土的固結(jié)與沉降

土的固結(jié)與沉降1第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四4.1概述各方向承受壓力的土，隨著孔隙水的排出產(chǎn)生的壓縮現(xiàn)象。1、固結(jié)2第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四1、固結(jié)4.1概述3第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四一維固結(jié)（大面積堆載）二維、三維固結(jié)（局部荷載）載荷試驗(yàn)（三維）1、固結(jié)4.1概述4第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四2、有效應(yīng)力有效自重應(yīng)力地下水位水壓力4.1概述5第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)一、總應(yīng)力、有效應(yīng)力和孔隙水壓力土中某單位面積（包括土顆粒與孔隙）上的平均壓應(yīng)力。通過土顆粒傳遞的壓應(yīng)力。通過孔隙傳遞的水壓應(yīng)力。孔隙水壓力u總應(yīng)力有效應(yīng)力飽和土6第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四孔隙壓力孔隙氣壓力（不研究）孔隙水壓力u靜水壓力（靜止孔隙水壓力）超靜水壓力（超靜止孔隙水壓力）飽和土飽和土4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)一、總應(yīng)力、有效應(yīng)力和孔隙水壓力7第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四帶孔活塞圓筒水——孔隙水彈簧——土骨架u4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)二、固結(jié)現(xiàn)象的模擬(0<t<∞)8第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四z透水面不可壓縮層不透水層Hp0u超靜水壓力靜水壓力4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)二、固結(jié)現(xiàn)象的模擬9第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四三、固結(jié)壓力—沉降—時(shí)間特性4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)10第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四四、固結(jié)試驗(yàn)（側(cè)限壓縮試驗(yàn)）（一）側(cè)限壓縮試驗(yàn)1試驗(yàn)方法

2求孔隙比epH0HsH0Hsp4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)11第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四p=0時(shí)，p=p時(shí)，推導(dǎo):2求孔隙比e設(shè)Vs=1壓縮前后截面不變VV0=e0Vs=1H0HpVV=eVs=1四、固結(jié)試驗(yàn)（側(cè)限壓縮試驗(yàn)）（一）側(cè)限壓縮試驗(yàn)4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)壓縮前后Vs不變s(4-9),p9512第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四1、e—p曲線ep軟粘土密實(shí)砂土e0e02、e—logp曲線ep(log)軟粘土密實(shí)砂土e0e0101001000四、固結(jié)試驗(yàn)（側(cè)限壓縮試驗(yàn)）（二）繪制壓縮曲線4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)13第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四（三）壓縮系數(shù)av、壓縮指數(shù)Cc

、壓縮模量Es1、壓縮系數(shù)avepe0M1e1p1M2e2p2壓縮系數(shù)：e—p曲線上任意點(diǎn)切線的斜率。2、壓縮指數(shù)Cc壓縮指數(shù)：e—logp曲線后段直線段的斜率。ep(log)101001000e1e2p1p21Cc四、固結(jié)試驗(yàn)e04.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)14第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)壓縮系數(shù)av是表征土壓縮性的重要指標(biāo)之一。在工程中，習(xí)慣上采用100kPa和200kPa范圍的壓縮系數(shù)av1～2來衡量土的壓縮性高低。我國的《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》按av1～2的大小，劃分地基土的壓縮性。當(dāng)av1～2

＜0.1MPa-1時(shí)屬低壓縮性土當(dāng)0.1MPa-1≤av1～2

＜0.5MPa-1時(shí)屬中壓縮性土當(dāng)av1～2≥0.5MPa-1時(shí)屬高壓縮性土15第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四3、壓縮模量（無側(cè)向膨脹變形模量）Es_H1H2p1Vs=1Vv0=e1Vs=1Vv=e2p2H0Hs四、固結(jié)試驗(yàn)4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)（三）壓縮系數(shù)av、壓縮指數(shù)Cc

