土力學與地基基礎ppt課件3-3

1、 3.6土的變形特性-土的壓縮與固結P1-393.7地基最終沉降量計算P40-54 3.8應力歷史對地基沉降的影響P55-713.9土的滲透固結理論P72-90 概 述自重應力壓縮穩(wěn)定附加應力導致地基土體變形體積變形形狀變形由正應力引起，會使土的體積縮小壓密，不會導致土體破壞形狀變形主要由剪應力引起，當剪應力超過一定限度時，土體將產(chǎn)生剪切破壞，此時的變形將不斷發(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 概 述沉降： 在附加應力作用下，地基土產(chǎn)生體積縮小，從而引起建筑物基礎的豎直方向的位移（或下沉）稱為沉降 某些特殊性土由于含水量的變化也會引起體積變形，如濕陷性黃土地基，由于含

2、水量增高會引起建筑物的附加下沉，稱濕陷沉降。相反在膨脹土地區(qū)，由于含水量的增高會引起地基的膨脹，甚至把建筑物頂裂。概 述除此之外某些大城市，如墨西哥、上海等由于大量開采地下水使地下水位普遍下降從而引起整個城市的普遍下沉。這可以用地下水位下降后地層的自重應力增大來解釋。當然，實際問題也是很復雜的，還涉及工程地質、水文地質方面的問題。 概 述如果地基土各部分的豎向變形不相同，則在基礎的不同部位會產(chǎn)生沉降差，使建筑物基礎發(fā)生不均勻沉降。 基礎的沉降量或沉降差(或不均勻沉降)過大不但會降低建筑物的使用價值，而且往往會造成建筑物的毀壞。 概 述為了保證建筑物的安全和正常使用，我們必須預先對建筑物基礎可能

3、產(chǎn)生的最大沉降量和沉降差進行估算。如果建筑物基礎可能產(chǎn)生的最大沉降量和沉降差，在規(guī)定的允許范圍之內(nèi)，那么該建筑物的安全和正常使用一般是有保證的；否則，是沒有保證的。對后一種情況，我們必須采取相應的工程措施以確保建筑物的安全和正常使用。 概 述基礎沉降量或沉降差的大小首先與土的壓縮性有關，易于壓縮的土，基礎的沉降大，而不易壓縮的土，則基礎的沉降小?；A的沉降量與作用在基礎上的荷載性質和大小有關。一般而言，荷載愈大，相應的基礎沉降也愈大；而偏心或傾斜荷載所產(chǎn)生的沉降差要比中心荷載為大。在這一章里，我們首先討論土的壓縮性；然后介紹目前工程中常用的沉降計算方法；最后介紹沉降與時間的關系。 土的壓縮特性

4、一、土的壓縮與固結壓縮： 土在壓力作用下，體積將縮小。這種現(xiàn)象稱為壓縮。固結： 土的壓縮隨時間增長的過程稱為固結一、土的壓縮與固結目前我們在研究土的壓縮性，均認為土的壓縮完全是由于孔隙中水和氣體向外排出而引起的。飽和砂土透水性強，在壓力作用下，固結很快完成飽和粘土透水性弱，在壓力作用下，固結需要很長時間完成一、土的壓縮與固結瞬時沉降主固結沉降次固結沉降一、土的壓縮與固結瞬時沉降指在加荷后立即發(fā)生的沉降飽和粘土 在很短的時間內(nèi)，孔隙中的水來不及排出，加之土體中的土粒和水是不可壓縮的，因而瞬時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向變形引起的瞬時沉降一般不予考慮一、土的壓縮與固結

5、對于控制要求較高的建筑物，瞬時沉降可用彈性理論估算。對于飽和粘土在局部均布荷載作用下，地基的瞬時沉降可用下式計算影響系數(shù)，表41一、土的壓縮與固結瞬時沉降主固結沉降次固結沉降一、土的壓縮與固結主固結與主固結沉降 在荷載作用下飽和土體中孔隙水的排除導致土體體積隨時間逐漸減小，有效應力逐漸增加，這一過程稱為主固結 隨著時間的增加，孔隙水應力逐漸消散，有效應力逐漸增加并最終達到一個穩(wěn)定值，此時孔隙水應力消散為零，主固結沉降完成，這一過程所產(chǎn)生的沉降為固結沉降。一、土的壓縮與固結瞬時沉降主固結沉降次固結沉降一、土的壓縮與固結次固結沉降 土體在主固結成將完成之后有效應力不變得情況下還會隨時間的增長進一步

