土力學(xué)4壓縮與固結(jié).ppt

第四章,土的壓縮性與 固結(jié)理論,修建新建筑物：引起原有建筑物開裂,高層建筑物由于不均勻沉降而被爆破拆除,建筑物立面高差過(guò)大,建筑物過(guò)長(zhǎng),4.1 概述,地基沉降,一致沉降 （沉降量）,差異沉降 （沉降差）,導(dǎo)致結(jié)果：建筑物上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，影 響結(jié)構(gòu)物的安全和正常使用,土體的壓縮性，以及荷載的作用，使得地基發(fā)生沉降。,影響因素： 荷載大?。?土的壓縮特性； 地基厚度；,土的壓縮性土體在壓力的作用下體積縮小的特性,室外試驗(yàn),室內(nèi)試驗(yàn),壓縮性測(cè)試,側(cè)限壓縮,三軸壓縮,荷載試驗(yàn),旁壓試驗(yàn),本章主要內(nèi)容,4.2土的壓縮性測(cè)試方法及壓縮性指標(biāo) 4.2.1 土的壓縮性測(cè)試方法 4.2.2 土的壓縮性及其指標(biāo) 4.3飽和土中的有效應(yīng)力 4.4 飽和土體的滲透固結(jié)理論,4.2土的壓縮性測(cè)試方法及壓縮性指標(biāo),4.2.1 土的壓縮性測(cè)試方法,側(cè)限壓縮試驗(yàn),試樣,水槽,內(nèi)環(huán),環(huán)刀,透水石,傳壓板,百分表,測(cè)定：軸向應(yīng)力 軸向變形,*施加荷載， 靜置至變形穩(wěn)定 *逐級(jí)加大荷載,土變形的物理機(jī)制（原因）,彈性變形,塑性變形,體應(yīng)變主要是由于孔隙體積變化引起的； 剪應(yīng)變主要是由于土顆粒的大小和排列形態(tài)變化引起的。,本節(jié)主要內(nèi)容：,一、e p 曲線、e lgP 曲線及土的壓縮性指標(biāo),二、原始?jí)嚎s曲線、回彈再壓縮曲線,一、e - p曲線,壓縮系數(shù)，KPa-1，MPa-1,側(cè)限壓縮模量,KPa ,MPa 變形模量？彈性模量？,稱為壓縮系數(shù)，KPa-1,a1-2常用作比較土的壓縮性大小,單向壓縮試驗(yàn)的各種參數(shù)的關(guān)系,a= mv(1+e0),Es= (1+e0)/a,Mv=1/Es,e - lgP曲線,壓縮指數(shù),Ce,回彈指數(shù)（再壓縮指數(shù)）,Ce Cc， 一般Ce0.1-0.2Cc,e-lgP曲線：壓縮曲線的另一種表達(dá)方式,特點(diǎn)：有一段較長(zhǎng)的直線段,指標(biāo)：,二、原始?jí)嚎s曲線、回彈曲線及再壓縮曲線,e,地下水位上升 土層剝蝕 冰川融化,引起卸載， 使土處于回彈狀態(tài),原狀土的原位壓縮曲線： 客觀存在的，無(wú)法直接得到,lgP,壓縮曲線,再壓縮曲線,回彈曲線,4.3 飽和土有效應(yīng)力原理,土,孔隙水,固體顆粒骨架,+,三相體系,孔隙氣體,+,總應(yīng)力,總應(yīng)力由土骨架和孔隙流體共同承受,受外荷載作用,1.飽和土中的應(yīng)力形態(tài),PS,PSV,a,a,一、有效應(yīng)力原理的基本概念,PS,A為土單元的斷面積； Aw為孔隙水的斷面積； As為顆粒接觸點(diǎn)的面積且接近于0,a-a斷面豎向力平衡：,因?yàn)?其中,所以,并且令有效應(yīng)力=Psv/A,得出有效應(yīng)力原理為：,2.