土力學(xué)土的變形性質(zhì)及地基沉降計(jì)算PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 土力學(xué)土的變形性質(zhì)及地基沉降計(jì)算土力學(xué)土的變形性質(zhì)及地基沉降計(jì)算 第1頁/共98頁 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(yīng)力 影響結(jié)構(gòu)物的安全和正常使用 土的特點(diǎn) （碎散、三相） 沉降具有時(shí)間效應(yīng)沉降速率 第2頁/共98頁 體積變形 形狀變形 由正應(yīng)力引起，會(huì)使土的體積縮小壓密， 不會(huì)導(dǎo)致土體破壞。 形狀變形主要由剪應(yīng)力引起，當(dāng)剪應(yīng)力超過 一定限度時(shí)，土體將產(chǎn)生剪切破壞，此時(shí)的 變形將不斷發(fā)展。通常在地基中是不允許發(fā) 生大范圍剪切破壞的。 本章討論重 點(diǎn) 第3頁/共98頁 地基土

2、在壓力作用下體積減小的特性。土體積縮小包括兩個(gè)方面： 土中水、氣從孔隙中排出，使孔隙體積減?。煌令w粒本身、土中水及封閉在土中的氣體被壓縮，很小可忽略不計(jì)。 土體在外力作用下，壓縮隨時(shí)間增長(zhǎng)的過程稱為固結(jié)。對(duì)于透水性大的無粘性土，其壓縮過程在很短時(shí)間內(nèi)就可以完成。而透水性小的粘性土，其壓縮穩(wěn)定所需的時(shí)間要比砂土長(zhǎng)得多。 第4頁/共98頁 室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)（固結(jié)試驗(yàn)） 現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)（荷載試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)） 第5頁/共98頁 支架 加壓設(shè)備 固結(jié)容器 變形測(cè)量 第6頁/共98頁 n用環(huán)刀切取扁圓柱體，一般用環(huán)刀切取扁圓柱體，一般 高高2 2厘米，面積為厘米，面積為30cm30cm 2 2或 或 50c

3、m50cm2 2, ,試樣連同環(huán)刀一起裝試樣連同環(huán)刀一起裝 入護(hù)環(huán)內(nèi)，上下有透水石以入護(hù)環(huán)內(nèi)，上下有透水石以 便試樣在壓力作用下排水。便試樣在壓力作用下排水。 n在透水石頂部放一加壓上蓋，在透水石頂部放一加壓上蓋， 所加壓力通過加壓支架作用所加壓力通過加壓支架作用 在上蓋，同時(shí)安裝一只百分在上蓋，同時(shí)安裝一只百分 表用來量測(cè)試樣的壓縮。表用來量測(cè)試樣的壓縮。 n由于試樣不可能產(chǎn)生側(cè)向變由于試樣不可能產(chǎn)生側(cè)向變 形而只有豎向壓縮。于是，形而只有豎向壓縮。于是， 把這種條件下的壓縮試驗(yàn)稱把這種條件下的壓縮試驗(yàn)稱 為單向壓縮試驗(yàn)或側(cè)限壓縮為單向壓縮試驗(yàn)或側(cè)限壓縮 試驗(yàn)。試驗(yàn)。 第7頁/共98頁 水槽

4、 內(nèi)環(huán) 環(huán)刀 透水石 試樣 傳壓板 百分表 測(cè)定： 軸向應(yīng)力 軸向變形 時(shí)間 試驗(yàn)結(jié)果： P1 s1 e1 e0 P t e s t P2 s2 e2 P3 s3 e3 第8頁/共98頁 n假定試樣土粒本身體積不變，土的壓縮僅由于孔隙體積的減小，因此土的壓縮變形常用孔隙比e的變化來表示。 1 1 0s 0 w d e 1 s V 1 s V 0V1 eV eVV2 s 壓縮前壓縮 后 0 0 0 1 H e ee s i i 00 0 1 i i s eee H 00 0 111 ii ii HHHs eee 第9頁/共98頁 第10頁/共98頁 na a圖：壓力與加荷歷時(shí)圖：壓力與加荷歷時(shí)

5、關(guān)系。關(guān)系。 nb b圖：各級(jí)壓力下，試圖：各級(jí)壓力下，試 樣孔隙比隨時(shí)間的變樣孔隙比隨時(shí)間的變 化過程?；^程。 第11頁/共98頁 用單位壓力增量用單位壓力增量 所引起的孔隙比的改所引起的孔隙比的改 變，即壓縮曲線的割變，即壓縮曲線的割 線坡度表征土的壓縮線坡度表征土的壓縮 性的高低。性的高低。 12 21 tan pp ee p e a P1一般指地基某深度處土中豎向自重應(yīng)力； P2地基某深度處自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和； e1相應(yīng)于p1作用下壓縮穩(wěn)定后土的孔隙比； e2相應(yīng)于p2作用下壓縮穩(wěn)定后土的孔隙比； 第12頁/共98頁 n壓縮曲線不是直線，即使是同一種土，其壓縮系數(shù)也不是常量。 n

