土力学第五章土压缩性与地基沉降计算（92图文丰富）

第五章土的压缩性性

与地基基沉降计算算内容提提要要土的压缩性性试验及压压缩性指标标地基沉降的的实用计算算方法分层总和法法规范法（应应力面积法法）饱和粘性土土地基沉降降与时间的的关系与地基沉降降有关的工工程实例比萨斜塔地基不均匀匀沉降导致致建筑物发发生倾斜的的典型实例例。与地基沉降降有关的工工程实例苏州虎丘塔塔与地基沉降降有关的工工程实例墨西哥艺术术宫地基严重沉沉降与地基沉降降有关的工工程实例由于沉降相相互影响，，两栋相邻邻的建筑物物上部接触触地基沉降的的产生土具有压缩性外荷载产生生的附加应应力作用地基产生沉沉降荷载的性质质和大小土的压缩特特性地基土厚度度内因外因地基沉降的的产生地基的沉降降量首先与与土的压缩缩性有关，，压缩性高高的土沉降降量大，压压缩性低的的土沉降量量小。地基沉降量量与作用在在基础上的的荷载的性性质和大小小有关。一一般而言，，荷载愈大大，产生的的地基沉降降量也愈大大；而偏心心荷载产生生的沉降差差要比中心心荷载产生生的沉降差差大。土的压缩性性的有关概概念附加应力作作用下土体体的变形：：体积变形：：由正应力引引起，会使使土的体积积缩小，产产生压密，，一般不会会导致土体体破坏。形状变形（（剪切变形形）：由剪应力引引起，是导导致土体发发生破坏的的主要原因因。当剪应应力超过一一定限度时时，土体将将产生剪切切破坏，此此时土体将将产生连续续变形。土的压缩性性的有关概概念土的压缩性性：在外力作用用下土体积积缩小的特特性。土的压缩性性的主要特特点：土的压缩主主要是由于于土体中孔孔隙体积减减少，孔隙隙水排出而而引起的。。对于不同土土类而言，，由于孔隙隙水的排出出而引起的的土体压缩缩过程所需需要的时间间并不相同同。土的压缩随随时间增长长的过程称称为土的固固结。土的压缩性性的有关概概念地基沉降：：在建筑物荷荷载作用下下，地基土土主要由于于压缩而引引起的竖直直方向的位位移称为沉沉降。产生地基沉沉降的其他他原因：湿陷性黄土土地基的湿湿陷沉降；；大城市由于于过度开采采地下水造造成的地面面沉降。（原因：地地下水位下下降以后地地层的自重重应力增大大）土的压缩性性的有关概概念为了保证建建筑物的安全和正常使用，地基的最大沉降量量和沉降差都必须控制制在一定的的范围之内内。建筑物地基基沉降的研研究内容：：绝对沉降量量的大小沉降与时间间的关系第一节土土的压缩性性试验及及压缩性指指标一、室内压压缩试验及及压缩模量量室内侧限压压缩试验（（固结试验验）支架加压设备压缩容器百分表压缩仪仪室内侧限压压缩试验（（固结试验验）压缩容容器器环刀内径通通常有6.18cm和7.98cm两种，相应应的截面积积为30cm2和50cm2，高度为2cm。透水石的作作用是使土土样受压后后孔隙水排排出。由于金属环环刀与刚性性护环的限限制，土样样在竖向压压力作用下下只能发生生竖向变形形，无侧向向变形。侧限压缩试试验水槽内环环刀透水石试样传压板百分表测定：竖向压力竖向变形试验过程：：P1s1e1e0PtestP2s2e2P3s3e3试验结果：：01002003004000.60.70.80.91.0e用环刀切土土的方向应应与土天然然状态的垂垂直方向一一致。常规压缩试试验的加载载等级为50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa。每级荷载的的恒压时间间标准恒压压24小时时或或在在1小时时内内的的压压缩缩量量不不超超过过0.01mm；每级级荷荷载载恒恒压压1～2小时时，，最最后后一一级级荷荷载载才才恒恒压压24小时时。。室内内侧侧限限压压缩缩试试验验（（固固结结试试验验））标准准压压缩缩（（固固结结））试试验验快速速压压缩缩（（固固结结））试试验验室内内侧侧限限压压缩缩试试验验（（固固结结试试验验））压缩缩前前压缩缩后后土的的压压缩缩曲曲线线e～p压缩缩曲曲线线软粘土密实砂土软粘土密实砂土e～lgp压缩缩曲曲线线土的压压缩指指标——压缩系系数(kPa-1，MPa-1)土的压压缩系系数a的值与与土所所受的的荷载载大小小有关关。工程上上一般般采用用压力力间隔隔p1=100kPa至p2=200kPa时对应应的压压缩系系数a1-2来评价价土的的压缩缩性。。a1-2<0.1MPa-1低压缩性土0.1≤a1-2<0.5MPa-1中压缩性土a1-2