、壓縮模量Esp16第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四4、其它壓縮性指標(biāo):除了壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)和壓縮模量Es之外，還常用到體積壓縮系數(shù)mv和變形模量E0等。體積壓縮系數(shù)mv定義為土體在單位應(yīng)力作用下單位體積的體積變化，其大小等于av/(1+e1)，其中，e1為初始孔隙比。變形模量E0表示土體在無側(cè)限條件下應(yīng)力與應(yīng)變之比，相當(dāng)于理想彈性體的彈性模量，但是由于土體不是理想彈性體，故稱為變形模量。E0的大小反映了土體抵抗彈塑性變形的能力。4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)17第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四由廣義虎克定律可得，變形模量與壓縮模量之間的關(guān)系（后面講述）：4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)18第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四單向壓縮量公式：

無側(cè)向變形條件下的土層壓縮量計(jì)算公式為根據(jù)av，mv和Es的定義，上式又可表示為4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)19第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四（四）土的回彈曲線和再壓縮曲線epe0壓縮曲線卸荷回彈曲線再加荷曲線殘余變形彈性變形piep(log)e0p1壓縮曲線回彈曲線再壓縮曲線四、固結(jié)試驗(yàn)4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)20第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四（五）正常固結(jié)、超固結(jié)、前期固結(jié)壓力現(xiàn)在地面h正常固結(jié)土pc=p1現(xiàn)在地面h超固結(jié)土pc>p1現(xiàn)在地面h欠固結(jié)土pc<p1h剝蝕前地面hc四、固結(jié)試驗(yàn)4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)21第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四4、確定前期固結(jié)壓力pc（做圖法）ep(log)pca水平線切線角平分線線be-logp曲線直線段延長線正常固結(jié)土—OCR=1超固結(jié)土—OCR>1欠固結(jié)土—OCR<1（五）正常固結(jié)、超固結(jié)、前期固結(jié)壓力pc四、固結(jié)試驗(yàn)4.2粘性土的固結(jié)特性及固結(jié)試驗(yàn)超固結(jié)比OCR=Pc/P122第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四

一維固結(jié)方程基本假設(shè)：（1）粘土層均質(zhì)、飽和。（2）土粒和水不可壓縮。（3）水的滲透和土的壓縮只沿豎向發(fā)生。（一維固結(jié)）（4）滲透服從Darcy定律，且k保持不變。（5）固結(jié)過程中，視壓縮系數(shù)av為常量。（6）地基作用連續(xù)均布外荷載，且一次瞬時(shí)施加。4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論23第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論透水面不可壓縮層不透水層Hp0uh斷面積Azzdz24第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四斷面積Azzdz一、固結(jié)的基本方程1、連續(xù)方程時(shí)間內(nèi)從單元中流出水的體積時(shí)間內(nèi)單元的體積壓縮量忽略不計(jì)土顆粒和水的壓縮量得到連續(xù)方程4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論25第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四2、孔隙水和土顆粒骨架特性的關(guān)系式（1）孔隙水的流動(dòng)符合達(dá)西定律（2）根據(jù)假定第二條，應(yīng)力應(yīng)變成比例（Es=常數(shù)）由前面可知所以（設(shè)K=常數(shù)）因?yàn)樗运裕ㄔO(shè)Es為常數(shù)）一、固結(jié)的基本方程4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論26第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四3、力的平衡方程把公式（2）、（3）代入公式（1）得式中Cv稱為固結(jié)系數(shù)一、固結(jié)的基本方程4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論27第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四初始條件和邊界條件(圖中的上半部）初始條件：ut=0=p0邊界條件:uz=H=0二、固結(jié)微分方程的解4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論28第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四解得

