土力学土的压缩与固结.pptx
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1、土的压缩与固结第四章学习目标学习目标在学习土的压缩性指标确定方法的基础上,掌握地在学习土的压缩性指标确定方法的基础上,掌握地基最终沉降量计算原理和地基固结问题的分析计算方法。基最终沉降量计算原理和地基固结问题的分析计算方法。学习基本要求学习基本要求1 1掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法2 2掌握地基最终沉降量计算方法掌握地基最终沉降量计算方法3 3熟悉不同应力历史条件的沉降计算方法熟悉不同应力历史条件的沉降计算方法4 4掌握有效应力原理掌握有效应力原理5 5掌握大沙基一维固结理论掌握大沙基一维固结理论6 6掌握地基沉降随时间变化规律掌握地基沉降随时间变化规律
2、4.14.1概述概述()()在建筑物基底附加压力作用下,地基土内各点除了承受土自重引起的自重应力外,还要承受附加应力。同其它材料一样,在附加应力的作用下,地基土要产生新的变形,这种变形一般包括体积变形和形状变形。对土这种材料来说,体积变形通常表现为体积缩小,我们把这种在外力作用下土体积缩小的特性称为土的压缩性外力作用下土体积缩小的特性称为土的压缩性。4.1概述()概述()土的压缩性主要有两个特点:土的压缩主要是由于孔隙体积减少而引起的。对于饱和土,土是由固体颗粒和水组成的,在工程上一般的压力(100600kPa)作用下,固体颗粒和水本身的体积压缩量非常微小,可不予考虑,但由于土中水具有流动性,
3、在外力作用下会沿着土中孔隙排出,从而引起土体积减少而发生压缩;由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘性土来说是需要时间的,土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。这是由于粘性土的透水性很差,土中水沿着孔隙排出速度很慢。4.1概述()概述()在建筑物荷载作用下,基底地基土主要由于压缩而引起的竖直方向的位移称为沉降,本章研究地基土的压缩性,主要是为了计算这种变形。由于土的压缩性的两个特点,因此研究建筑物地基沉降包含两方面的内容:一一是绝对沉降量的大小,亦即最终沉降。在第三节将就这个间题介绍几种工程实践中广泛采用并积累了很多经验的实用计算方法;二二是沉降与时间的关系,在第四节主要介绍了较为简单的太沙基
4、一维固结理论。研究受力变形特性必须有压缩性指标,因此,首先在第二节将介绍三种类型的试验及相应的指标,这些指标将用于地基的沉降计算中。4.24.2土的压缩特性土的压缩特性(土的压缩试验与压缩性指标)(土的压缩试验与压缩性指标)一一.室内压缩试验()室内压缩试验()一、室内压缩试验土的室内压缩试验亦称固结试验,是研究土压缩性的最基本的方法。室内压缩试验采用的试验装置为压缩仪压缩仪。一一.室内压缩试验()室内压缩试验()试验时将切有土样的环刀置于刚性护环中,由于金属环刀及刚性护环的限制,使得土样在竖向压力作用下只能发生竖向变形,而无侧向变形。在土样上下放置的透水石是土样受压后排出孔隙水的两个界面。压
5、缩过程中竖向压力通过刚性板施加给土样,土样产生的压缩量可通过百分表量测。常规压缩试验通过逐级加荷进行试验,常用的分级加荷量p为:50、100、200、300、400kPa。一一.室内压缩试验(室内压缩试验(3)室内压缩试验演示 一一.室内压缩试验(室内压缩试验(4)固固 结结 试试 验验一、试验目的一、试验目的 本试验用于测定土的压缩性指标,主要包括土的压缩系数本试验用于测定土的压缩性指标,主要包括土的压缩系数a av v、压缩指数、压缩指数C Cc c及固结系数及固结系数C Cv v等,为估算建筑物沉降量及历经不同时间的固结度提供必备的等,为估算建筑物沉降量及历经不同时间的固结度提供必备的计
