土的壓縮、固結(jié)與沉降.ppt

1,第四章,土的壓縮、固結(jié)與沉降,2,土工結(jié)構(gòu)物或地基,土,強度問題變形問題滲透問題,強度特性變形特性滲透特性,土力學可以解決工程實踐問題，這正是土力學存在的價值以及我們學習土力學的目的。,3,工程實例,問題：沉降2.2米，且左右兩部分存在明顯的沉降差。,墨西哥某宮殿,地基：20多米厚的粘土,4,工程實例,4土的壓縮、固結(jié)與沉降,墨西哥城,地基：20多米厚的粘土,5,意大利比薩斜塔,6,Kiss,由于沉降相互影響，兩棟相鄰的建筑物上部接觸,7,基坑開挖，引起陽臺裂縫,8,修建新建筑物：引起原有建筑物開裂,新建11層樓房,已有4層樓房,9,高層建筑物由于不均勻沉降而被爆破拆除,10,建筑物立面高差過大,主樓4層,翼樓2層,11,建筑物過長：長高比7.6:1,12,荷載作用下土體的壓縮性;土的壓縮固結(jié)試驗;地基最終沉降量的計算;土的變形與時間關(guān)系(一維固結(jié)理論)。,土的壓縮性和壓縮性指標的確定;用分層總和法和規(guī)范法計算基礎(chǔ)沉降;了解固結(jié)原理和固結(jié)隨時間變化的概念。,主要內(nèi)容,重點,13,土具有變形特性,荷載作用,地基發(fā)生沉降,荷載大小,土的變形特性,地基厚度,一致沉降（沉降量）,差異沉降（沉降差）,建筑物上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應力,影響結(jié)構(gòu)物的安全和正常使用,4-1概述,4土的壓縮、固結(jié)與沉降,土的特點（碎散、三相）,沉降具有時間效應沉降速率,14,變形特性及測試方法,最終沉降量,一維壓縮,一維固結(jié),沉降速率,多維固結(jié),修正,復雜條件下的計算公式,簡化條件,主線、重點：一維問題！,較復雜應力狀態(tài)？,15,土壓縮性的組成,固體土顆粒被壓縮,土中水及封閉氣體被壓縮,水和氣體從孔隙中被擠出,土體在壓力作用下體積減小的特性稱為土的壓縮性,4.2土的壓縮性,16,特殊應力狀態(tài),一維問題,側(cè)限壓縮試驗,軸對稱問題,常規(guī)三軸試驗,4.2土的壓縮性,一般應力狀態(tài),理論拓展、經(jīng)驗積累,室內(nèi)試驗,旁壓試驗,原位土,荷載試驗,室外試驗,試驗目的：變形、強度特性,靜力觸探試驗,標準貫入試驗,17,一、土的壓縮試驗,固結(jié)容器：環(huán)刀、護環(huán)、導環(huán)、透水石、加壓上蓋和量表架等加壓設(shè)備：杠桿比例1:10變形測量設(shè)備,1、側(cè)限壓縮儀（固結(jié)儀）,支架,加壓設(shè)備,固結(jié)容器,變形測量,18,水槽,內(nèi)環(huán),環(huán)刀,透水石,試樣,傳壓板,百分表,施加荷載，靜置至變形穩(wěn)定逐級加大荷載,測定：軸向應力軸向變形時間,試驗結(jié)果：,2、試驗方法,P1,s1,e1,e0,19,研究土在不同壓力作用下，孔隙比變化規(guī)律,Vve0,Vs1,Vvei,Vs1,受荷后土樣的高度變化:設(shè)初始高度h0,受壓后的高度hi,則hi=h0-si,si為每級荷載作用下的變形量,土樣體積在受壓前后不變,其中,由于逐級（一般為4級）施加荷載在不同壓力p作用下，可得到相應的孔隙比e，根據(jù)一一對應關(guān)系，以橫座標表示壓力，以縱座標表示孔隙比，繪制e-p曲線，稱為壓縮曲線,20,二、e-曲線,e,21,22,壓縮系數(shù)，kPa-1，MPa-1,側(cè)限壓縮模量,kPa,MPa,固體顆粒,孔隙,體積壓縮系數(shù)，kPa-1，MPa-1,壓縮模量：土在完全側(cè)限條件下豎向應力與相應的應變增量的比值。