土质学与土力学

关于土质学与土力学★概述

★土的压缩性

★地基沉降量计算

★饱和土体渗流固结理论第六章土的压缩性和地基沉降计算第2页,共50页，2024年2月25日，星期天概述土具有压缩性荷载作用地基发生沉降荷载大小土的压缩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－沉降速率第3页,共50页，2024年2月25日，星期天概述地基土产生压缩的原因外因：1.建筑物荷载作用，这是普遍存在的因素；2.地下水位大幅度下降，相当于施加大面积荷载；3.施工影响，基槽持力层土的结构扰动；4.振动影响，产生震沉；5.温度变化影响，如冬季冰冻，春季融化；6.浸水下沉，如黄土湿陷，填土下沉。内因：1.固相矿物本身压缩，极小，物理学上有意义，对建筑工程来说没有意义的；2.土中液相水的压缩，在一般建筑工程荷载

（100-600）Kpa作用下，很小，可不计；3.土中孔隙的压缩，土中水与气体受压后从孔隙中挤出，使土的孔隙减小。第4页,共50页，2024年2月25日，星期天压缩性土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性压缩量的组成固体颗粒的压缩土中水的压缩空气的排出水的排出占总压缩量的1/400不到，忽略不计压缩量主要组成部分说明：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果无粘性土粘性土透水性好，水易于排出压缩稳定很快完成透水性差，水不易排出压缩稳定需要很长一段时间土的固结：土体在压力作用下，压缩量随时间增长的过程第5页,共50页，2024年2月25日，星期天压缩性

一、压缩试验研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法，亦称固结试验三联固结仪第6页,共50页，2024年2月25日，星期天压缩性刚性护环加压活塞透水石环刀底座透水石土样荷载注意：土样在竖直压力作用下，由于环刀和刚性护环的限制，只产生竖向压缩，不产生侧向变形1.压缩仪示意图第7页,共50页，2024年2月25日，星期天压缩性2.e-p曲线研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律Vv＝e0Vs＝1H0/(1+e0)H0Vv＝eVs＝1H1/(1+e)pH1s土样在压缩前后变形量为s，整个过程中土粒体积和底面积不变土粒高度在受压前后不变整理其中根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制e-p曲线，为压缩曲线p第8页,共50页，2024年2月25日，星期天压缩性e0eppee-p曲线二、压缩性指标压缩性不同的土，曲线形状不同，曲线愈陡，说明在相同压力增量作用下，土的孔隙比减少得愈显著，土的压缩性愈高根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标1.压缩系数a2.压缩模量Es

3.变形模量E0曲线A曲线B曲线A压缩性＞曲线B压缩性第9页,共50页，2024年2月25日，星期天压缩性1.压缩系数a土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应力增量的比值p1p2e1e2M1M2e0epe-p曲线△p△e利用单位压力增量所引起得孔隙比改变表征土的压缩性高低在压缩曲线中，实际采用割线斜率表示土的压缩性《规范》用p1＝100kPa、p2＝200kPa对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性a1-2＜0.1MPa-1低压缩性土0.1MPa-1≤a1-2＜0.5MPa-1中压缩性土

a1-2≥0.5MPa-1高压缩性土第10页,共50页，2024年2月25日，星期天压缩性2.压缩模量Es土在侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值，或称为侧限模量说明：土的压缩模量Es与土的的压缩系数a成反比，Es愈大，a愈小，土的压缩性愈低3.变形模量E0土在无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值。变形模量与压缩模量之间关系其中土的泊松比，一般0～0.5之间第11页,共50页，2024年2月25日，星期天地基沉降量计算最终沉降量S∞：t∞时地基最终沉降稳定以后的最大沉降量，不考虑沉降过程。不可压缩层可压缩层σz=pp第12页,共50页，2024年2月25日，星期天地基沉降量计算1、计算简图压缩前压缩后侧限条件σz=ppHH/2H/2γ,e1一、单一土层一维压缩问题（a）e-σ´曲线（b）e-lgσ´曲线第13页,共50页，2024年2月25日，星期天第14页,共50页，2024年2月25日，星期天地基沉降量计算2、计算公式一、单一土层一维压缩问题（b）e-lgσ´曲线优点:可使用推定的原状土压缩曲线；可以区分正常固结土和超固结土并分别进行计算。正常固结土：超固结土(并假定p2>

