土力學地基的沉降計算剖析PPT課件

1、u 第一節(jié) 土的彈性變形性質u 第二節(jié) 土的壓縮性u 第三節(jié) 土體變形模量的試驗測定方法u 第四節(jié) 地基沉降計算u 第五節(jié) 沉降差和傾斜u 第六節(jié) 飽和粘土滲透固結和太沙基一維固結理論u 第七節(jié) 固結系數Cv的確定u 第八節(jié) 飽和粘土地基沉降的計算u 第九節(jié) 多維固結理論簡介（自學）u 第十節(jié) 粘土的流變性質（自學）主 要 內 容1第1頁/共40頁學習要點：u 1、土的壓縮性及其指標u 2、地基沉降計算u 3、飽和粘土的滲透固結理論2第2頁/共40頁為什么要研究土的壓縮性？為什么要研究土的壓縮性？研究基礎研究基礎土的三相物理指標土的三相物理指標土的滲透性土的滲透性地基中的應力計算地基中的應力計

2、算地基沉降計算地基沉降計算工程應用工程應用土的三相性土的三相性多孔介質多孔介質外荷載的作用下外荷載的作用下土體變形土體變形側向位移側向位移豎直位移豎直位移地基沉降地基沉降地基沉降計算地基沉降計算產生附加應力產生附加應力土的壓縮性土的壓縮性平均總沉降平均總沉降不均勻沉降不均勻沉降相鄰基礎的相鄰基礎的沉降差沉降差 3第3頁/共40頁2m4m確定確定地基沉降地基沉降（豎向位移）是主要目的（豎向位移）是主要目的Palacio de las Bellas Artes,Mexico City墨西哥城藝術宮的下沉 墨西哥城下的土層為：表層為人工填土與砂夾卵石硬殼層，厚度5m，其下為火山灰形成的超高壓縮性淤泥

3、，天然孔隙比高達712，含水率150600%，層厚達數十米。該藝術宮沉降量高達4m，并造成鄰近的公路下沉2m。 實實 例例4第4頁/共40頁建筑物的不均勻沉降，墨西哥城5第5頁/共40頁由于沉降相互影響，兩棟相鄰的建筑物上部接觸6第6頁/共40頁基坑開挖，引起陽臺裂縫7第7頁/共40頁p 一、土的壓縮性p 二、壓縮試驗及壓縮曲線p 三、土的壓縮指標p 四、應力歷史對粘土壓縮性的影響p 五、先期固結壓力的確定及校正壓縮曲線土的壓縮性及其指標土的壓縮性及其指標8第8頁/共40頁一、土的壓縮性 compressibility 土發(fā)生壓縮的原因土發(fā)生壓縮的原因（1）土顆粒的壓縮土顆粒的壓縮（2）水的壓

4、縮水的壓縮（4）孔隙的減小孔隙的減小00對大多數土來說，氣體被排出對大多數土來說，氣體被排出 在壓力作用下，顆粒位置的發(fā)生改變，孔隙減小，土體變在壓力作用下，顆粒位置的發(fā)生改變，孔隙減小，土體變得密實，即發(fā)生得密實，即發(fā)生壓縮壓縮。00（3）孔隙中的氣體孔隙中的氣體 對飽和土，這一過程還伴隨著孔隙水的排出，稱為對飽和土，這一過程還伴隨著孔隙水的排出，稱為滲透固結滲透固結。 土在外力作用下體積減小的特性稱為土在外力作用下體積減小的特性稱為土的壓縮性土的壓縮性。9第9頁/共40頁 1、土中孔隙的存在是土體產生壓縮的主要原因。 認為在外力作用下，土體壓縮變形只是孔隙體積減小的結果 通過試驗測得豎向壓

5、力與孔隙比的關系曲線（壓縮曲線）， 來反映土的壓縮性。 2、土體孔隙中的水和氣體的排出才能使土體壓縮變形。 如果沒有孔隙中水和氣體的排出，土體很難有壓縮變形。 3、土體的壓縮過程具有時間效應。 土的壓縮是隨著水和氣體的排出逐漸發(fā)生的，因而壓縮過程 是時間的函數。 4、土體壓縮量的大小和土體的初始密實度有關。土體壓縮的特性：土體壓縮的特性：10第10頁/共40頁土的固結：土的固結：土體在壓力作用下，壓縮量隨時間增長的過程土體在壓力作用下，壓縮量隨時間增長的過程砂性土砂性土粘性土粘性土壓縮穩(wěn)定很快完成壓縮穩(wěn)定很快完成透水性差，水不易排出透水性差，水不易排出壓縮穩(wěn)定需要很長一段時間壓縮穩(wěn)定需要很長一