6、產(chǎn)生沉降，稱為次固結沉降次固結沉降對某些土如軟粘土是比較重要的，對于堅硬土或超固結土，這一分量相對較小。 土的壓縮特性二、土的壓縮指標為了研究土的壓縮特性，通常需要進行試驗室內(nèi)固結試驗現(xiàn)場原位試驗（荷載試驗、旁壓試驗）室內(nèi)固結試驗與壓縮曲線室內(nèi)固結試驗與壓縮曲線用環(huán)刀切取扁園柱體，一般高2厘米，直徑應于高度25倍，面積為30cm2或50 cm2,試樣連同環(huán)刀一起裝入護環(huán)內(nèi)，上下有透水石以便試樣在壓力作用下排水。在進水石頂部放一加壓上蓋，所加壓力通過加壓支架作用在上蓋，同時安裝一只百分表用來量測試樣的壓縮。由于試樣不可能產(chǎn)生側向變形而只有豎向壓縮。于是，我們把這種條件下的壓縮試驗稱為單向壓縮試驗

7、或側限壓縮試驗。室內(nèi)固結試驗與壓縮曲線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。壓力p與相應的穩(wěn)定孔隙比的關系曲線稱為壓縮曲線e-p曲線e-lgp曲線室內(nèi)固結試驗與壓縮曲線a圖：壓力與加荷歷時關系b圖：各級壓力下，試樣孔隙比隨時間的變化過程壓縮快壓縮穩(wěn)定，穩(wěn)定的快慢和土的性質有關壓縮系數(shù)用單位壓力增量所引起的孔隙比的改變，即壓縮曲線的割線坡度表征土的壓縮性的高低壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)av是表征土壓縮性的重要指標之一ep曲線越陡， av就越大，土的壓縮性越高ep曲線越平緩， av就越小，土的壓縮性越低壓縮系數(shù)壓縮曲線不是直線，即使是同一種土，其壓

8、縮系數(shù)也不是常量。工程上為了便于統(tǒng)一比較，習慣采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設計規(guī)范規(guī)定壓縮指數(shù)與回彈再壓縮指數(shù)在較高的壓力范圍內(nèi)，壓縮曲線近似為一直線，很明顯，該直線越陡，意味著土的壓縮性越高。壓縮指數(shù)壓縮指數(shù)與回彈再壓縮指數(shù)Cc與土的壓縮性的關系elgp曲線越陡， Cc就越大，土的壓縮性越高elgp曲線越平緩， Cc就越小，土的壓縮性越低壓縮指數(shù)與回彈再壓縮指數(shù)試樣回彈不是沿初始壓縮曲線，說明土體的變形是由可恢復的彈性變形和不可恢復的塑性變形組成回滯環(huán)非完全彈性回彈和再壓縮曲線比初始曲線平緩，說明在回彈和再壓縮范圍內(nèi)土的壓縮性降低超過B點，再

9、壓縮曲線趨于初始壓縮曲線的延長線壓縮指數(shù)與回彈再壓縮指數(shù)Cs=(0.10.2)Cc 土的壓縮性減小土體如果承受到比現(xiàn)在大的壓力，其壓縮性將降低，也就是說土的應力歷史對壓縮性有很大影響回彈指數(shù)軟土地基加固其它壓縮性指標體積壓縮系數(shù)mv 單位應力作用下單位體積的體積變化初始孔隙比其它壓縮性指標壓縮模量： 土體在無側向變形條件下，豎直應力與豎向應變之比。其大小反映了土體在單向壓縮條件下對壓縮變形的抵抗能力。其它壓縮性指標變形模量 表示土體在無側限條件下應力應變之比，相當于理想彈性體的彈性模量。其大小反映了土體抵抗彈塑性變形的能力用于瞬時沉降的估算，可用室內(nèi)三軸試驗或現(xiàn)場試驗測定其它壓縮性指標廣義虎克