飽和土的有效應(yīng)力原理,（1）飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力 可分為兩部分 和u，,（2）土的變形與強(qiáng)度都只取決于有效應(yīng)力,求得有效應(yīng)力,總應(yīng)力已知或易知,孔隙水壓測(cè)定或算定,通常,通過(guò),自重應(yīng)力情況 （側(cè)限應(yīng)變條件）,二、飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計(jì)算,(1) 靜水條件,地下水位,海洋土,毛細(xì)飽和區(qū),(2) 穩(wěn)定滲流條件,1.自重應(yīng)力情況,(1) 靜水條件,地下水位,=-u,u=wH2,u=wH2,=-u =H1+satH2-wH2 =H1+(sat-w)H2 =H1+H2,地下水位下降會(huì)引起增大，土?xí)a(chǎn)生壓縮，這是城市抽水引起地面沉降的一個(gè)主要原因。,海洋土,(1)靜水條件,wH1,wH1,=-u =wH1+satH2-wH =satH2-w(H-H1) =(sat-w)H2 =H2,毛細(xì)飽和區(qū),(1)靜水條件,毛細(xì)飽和區(qū),+,-,H,h,砂層，承壓水,粘土層 sat,H,h,砂層，排水,sat,(2) 穩(wěn)定滲流條件兩種形式：,向上滲流,向下滲流,土水整體分析,向上滲流:,向下滲流:,滲流壓密,為滲透壓力,所以,4.4 飽和土體的滲流固結(jié)理論,一、飽和土的滲透固結(jié),二、一維滲流固結(jié)理論（Terzaghi滲流固結(jié) 理論）,三、固結(jié)系數(shù)的測(cè)定,本節(jié)主要內(nèi)容：,重點(diǎn)： 一維滲流固結(jié),沉降與時(shí)間之間的關(guān)系：飽和土層的滲流固結(jié),土體的單向固結(jié)理論,不可壓縮層,可壓縮層,工程實(shí)踐背景：大面積均布荷載,p,不透水巖層,飽和壓縮層,z=p,p,側(cè)限應(yīng)力狀態(tài),一、飽和土的滲透固結(jié),1、物理模型,p,p,p,附加應(yīng)力:z=p 超靜孔壓: u =z=p 有效應(yīng)力:z=0,附加應(yīng)力:z=p 超靜孔壓: u 0,附加應(yīng)力:z=p 超靜孔壓: u =0 有效應(yīng)力:z=p,二、Terzaghi一維滲流固結(jié)理論,2、數(shù)學(xué)模型,土層均勻且完全飽和； 土顆粒與水不可壓縮； 變形是單向壓縮（水的滲出和土層壓縮是單向的）； 荷載均布且一次施加；假定z = const 滲流符合達(dá)西定律且滲透系數(shù)保持不變； 壓縮系數(shù)a是常數(shù)。,基本假定：,求解思路：,總應(yīng)力已知,有效應(yīng)力原理,超靜孔隙水壓力的時(shí)空分布,建立方程：,微小單元（11dz） 微小時(shí)段（dt）,z,土骨架的體積變化 孔隙體積的變化 流出的水量,固體體積：,孔隙體積：,dt時(shí)段內(nèi),孔隙體積的變化流出的水量,達(dá)西定律:,Cv 反映了土的固結(jié)性質(zhì)：孔壓消散的快慢固結(jié) 速度； Cv 與滲透系數(shù)k成正比，與壓縮系數(shù)a成反比； （cm2/s；m2/year）,固結(jié)系數(shù),線性齊次拋物線型微分方程式，一般可用分離變量方法求解。 給出定解條件，求解滲流固結(jié)方程，就可以解出uz,t。,方程求解：,（1）求解思路：,0 z H: u=p,z=0: u=0 z=H: uz,0 z H: u=0,（2）邊界、初始條件：,z,(3) 微分方程的解,時(shí)間因數(shù),m1，3，5，7,0 z H: u=p,z=0: u=0 z=H: uz,0 z H: u=0,基本微分方程：,初始邊界條件：,微分方程的解：,反映孔隙水壓力的消散程度固結(jié)程度,單面排水時(shí)孔隙水壓力分布,雙面排水時(shí)孔隙水壓力分布,z,z,排水面,不透水層,排水面,排水面,滲流,滲流,滲流,Tv=0,