式中（4－42）稱為時(shí)間因素二、固結(jié)微分方程的解4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論注：雙面排水時(shí)，H取粘土層厚度的一半。單面排水時(shí)，H取粘土層的厚度。29第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四1、時(shí)間t時(shí)的固結(jié)沉降量St因?yàn)樗匀?、固結(jié)度4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論30第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四2、最終沉降量S上式中所以三、固結(jié)度4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論31第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四3、固結(jié)度U—在荷載作用下，經(jīng)過一定時(shí)間t，飽和粘性土層完成全部下沉量的百分?jǐn)?shù)。當(dāng)Tv較大時(shí)，取第一項(xiàng)作為近似值得4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論（4－45）定義32第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四4、求任意時(shí)刻t的沉降量St應(yīng)用（1）已知時(shí)間t和總沉降量S，求時(shí)間t的沉降量St（2）求達(dá)到某固結(jié)度所需時(shí)間t三、固結(jié)度4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論33第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四同理：情況B見（4－50）式：（p127）4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論不透水面透水面34第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四情況1見（4－51）式：U1=2UA-UB4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論透水面不透水面35第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四情況2見（4－52）式:其中，r=4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論U2=UA+(UA-UB)(r-1)/(r+1)不透水面透水面36第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四思考題：固結(jié)度與荷載大小有無關(guān)系？4.3單向固結(jié)理論太沙基單向固結(jié)理論37第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四天然地面一、分層總和法p0Z

i-1Z

i沉降計(jì)算深度z0b計(jì)算假定(1)地基土壓縮時(shí)不產(chǎn)生側(cè)向變形（計(jì)算s值偏?。?2)取基礎(chǔ)中心點(diǎn)下的附加應(yīng)力計(jì)算沉降（計(jì)算s值偏大）計(jì)算過程1、繪制基礎(chǔ)剖面圖，求2、求第i層的壓縮量4.4最終固結(jié)沉降量及固結(jié)沉降量隨時(shí)間變化預(yù)測(cè)38第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四2、求第i層的壓縮量HVs=1Vv1=e1Vv2=e2由壓縮試驗(yàn)可知所以epe0M1e1p1M2e2p2一、分層總和法39第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四天然地面p0B2、求第i層的壓縮量Hipi1e1i第i層土在平均自重壓力作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比e2i

第i層土在平均自重壓力p1i和平均附加應(yīng)力共同作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比一、分層總和法40第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四3、Hi的取值(1)因非線性,一般取Hi不大于0.4B(寬度),或1~2m.(2)薄壓縮層,當(dāng)H<0.5B時(shí),不分層計(jì)算.不可壓縮層BFGdH<0.5bp0p14、確定壓縮層厚度(沉降計(jì)算深度)zn取至(高壓縮性土)一、分層總和法41第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四p0Hipi15、求總沉降量

總沉降量一、分層總和法42第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四二、固結(jié)沉降量隨時(shí)間變化的計(jì)算某飽和粘土層如圖.求H=10mP0=120kPa(1)加荷一年的沉降量。(2)沉降量達(dá)156mm所需的時(shí)間。e0=1Es=6.0MPa不透水層解：單面排水1、最終沉降量S(Es=6000kPa)2、S一年K=1.8cm/年av=0.3MPa-1

查圖4.15得U=0.39所以S一年=0.39×0.2=0.078m4.4最終固結(jié)沉降量及固結(jié)沉降量隨時(shí)間變化預(yù)測(cè)例題43第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四4.4最終固結(jié)沉降量及固結(jié)沉降量隨時(shí)間變化預(yù)測(cè)3、沉降量達(dá)156mm所需的時(shí)間t查圖表得Tv=0.53所以二、固結(jié)沉降量隨時(shí)間變化的計(jì)算思考題：若是雙面排水求沉降量達(dá)156mm所需的時(shí)間t44第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四三、變形模量E0、壓縮模量Es、彈性模量E1、變形模量E0由彈性理論公式估算地基瞬時(shí)沉降：p(kPa)S(mm)100200300400102030040s1p1—比例界限荷載s1—與比例界限荷載對(duì)應(yīng)的沉降—?jiǎng)傂园宄两涤绊懼?表4－3，Cd)B—載荷板寬度4.4最終固結(jié)沉降量及固結(jié)沉降量隨時(shí)間變化預(yù)測(cè)p1（4－18），p10345第45頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四2、壓縮模量(側(cè)