,23,壓縮系數(shù),a1-2常用于比較土的壓縮性大小,24,單向壓縮試驗的各種參數(shù)的關(guān)系,25,e-曲線缺點：不能反映土的應力歷史,26,三、e-lg曲線,e,壓縮指數(shù),Ce,回彈指數(shù)（再壓縮指數(shù)）,Ces：超固結(jié)土p1：超固結(jié)OCR1硬粘土S偏大,s1,沉降經(jīng)驗修正系數(shù),二、地基最終沉降量分層總和法,4、結(jié)果修正,基底壓力線性分布彈性附加應力計算單向壓縮只計主固結(jié)沉降原狀土現(xiàn)場取樣的擾動參數(shù)為常數(shù)按中點下附加應力計算,52,P.99表4-4沉降計算經(jīng)驗系數(shù)s,二、地基最終沉降量分層總和法,4、結(jié)果修正,s=1.4-0.2,(1)與土質(zhì)軟硬有關(guān),(2)與基底附加應力p0/fk的大小有關(guān),fk：地基承載力標準值,53,要點小結(jié)：,準備資料,應力分布,沉降計算,建筑基礎(chǔ)（形狀、大小、重量、埋深）地基各土層的壓縮曲線原狀土壓縮曲線計算斷面和計算點,確定計算深度確定分層界面計算各土層的szi，zi計算各層沉降量地基總沉降量,自重應力基底壓力基底附加應力附加應力,結(jié)果修正,二、地基最終沉降量分層總和法,54,三.地基沉降計算的若干問題,4.3地基的最終沉降量計算,3、單向分層總和法的評價,2、砂性土地基的沉降計算,1、粘土地基的沉降量計算,55,1、粘土地基的沉降量計算,三.地基沉降計算的若干問題,2、砂性土地基的沉降計算,砂性土地基的沉降速率比較快，大部分沉降在施工期間便完成，運用期沉降量一般不會很大。,56,3、單向分層總和法的評價,可計算多層地基；可計算不同形狀基礎(chǔ)、不同分布的基底壓力；參數(shù)的試驗測定方法簡單；已經(jīng)積累了幾十年應用的經(jīng)驗，適當修正。,（1）基本假定：,（2）優(yōu)點：,三.地基沉降計算的若干問題,較多,誤差比較大,（3）精度：,歐美可判定原狀土壓縮曲線區(qū)分不同固結(jié)狀態(tài)計算結(jié)果偏大,（4）e-曲線與e-lg曲線的對比：,原蘇聯(lián)無法確定現(xiàn)場土壓縮曲線不區(qū)分不同固結(jié)狀態(tài)計算結(jié)果偏小,e-,e-lg,57,4土的壓縮性與地基沉降計算,關(guān)西國際機場世界最大人工島,http:/www.kiac.co.jp/,58,關(guān)西國際機場世界最大人工島,1986年：開工1990年：人工島完成1994年：機場運營面積：4370m1250m填筑量：180106m3平均厚度：33m地基：15-21m厚粘土,4土的壓縮性與地基沉降計算,59,設(shè)計時預測沉降：5.77.5m完成時實際沉降：8.1m，5cm/月(1990年)預測主固結(jié)完成：20年后比設(shè)計超填：3.0m,問題：沉降大且有不均勻沉降,4土的壓縮性與地基沉降計算,60,4土的壓縮性與地基沉降計算,大連新機場建設(shè),61,4土的壓縮性與地基沉降計算,大連新機場建設(shè),62,4土的壓縮性與地基沉降計算,大連新機場建設(shè),63,重點：一維滲流固結(jié),沉降與時間之間的關(guān)系：飽和土層的滲流固結(jié),固結(jié)沉降的速度？固結(jié)沉降的程度？,問題：,4.5飽和土的單向固結(jié)理論,64,一、一維滲流固結(jié)理論（Terzaghi滲流固結(jié)理論）,二、固結(jié)度的計算,三、有關(guān)沉降時間的工程問題,65,實踐背景：大面積均布荷載,側(cè)限應力狀態(tài),一、一維滲流固結(jié)理論（Terzaghi滲流固結(jié)理論）,1、物理模型,2、數(shù)學模型,（1）基本假定,（2）基本變量,（3）建立方程,3、問題求解,固結(jié)系數(shù),時間因數(shù),（1）求解思路,（2）初始、邊界條件,（3）微分方程的解,66,1、物理模型,4.4飽和土體的滲流固結(jié)理論,p,p,附加應力:z=p超靜孔壓:u=z=p有效應力:z=0,滲流固結(jié)過程變形逐漸增加,附加應力:z=p超靜孔壓:u0,附加應力:z=p超靜孔壓:u=0有效應力:z=p,一、一維滲流固結(jié)理論,67,2、數(shù)學模型,一、一維滲流固結(jié)理論,4.4飽和土體的滲流固結(jié)理論,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并在固結(jié)過程中保持不變z=const；滲流符合達西定律且滲透系數(shù)保持不變；壓縮系數(shù)a是常數(shù)。