6、段時間透水性好，水易于排出透水性好，水易于排出影響土體壓縮性的兩個要素影響土體壓縮性的兩個要素1 1、土的類別、土的類別2 2、土的應力歷史、土的應力歷史在地質歷史中承受過高壓的土體在地質歷史中承受過高壓的土體壓縮性小壓縮性小在地質歷史中沒有承受過高壓的土體在地質歷史中沒有承受過高壓的土體壓縮性大壓縮性大11第11頁/共40頁二、壓縮試驗及壓縮曲線研究土的壓縮性大小及其特征的室內試驗方法，亦稱固結試驗三聯固結儀三聯固結儀支架支架加加壓壓設設備備固結容器固結容器變形測量變形測量12第12頁/共40頁（1） 壓縮容器的構造注意：土樣在豎直壓力作用下，由于環(huán)刀和剛性護環(huán)的限制，只 產生豎向壓縮，不產

7、生側向變形。13剛性護環(huán)加壓活塞透水石環(huán)刀底座透水石土 樣荷 載第13頁/共40頁孔隙比 e 與壓縮量 s 之間的關系sssssvhhhAhAhhVVe 000)(001ehhs sssssvhhhAhAhhVVe 111)(111ehhs 140e101 esh0h0p壓縮前1e111 esh1h1ps壓縮后第14頁/共40頁0e101 esh0h0p1e111 esh1h1ps壓縮前壓縮后壓縮前后顆粒的高度保持不變，有01001eeshe故有1000(1)seeeh某一土層或土樣的壓縮量計算公式：0s01hhe111he011hse15第15頁/共40頁（2）壓縮試驗 逐級加載，測得不同荷

8、載水平下的壓縮量。p1s1p2s2pisipnsn荷 載壓縮量孔隙比e1e2eien問題： 以s-p曲線反映土的壓縮性是否合理？注意： e-p曲線反映的是土樣完全側限時的變形-荷載關系。16第16頁/共40頁 ep曲線P1s1e1e0Pte stP2s2e2P3s3e30100200 3004000.60.70.80.91.0e e)(kPap測定：豎向應力豎向變形時間1000(1)seeeh17第17頁/共40頁e- -p曲線陡緩反映了壓縮性的大小曲線陡緩反映了壓縮性的大小e0eppe曲線A曲線B曲線A壓縮性曲線B壓縮性e-p曲線的陡緩反映了土體壓縮性大小，曲線的陡緩反映了土體壓縮性大小，曲

9、線陡者，壓縮性大曲線陡者，壓縮性大曲線緩者，壓縮性小曲線緩者，壓縮性小18第18頁/共40頁（1）壓縮系數ep三. 壓縮指標土樣完全側限（單向壓縮）時的變形指標單向壓縮（完全側限）時，單位豎向壓力產生的孔隙比變化。根據 e-p 壓縮曲線可以得到三個表征土體壓縮性的壓縮指標：（2）體積壓縮系數單向壓縮（完全側限）時，產生單位豎向應變所需的豎向應力。（3）壓縮模量單向壓縮（完全側限）時，單位豎向壓力產生的體積應變。19第19頁/共40頁（1）壓縮系數 coefficient of compressibility 01v10eeappep 1010eepp ddep 規(guī)范中標準壓縮系數a1-2 0.

10、1 0.5低壓縮性中壓縮性高壓縮性11 2/MPaap0=100kPa，p1=200kPa時的壓縮系數。 壓縮性與壓縮系數之間的關系壓縮系數av越大，壓縮曲線越陡，土的壓縮性越高。（MPa-1）單向壓縮（完全側限）時，單位豎向壓力產生的孔隙比變化。p1p0e1M1M2e0eppepeppeeav 0110 斜斜率率20第20頁/共40頁（2）體積壓縮系數 coefficient of volume compressibility vv01+ame單向壓縮（完全側限）時，單位豎向壓力產生的體積應變。01001eeshe已知：已知：01v10eeappvvapppaee )(0110令 p則土樣壓

11、縮量公式可改寫為則土樣壓縮量公式可改寫為0000011hmheahpeavvv vvvpeeeam 11100kNm /2單位：21第21頁/共40頁單向壓縮（完全側限）時，產生單位豎向應變所需的豎向應力。0sv1eEa材料名稱材料名稱C20砼砼較硬粘土較硬粘土密實砂密實砂密實礫、石密實礫、石壓縮模量壓縮模量( (MPa) )260008155080100200（3）壓縮模量 modulus of compressibilityvzzsaepeeeepE000111 22第22頁/共40頁01001esehe0101eeevvzm0v1 ea(4)壓縮指標 mv 和 Es 之間關系式的證明壓縮

12、量計算公式為由此得到：豎向應變0zsh因此，對應于p0p1段的壓縮模量為szzzpEv01ee即：單向壓縮時，豎向應變與體積應變相等。體積應變zzs1E此外23第23頁/共40頁單向壓縮試驗的各種參數的關系指標指標指標指標avmvEsav1mv(1+e0)(1+e0)/Esmvav/(1+e0)11/EsEs(1+e0)/av1/mv124第24頁/共40頁算例分析書上書上132頁題頁題4125第25頁/共40頁答案：kN/m102,7 . 0240 vae8.5MPakPa105 . 81027 . 0111340s vvaemEcm035. 03)100200(7 . 01102140 h