≥0.5MPa-1高压缩性土土的压压缩指指标——压缩系系数压缩模模量：：土在在完全全侧限限的条条件下下竖向向应力力增量量与相相应的的应变变增量量的比比值。。土的压压缩指指标——压缩模模量压缩模模量的的大小小反映映了土土体在在单向向压缩缩的条条件下下对压缩缩变形形的抵抵抗能能力。。土的压压缩指指标——压缩模模量土的压压缩指指标——压缩模模量压缩模模量不不是常常数，，而是是随着着压力力大小小而变变化。。土的压压缩指指标——压缩模模量低压缩性土中压缩性土高压缩性土Es>15MPaEs=4~15MPaEs<4MPa土的压压缩指指标——压缩指指数土的压压缩指指标——压缩指指数压缩指指数Cc在压力力较大大时为为常数数，不不随压压力的的变化化而变变化。。压缩指指数越越大，，土的的压缩缩性越越高。。低压缩性土中压缩性土高压缩性土Cc<0.2Cc

=0.2~0.4Cc>0.4土的回回弹曲曲线和和再压压缩曲曲线e～p曲线回弹曲曲线与与初始始压缩缩曲线线并不不重合合；压力完完全卸卸除以以后，，土样样中有有残留留的塑塑性变变形（（残余余变形形），，但也也有恢恢复的的弹性性变形形；超过卸卸载点点后，，再压压缩曲曲线就就像是是初始始压缩缩曲线线的延延长线线。土的回回弹指指数（（再压压缩指指数））回弹指指数Ce：卸载段段和再再压缩缩段的的平均均斜率率。回弹指指数远远小于于压缩缩指数数。对于一一般粘粘性土土，Ce≈(0.1～0.2)Cc。e～lgp压缩曲曲线土的前前期固固结压压力前期固固结压压力pc：土层历历史上上曾经经承受受过的的最大大的固固结压压力，，也就就是土土体在在固结结过程程中所所受的的最大大有效效应力力。超固结结比（（OCR）：前期固固结压压力和和土层层自重重应力力（即即自重重作用用下固固结稳稳定的的有效效竖向向应力力）的的比值值。土的固固结状状态的的划分分正常固固结土土：土层的的自重重应力力等于于前期期固结结压力力，OCR=1；超固结结土：：土层的的自重重应力力小于于前期期固结结压力力，OCR>1；欠固结结土：：土层的的自重重应力力大于于前期期固结结压力力，OCR<1。二、现场场载荷试试验及变变形模量量载荷试验验装置堆重平台台反力法法地锚反力力架法室内压缩缩试验与与现场载载荷试验验的比较较室内压缩缩试验：：操作简单单；试验在完完全侧限限的条件件下进行行，试验验得到的的规律和和指标具具有近似似性。现场载荷荷试验：：排除了取取样和试试样制备备过程中中的人为为影响，，能比较较准确地地反映土土体真实实的变形形性质；；设备笨笨重，操操作过程程繁杂，，费用较较高；载荷板尺尺寸的影影响。变形模量量当压力小小于某个个数值pcr时，压力力与地基基土体的的沉降之之间呈线线性关系系。地基的变变形模量量：三、弹性模量量及试验验测定弹性模量量的概念念及应用用弹性模量量：正应力与与弹性（（即可恢恢复）正正应变的的比值。。弹性模量量在工程程中的应应用：快速或瞬瞬时荷载载作用下下土体的的变形计计算。如：风荷荷载作用用下高耸耸结构物物的倾斜斜；瞬时时荷载作作用下饱饱和粘性性土地基基的瞬时时沉降等等。弹性模量量的试验验测定采用三轴轴仪进行行三轴重重复压缩缩试验，，将得到到的应力力—应变曲线线上的初始切线线模量Ei或再加荷模模量Er作为弹性性模量。。三种模量量的比较较压缩指标定义及测定方法应用场合压缩模量Es由室内侧限压缩试验得到，是指土在完全侧限的条件下，竖向正应力与相应的变形稳定情况下的正应变的比值。地基最终沉降计算的分层总和法与应力面积法变形模量E0由现场载荷试验得到，是指土在侧向自由膨胀（无侧限）条件下正应力与相应的正应变的比值。地基最终沉降计算的弹性理论法弹性模量E由三轴试验法进行测定，是指正应力与弹性（即可恢复）正应变的比值。