土的壓縮性與地基沉降計算

1、第三章第三章 3.13.1 土的壓縮性 3.23.2 地基最終沉降量 3.33.3 建筑物沉降觀測與地基容許變形荷載作用下土體的壓縮性荷載作用下土體的壓縮性; ;土的壓縮試驗和固結(jié)試驗土的壓縮試驗和固結(jié)試驗; ;地基最終沉降量的計算地基最終沉降量的計算; ; 土的變形與時間關(guān)系土的變形與時間關(guān)系( (一維固結(jié)理論一維固結(jié)理論) )。主要內(nèi)容主要內(nèi)容:重點：重點：u土的壓縮性和壓縮性指標(biāo)的確定土的壓縮性和壓縮性指標(biāo)的確定; ;u用分層總和法和規(guī)范法用分層總和法和規(guī)范法計算基礎(chǔ)沉降的計算基礎(chǔ)沉降的; ;u了解固結(jié)原理和固結(jié)隨時間變化的概念了解固結(jié)原理和固結(jié)隨時間變化的概念. .土具有壓縮性荷載作用

2、地基發(fā)生沉降荷載大小土的壓縮特性地基厚度均勻沉降（沉降量）不均勻沉降（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概述概述土的特點（碎散、三相）沉降具有時間效應(yīng)沉降速率工程實例工程實例問題：問題：沉降沉降2.22.2米，米，且左右兩部分且左右兩部分存在明顯的沉存在明顯的沉降差。左側(cè)建降差。左側(cè)建筑物于筑物于19691969年年加固。加固。墨西哥某宮殿墨西哥某宮殿左部：左部：17091709年；右部：年；右部：16221622年；地基：年；地基：2020多米厚的粘土多米厚的粘土美國雙子大廈受外力撞擊建筑物傾斜。美國雙子大廈受外力撞擊建筑物傾斜。3.1 土的壓縮性土的壓縮性土壓縮的

3、原因固體土顆粒本身被壓縮土空隙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土體在壓力作用下體積減小的特性稱為土的壓縮性壓縮性一、基本概念一、基本概念 作用于飽和土體內(nèi)某截面上總的正應(yīng)力作用于飽和土體內(nèi)某截面上總的正應(yīng)力s s由兩部分組成：一部分為孔隙水壓力由兩部分組成：一部分為孔隙水壓力u u，它沿著各個方向均勻作用于土顆粒上，其中由孔隙水自重引起的稱為靜水，它沿著各個方向均勻作用于土顆粒上，其中由孔隙水自重引起的稱為靜水壓力，由附加應(yīng)力引起的稱為超靜孔隙水壓力（孔隙水壓力）；另一部分為壓力，由附加應(yīng)力引起的稱為超靜孔隙水壓力（孔隙水壓力）；另一部分為有效應(yīng)

4、力有效應(yīng)力，它作用于土的骨架（土顆粒）上，其中由土粒自重引起的即，它作用于土的骨架（土顆粒）上，其中由土粒自重引起的即為土的自重應(yīng)力，由附加應(yīng)力引起的稱為附加有效應(yīng)力。飽和土中總應(yīng)力與為土的自重應(yīng)力，由附加應(yīng)力引起的稱為附加有效應(yīng)力。飽和土中總應(yīng)力與孔隙水壓力、有效應(yīng)力之間存在如下關(guān)系孔隙水壓力、有效應(yīng)力之間存在如下關(guān)系 ：uu 或或1 1）任一平面上受到的總應(yīng)力等于有效應(yīng)力加孔隙水壓力之和；）任一平面上受到的總應(yīng)力等于有效應(yīng)力加孔隙水壓力之和；（2 2）土的變形是有效應(yīng)力引起的。）土的變形是有效應(yīng)力引起的。固結(jié)固結(jié)：土的壓縮隨時間而增長的過程土的壓縮隨時間而增長的過程加荷瞬間，加荷瞬間， =