6、算参数。计算参数。二、仪器设备二、仪器设备 使用单向固结仪,试样面积使用单向固结仪,试样面积30cm30cm或或50cm50cm,高,高2cm2cm,使用杠杆、气压(或液,使用杠杆、气压(或液压)、磅称等加荷装置。压)、磅称等加荷装置。单向固结仪土样与压力室一一.室内压缩试验(室内压缩试验(5)根据压缩过程中土样变形与土的三相指标的关系,可以导出试验过程孔隙比e与压缩量DH 的关系,即 这样,根据式(4-1)即可得到各级荷载p 下对应的孔隙比e,从而可绘制出土样压缩试验的ep 曲线及 曲线等。二、压缩性指标二、压缩性指标()()图41 ep 曲线确定压缩系数1.ep曲线及有关指标(1)压缩系数
7、a通常可将常规压缩试验所得的ep 数据采用普通直角坐标绘制成ep 曲线,如图41所示:二二.压缩性指标()压缩性指标()设压力由p1增至p2,相应的孔隙比由e1减小到e2,当压力变化范围不大时,可将M1M2一小段曲线用割线来代替,用割线M1M2的斜率来表示土在这一段压力范围的压缩性,即:式中a 压缩系数,MPa-1;压缩系数愈大,土的压缩性愈高。二二.压缩性指标()压缩性指标()从图4-1还可以看出,压缩系数a值与土所受的荷载大小有关。工程中一般采用100200kPa压力区间内对应的压缩系数a12来评价土的压缩性。即 a120.1 MPa-1 属低压缩性土;属低压缩性土;0.1 MPa-1a1
8、21,OCR愈大,土受到的超固结作用愈强,在其他条件相同的情况下,其压缩性愈低。pc p1欠固结土:欠固结土:OCR1,土在自重作用下还没有完全固结,土的固结应力末全部转化为有效应力,即尚有一部分由孔隙水所承担。pc1,OCR愈大,土受到的超固结作用愈强,在其他条件相同的情况下,其压缩性愈低。pc p1欠固结土:欠固结土:OCR1,土在自重作用下还没有完全固结,土的固结应力末全部转化为有效应力,即尚有一部分由孔隙水所承担。pc p1四四.土的应力历史(土的应力历史(6)4.3 地基的沉降计算地基的沉降计算 一、弹性理论法()弹性理论法计算地基沉降是基于布辛奈斯克课题的位移解,其基本假定为地基是
9、均质的、各向同性的、线弹性的半无限体;此外还假定基础整个底面和地基一直保持接触。需要指出的是布辛奈斯克课题是研究荷载作用于地表的情形,因此可以近似用来研究荷载作用面埋置深度较浅的情况。当荷载作用位置埋置深度较大时(如深基础),则应采用明德林明德林课题(Mindlin)的位移解进行弹性理论法沉降计算。一.弹性理论法()点荷载作用下地表沉降点荷载作用下地表沉降布辛奈斯克课题给出了半空间表面作用有一竖向集中力Q时,半空间内任一点M(x,y,z)的竖向位移w(x,y,z),运用到半无限地基中,当z取0时,w(x,y,0)即为地表沉降s:式中s竖向集中力Q作用下地表任意点沉降;r集中力Q作用点与地表沉降
10、计算点的距离;E弹性模量;泊松比。二、地基沉降的实用计算方法二、地基沉降的实用计算方法()()1.分层总和法(1)计算原理 分层总和法一般取基底中心点下地基附加应力来计算各分层土的竖向压缩量,认为基础的平均沉降量s为各分层上竖向压缩量Dsi之和。在计算出Dsi时,假设地基土只在竖向发生压缩变形,没有侧向变形,故可利用室内侧限压缩试验成果进行计算。二、地基沉降的实用计算方法二、地基沉降的实用计算方法(2)二二.地基沉降的实用计算方法(地基沉降的实用计算方法(3)(2)计算步骤)计算步骤a.地基土分层。成层土的层面(不同土层的压缩性及重度不同)及地下水面(水面上下土的有效重度不同)是当然的分层界面
