結構性軟土沉降計算浙江大學新方案PPT課件

1、一、緒論一、緒論二、土的基本特性二、土的基本特性三、沉降三、沉降四、承載力四、承載力五、基坑工程五、基坑工程六、樁基工程六、樁基工程七、地基處理七、地基處理目目 錄錄第1頁/共63頁三、沉降三、沉降3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 地基中的應力地基中的應力3.3 3.3 沉降組成沉降組成3.4 3.4 沉降隨時間變化沉降隨時間變化3.5 3.5 土體壓縮性指標確定土體壓縮性指標確定第2頁/共63頁3.1 3.1 概述概述沉降原因：沉降原因：（1 1）地基中產生附加應力；（）地基中產生附加應力；（2 2）土體具有壓縮性）土體具有壓縮性第3頁/共63頁3.1 3.1 概述概述種類：種類： 總

2、沉降，不均勻沉總沉降，不均勻沉降，傾斜，局部傾斜降，傾斜，局部傾斜危害：危害：（1 1）影響使用功能；影響使用功能；（2 2）引起結構開裂引起結構開裂不同建（構）筑物對沉不同建（構）筑物對沉降要求不同降要求不同 D DD D 第4頁/共63頁地下水位降低引起建筑物附加沉降地下水位降低引起建筑物附加沉降地下水位降低引起地基有效地下水位降低引起地基有效應力增加，產生沉降應力增加，產生沉降例如：水位下降例如：水位下降2m2m，引起地，引起地基有效應力增加基有效應力增加20kPa20kPa，相當，相當于地面堆載于地面堆載1m1m第5頁/共63頁鄰近建筑物荷載引起既有建筑不均勻沉降鄰近建筑物荷載引起既有

3、建筑不均勻沉降第6頁/共63頁膨脹性土的影響膨脹性土的影響土體中粘粒含量多土體中粘粒含量多土體性質受含水量影響大土體性質受含水量影響大塑性指數(shù)和液限指數(shù)大塑性指數(shù)和液限指數(shù)大第7頁/共63頁膨潤土的微結構及雙電層膨潤土的微結構及雙電層第8頁/共63頁p3.2 3.2 地基中的應力地基中的應力 自重應力：土體自重引起的應力，通過骨架傳遞 附加應力：外荷載作用所引起的應力，如基礎荷載 施工應力：施工擾動引起的應力，如打樁擠土等czhAz基巖hczz預制樁0 xczxKDp第9頁/共63頁BoussinesqBoussinesq解和解和MindlinMindlin解解 （單相介質）（單相介質） 豎向

4、集中力下的地基附加應力豎向集中力下的地基附加應力作用于地基表面（Boussinesq解）作用于地基內部（Mindlin解） 地基表面作用集中力示意圖OzrQ (r, z) P 地基表面作用集中力示意圖rzQ (r, z)PO第10頁/共63頁豎向應力分布等值線豎向應力分布等值線（a） 條形荷載 （b）方形荷載第11頁/共63頁豎向應力分布規(guī)律豎向應力分布規(guī)律第12頁/共63頁第13頁/共63頁飽和土介質飽和土介質 （兩相介質）（兩相介質） 點荷載作用下初始有效應力，初始孔壓及位移解35332RzRzPz32RzPuO z r Q (r, z) P 第14頁/共63頁飽和土中條形荷載下初始解飽和

5、土中條形荷載下初始解 條形荷載作用下的初值解222211mnmnnmmnpznmnmpu1arctanarctan式中：Bxm Bzn M (x, z)xzpo2B第15頁/共63頁 飽和土中條形荷載下初始應力和孔壓分布飽和土中條形荷載下初始應力和孔壓分布-2.0B-1.0B0.0B1.0B2.0BBp-2B-1B0B1B2B-4B-3B-2B-1B0BBp超靜孔隙水壓力超靜孔隙水壓力豎向有效應力豎向有效應力第16頁/共63頁初始孔壓和有效應力沿深度分布初始孔壓和有效應力沿深度分布0.00.20.40.60.81.02.01.51.00.50.0深度 / B應力 / p 超靜孔隙水壓力 豎向有

6、效應力 豎向總應力0.00.20.40.60.81.02.01.51.00.50.0深度 / B應力 / p 超靜孔隙水壓力 豎向有效應力 豎向總應力X=0 X=1/2BX=0 X=1/2B第17頁/共63頁實例分析實例分析高速公路拓寬工程高速公路拓寬工程 填土填土4m4m，拓寬路堤，拓寬路堤4.5m4.5m，原路堤，原路堤13m13m超靜孔隙水壓力豎向有效應力既有道路 拓寬道路l初始附加有效應力決定瞬時沉降初始附加有效應力決定瞬時沉降l初始孔壓決定固結沉降初始孔壓決定固結沉降l根據(jù)初始附加有效應力和孔壓分布確定地基處理根據(jù)初始附加有效應力和孔壓分布確定地基處理的范圍的范圍第18頁/共63頁3