,（1）基本假定,（2）基本變量,總應力已知,有效應力原理,超靜孔隙水壓力的時空分布,68,（3）建立方程,微小單元（11dz）微小時段（dt）,2、數(shù)學模型,一、一維滲流固結(jié)理論,孔隙體積的變化流出的水量,土的壓縮特性,有效應力原理,達西定律,表示超靜孔隙水壓力的時空分布的微分方程,超靜孔隙水壓力孔隙比,超靜孔隙水壓力孔隙比,土骨架的體積變化,z,69,（3）建立方程,2、數(shù)學模型,一、一維滲流固結(jié)理論,固體體積：,孔隙體積：,dt時段內(nèi)：,孔隙體積的變化流出的水量,70,（3）建立方程,2、數(shù)學模型,一、一維滲流固結(jié)理論,dt時段內(nèi)：,孔隙體積的變化流出的水量,土的壓縮性：,有效應力原理：,達西定律:,孔隙體積的變化土骨架的體積變化,71,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，粘性土一般在10-4cm2/s量級）,固結(jié)系數(shù),（3）建立方程,2、數(shù)學模型,一、一維滲流固結(jié)理論,或,72,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。,3、方程求解,一、一維滲流固結(jié)理論,（1）求解思路,73,0zH:u=p,z=0:u=0z=H:uz,0zH:u=0,（2）邊界、初始條件,3、方程求解,一、一維滲流固結(jié)理論,z,74,(3)微分方程的解,時間因數(shù),m1，3，5，7,3、方程求解,一、一維滲流固結(jié)理論,0zH:u=p,z=0:u=0z=H:uz,0zH: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,75,單面排水時孔隙水壓力分布,雙面排水時孔隙水壓力分布,z,z,排水面,不透水層,排水面,排水面,滲流,滲流,滲流,Tv=0,Tv=0.05,Tv=0.2,Tv=0.7,Tv=,Tv=0,Tv=0.05,Tv=0.2,Tv=0.7,Tv=,(3)微分方程的解,3、方程求解,一、一維滲流固結(jié)理論,時間因數(shù),m1,76,二、固結(jié)度的計算,一點M：,地層：,一層土的平均固結(jié)度,Uz,t=01：表征總應力中有效應力所占比例,1、基本概念,M,77,2、平均固結(jié)度Ut與沉降量St之間的關(guān)系,t時刻：,確定St的關(guān)鍵是確定Ut確定Ut的核心問題是確定uz.t,在時刻t的沉降量與最終沉降量之比,二、固結(jié)度的計算,78,3.地基沉降過程計算,1)基本計算方法均布荷載，單向排水情況,確定地基的平均固結(jié)度Ut,已知,解得,近似,圖表教材P92，圖4-18，曲線,二、固結(jié)度的計算,Tv反映固結(jié)程度,79,二、固結(jié)度的計算,80,（1）壓縮應力分布不同時,2)常見計算條件,實踐背景：,H小，p大,自重應力,附加應力,自重應力附加應力,壓縮土層底面的附加應力還不接近零,解析公式（4-21）圖表：圖4-17、圖4-18,計算公式：,應力分布：,3.地基沉降過程計算,二、固結(jié)度的計算,81,3.地基沉降過程計算,二、固結(jié)度的計算,82,2)常見計算條件,（2）雙面排水時,壓縮土層深度H取1/2值,二、固結(jié)度的計算,3.地基沉