11、,分层厚度一般不宜大于0.4b(b为基底宽度)。b.计算各分层界面处土自重应力。土自重应力应从天然地面起算。c.计算基底附加压力p0 基底中心下各分层界面处竖向附加应力z。d.确定地基沉降计算深度(或压缩层厚度)Zn。一般取地基附加应力等于自重应力的20 (即sz/sc=0.2)深度处作为沉降计算深度的限值;若在该深度以下为高压缩性土,则应取10(即sz/sc=0.1)深度处作为沉降计算深度的限值。e.计算各分层土的压缩量Dsi二二.地基沉降的实用计算方法(地基沉降的实用计算方法(4)二二.地基沉降的实用计算方法(地基沉降的实用计算方法(5)Hi 第i分层土的厚度;e1i 对应于第i分层土上下
12、层面自重应力值的平均值p1i从土的压缩曲线上得到的孔隙比;e2i 对应于第i分层土自重应力平均值p1i与上下层面附加应力值的平均值Dpi之和p2i从土的压缩曲线上得到的孔隙比 6)叠加计算基础的平均沉降量。式中,n为沉降计算深度范围内的分层数。二二.地基沉降的实用计算方法(地基沉降的实用计算方法(6)图46 分层总和法计算地基最终沉降量 二二.地基沉降的实用计算方法(地基沉降的实用计算方法(7)简单讨论简单讨论 (1)分层总和法假设地基土在侧向不能变形,而只在竖向发生压缩,这种假设在当压缩土层厚度同基底荷载分布面积相比很薄时才比较接近。如当不可压缩岩层上压缩土层厚度H不大于基底宽度之半(即b/
13、2)时,由于基底摩阻力及岩层层面阻力对可压缩土层的限制作用,土层压缩只出现很少的侧向变形。(2)假定地基土侧向不能变形引起的计算结果偏小,取基底中心点下的地基中的附加应力来计算基础的平均沉降导致计算结果偏大,因此在一定程度上得到了相互弥补。二二.地基沉降的实用计算方法(地基沉降的实用计算方法(8)(3)当需考虑相邻荷载对基础沉降影响时,通过将相邻荷载在基底中心下各分层深度处引起的附加应力叠加到基础本身引起的附加应力中去来进行计算。(4)当基坑开挖面积较大、较深以及暴露时间较长时,由于地基土有足够的回弹量,因此基础荷载施加之后,不仅附加压力要产生沉降,基底地基土的总应力达到原自重应力状态的初始阶
14、段也会发生再压缩量(相应于图4-6a中cb,段的变形)沉降。简化处理时,一般用p-来计算地基中附加应力,为考虑基坑回弹和再压缩影响的系数,010,0.6/1.0)52.9kPa=4 0.234 52.9=49.5kPa 计算各分层上下界面处附加应力的平均值:各分层点的附加应力值及各分层的平均附加应力值见图4-16及表4-1.例题解析(例题解析(4)(4)各分层自重应力平均值和附加应力平均值之和作为该各分层自重应力平均值和附加应力平均值之和作为该分层受压后所受总应力分层受压后所受总应力p2i。(5)确定压缩层深度确定压缩层深度:一般按a=0.2c来确定压缩层深度,z4.4m处z=14.80.2c
15、=12.5kPa,z=5.2m处z=12.71,OCR愈大,土受到的超固结作用愈强,在其他条件相同的情况下,其压缩性愈低。欠固结土:欠固结土:OCR1,土在自重作用下还没有完全固结,土的固结应力末全部转化为有效应力,即尚有一部分由孔隙水所承担。地基沉降计算的地基沉降计算的e-lgp法(法(3)欠固结土在自重作用下引起地面沉降(2)应力历史对地基沉降的影响)应力历史对地基沉降的影响(1)应力历史对地基沉降的影响应力历史对地基沉降的影响(2)在a、b、c三个土层现有地面以下同一深度z处,土的现有应力虽然相同,但是由于它们经历的应力历史不同,因而在压缩曲线上处于不同的位置。对于正常固结土,它在沉积过
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