5、u而而=0。隨著時間的增長，。隨著時間的增長，u u下降，而下降，而增長。增長。當(dāng)固結(jié)變相穩(wěn)定時，當(dāng)固結(jié)變相穩(wěn)定時，u=0而而=，由此可見飽和，由此可見飽和土壓密過程實際上是孔隙水壓力逐漸消散，有效壓力增土壓密過程實際上是孔隙水壓力逐漸消散，有效壓力增加的過程加的過程，則飽和土完全固結(jié)。，則飽和土完全固結(jié)。 固結(jié)度固結(jié)度u ut: :土的固結(jié)過程中某一時間土的固結(jié)過程中某一時間t的固結(jié)沉降量的固結(jié)沉降量s s1 1與與固結(jié)穩(wěn)定的最終沉降量固結(jié)穩(wěn)定的最終沉降量s s之比稱為固結(jié)度之比稱為固結(jié)度u ut。ttsUs 當(dāng)當(dāng)t=0時，時， st=0，則，則ut=0，即固結(jié)完成，即固結(jié)完成0%當(dāng)固結(jié)穩(wěn)定

6、時，當(dāng)固結(jié)穩(wěn)定時， st=s,則則ut=1.0，即固結(jié)基本上達(dá)到，即固結(jié)基本上達(dá)到100%完成。完成。固結(jié)度的變化范圍為固結(jié)度的變化范圍為01，它表示在某一荷載作用下經(jīng)過，它表示在某一荷載作用下經(jīng)過t時間時間后土體所能達(dá)到的固結(jié)程度。后土體所能達(dá)到的固結(jié)程度。水槽水槽內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)環(huán)刀環(huán)刀透水石透水石試樣試樣傳壓板傳壓板百分表百分表逐級施加荷載逐級施加荷載，至變形穩(wěn)定，至變形穩(wěn)定測定：測定：豎向壓應(yīng)力豎向壓應(yīng)力豎向變形豎向變形Pt1p2pSt1e2e0e3e1s2s3se試驗結(jié)果：試驗結(jié)果：二、室內(nèi)壓縮試驗與壓縮性指標(biāo)二、室內(nèi)壓縮試驗與壓縮性指標(biāo)1、壓縮試驗與、壓縮試驗與e- -p曲線曲線研究土在不

7、同壓力作用下，孔隙比變化規(guī)律研究土在不同壓力作用下，孔隙比變化規(guī)律Vve0Vs1h0/(1+e0)h0VveiVs1hi/(1+e)phisi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=h0si, si為每級荷載作用下的變形量SiiVeAheAh1100土樣體積在受土樣體積在受壓前后不變壓前后不變)1(000ehseeii其中其中由于逐級（一般為由于逐級（一般為6 6級）施加荷載在不同壓力級）施加荷載在不同壓力p作用下，可得作用下，可得到相應(yīng)的孔隙比到相應(yīng)的孔隙比e，根據(jù)一一對應(yīng)關(guān)系，以橫座標(biāo)表示壓力，根據(jù)一一對應(yīng)關(guān)系，以橫座標(biāo)表示壓力，以縱座標(biāo)表示孔隙比，繪制以縱座標(biāo)表

8、示孔隙比，繪制e- -p曲線，稱為壓縮曲線曲線，稱為壓縮曲線10SSSSVVVVVVVVe iishh0試驗過程中的兩個基本條件:受壓前后土粒體積不變和土樣橫 截面面積不變。e0eppi壓縮曲線再壓縮曲線殘余殘余變形變形e- -p曲線曲線壓縮曲線的繪制方式壓縮曲線的繪制方式e - pe - p曲線曲線e - lge - lgp p曲線曲線 回彈曲線彈性彈性變形變形10010000.60.70.80.9e eC Cc c1 11 1C Ce ee - lge - lgp p曲線曲線lgpeCclg,akPp2 2、壓縮性指標(biāo)、壓縮性指標(biāo)（MPMPa a-1-1）1 1）、壓縮系數(shù)：壓縮系數(shù)： 一

9、般取一般取壓縮曲線上壓縮曲線上M M1 1M M2 2兩點切線的兩點切線的斜率值，稱為土的壓縮系數(shù)。斜率值，稱為土的壓縮系數(shù)。實際工程中，往往用割線斜率表示：實際工程中，往往用割線斜率表示：1221ppee=pe=tg=a斜率斜率土的類別土的類別a1-2 (MPa-1)高壓縮性土高壓縮性土0.5中壓縮性土中壓縮性土0.10.5低壓縮性土低壓縮性土0.1p1p2e1e2M1M2e0epe- -p曲線曲線pe規(guī)范規(guī)范用用p1100kPa、 p2200kPa對應(yīng)的壓縮系數(shù)對應(yīng)的壓縮系數(shù)a1-2評評價土的壓縮性價土的壓縮性根據(jù)壓密定律：在豎向壓力變化不大的范圍內(nèi)，孔隙比的根據(jù)壓密定律：在豎向壓力變化不