10、定律變形模量與壓縮模量關系不同土類的變形模量經(jīng)驗值應力歷史對粘性土壓縮性的影響應力歷史： 土體在歷史上曾經(jīng)受過的應力狀態(tài)固結應力 能夠使土體產(chǎn)生固結或壓縮的應力自重應力附加應力固結應力新沉積的土或人工填土大多數(shù)天然土應力歷史對粘性土壓縮性的影響前期固結應力 土在歷史上曾受到過的最大有效應力pc現(xiàn)有有效應力超固結比應力歷史對粘性土壓縮性的影響OCR1 超固結土OCR1 正常固結土OCR1 欠固結土現(xiàn)有有效應力是歷史上曾經(jīng)收到過的最大有效應力應力歷史對粘性土壓縮性的影響應力歷史對粘性土壓縮性的影響三種土層現(xiàn)有應力相同，但是它們的應力歷史不同。壓縮時從不同的位置開始，逐漸壓縮穩(wěn)定三種土應力增量相同，

11、但由于應力歷史不同，所以其壓縮量不同。應力歷史對地基沉降產(chǎn)生很大的影響3.7 地基最終沉降量計算- 單向壓縮量公式 無側向變形條件下單向壓縮量計算假設分層總和法 （1）土的壓縮完全是由于孔隙體積減小導致骨架變形的結果，土粒本身的壓縮可忽略不計； （2）土層僅產(chǎn)生豎向壓縮，而無側向變形； （3）土層均質且在土層厚度范圍內(nèi)，壓力是均勻分布的。單向壓縮量公式試樣高度H土粒的體積Vs孔隙比e1孔隙體積：Vv=e1vs總體積：V1=Vv+Vs=(1+e1)Vs單向壓縮量公式壓縮穩(wěn)定后試樣高度孔隙比e2孔隙體積e2Vs單向壓縮量公式壓力增量作用所引起的單位體積土體體積變化為單向壓縮量公式從以上兩式可得無側

12、向變形條件下的土層壓縮量計算公式 土層均一且應力沿高度均勻分布假定下得到！ 天然地基通常由不同的土層組成，而且地基中的自重應力和引起地基變形的附加應力均沿深度變化3.7.2 地基沉降計算的e-p曲線法 -分層總和法簡介分層總和法 工程計算地基的沉降時，在地基可能產(chǎn)生壓縮的土層深度內(nèi)，按土的特性和和應力狀態(tài)的變化將地基分為若干層，假定每一層土質均勻且應力沿厚度均勻分布，然后對每一土層分別計算其壓縮量，最后將各分層的壓縮量總和起來，即得地基表面的最終沉降量多深合適呢？分層總和法簡介壓縮層的概念及確定 水利工程中通常是按照附加豎向應力與自重應力之比確定壓縮層的厚度 一般粘土軟粘土分層總和法基本思路將

13、壓縮層范圍內(nèi)的地基分層，計算每一分層的壓縮量，然后累加得總沉降量。由e-p或e-lgp曲線求得e-p曲線法e-lgp曲線法用e-p曲線法計算地基的最終沉降量根據(jù)建筑物基礎的形狀，結合地基中土層性狀，選擇沉降計算點的位置，再按作用在基礎上荷載的性質（中心、偏心或傾斜等情況），求出基底壓力的大小和分布將地基分層。在分層時天然土層的交界面和地下水位應為分層面，同時在同一分類土層中，各分層的厚度不宜過大。計算地基中土的自重應力分布計算地基中豎向附加應力分布按算術平均求各分層平均自重應力和平均附加應力求出第i層的壓縮量將每層的壓縮量累加，得到地基的總沉降量地基分層對于水工建筑物，每層的厚度可以控制在24

14、m，或Hi0.4b，b為基礎寬度。對每一分層可以認為壓力是均勻分布的。 計算地基中土的自重應力分布求出計算點垂線上各分層層面處的豎向自重應力，并繪出它的分布曲線 計算地基中豎向附加應力分布求出計算點垂線上各分層層面處的豎向附加應力，并繪出它的分布曲線確定壓縮層厚厚當基礎有埋置深度，應采用基底凈壓力去計算地基中的附加應力平均自重應力和平均附加應力求出第i層的壓縮量地基的總沉降量3.8應力歷史對地基沉降的影響- 地基沉 降計算的e-lgp曲線法概述由于應力歷史對粘土的壓縮性具有較大的影響，而鉆探取樣獲得土樣經(jīng)過擾動或應力釋放，在實驗室內(nèi)得到的壓縮曲線已經(jīng)不能代表地基中現(xiàn)場壓縮曲線，所以壓縮曲線的起