6、工程上為了便于統(tǒng)一比較，習(xí)慣采用100kPa200kPa范圍的壓縮系數(shù)來衡量土的壓縮性的高低。 我國建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定 a1-20.1 Mpa-1 屬壓縮性土。 0.1a1-215MPas=415MPas1 超固結(jié)狀態(tài) 天然土層在地質(zhì)歷史上受過的固結(jié)壓力pc大于目前上覆壓力p1。 第47頁/共98頁 天然土層在歷史上最大固結(jié)壓力作用下壓縮穩(wěn)定，但沉積后土層厚度無大變化，以后也沒有受到過其他荷載的繼續(xù)作用。 OCR1 正常固結(jié)狀態(tài) 第48頁/共98頁 土層逐漸沉積到現(xiàn)在地面，但沒有達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)； 沉積后經(jīng)歷年代時(shí)間不久，其自重固結(jié)作用尚未完成，將來固結(jié)完成后如圖中虛線。 OCR0時(shí)，隨

7、著荷載作用時(shí)間的遷延，受到超靜水壓力的水開始從活塞排水孔排出，活塞下降，彈簧開始承受一部分壓力，并逐漸增大；相應(yīng)孔隙水壓力減小。 ,0而 zz uu 第73頁/共98頁 （1） （2） （3） （3）當(dāng)t趨于無窮大時(shí)，水從排水孔充分排出，超靜水壓力為零，孔隙水壓力完全消散，活塞最終下降到總應(yīng)力由彈簧承擔(dān)，飽和土的滲透固結(jié)完成。 ,0 z u 第74頁/共98頁 （1） （2） （3） 結(jié)論：飽和土的滲透固結(jié)也就是孔隙水壓力逐漸 消散和有效應(yīng)力相應(yīng)增長(zhǎng)的過程。 第75頁/共98頁 n在某一壓力下，飽和土的固結(jié)過程就是土體中各點(diǎn)在某一壓力下，飽和土的固結(jié)過程就是土體中各點(diǎn) 的超孔隙水應(yīng)力不斷消散、

8、附加有效應(yīng)力相應(yīng)增加的超孔隙水應(yīng)力不斷消散、附加有效應(yīng)力相應(yīng)增加 的過程，或者說是的過程，或者說是孔隙水應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為附加有效孔隙水應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為附加有效 應(yīng)力的過程應(yīng)力的過程。 n在轉(zhuǎn)化的過程中，任一時(shí)刻任一深度上的應(yīng)力始終在轉(zhuǎn)化的過程中，任一時(shí)刻任一深度上的應(yīng)力始終 遵循有效應(yīng)力原理。遵循有效應(yīng)力原理。 n求解地基沉降與時(shí)間關(guān)系的問題，實(shí)際上就變成求求解地基沉降與時(shí)間關(guān)系的問題，實(shí)際上就變成求 解在附加應(yīng)力作用下，地基中各點(diǎn)的超孔隙水應(yīng)力解在附加應(yīng)力作用下，地基中各點(diǎn)的超孔隙水應(yīng)力 隨時(shí)間變化的問題。隨時(shí)間變化的問題。 第76頁/共98頁 n土是均質(zhì)、各向同性且飽和的。土是均質(zhì)、各向同性且

9、飽和的。 n土粒和孔隙水是不可壓縮的，土的壓縮完全由孔土粒和孔隙水是不可壓縮的，土的壓縮完全由孔 隙體積的減小引起隙體積的減小引起（壓縮曲線）（壓縮曲線）。 n土的壓縮和固結(jié)僅在豎直方向發(fā)生。土的壓縮和固結(jié)僅在豎直方向發(fā)生。 n孔隙水的滲流符合達(dá)西定律，土的固結(jié)快慢決定孔隙水的滲流符合達(dá)西定律，土的固結(jié)快慢決定 于它的滲透速度。于它的滲透速度。 n在整個(gè)固結(jié)過程中，土的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)視在整個(gè)固結(jié)過程中，土的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)視 為常數(shù)。為常數(shù)。 n地面上作用著連續(xù)均布荷載并且是一次施加的。地面上作用著連續(xù)均布荷載并且是一次施加的。 第77頁/共98頁 第78頁/共98頁 tz z q tq

10、tz z q qddddd tz z u k tz z q w dddd 2 2 z u k kivAq w 第79頁/共98頁 單元體的變形條 件 微單元體孔隙體積的變化率： tz t e e tzyx e e t t t VV dd 1 1 dddd 1 d p-uapaeddd t u a t up a t e tz t u e a t t VV dd 1 d 第80頁/共98頁 t u z u a ek w 2 2 1 V w c a ek 1 t u z u cv 2 2 該式稱為一維固結(jié)微分方程， V c 稱為固結(jié)系數(shù)。 單元體的滲流連續(xù)條件 第81頁/共98頁 初始條件、邊界條件

