土力學(xué)與基礎(chǔ)工程-第四章

1、土的變形性質(zhì)及地基(dj)沉降計(jì)算安徽建筑(jinzh)大學(xué) 土木工程學(xué)院共一百零三頁(yè)由于(yuy)沉降相互影響，兩棟相鄰的建筑物上部接觸共一百零三頁(yè)(2)蘇州虎丘塔 此塔位于蘇州市虎丘公園山頂，落成于宋太祖建隆二年（公元961年），距今已有1036。全塔7層，高47.5米。平面呈八角形。青磚砌筑。 1980年時(shí)，塔身已向東北方向嚴(yán)重傾斜，塔頂離中心線已達(dá)2.31米。底層塔身出現(xiàn)不少裂縫(li fng)。 寶塔傾斜為地基覆蓋層相差懸殊等原因造成。共一百零三頁(yè)土具有(jyu)變形特性荷載(hzi)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

2、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)沉降速率共一百零三頁(yè)4.1 土的壓縮性自重應(yīng)力(yngl)壓縮穩(wěn)定附加應(yīng)力導(dǎo)致地基土體變形體積(tj)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(guò)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)共一百零三頁(yè)4.1 土的壓縮性1、土的壓縮性：地基土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??；土顆粒本身(bnshn)、土中水及封閉在土中的氣體被壓縮，很小可忽略不

3、計(jì)。2、固結(jié)：土的壓縮隨時(shí)間增長(zhǎng)的過(guò)程稱為固結(jié)。對(duì)于透水性大的無(wú)粘性土，其壓縮過(guò)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。共一百零三頁(yè)土的壓縮性與沉降： 在附加應(yīng)力作用下，地基土產(chǎn)生體積縮小，這種特性稱為土的壓縮性，從而引起建筑物基礎(chǔ)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(huì)引起體積變形(bin xng)，如濕陷性黃土地基，由于含水量增高會(huì)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(huì)引起地基的膨脹，甚至把建筑物頂裂。共一百零三頁(yè)除此之外某些大城市，如墨西哥、上海等由于大量開(kāi)采地下水使地下水位普遍下降，從

4、而引起整個(gè)城市的普遍下沉。這可以用地下水位下降后地層的自重應(yīng)力增大來(lái)解釋。當(dāng)然，實(shí)際問(wèn)題也是很復(fù)雜的，還涉及(shj)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)方面的問(wèn)題。共一百零三頁(yè)為了保證建筑物的安全和正常使用，我們必須預(yù)先對(duì)建筑物基礎(chǔ)(jch)可能產(chǎn)生的最大沉降量和沉降差進(jìn)行估算。如果建筑物基礎(chǔ)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(méi)有保證的。對(duì)后一種情況，我們必須采取相應(yīng)的工程措施以確保建筑物的安全和正常使用。共一百零三頁(yè)為了研究(ynji)土的壓縮特性，通常需要進(jìn)行試驗(yàn)。室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)(shyn)（固結(jié)試驗(yàn)(shyn)）現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)（荷載試

5、驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)）4.1.2 土的壓縮性試驗(yàn)與壓縮性指標(biāo)共一百零三頁(yè)室內(nèi)(sh ni)固結(jié)試驗(yàn)與壓縮曲線支架加壓設(shè)備固結(jié)容器變形測(cè)量共一百零三頁(yè)用環(huán)刀切取扁圓柱體，一般高2厘米，面積為30cm2或50cm2,試樣連同環(huán)刀一起裝入護(hù)環(huán)內(nèi)，上下有透水石以便試樣在壓力作用下排水。在透水石頂部放一加壓上蓋，所加壓力通過(guò)加壓支架作用在上蓋，同時(shí)安裝一只百分表用來(lái)量測(cè)試樣的壓縮。由于試樣不可能產(chǎn)生側(cè)向變形而只有豎向壓縮。于是，把這種條件下的壓縮試驗(yàn)(shyn)稱為單向壓縮試驗(yàn)(shyn)或側(cè)限壓縮試驗(yàn)(shyn)。共一百零三頁(yè)水槽內(nèi)環(huán)環(huán)刀透水(tu shu)石試樣(sh yn)傳壓板百分表測(cè)定：軸向應(yīng)力軸向變

6、形時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果：P1s1e1e0Pte stP2s2e2P3s3e3共一百零三頁(yè)假定試樣土粒本身體積不變，土的壓縮僅由于孔隙(kngx)體積的減小，因此土的壓縮變形常用孔隙(kngx)比e的變化來(lái)表示。壓縮前壓縮后共一百零三頁(yè)壓力p與相應(yīng)(xingyng)的穩(wěn)定孔隙比的關(guān)系曲線稱為壓縮曲線。共一百零三頁(yè)a圖：壓力與加荷歷時(shí)關(guān)系。b圖：各級(jí)壓力下，試樣孔隙比隨時(shí)間(shjin)的變化過(guò)程。共一百零三頁(yè)(1) 壓縮系數(shù) 用單位壓力增量所引起的孔隙比的改變(gibin)，即壓縮曲線的割線坡度表征土的壓縮性的高低。共一百零三頁(yè)(1) 壓縮系數(shù)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。工程

7、(gngchng)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(lái)衡量土的壓縮性的高低。我國(guó)建筑(jinzh)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定a1-20.1 Mpa-1 屬低壓縮性土。0.1a1-20.5 Mpa-1 屬中壓縮性土。a1-20.5 Mpa-1 屬高壓縮性土。 共一百零三頁(yè)(2) 壓縮(y su)指數(shù)Cc 在較高的壓力范圍內(nèi)，壓縮曲線(qxin)近似為一直線，很明顯，該直線越陡，意味著土的壓縮性越高。共一百零三頁(yè)低壓縮性土中壓縮性土高壓縮性土Cc0.4共一百零三頁(yè)(3) 壓縮(y su)模量 Es 土在完全(wnqun)側(cè)限條件下豎向應(yīng)力增量p與相應(yīng)的應(yīng)變?cè)隽?的比值側(cè)限