p)：

p第15页,共50页，2024年2月25日，星期天第16页,共50页，2024年2月25日，星期天地基沉降量计算1、基本假定和基本原理理论上不够完备，缺乏统一理论；单向压缩分层总和法是一个半径验性方法。二、地基最终沉降量分层总和法（a）假设基底压力为线性分布（b）附加应力用弹性理论计算（c）只发生单向沉降：侧限应力状态（d）只计算固结沉降，不计瞬时沉降和次固结沉降（e）将地基分成若干层，认为整个地基的最终沉降量为各层沉降量之和：第17页,共50页，2024年2月25日，星期天第18页,共50页，2024年2月25日，星期天第19页,共50页，2024年2月25日，星期天第20页,共50页，2024年2月25日，星期天第21页,共50页，2024年2月25日，星期天第22页,共50页，2024年2月25日，星期天地基沉降量计算三、《地基设计规范》方法

由《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2002）提出分层总和法的另一种形式沿用分层总和法的假设，并引入平均附加应力系数和地基沉降计算经验系数

均质地基土，在侧限条件下，压缩模量Es不随深度而变，从基底至深度z的压缩量为附加应力面积深度z范围内的附加应力面积附加应力通式σz=K

p0代入引入平均附加应力系数因此附加应力面积表示为因此第23页,共50页，2024年2月25日，星期天地基沉降量计算利用附加应力面积A的等代值计算地基任意深度范围内的沉降量，因此第i层沉降量为根据分层总和法基本原理可得成层地基最终沉降量的基本公式zi-1地基沉降计算深度znzi△zzi-1534612b12345612aip0ai-1p0p0p0第n层第i层ziAiAi-1三、《地基设计规范》方法

第24页,共50页，2024年2月25日，星期天地基沉降量计算三、《地基设计规范》方法

地基沉降计算深度zn应该满足的条件zi、zi-1——基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离(m)ai、ai-1——基础底面至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数

当确定沉降计算深度下有软弱土层时，尚应向下继续计算，直至软弱土层中所取规定厚度的计算沉降量也满足上式，若计算深度范围内存在基岩，zn可取至基岩表面为止

当无相邻荷载影响，基础宽度在1～30m范围内，基础中点的地基沉降计算深度可以按简化公式计算

为了提高计算精度，地基沉降量乘以一个沉降计算经验系数ys，可以查有关系数表得到地基最终沉降量修正公式第25页,共50页，2024年2月25日，星期天地基沉降量计算四、地基沉降计算中的有关问题1.分层总和法在计算中假定不符合实际情况假定地基无侧向变形

计算结果偏小计算采用基础中心点下土的附加应力和沉降

计算结果偏大两者在一定程度上相互抵消误差，但精确误差难以估计2.分层总和法中附加应力计算应考虑土体在自重作用下的固结程度，未完全固结的土应考虑由于固结引起的沉降量相邻荷载对沉降量有较大的影响，在附加应力计算中应考虑相邻荷载的作用

3.当建筑物基础埋置较深时，应考虑开挖基坑时地基土的回弹，建筑物施工时又产生地基土再压缩的情况第26页,共50页，2024年2月25日，星期天地基沉降量计算回弹在压缩影响的变形量计算深度取至基坑底面以下5m，当基坑底面在地下水位以下时取10msc——考虑回弹再压缩影响的地基变形Eci——土的回弹再压缩模量，按相关试验确定yc——考虑回弹影响的沉降计算经验系数，取1.0Pc——基坑底面以上土的自重应力，kPa式中：四、地基沉降计算中的有关问题第27页,共50页，2024年2月25日，星期天地基沉降量计算五、沉降分析中的若干问题1.土的回弹与再压缩pe弹性变形塑性变形adbcb