7、.3 3.3 地基沉降組成地基沉降組成 瞬時沉降瞬時沉降 (Ss) 不排水條件下，地基土體側向變形形成的沉降 主固結沉降主固結沉降 (Sc)(Sc)孔壓消散，有效應力增加，地基固結產生的沉降 次固結沉降次固結沉降 (Ss)(Ss)土骨架上有效應力不變情況下，土體蠕變引起的沉降時間有效應力應變瞬時壓縮延遲壓縮主固結次固結明顯孔隙水壓消散階段無明顯孔隙水壓消散階段時間00 瞬時壓縮、延遲壓縮與主固結、次固結比較（Bjerrum,1967）第19頁/共63頁飽和地基瞬時沉降飽和地基瞬時沉降 (Ss)(Ss) 彈性地基瞬時沉降彈性地基瞬時沉降 瞬時沉降是由于加荷瞬時地基中的附加有效應力產生的。 要計算

8、瞬時沉降，只需對有效應力引起的豎向應變積分即可。 傳統(tǒng)矩形面積或圓形面積荷載算法： 條形面積荷載算法： udEpBS21EpBCSdd21式中：241ln121DCd1ln11ln222mmmmm第20頁/共63頁條形荷載作用下的瞬時沉降條形荷載作用下的瞬時沉降第21頁/共63頁 軟土的壓縮性軟土的壓縮性 土的結構性是指土顆粒在長期沉積過程中形成的物理和化學膠結作用。 成因：風化、淋洗、卸荷、次固結及離子反應等因素。 由于成因的不同，結構性的強弱程度及其穩(wěn)定性也有所差異。 絕大多數(shù)的天然沉積土都具有一定程度的結構性。第22頁/共63頁軟粘土的室內和現(xiàn)場試驗軟粘土的室內和現(xiàn)場試驗 固結壓縮試驗三

9、軸固結排水試驗現(xiàn)場十字板試驗第23頁/共63頁鉆孔取樣進行室內試驗的過程鉆孔取樣進行室內試驗的過程 鉆孔 取樣儲藏推土 制樣 試驗第24頁/共63頁正常固結粘土取樣后的應力路徑正常固結粘土取樣后的應力路徑 第25頁/共63頁固結壓縮試驗固結壓縮試驗 初始孔隙比：薄壁土樣1.9，普通土樣1.7 薄壁土樣存在明顯的屈服點第26頁/共63頁固結試驗固結試驗 固結系數(shù)：原狀土是擾動土的515倍。02004006008001000012345固結系數(shù) 10-3cm2/s固結壓力 /kPa 原狀土 重塑土pc第27頁/共63頁室內三軸固結排水試驗室內三軸固結排水試驗軟土結構性： 主應力差達峰值 結構破壞

10、殘余應力第28頁/共63頁十字板試驗十字板試驗0510152025020 40 60 80 100原位十字板強度(kPa)深度(m)打排水板前打排水板后0510152025020406080 100原位十字板強度(kPa)深度(m)打排水板前打排水板后0510152025020406080 100原位十字板強度(kPa)深度(m)打十字板前打十字板后 圖圖2 2- -5 5 1 1# #測測孔孔 圖圖2 2- -6 6 2 2# #測測孔孔 圖圖2 2- -7 7 3 3# #測測孔孔 塑料排水板施工導致土體強度平均降低45%第29頁/共63頁l根據(jù)柱孔擴張理論計算得到施打排水板引起地基處理區(qū)

11、的擾動程度約為30%左右l日本學者奧村指出土體的結構受到擾動破壞短期內很難恢復的lAkagi(1981)試驗分析了砂井施工擾動對土體十字板強度的影響，指出砂井施工擾動程度為20%40%，國內學者的工程實測數(shù)據(jù)也證實了這一點擾動及其對沉降的影響第30頁/共63頁*%100%uuurSSSDSSuS*uSrS， 分別為擾動前后的十字板剪切峰值強度重塑土的十字板剪切峰值強度 土體結構擾動程度的評價方法土體結構擾動程度的評價方法 SD擾動度 第31頁/共63頁l擾動程度越大，壓縮曲線越向下移l不同擾動程度的土體，其壓縮曲線最終交于 0.42e0點軟土壓縮曲線的校正方法軟土壓縮曲線的校正方法Schmer