快速或瞬时荷载作用下土体的变形计算压缩模量量与变形形模量之之间的换换算关系系土的泊松松比第二节地地基沉沉降实用用计算方方法一、弹性理论论法弹性理论论法计算算沉降弹性理论论法的理理论基础础：布西奈斯斯克课题题（均匀匀的各向向同性的的半无限限弹性体体表面作作用竖向向集中力力）的位位移解。。弹性理论论法的基基本假定定：地基是均均质的、、各向同同性的线线弹性半半无限连连续体；；基础整个个底面和和地基土土体一直直保持接接触。集中荷载载作用下下地表沉沉降完全柔性性基础沉沉降均布荷载载作用下下矩形完完全柔性性基础下下任意点点沉降：：均布荷载载作用下下矩形完完全柔性性基础下下各点沉沉降的平平均值：：中点沉降降影响系系数，l/b的函数，，表5-3平均沉降降影响系系数，l/b的函数，，表5-3完全刚性性基础沉沉降中心荷载载作用下下圆形完完全刚性性基础的的沉降：：中心荷载载作用下下矩形完完全刚性性基础的的沉降：：沉降影响响系数，，表5-3二、分层层总和法分层总和和法的基基本思想想在地基土土体可能能产生压压缩的深深度范围围内，将将地基分分为若干干层，分别计算算每一土土层的压压缩量，最后将将各土层层的压缩缩量进行求和和，即得到到地基总总的沉降降量。分层总和和法分层总和分层总和和法的基基本假定定地基土体体仅产生生竖向压压缩，不不产生侧侧向变形形；对于一定定的土层层厚度，，土的物物理力学学性质是是不变的的，且压压力是均均匀分布布的；一般取基底底中心点下下的地基附加应应力来计算各分分层土的竖竖向压缩量量，认为地地基总的沉沉降量等于于各分层土土的竖向压压缩量之和和。可利用室内内侧限压缩缩试验的成成果进行计计算分层总和法法的计算步步骤地基土分层层。d天然地面基底Hi=？如何分层？成层土的分分界面地下水面分层厚度一一般不大于于0.4bb分层总和法法的计算步步骤计算各分层层界面处土土的自重应应力，得到到地基土体体中自重应应力的分布布。d天然地面基底从天然地面面起算地下水位以以下取有效效重度bczi分层总和法法的计算步步骤计算各分层层界面处基基底中心下下的竖向附附加应力，，得到地基基土体中竖竖向附加应应力的分布布。d天然地面基底czip0zi分层总和法法的计算步步骤计算各分层层中的平均均自重应力力和平均竖竖向附加应应力。d天然地面基底cz(i-1)p0z(i-1)czizipi分层总和法法的计算步步骤确定地基沉沉降计算深深度。d天然地面基底czip0zi多深合适呢呢？沉降计算深深度高压缩性土土分层总和法法的计算步步骤计算各分层层土的压缩缩量。将各分层土土的压缩量量进行求和和，得到地地基土总的的沉降量。。例题5-1如图所示的的单独基础础，基底尺尺寸为3.0×2.0m，传至基础础顶面的荷荷载为300kN，基础埋置置深度为1.2m，地下水位位在基底以以下0.6m，用分层总总和法计算算基础中点点的沉降量量。012345地基土层室室内压缩试试验成果荷载（p/kPa）孔隙比e粘土粉质粘土00.6510.978500.6250.8891000.6080.8552000.5870.8093000.5700.773三、规范法（应力面面积法）应力面积法法的缘起分层总和法法的局限性性：附加应力沿沿深度呈非非线性分布布，如分层层厚度太大大时，用分分层上下层层面附加应应力的平均均值作为该该分层的平平均附加应应力将产生生较大的误误差。z(i-1)zi应力面积法法的基本思思想直接按照实实际的附加加应力分布布曲线计算算各个分层层的平均附附加应力，，各个分层层的平均附附加应力等等于该分层层附加应力力分布图的的面积。AiAi-1AiAi-1附加应力图图的等效矩矩形化处理理应力面积法法的计算公公式平均竖向附附加应力系系数表5-6沉降计算深深度zn的确定沉降计算深深度zn应满足——在计算深度度范围内，，第i层土的计算算沉降值;——由计算深度度向上取厚厚度为Δz的土层的压压缩量（包包括考虑相相邻荷载的的影响）。。沉降计算深深度zn的确定Δz的取值b(m)Δz(m)b≤20.32<b≤40.64<b≤80.88<b≤151.015<b≤301.2b>301.5沉降计算深深度zn的确定当无相邻荷荷载影响，，基础宽度度在1～30m范围内时，，地基沉降降计算深度度也可按下下列简化公公式计算：：在计算深度度范围内存存在基岩时时，zn可取至基岩岩表面。