15、始段實際上是一條再壓縮曲線。因此必須對室內(nèi)固結試驗所得的壓縮曲線進行修正，得到符合原位土體壓縮性的現(xiàn)場壓縮曲線，由此計算得到的地基沉降才會更符合實際。概述利用elgp曲線可以推出現(xiàn)場壓縮曲線，從而進行更為準確的沉降計算現(xiàn)場曲線可以很直觀地反應出先期固結應力，從而清晰地考慮地基的應力歷史對沉降的影響現(xiàn)場壓縮曲線是由直線或折線組成，通過Cc或Cs兩個壓縮性指標即可計算，使用方便現(xiàn)場壓縮曲線的推求要考慮不同應力歷史對土層壓縮性的影響：判斷土層屬于正常固結土、超固結土還是欠固結土（確定土層的前期固結應力和現(xiàn)有有效應力）推求能夠反應土體的真實壓縮特性的現(xiàn)場壓縮曲線現(xiàn)場壓縮曲線的推求起始平緩曲率最大點接近

16、前期固結應力曲線急劇變陡，近乎直線向下延伸交于C點，0.42e擾動劇烈壓縮曲線越低曲率越小B點在A點的右下方前期固結應力的確定前期固結應力的確定ep(lg)A132B前期固結應力Pc現(xiàn)場壓縮曲線的推求正常固結土超固結土現(xiàn)場壓縮曲線的推求p(lg)A132B前期固結應力Pce0eD0.42e0C現(xiàn)場壓縮曲線現(xiàn)場壓縮曲線的推求A132B前期固結應力PcEFee00.42e0CDDp0p(lg)現(xiàn)場壓縮曲線現(xiàn)場再壓縮曲線3.8.2 e-lgp曲線法計算地基最終沉降e-lgp曲線法計算地基沉降與e-p曲線法相似，都是以無側向變形條件下壓縮量的基本公式和分層總和法為前提。不同之處 （1）e由現(xiàn)場壓縮曲線

17、求得 （2）初始孔隙比用e0 （3）對不同應力歷史的土層，用不同的方法計算ee-lgp曲線法計算地基最終沉降的步驟選擇沉降計算斷面和計算點，確定基底壓力將地基分層計算地基中各分層面的自重應力及土層平均自重應力計算地基中各分層面的附加應力及土層平均附加應力用casagrande法根據(jù)室內(nèi)壓縮曲線確定前期固結應力，判斷土層所處的狀態(tài)；推求現(xiàn)場壓縮曲線根據(jù)土層所處的狀態(tài)，分別用不同的方法求各分層的壓縮量將各分層沉降量總和 得到累加的總沉降量正常固結土的沉降量計算超固結土的沉降計算針對壓力增量的大小不同分為兩種情況超固結土的沉降計算超固結土的沉降計算欠固結土的沉降計算欠固結土的沉降不僅僅包括受附加應力

18、所引起的沉降，而且還包括地基土在自重作用下尚未固結的那部分沉降；對于欠固結土來說，即使沒有外荷載作用，該土層仍然會產(chǎn)生壓縮量欠固結土的沉降計算3.9 土的(單向)滲透固結理論-地 基沉降與時間的關系土體在外荷作用下的壓縮過程與時間有關工程設計中，我們不但需要預估建筑物基礎可能發(fā)生的最終沉降量，而且還常常需要預估建筑物基礎達到某一沉降量所需的時間或者預估建筑物完工后經(jīng)過一段時間可能產(chǎn)生的沉降量單向固結模型如果孔隙水只在沿一個方向排出，土的壓縮也只是在一個方向發(fā)生（一般指豎直方向），這種固結稱為單向固結。單向固結模型說明了土體固結的力學機理單向固結模型單向固結模型在某一壓力下，飽和土的固結過程就是

19、土體中各點的超孔隙水應力不斷消散、附加有效應力相應增加的過程，或者說是孔隙水應力逐漸轉化為附加有效應力的過程在轉化的過程中，任一時刻任一深度上的應力始終遵循有效應力原理求解地基沉降與時間關系的問題，實際上就變成求解在附加應力作用下，地基中各點的超孔隙水應力隨時間變化的問題Terzaghi單向固結理論土是均質、各向同性且飽和的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土的壓縮和固結僅在豎直方向發(fā)生孔隙水的外排符合達西定律，土的固結快慢決定于它的滲透速度在整個固結過程中，土的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)視為常數(shù)地面上作用著連續(xù)均布荷載并且是一次施加的Terzaghi單向固結理論Terzaghi單向固結理論時間dt內(nèi)流入與流出該單元的水量之差單元體體積的減小可根據(jù)式（41