12、tmannSchmertmann（19551955）方法方法第32頁/共63頁軟土壓縮曲線的校正方法Schmertmann（1955）方法第33頁/共63頁軟土壓縮曲線的校正方法軟土壓縮曲線的校正方法Nagaraj (1990)Nagaraj (1990)方法方法BAenlogl 沒有表現(xiàn)土的結構性變化過程l 試驗要求的固結壓力過大，很難實現(xiàn)，且校正曲線不便于工程應用第34頁/共63頁11.11.21.31.41.51.61.71.81.9101001000壓力，k P a孔隙比，e重塑土樣薄壁土樣CDE0zpc校正曲線AB壓縮曲線由四段組成 1.水平段（AB）；2.彈性壓縮段(BC)； 3.

13、結構破壞突降段 （CD）；4.重塑壓縮段(DE)，最終交于0.42e0點。結構屈服應力比 結構性軟土壓縮曲線校正結構性軟土壓縮曲線校正p結構性強的軟土采用四折線法結構性強的軟土采用四折線法pc第35頁/共63頁 壓縮曲線由三段組成 1：水平段（AB）2：彈性壓縮段(BC) 3：重塑壓縮段(CE)，最終交于0.42e0點。p結構性弱的軟土采用三折線法結構性弱的軟土采用三折線法ABC(D)E0zpc結構性軟土壓縮曲線校正第36頁/共63頁zopc042.0eplog0ee重塑土原狀土結構性軟土地基沉降計算方法siCciC第37頁/共63頁zopcpf042.0eplog0ee重塑土擾動土原狀土擾動

14、土的壓縮曲線siCciCzof0)%)(1 (zzopcpfSD0%)1 (zzofSD擾動土的結構屈服應力與表觀自重應力sfCcfC第38頁/共63頁042.0epplog0ee重塑土擾動土原狀土rede0SrSdS擾動產生附加沉降示意圖 擾動土地基的沉降及附加沉降計算第39頁/共63頁p溫州電廠溫州電廠2#堆煤場中心點沉降計算和實測結果堆煤場中心點沉降計算和實測結果上覆壓力(kPa)3676106136156考慮結構性沉降算法(原狀土,擾動度=0%)0.2930.7951.211.621.87考慮結構性沉降算法(擾動土,擾動度30%)0.5881.301.722.092.316附加沉降理論

15、預測值 =-0.2950.5050.510.470.446按Es法計算（不修正） 1.76實測沉降 =沉降值/此時固結度0.5/0.9=0.556 1.686/0.8=2.11擾動使豎井區(qū)地基的總沉降增大擾動使豎井區(qū)地基的總沉降增大擾動及其對沉降的影響第40頁/共63頁次固結沉降次固結沉降 (Ss)(Ss)第41頁/共63頁3.3 3.3 地基沉降組成地基沉降組成 瞬時沉降瞬時沉降 (Ss) 不排水條件下，地基土體側向變形形成的沉降 主固結沉降主固結沉降 (Sc)(Sc)孔壓消散，有效應力增加，地基固結產生的沉降 次固結沉降次固結沉降 (Ss)(Ss)土骨架上有效應力不變情況下，土體蠕變引起的

16、沉降總沉降：總沉降：S = Ss + Sc + SsS = Ss + Sc + Ss 固結沉降和次固結沉降與時間有關第42頁/共63頁3.4 3.4 沉降隨時間的變化（固結理論，沉降隨時間的變化（固結理論，ScSc） 有效應力小于結構屈服應力時，結構性軟土的固結系數(shù)基本為一常數(shù)； 當有效應力接近屈服應力時，固結系數(shù)迅速降低； 當有效應力大于結構屈服應力時，固結系數(shù)又趨于一常數(shù)。 第43頁/共63頁結構性軟土大面積荷載一維固結理論結構性軟土大面積荷載一維固結理論結構破壞結構未破壞2VVCC 1VVCC Z0Zm底面不排水底面不排水第44頁/共63頁固結系數(shù)和滲透系數(shù)簡化模型固結系數(shù)和滲透系數(shù)簡化

17、模型第45頁/共63頁和和Terzaghi Terzaghi 固結理論比較固結理論比較10100100010000100000100806040200 Consolidation degree, Ut(%)Time t , day the result of this study Terzaghis theory(Cv=Cv1) Terzaghis theory(Cv=Cv2)Cv1=30-3cm2/sCv2=0.510-3cm2/sk1=1.210-6cm/sk2=0.410-6cm/s第46頁/共63頁20151050020406080100120140160 Cv1=310-3cm2/s