13、peaSv已知所以：26第26頁/共40頁(5) 關于壓縮指標的討論 壓縮系數、體積壓縮系數、壓縮模量是否為常數？不是。隨所受豎向壓力（應力）的大小而變。epp 通過e-p曲線，我們看到土的壓縮系數av不 是常數，隨著壓力p的增大，曲線趨于平 緩，av值在減小。因而與壓縮系數av相關的 體積壓縮系數mv和壓縮模量Es都不是常數。p 這說明土是非線性介質。27第27頁/共40頁 壓縮模量Es和變形模量E0的關系 壓縮模量Es是指在土在完全側限這種特殊狀態(tài)下力與變形之間的關系。從理論上講，可建立壓縮指標與變形指標之間的關系。變形模量E0 ：在單向受力狀態(tài)（無側限）時，可定義為產生單位豎向應變所需的

14、豎向應力。28pp壓縮模量Es變形模量E1s2s側向約束側向自由第28頁/共40頁xzy假設土的應力、應變滿足廣義Hooke定律0 xy在壓縮的過程中土無側向變形，故再由定義Es=z /z，最終可得到壓縮變形后 壓縮模量Es和變形模量E0的關系;10zzyxK 則則ssEEE 12120 1212 zyxxE 1 zxyyE 1 yxzzE 129第29頁/共40頁（5）壓縮、回彈、再壓縮可以看出，再壓縮產生的變形遠小于第一次壓縮產生的變形。e-p曲線的缺點：不能反映土的應力歷史30回彈曲線壓縮曲線殘余變形（塑性變形）彈性變形再壓縮曲線ep新的壓縮曲線第30頁/共40頁壓縮指數compress

15、ion index膨脹指數swelling index（6）壓縮指數和膨脹指數12c21lglgeeCpp1221lgeepp（壓縮曲線斜率）（回彈曲線斜率）為了能夠反映土的應力歷史，引入了 e-lgp 曲線)/lg(1221ppeeCs Cs 1，超固結土，超固結土OCR1，欠固結土，欠固結土33當前地表（正常固結）0ph過去地表（欠固結）過去地表（超固結）正常固結土 : pc=p0。normally consolidated clay欠固結土： pcp0。over consolidated clay超固結比c0pOCRpp0: 土樣在取出時所受的豎向自重應力。pc: 由壓縮試驗確定的原狀土

16、樣的先期固結壓力。土層壓縮尚未完成。以前承受過更大的固結壓力。h0ph第33頁/共40頁五. 先期固結壓力的確定及校正壓縮曲線的推求cp/ 2/ 2室內壓縮曲線elg p曲率最大點e0角平分線(f) A點對應于先期固結點對應于先期固結 壓力壓力pc(b) 過m點作水平線，(c) 作m點切線，(d) 作角 的角分線(e) 試驗曲線的直線段交 分角線于點A(a) 在在e-lgp壓縮試驗曲線上壓縮試驗曲線上 找曲率最大點找曲率最大點 m,（1）正常固結土（Casagrande經驗法，1936） 先期固結壓力的確定Am34第34頁/共40頁原位壓縮曲線及原位再壓縮曲線原位壓縮曲線及原位再壓縮曲線e e

17、原狀土的原位壓縮曲線： 直線原狀土的原位再壓縮曲線：直線客觀存在的，無法直接得到！無擾動、無卸載無擾動、有卸載問題：如何求取為什么要校正壓縮曲線？為什么要校正壓縮曲線？plg壓縮曲線校正壓縮曲線校正35第35頁/共40頁 確定先期固結壓力pc 過e0 作水平線與pc作用線交于B,由假定知，B點必然位于原狀土的初始壓縮曲線上； 以0.42e0 在壓縮曲線上確定C點，由假定知，C點也位于原狀土的初始壓縮曲線上；土樣取出以后e不變，等于原狀土的初始孔隙比e0，因而， （e0,Pc）點應位于原狀土的初始壓縮曲線上； 0.42e0時，土樣不受到擾動影響。假定：推定：原位壓縮曲線的近似推求 通過B、C兩點

18、的直線即為所求的位壓縮曲線。（1）正常固結土 壓縮曲線校正：降低因取土樣擾動而對壓縮曲線產生的影響。薛邁特曼法薛邁特曼法cp室內壓縮曲線elg pelg p/ 2/ 2cC校正后的壓縮曲線曲率最大點0.42e0e0角平分線BCA36第36頁/共40頁假定土取出地面后體積不變，即（e0,P0）在原位再壓縮曲線上；再壓縮指數Cs為常數；0.42e0處的土與原狀土一致，不受擾動影響。推定 確定p0, pc的作用線； 過e0作水平線與 p0作用線交于D點； 過B和C點作直線即為原位壓縮曲線。 過D點作斜率為Cs的直線，與pc作用線交于B點，DB為原位再壓縮曲線； 過0.42e0 作水平線與e-lgp曲線交于點C；原位壓縮曲線的