10、大的范圍內(nèi)，孔隙比的變化量與壓力之間的變化量，二者之間的關(guān)系近似用一條變化量與壓力之間的變化量，二者之間的關(guān)系近似用一條直線來代替。直線來代替。2）、壓縮指數(shù)壓縮指數(shù)C Cc c：10010000.60.70.80.9e eC Cc c1 11 1C Ce e壓縮指數(shù)壓縮指數(shù)Ce回彈指數(shù)（再壓縮指數(shù)）回彈指數(shù)（再壓縮指數(shù)）Ce 1 硬粘土硬粘土（應(yīng)力擴散）（應(yīng)力擴散）S S偏大偏大, s3015b308b154b823015b308b154b82b42基礎(chǔ)寬b(m)ln5 . 2(bbznniinss1025. 0niss對于地基的計算深度，即地基壓縮層厚度，可分兩種情況：對于地基的計算深度，

11、即地基壓縮層厚度，可分兩種情況： 無相鄰荷載的基礎(chǔ)中點下無相鄰荷載的基礎(chǔ)中點下: : 式中式中b-b-基礎(chǔ)寬度，適用于基礎(chǔ)寬度，適用于1m1m30m30m范圍。范圍。 有相鄰荷載影響有相鄰荷載影響: : 或或：在計算深度：在計算深度z zn n范圍內(nèi)，第范圍內(nèi)，第i i層土的變形值層土的變形值：在：在z zn n處向上取厚度處向上取厚度z z土層的計算變形值，土層的計算變形值， z z按規(guī)定確定。按規(guī)定確定。計算層厚度計算層厚度 z z值的選取值的選取：nnii 1s0.025s 表表3-53-5在計算地基變形時，應(yīng)考慮相鄰荷載的影響，其值可按應(yīng)力疊加原理，采用角點法計算。nnii 1s0.0

12、25s 0iiii 1i 1sips(zz)E 規(guī)范法計算基礎(chǔ)沉降量的步驟為：規(guī)范法計算基礎(chǔ)沉降量的步驟為：（1） 計算基底附加應(yīng)力；（2） 以天然土層作為分層面（即按Es分層）；（3） 確定壓縮層厚度zn，采用變形比（4） 分別計算每層土的變形量（5） 計算基礎(chǔ)總沉降量)(1110iiiiniisisszzEpss【例【例】試按規(guī)范推薦的方法計算圖試按規(guī)范推薦的方法計算圖所示基礎(chǔ)所示基礎(chǔ)的最終沉降量，并考慮的最終沉降量，并考慮基礎(chǔ)基礎(chǔ)的影響。已知基礎(chǔ)的影響。已知基礎(chǔ)和和各各承受相應(yīng)于準(zhǔn)永久組合的總荷載值承受相應(yīng)于準(zhǔn)永久組合的總荷載值Q=1134KNQ=1134KN，基礎(chǔ)底面尺寸，基礎(chǔ)底面尺寸

13、b bl l=2m=2m3m,3m,基礎(chǔ)埋置身度基礎(chǔ)埋置身度d=2md=2m。其他條件見圖。其他條件見圖?！窘獯稹窘獯稹?mkN189=321134=AQ=p/ /、計算基底壓力計算基底壓力基底處總壓力基底處總壓力基底處土的自重壓力基底處土的自重壓力22crczmm153N0=mkN153=36189=pp=p/ /. ./ /、計算壓縮層范圍內(nèi)各土層壓縮量計算壓縮層范圍內(nèi)各土層壓縮量計算過程見圖表計算過程見圖表zi (m)基礎(chǔ)基礎(chǔ)基礎(chǔ)基礎(chǔ)對基礎(chǔ)對基礎(chǔ)的影響的影響ain=l/bm=l/bain=l/bm=l/bai01.501.0003.32.0002.01.520.75761.30.0042

