因素，比应力比法更为合理；土的变形性质及地基沉降计算和组成1、分层总和法公式4.提出了地基的沉降计算经验系数，使得计算结果接近于实测值。土的变形性质及地基沉降计算和组成2、规范法推导(应力面积法):平均附加应力系数，按l/b、z/b查表。计算原理土的变形性质及地基沉降计算和组成

13、为了提高计算准确度，规范规定需将计算沉降量乘以经验系数,则：土的变形性质及地基沉降计算和组成地基沉降计算深度(压缩层厚度)：应满足：在计算深度 范围内,第 层土的计算沉降值在计算深度 处向上取厚度为 土层的计算沉降值当无相邻荷载影响,基础宽度在130m范围内,当沉降计算深度范围内存在基岩时,可取至基岩表面为止.查表变形比法土的变形性质及地基沉降计算和组成计算方法及步骤 1) 按比例尺绘出地基剖面图和基础剖面图。 2) 计算基底的附加应力。 3) 列表计算分层的压缩量 4) 确定地基压缩层厚度。 5) 计算 ,查表确定经验修正系数 6) 计算最终沉降量。土的变形性质及地基沉降计算和组成某矩形基础

14、及地质资料如图所示,试用规范法计算地基的沉降量。( ) 土的变形性质及地基沉降计算和组成解：(1)求基底压力和基底附加压力基底平均压力 基底附加应力 (2) 确定基础地基受压层计算深度因为，在之间,所以说明计算的压缩层底部位于基岩层中，固按照天然土层面分层计算到基岩层顶部即可； 土的变形性质及地基沉降计算和组成(3)沉降计算(说明:角点法计算平均附加应力影响系数时,按 ,查,表格中所计算的,基础底面中心为1号点,向下在土层分界面为2、3号点)沉降计算见下表： 因为沉降经验系数所以最终沉降量为。 土的变形性质及地基沉降计算和组成点号 1 40.1533=0.6132 1839.61839.6 4

15、5.53 45.53 40.1271=0.5084 2033.6 194.0 12.00 57.53 土的变形性质及地基沉降计算和组成第三节 应力历史对地基沉降的影响一、天然土层的应力历史土的回弹和再压缩曲线土的变形性质及地基沉降计算和组成1、基本概念PC：先(前)期固结压力,指土层在过去历史上曾经 受过的最大固结压力。P1：目前土层所承受的上覆土重。OCR: 超固结比,指土的先期固结压力与目前土层自重应力的比值。由于回弹曲线与原来的压缩曲线并不重合，说明土的压缩变形是由可以恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形两部分组成的，并以塑性变形为主。且同一压力强度可以有不同的孔隙比。其数值取决于土样过去

16、曾经受到过的压力情况。故应力历史是指土在形成的地质年代中经受应力变化的情况。土的变形性质及地基沉降计算和组成 正常固结 超固结 欠固结2、 天然土层三种不同状态下 1 超固结状态=1 正常固结状态1 欠固结状态 土的变形性质及地基沉降计算和组成1.正常固结、超固结、欠固结这三种状态不是固定不变的，随着外界条件的变化可以从一种状态转化成另一种状态。2. OCR愈大，土的固结度愈高，压缩性愈小。土的变形性质及地基沉降计算和组成二、确定先期固结压力的卡萨格兰德法：1、求转折点A(曲率半径最小点)2、过A过切线A2，水平线A1及角1A2的角平分线A3，延长e-lgp的曲线后段直线部分与A3交于点，则对

17、应的压力PC土的变形性质及地基沉降计算和组成三、考虑应力历史影响的地基最终沉降计算 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。 将室内压缩曲线修正后得到现场(原始) 压缩曲线，并可确定土的压缩性指标。只要在地基沉降计算通常采用的分层总和法中，将土的压缩性指标改从原始压缩曲线确定，就可考虑应力历史对地基沉降的影响。 土的变形性质及地基沉降计

18、算和组成(1)正常固结土的沉降量计算正常固结状态的土其原始的elgp曲线为一条直线（压缩指数为Cc）；土的变形性质及地基沉降计算和组成(2)超固结土的沉降计算 超固结状态的土其原始的elgp曲线由两条斜率不同的直线构成（压缩指数分别为Ce和 Cc ）针对压力增量的大小不同分为两种情况土的变形性质及地基沉降计算和组成土的变形性质及地基沉降计算和组成土的变形性质及地基沉降计算和组成(3)欠固结土的沉降计算 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部分沉降；因此对于欠固结土来说，即使没有外荷载作用，该土层仍然会产生压缩量. 按正常固结土计算欠固结土的沉

19、降,结果与实际观测相比,大or小?土的变形性质及地基沉降计算和组成欠固结状态的土其原始的elgp曲线为一条直线（压缩指数为Cc ）土的变形性质及地基沉降计算和组成第四节地基变形与时间的关系 土体在外荷作用下的压缩过程与时间有关.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,以便控制施工速度或考虑建筑物正常使用的安全措施(如考虑建筑物各有关部分之间的预留净空或连接方法).土的变形性质及地基沉降计算和组成 一、饱和土的渗透固结渗透固结:饱和粘土在压力作用下,孔隙水将随时间的迁延而逐渐

20、被排出,同时孔隙体积液随之减小的过程.饱和土的渗透固结也就是孔隙水压力逐渐消散和有效应力相应增长的过程.或者说是孔隙水应力逐渐转化为附加有效应力的过程.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.水,弹簧,活塞各代表什么?土的变形性质及地基沉降计算和组成 土的固结过程的两种特性： 1.随着土中水的排出，土体孔隙比减小，土体产生压缩，体积变小； 2.随着超静孔隙水压力的消散，有效应力逐渐增大，土体的抗剪强度得到提高。 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，地基中各点的超孔隙水应力随时间变化的问题. 工程中常应用固结过程的这两种特性，通过排水固结法对软粘土地基进行改良，达到减小工后沉降、提高地基承载力的目的。土的变形性质及地基沉降计算和组成 如果孔隙水只在沿一个方向排出，土的压缩也只是在一个方向发生（一般指竖直方向），这种固结称为单向固结。（一）基本假定1、荷载沿水平面无限均匀分布，单向固结、单向排水；2、土是均质的、各向同性和完全饱和的；3、土粒和水是不可压缩的；4、k,a是常数；5、荷载是瞬时施加的；6、渗流服从达西定律。二、太沙基