11、如下： 0,0 ,0,0 0,00 ,00 0 uHzt z u Hzt uzt p uHzt z 時(shí) 無滲流 不透水 時(shí) 時(shí) 時(shí) 第82頁/共98頁 v T m m m ztz e H zm m u 4 1 , 22 2 sin 1 4 m正奇數(shù)(1、3、5）； e自然對(duì)數(shù)的底； TV 豎向固結(jié)時(shí)間因素， ,t為時(shí)間，H為壓縮土層最遠(yuǎn)排水距離，單面排水時(shí)，H取土層厚度；雙面排水時(shí)，H取土層厚度之半。 2 H tc T V V 第83頁/共98頁 有了孔隙水壓力u隨時(shí)間t和深度z變化的函數(shù)解，即可求得地基在任一時(shí)間的固結(jié)沉降。此時(shí)，通常要用到地基的固結(jié)度U這個(gè)指標(biāo)，其定義如下： cct c c

12、t sUs s s U tt 或 固結(jié)度 第84頁/共98頁 H z H zt dz dzu z e a zu e a U 0 0 H 0 z H 0 ztz t 1 d 1 d 1 固結(jié)度 第85頁/共98頁 V T m m m e m U 4 1 22 t 22 1 8 1 VV TTU 4 9 exp 9 1 4 exp 8 1 22 2 t 或 V T eU 4 2 t 2 8 1 固結(jié)度 第86頁/共98頁 固結(jié)度與時(shí)間因素的關(guān)系 第87頁/共98頁 固結(jié)度及其應(yīng)用 第88頁/共98頁 固結(jié)度及其應(yīng)用 第89頁/共98頁 【例題1】設(shè)飽和粘土層的厚度為10m，位于 不透水堅(jiān)硬巖層上，

13、由于基底上作用著豎直 均布荷載，在土層中引起的附加應(yīng)力的大小 和分布如圖所示。若土層的初始孔隙比e1為 0.8，壓縮系數(shù)av為2.510-4kPa，滲透系數(shù) k為2.0cm/y。試問:(1)加荷一年后，基礎(chǔ)中 心點(diǎn)的沉降量為多少？(2)當(dāng)基礎(chǔ)的沉降量 達(dá)到20cm時(shí)需要多少時(shí)間？ 例題分析 第90頁/共98頁 實(shí)測(cè)沉降-時(shí)間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式 第91頁/共98頁 瞬時(shí)沉降 （不排水沉降， 畸變沉降） 固結(jié)沉降 （主固結(jié)沉降） 次固結(jié)沉降 dcs ssss 地基沉降三個(gè)組成部分 第92頁/共98頁 n瞬時(shí)沉降指在加荷后立即發(fā)生的沉降。 n飽和粘土在很短的時(shí)間內(nèi)，孔隙中的水來不 及排出，加之土體中的土

14、粒和水是不可壓縮 的，因而瞬時(shí)沉降是在沒有體積變形的條件 下發(fā)生的，它主要是由于土體的側(cè)向變形引 起的。 n瞬時(shí)沉降一般不予考慮 第93頁/共98頁 n對(duì)于控制要求較高 的建筑物，瞬時(shí)沉 降可用彈性理論估 算。對(duì)于飽和粘土 在局部均布荷載作 用下，地基的瞬時(shí) 沉降可用彈性力學(xué) 公式計(jì)算。 0 2 1 bp E s 影響系數(shù) 第94頁/共98頁 n主固結(jié)與主固結(jié)沉降主固結(jié)與主固結(jié)沉降 在荷載作用下飽和土體中孔隙水的排出在荷載作用下飽和土體中孔隙水的排出 導(dǎo)致土體體積隨時(shí)間逐漸減小，有效應(yīng)力逐導(dǎo)致土體體積隨時(shí)間逐漸減小，有效應(yīng)力逐 漸增加，這一過程稱漸增加，這一過程稱為為主固結(jié)主固結(jié)。 隨著時(shí)間的增加，孔隙水應(yīng)力逐漸消散，隨著時(shí)間的增加，孔隙水應(yīng)力逐漸消散， 有效應(yīng)力逐漸增加并最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，有效應(yīng)力逐漸增加并最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值， 此時(shí)孔隙水應(yīng)力消散為零，主固結(jié)沉降完成，此時(shí)孔隙水應(yīng)力消散為零，主固結(jié)沉降完成， 這一過程所產(chǎn)生的沉降為這一過程所產(chǎn)生的沉降為固結(jié)沉降固結(jié)沉降。