14、0.76074.01.540.50852.70.01420.52273.71.53.70.53652.50.01300.5495zi (m)aizi(m)aizi- ai-1zi-1(m)Esi(kPa)s i=p0(aizi-ai-1zi-1) /Esi(mm) s I (mm) s n/s i002.01.5221.522829.129.14.02.0910.569108.737.83.72.0330.058100.880.023、確定壓縮層下限確定壓縮層下限 在基底下在基底下4m4m深范圍內(nèi)土層的總變形量深范圍內(nèi)土層的總變形量 ，在，在 處以上處以上 （基礎(chǔ)寬度（基礎(chǔ)寬度 b=2mb=2

15、m，查表，查表3-53-5得得 ）厚土層變）厚土層變形值形值 。m837=s=sn1=ii. .m4=zm30=z. .m30=z. .mm880=sn. .nnii 1s0.880.020.02537.8s m4=zn47MPa8=105690+852210912=EAA=En1=isiin1=iis. . . . .故所取沉降計算深度故所取沉降計算深度 滿足規(guī)范要求。滿足規(guī)范要求。 、確定沉降計算經(jīng)驗系數(shù)確定沉降計算經(jīng)驗系數(shù)壓縮層范圍內(nèi)土層壓縮模量的平均值壓縮層范圍內(nèi)土層壓縮模量的平均值 查表查表3-33-3得得s s=0.9=0.9。 、計算基礎(chǔ)最終沉降量計算基礎(chǔ)最終沉降量34.02mm

16、=37.80.9=s=ss三、土的沉降與時間的關(guān)系三、土的沉降與時間的關(guān)系 飽和粘性土地基在建筑物荷載作用下要經(jīng)過相當(dāng)長時間才能達(dá)飽和粘性土地基在建筑物荷載作用下要經(jīng)過相當(dāng)長時間才能達(dá)到最終沉降，不是瞬時完成的。為了建筑物的安全與正常使用，到最終沉降，不是瞬時完成的。為了建筑物的安全與正常使用，對于一些重要或特殊的建筑物應(yīng)在工程實踐和分析研究中掌握沉對于一些重要或特殊的建筑物應(yīng)在工程實踐和分析研究中掌握沉降與時間關(guān)系的規(guī)律性，這是因為較快的沉降速率對于建筑物有降與時間關(guān)系的規(guī)律性，這是因為較快的沉降速率對于建筑物有較大的危害。例如，在第四紀(jì)一般粘性土地區(qū)，一般的四、五層較大的危害。例如，在第四

17、紀(jì)一般粘性土地區(qū)，一般的四、五層以上的民用建筑物的允許沉降僅以上的民用建筑物的允許沉降僅10cm左右，沉降超過此值就容易左右，沉降超過此值就容易產(chǎn)生裂縫；而沿海軟土地區(qū)，沉降的固結(jié)過程很慢，建筑物能夠產(chǎn)生裂縫；而沿海軟土地區(qū)，沉降的固結(jié)過程很慢，建筑物能夠適應(yīng)于地基的變形。因此，類似建筑物的允許沉降量可達(dá)適應(yīng)于地基的變形。因此，類似建筑物的允許沉降量可達(dá)20cm甚甚至更大。至更大。 碎石土和砂土的壓縮性小而滲透性大，在受荷后固結(jié)穩(wěn)定所碎石土和砂土的壓縮性小而滲透性大，在受荷后固結(jié)穩(wěn)定所需的時間很短，可以認(rèn)為在外荷載施加完畢時，其固結(jié)變形就已需的時間很短，可以認(rèn)為在外荷載施加完畢時，其固結(jié)變形就

18、已經(jīng)基本完成。飽和粘性土與粉土地基在建筑物荷載作用下需要經(jīng)經(jīng)基本完成。飽和粘性土與粉土地基在建筑物荷載作用下需要經(jīng)過相當(dāng)長時間才能達(dá)到最終沉降，例如厚的飽和軟粘土層，其固過相當(dāng)長時間才能達(dá)到最終沉降，例如厚的飽和軟粘土層，其固結(jié)變形需要幾年甚至幾十年才能完成。因此，工程中一般只考慮結(jié)變形需要幾年甚至幾十年才能完成。因此，工程中一般只考慮粘性土和粉土的變形與時間的關(guān)系。粘性土和粉土的變形與時間的關(guān)系。一、建筑物沉降觀測3.3 3.3 建筑物沉降觀測與地基容許變形值建筑物沉降觀測與地基容許變形值（1）驗證工程設(shè)計與沉降計算的正確性；）驗證工程設(shè)計與沉降計算的正確性；（2）判別建筑物施工的質(zhì)量；）判