18、Cv2=0.510-3cm2/sk1=1.210-6cm/sk2=0.410-6cm/sEffective stress, kPaS(t)|t=10S(t)|t=3 Depth, m effective stress,t effective stress,t=10 year effective stress,t=3 year yield stress effective weight地基有效應力隨時間變化第47頁/共63頁地基中的孔壓及其消散地基中的孔壓及其消散201510500204060Cv1=3 Cv2=0.5 k1=1.2 k2=0.4 s(t)Pore water pressure,

19、 kPa Depth, m the result of this study Terzaghis theory(Cv=Cv1) Terzaghis theory(Cv=Cv2)201510500204060Cv1=3 Cv2=0.5 k1=1.2 k2=0.4 s(t)Pore water pressure, kPa Depth, m the result of this study Terzaghis theory(Cv=Cv1) Terzaghis theory(Cv=Cv2)T T3 3年年 t t1010年年第48頁/共63頁結構性軟土砂井地基固結理論結構性軟土砂井地基固結理論 徑向和

20、豎向組合排水條件下，地基中平均超靜孔隙水壓力分布12jj +1j -1n第49頁/共63頁當 ；取pczoP1hhCC 1vvCC 12) 12 (sin12141mtBhtreHzmmUvTmmvteHzmmU4)12(1222) 12(sin) 12(1412)(8deDFCBhrtHCTvv22222) 12() 1(32nmnGD2)(wwhdlkkG .)3 , 2 , 1(m)411 (11)41)(1 (1143ln)ln(22222222nnkknskknsnnskksnFshshsh)1)(1 (1vthttUUU結構性軟土砂井地基固結理論結構性軟土砂井地基固結理論第50頁/

21、共63頁設 和 分別為土體達到其結構屈服應力時的臨界固結度和臨界固結時間，則 當 ：pczoPotUotpctzooPUPUzopctoott ,pctzoPU，1hhCC ，1vvCC )1)(1 (1vthttUUU，21)(8deDFCBhr，tHCTvv21 ott ,pctzoPU，2hhCC ，2vvCC 22111|hhvvhhvvoCCCCtCCCCtUU dtdtdUUUohhvvottttCCCCtt1122|=)(1otttU 結構性軟土砂井地基固結理論結構性軟土砂井地基固結理論第51頁/共63頁結構性軟土砂井地基固結算例分析結構性軟土砂井地基固結算例分析10100100

22、0100001.00.80.60.40.20.0重塑土參數(shù)，理想井 G=100 G=5 G=0.5固結度時間 /天無砂井，考慮結構性原狀土參數(shù)，理想井32第52頁/共63頁 土結構性對砂井地基固結性狀的影響明顯，不容忽略，在固結過程中可以根據(jù)土結構性和加載條件對一定深度范圍內的土體固結速率加以控制，使一定深度范圍內土體在短期內達到較大的強度增長，起到調控地基承載力和穩(wěn)定性的作用，某深度土體的固結速率可依據(jù)公式 進行加載控制。 隨著加載時間的延長，近地面處固結沉降漸趨于結束，沉降量減少，而下臥層固結還在持續(xù)發(fā)展，后期沉降中下臥層壓縮將占較大比例。 因此，準確預測下臥層的沉降發(fā)展規(guī)律，對以變形控制

23、的深厚軟基處理（尤其未打穿處理情況）具有重要的意義。pczoP第53頁/共63頁工后沉降 施工結束后未完成的沉降包括：部分主固結沉降和大部分次固結沉降施工結束后未完成的沉降包括：部分主固結沉降和大部分次固結沉降 工后沉降工后沉降 S Spostpost（1 1Ut) Sc + SsUt) Sc + Ss Ut Ut ： 施工期結束時地基的固結度施工期結束時地基的固結度時間有效應力應變瞬時壓縮延遲壓縮主固結次固結明顯孔隙水壓消散階段無明顯孔隙水壓消散階段時間00 瞬時壓縮、延遲壓縮與主固結、次固結比較（Bjerrum,1967）第54頁/共63頁3.5 3.5 土體壓縮性指標土體壓縮性指標Keywords: clay, undrained shear strength, normally consolidated, overconsolidated第55頁/共63頁CPTCPT確定土體壓縮模量確定土體壓縮模量Keywords: sand, clay, Bowles第56頁/共63頁粘性土粘性土Es1-2和和Es之間的關系之間的關系21)47. 00039. 0(szsEE