8、壓縮模量，MPa。共一百零三頁(yè)試樣高度H土粒的體積(tj)Vs孔隙比e1孔隙(kngx)體積：Vv=e1Vs總體積：V1=Vv+Vs=(1+e1)Vs共一百零三頁(yè)共一百零三頁(yè) 土體在無(wú)側(cè)向變形(bin xng)條件下，豎直應(yīng)力與豎向應(yīng)變之比。其大小反映了土體在單向壓縮條件下對(duì)壓縮變形(bin xng)的抵抗能力。共一百零三頁(yè)低壓縮性土中壓縮性土高壓縮性土Es15MPaEs=415MPaEs30z0.30.60.81.01.21.5共一百零三頁(yè)無(wú)相鄰荷載影響(yngxing)，基礎(chǔ)寬度在130m范圍內(nèi)時(shí)壓縮(y su)層厚度zn：共一百零三頁(yè)應(yīng)力歷史： 土體在歷史上曾經(jīng)(cngjng)受過(guò)的應(yīng)力

9、狀態(tài)。固結(jié)應(yīng)力： 能夠使土體產(chǎn)生固結(jié)或壓縮的應(yīng)力。前期固結(jié)應(yīng)力： 土在歷史上曾受到過(guò)的最大固結(jié)應(yīng)力pc。4.3 土的應(yīng)力歷史對(duì)地基(dj)沉降的影響共一百零三頁(yè)4.3.1 超固結(jié)( ji)土比超固結(jié)比OCR：前期固結(jié)應(yīng)力pc與現(xiàn)有有效(yuxio)應(yīng)力（土層自重應(yīng)力）的比值。共一百零三頁(yè)OCR1 超固結(jié)( ji)土OCR1 正常(zhngchng)固結(jié)土OCR=uHztzuHzt uztp uHztz時(shí)無(wú)滲流不透水時(shí)時(shí)時(shí)s共一百零三頁(yè)m正奇數(shù)(1、3、5）；e自然對(duì)數(shù)(z rn du sh)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

10、時(shí)，H取土層厚度之半。共一百零三頁(yè)有了孔隙水壓力u隨時(shí)間t和深度(shnd)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：固結(jié)( ji)度共一百零三頁(yè)固結(jié)( ji)度共一百零三頁(yè)固結(jié)( ji)度共一百零三頁(yè)固結(jié)( ji)度與時(shí)間因素的關(guān)系共一百零三頁(yè)土層的平均固結(jié)度是時(shí)間因數(shù)Tv的單值函數(shù)，它與所加的附加(fji)應(yīng)力的大小無(wú)關(guān)，但與土層中附加(fji)應(yīng)力的分布形態(tài)有關(guān)。固結(jié)( ji)度及其應(yīng)用共一百零三頁(yè)利用圖4-28和式4-57，可以解決下列(xili)兩類(lèi)沉降計(jì)算問(wèn)題；已知土層的最終沉降量，求某一固結(jié)歷時(shí)t已完成的沉降；已知土層的

11、最終沉降量，求土層完成某一沉降量所需的時(shí)間。固結(jié)( ji)度及其應(yīng)用共一百零三頁(yè)【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，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(wèn):(1)加荷一年后，基礎(chǔ)中心點(diǎn)的沉降量為多少(dusho)？(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(lt)分析共一百零三頁(yè)實(shí)測(cè)沉降-時(shí)間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)(jngyn)公式共一百零三頁(yè)4.5 飽和(boh)粘性土地基沉降的三個(gè)階段瞬時(shí)(shn sh)沉降主固結(jié)沉降次固結(jié)沉降共一百

12、零三頁(yè)瞬時(shí)沉降指在加荷后立即發(fā)生的沉降。飽和粘土在很短的時(shí)間內(nèi)，孔隙中的水來(lái)不及排出，加之土體中的土粒和水是不可壓縮的，因而瞬時(shí)沉降是在沒(méi)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(c xin)變形引起的。瞬時(shí)沉降一般不予考慮共一百零三頁(yè)對(duì)于控制要求(yoqi)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。影響(yngxing)系數(shù)共一百零三頁(yè)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(guò)程(guchng)稱為主固結(jié)。 隨著時(shí)間的增加，孔隙水應(yīng)力逐漸消散，有效應(yīng)力逐

13、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，這一過(guò)程所產(chǎn)生的沉降為固結(jié)沉降。共一百零三頁(yè)次固結(jié)沉降 土體在主固結(jié)成將完成之后有效(yuxio)應(yīng)力不變的情況下，還會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)進(jìn)一步產(chǎn)生沉降，稱為次固結(jié)沉降。 次固結(jié)沉降對(duì)某些土，如軟粘土是比較重要的，對(duì)于堅(jiān)硬土或超固結(jié)土，這一分量相對(duì)較小。共一百零三頁(yè)次固結(jié)沉降說(shuō)明土具有流變性。土體的變形、應(yīng)力與時(shí)間有關(guān)(yugun)的性質(zhì)稱為土的流變性。蠕變(r bin)松弛共一百零三頁(yè)內(nèi)容摘要土的變形性質(zhì)及地基沉降計(jì)算。形狀變形主要由剪應(yīng)力引起，當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)。室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)（固結(jié)試驗(yàn)）?，F(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)（荷載試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)）。其大小反映了土體在單向壓縮條件下對(duì)壓縮變形的抵抗能力。卸荷再加荷模量：用卸載段和再