19、別建筑物施工的質(zhì)量；（3）發(fā)生事故后作為分析事故原因和加固處理依據(jù)。）發(fā)生事故后作為分析事故原因和加固處理依據(jù)。能夠及時發(fā)現(xiàn)建筑物變形并防止有害變形的擴大。能夠及時發(fā)現(xiàn)建筑物變形并防止有害變形的擴大。（1）埋設(shè)地點要靠近觀測對象，但必須在建筑物所產(chǎn)生的壓力影響范圍以外。埋設(shè)地點要靠近觀測對象，但必須在建筑物所產(chǎn)生的壓力影響范圍以外。（2）在一個觀測區(qū)內(nèi)，水準(zhǔn)基點在一個觀測區(qū)內(nèi)，水準(zhǔn)基點3個，埋置深度應(yīng)與建筑物基礎(chǔ)的埋深相應(yīng)。個，埋置深度應(yīng)與建筑物基礎(chǔ)的埋深相應(yīng)。（1）根據(jù)建筑物的平面形狀，結(jié)構(gòu)特點和工程地質(zhì)條件考慮布置觀測點。根據(jù)建筑物的平面形狀，結(jié)構(gòu)特點和工程地質(zhì)條件考慮布置觀測點。（2）一

20、般設(shè)置在四周的角點、轉(zhuǎn)角處、縱橫墻的中點、沉降縫和新老建筑物的一般設(shè)置在四周的角點、轉(zhuǎn)角處、縱橫墻的中點、沉降縫和新老建筑物的 連接處。連接處。（3）數(shù)量一般不小于數(shù)量一般不小于6點，間距一般為點，間距一般為612米。米。 1.目的目的 2.必要性必要性 3.水準(zhǔn)基點的設(shè)置水準(zhǔn)基點的設(shè)置 4.觀測點的設(shè)置觀測點的設(shè)置沉降觀測采用精密水準(zhǔn)儀，觀測精度為沉降觀測采用精密水準(zhǔn)儀，觀測精度為0.010.01。民用建筑每增高一層觀測一次；民用建筑每增高一層觀測一次；工業(yè)建筑在不同荷載階段分別進(jìn)行觀測，施工期間不應(yīng)少于工業(yè)建筑在不同荷載階段分別進(jìn)行觀測，施工期間不應(yīng)少于4次；次；竣工后第一年不少于竣工后第

21、一年不少于35次；次； 第二年不少于第二年不少于2次；次； 以后每年一次，直到穩(wěn)定。（穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為半年沉降量不超過以后每年一次，直到穩(wěn)定。（穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為半年沉降量不超過2）減速沉降（沉降速率減少到減速沉降（沉降速率減少到0.05/d以下時）：認(rèn)為沉降趨于穩(wěn)定。以下時）：認(rèn)為沉降趨于穩(wěn)定。等速沉降：導(dǎo)致地基喪失穩(wěn)定的危險。等速沉降：導(dǎo)致地基喪失穩(wěn)定的危險。加速沉降：表示地基加速沉降：表示地基 已喪失穩(wěn)定，應(yīng)及時采取措施，防止發(fā)生事故。已喪失穩(wěn)定，應(yīng)及時采取措施，防止發(fā)生事故。5.儀器與精度儀器與精度6.觀測次數(shù)和時間觀測次數(shù)和時間7.觀測資料的整理觀測資料的整理 建筑物地基變形的特征，可分為沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜4種。 1.沉降量沉降量(mm) 定義:特指基礎(chǔ)中心的沉降差，以mm為單位； 作用:若沉降量過大，勢必影響建筑物的正常使用。 （一）地基變形分類（一）地基變形分類二、地基允許變形值2.沉降差沉降差(mm) 定義:指同一建筑物中相鄰兩個基礎(chǔ)沉降的差值； 作用:若沉降差過大，建筑物將發(fā)生裂縫、傾斜和破壞。 3.傾斜傾斜（） 定義:指獨立基礎(chǔ)傾斜方向兩端點的沉降差與其距離的比值，以表示。 作用:若建筑物傾斜過大，將影響正常使用，遇臺風(fēng)或強烈地震時危及建筑