压缩曲线回弹曲线再压缩曲线1.土的卸荷回弹曲线不与原压缩曲线重合，说明土不是完全弹性体，其中有一部分为不能恢复的塑性变形2.土的再压缩曲线比原压缩曲线斜率要小得多，说明土经过压缩后，卸荷再压缩时，其压缩性明显降低2.粘性土沉降的三个组成部分1.sd——瞬时沉降2.sc——固结沉降3.ss——次固结沉降第28页,共50页，2024年2月25日，星期天地基沉降量计算五、沉降分析中的若干问题3.土的应力历史对土的压缩性的影响土的应力历史：土体在历史上曾经受到过的应力状态先期固结压力pc

：土在其生成历史中曾受过的最大有效固结压力讨论：对试样施加压力p时，压缩曲线形状p<pc再压曲线，曲线平缓p>pc正常压缩曲线，斜率陡，土体压缩量大

土层的先期固结压力对其固结程度和压缩性有明显的影响，用先期固结压力pc与现时的土压力p0的比值描述土层的应力历史，将粘性土进行分类第29页,共50页，2024年2月25日，星期天地基沉降量计算五、沉降分析中的若干问题

先期固结压力：历史上所经受到的最大压力

p（指有效应力）

s=z：自重压力

p=s：正常固结土

p>s：超固结土

p<s：欠固结土OCR=1：正常固结OCR>1：超固结OCR<1：欠固结相同σs时，一般OCR越大，土越密实，压缩性越小超固结比：第30页,共50页，2024年2月25日，星期天第31页,共50页，2024年2月25日，星期天第32页,共50页，2024年2月25日，星期天地基沉降量计算五、沉降分析中的若干问题①确定先期固结压力σp②过e0

作水平线与σp作用线交于B。由假定①知，B点必然位于原状土的初始压缩曲线上；③以0.42e0

在压缩曲线上确定C点，由假定②知，C点也位于原状土的初始压缩曲线上；土样取出以后e不变，等于原状土的初始孔隙比e0，因而，（e0,σp）点应位于原状土的初始压缩曲线上；②0.42e0时，土样不受到扰动影响。a.正常固结土假定：推定：原位压缩曲线的近似推求④通过B、C两点的直线即为所求的位压缩曲线。第33页,共50页，2024年2月25日，星期天第34页,共50页，2024年2月25日，星期天第35页,共50页，2024年2月25日，星期天饱和土体渗流固结理论2、数学模型一、一维渗流固结理论①土层均匀且完全饱和；②土颗粒与水不可压缩；③变形是单向压缩（水的渗出和土层压缩是单向的）；④荷载均布且一次施加；——假定

z=const⑤渗流符合达西定律且渗透系数保持不变；⑥压缩系数a是常数。(1)基本假定：(2)求解思路：总应力已知有效应力原理超静孔隙水压力的时空分布第36页,共50页，2024年2月25日，星期天饱和土体渗流固结理论(3)建立方程：微小单元（1×1×dz）微小时段（dt）2、数学模型一、一维渗流固结理论孔隙体积的变化＝流出的水量土的压缩特性有效应力原理达西定律超静孔隙水压力的时空分布超静孔隙水压力超静孔隙水压力土骨架的体积变化＝不透水岩层饱和压缩层z第37页,共50页，2024年2月25日，星期天饱和土体渗流固结理论(3)建立方程：2、数学模型一、一维渗流固结理论固体体积：孔隙体积：dt时段内：孔隙体积的变化＝流出的水量第38页,共50页，2024年2月25日，星期天饱和土体渗流固结理论(3)建立方程：2、数学模型一、一维渗流固结理论dt时段内：孔隙体积的变化＝流出的水量土的压缩性：有效应力原理：达西定律:孔隙体积的变化＝土骨架的体积变化第39页,共50页，2024年2月25日，星期天饱和土体渗流固结理论Cv

反映了土的固结性质：孔压消散的快慢－固结速度；Cv

与渗透系数k成正比，与压缩系数a成反比；（cm2/s；m2/year）固结系数(3)建立方程：2、数学模型一、一维渗流固结理论第40页,共50页，2024年2月25日，星期天饱和土体渗流固结理论

线性齐次抛物线型微分方程式，一般可用分离变量方法求解。给出定解条件，求解渗流固结方程，就可以解出uz,t。(4)方程求解：2、数学模型一、一维渗流固结理论a.求解思路：第41页,共50页，2024年2月25日