地基最终沉沉降计算公公式沉降计算经经验系数表5-8应力面积法法的特点可以划分较较少的层数数，一般可可以按地基基土的天然然层面划分分，使得计计算工作得得以简化。。采用了精确确的“应力力面积”的的概念，直直接采用真真实的附加加应力分布布曲线计算算地基沉降降，并且采采用沉降计计算经验系系数综合考考虑多种影影响因素的的作用，其其计算结果果更接近于于实际。沉降计算深深度的确定定方法较分分层总和法法更为合理理。应力面积法法实质上是是一种简化化并经过修修正的分层层总和法。。例题5-2如图所示的的单独基础础，基底尺尺寸为4.8×3.2m，埋置深度度为1.5m，传至基础础顶面的中中心荷载为为1800kN，地基承载载力特征值值fak=120kPa。用应力面面积法计算算基础中点点的最终沉沉降。第三节饱饱和粘性性土地基沉沉降

与时时间的关系系工程背背景景工程设计中中，不但需需要预先估估计地基土土体可能发发生的最终终沉降量，，而且经常常还需要预预先估计地地基土体完完成某一沉沉降量所需需的时间，，或者建筑筑物完工以以后经过一一定时间地地基土体可可能产生的的沉降量。。地基沉降与与时间的关关系固结时间饱和土的渗渗流固结渗流固结：：饱和土在压压力作用下下，孔隙水逐渐渐排出，同时孔隙体积随随之缩小的过程称为为饱和土的的渗流固结结。渗流固结所所需时间与与土的渗透透性和土层层厚度有关关。砂土和碎石石土，透水水性好，固固结过程所所需要的时时间很短；；粘土与粉土土，透水性性很差，固固结完成所所需要的时时间很长。。饱和土渗流流固结的分分析模型饱和土的渗渗流固结饱和土的固固结过程就就是在外加加压力的作作用下，土土体中的超超孔隙水压压力不断消消散、有效效应力相应应增加的过过程，即孔孔隙水压力力逐渐转化化为有效应应力的过程程。在固结过程程中，任一一时刻土体体中任一深深度上的应应力始终遵遵循有效应应力原理。。求解地基沉沉降与时间间关系的问问题，实际际上是求解解在附加应应力作用下下，地基土土体中各点点的超孔隙隙水压力随随时间变化化的问题。。太沙基一维维渗流固结结理论基本假定：：土是均质、、各向同性性且完全饱饱和的；土颗粒和孔孔隙水是不不可压缩的的，土体的的压缩完全全由孔隙体体积的减小小引起；土层的压缩缩和土中水水的渗流只只沿竖向发发生；土中水的渗渗流服从达达西定律，，且固结过过程中渗透透系数保持持不变；固结过程中中孔隙比的的变化与有有效应力的的变化成正正比，且压压缩系数保保持不变；；外荷载是一一次瞬时施施加的。太沙基一维维渗流固结结理论太沙基一维维固结微分分方程：土的竖向固固结系数饱和土一维维固结问题题求解一维固结微分方程初始条件边界条件某一时刻孔孔隙水压力力沿深度的的分布u(z,t)饱和土一维维固结问题题求解单面排排水水时间因数饱和土一维维固结问题题求解双面排排水水固结度度某点的固结结度：土体中的某某点在t时刻的竖向向有效应力力与起始孔孔隙水压力力的比值，，称为该点点t时刻的固结结度。土层的平均均固结度：：某时刻土层层各点土骨骨架承担的的有效应力力图面积与与起始孔隙隙水压力（（或附加应应力）图面面积之比，，称为该时时刻土层的的平均固结结度。固结度度固结度度地基在t时刻的固结结沉降地基最终的的固结沉降降起始孔隙水水压力沿深深度线性分分布时的固固结度计算算单面排水情情况：双面排水情情况：固结度的应应用已知土层的的最终沉降降量，求固固结历时为为t时土层所完完成的沉降降。求时间因数Tv求固结度Ut表5-12求沉降Sct固结度的应应用已知土层的的最终沉降降量，求土土层完成某某一沉降量量所需要的的时间。求固结度Ut表5-12求固结时间间t求时间因数Tv饱和粘性土土地基沉降降的三个阶阶段瞬时沉降固结结沉沉降降次固固结结沉沉降降饱和和粘粘性性土土地地基基沉沉降降的的三三个个阶阶段段瞬时时沉沉降降是在在施施加加荷荷载载的的瞬瞬时时发发生生的的沉沉降降；；是在在没没有有体体积积变变形形的的条条件件下下产产生生的的，，实实质质上上是是通通过过剪剪