土力學(xué)與基礎(chǔ)工程(四)

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁第三節(jié)土的壓縮性與地基沉降一、土的壓縮實(shí)驗(yàn)與壓縮曲線地基土在壓力作用下體積縮小的特性稱為壓縮性，主要由土中孔隙水和藹體被排出，土粒重新羅列造成。見下圖。室內(nèi)側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)（亦稱固結(jié)實(shí)驗(yàn)）是研究土壓縮性的最基本主意。如上圖所示，設(shè)土樣的初始高度為H0，在荷載p作用下土樣穩(wěn)定后的總玨縮量為，假設(shè)土粒體積Vs=1（不變），按照土的孔隙比定義，則受壓前后土孔隙體積Vv分離為e0和，按照荷載作用下土樣壓縮穩(wěn)定后總壓縮量△于是得到e=e其中e式中：ρs、這樣，按照式(17-29)即可得到各級荷載p作用下對應(yīng)的孔隙比e，從而可繪制出土的曲線及曲線等（見下圖1、圖2）。(一)壓縮系數(shù)與壓縮模量在由壓縮實(shí)驗(yàn)所得的壓縮曲線（曲線）上，常以p1=100KPa、p2α1-2依α1-2可評價(jià)土的壓縮性高低土的壓縮模量E是表示土壓縮性的又一指標(biāo)，它與壓縮系數(shù)的關(guān)系為（二）壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)土在卸載再壓縮過程中所表現(xiàn)的特性應(yīng)在工程實(shí)踐中引起充足的重視。將圖17-20b）中e-lgp曲線直線段的斜率用Cc壓縮指數(shù)與壓縮系數(shù)不同，值隨壓力變化而變化，而值在壓力較大時(shí)為常數(shù)，不隨壓力變化而變化。值越大，土的壓縮性越高，低壓縮性土的普通小于0.2，高壓縮性土的值普通大于0.4。卸載段和再壓縮段的平均斜率（圖17-20）稱為回彈指數(shù)或再壓縮指數(shù)C，普通粘性土的≈(D.1～0.2)。（三）變形模量E它是由現(xiàn)場靜載實(shí)驗(yàn)決定的。E0二、基礎(chǔ)沉降工程上需要計(jì)算兩種沉降，地基的總算沉降量（即基礎(chǔ)沉降量）及隨意時(shí)刻的沉降量，分層總和法計(jì)算總算沉降量計(jì)算簡圖見下圖。(1)分層，普通取0.4b或1～2m，注重地下水位及土層界面應(yīng)為分層界面。(2)分離求每一薄層頂面和底面的σcz(3)決定壓縮層厚度，用應(yīng)力比法，即：普通土層σ軟土層σ(4)在壓縮層內(nèi)計(jì)算各土層壓縮量，各層壓縮量為ΔS(5)求各層壓縮量之和S“規(guī)范”法計(jì)算總算沉降量實(shí)質(zhì)是分層總和法的另一種形式。(1)分層按天然土層劃分，求各層沉降量ΔS(2)決定計(jì)算深度，在無相鄰基礎(chǔ)影響時(shí)可按下式計(jì)算zn式中：b——基底寬度，在1～50m之間；lnb——b的天然對數(shù)。(3)試算計(jì)算深度，若有相鄰基礎(chǔ)影響，可按下述步驟試算決定計(jì)算深度，先按照經(jīng)驗(yàn)假定計(jì)算深度為zn，并求出其沉降量，再按基底寬度b選取計(jì)算厚度，并求其沉降量，使其滿意(4)求總沉降量式中：s——地基總算變形量（mm）；s′——按規(guī)范分層總和法計(jì)算出的地基變形量（mm）；ψs——沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按照地區(qū)沉降觀測資料及經(jīng)驗(yàn)決定，也可查表；n——地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；p0——對應(yīng)于荷載效應(yīng)準(zhǔn)永遠(yuǎn)組合時(shí)的基礎(chǔ)底面處的附加壓力（kPa）；Esj——基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，按實(shí)際應(yīng)力范圍取值（MPa）；zi、zi-——分離為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面的距離（m）——分離為基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)，查相應(yīng)表格。（三）彈性理論主意計(jì)算總算沉降量式中：p——基礎(chǔ)底面的平均壓力；b——矩形基礎(chǔ)的寬度或圓形基礎(chǔ)的直徑；——分離為土的泊松比和變形模量；——沉降影響系數(shù)，與基礎(chǔ)的剛度、形狀和計(jì)算點(diǎn)位置等有關(guān)，可由表查得。三、地基變形與時(shí)光的關(guān)系地基變形與時(shí)光的關(guān)系可由土的固結(jié)理論決定。土的固結(jié)理論涉及飽和土的有效應(yīng)力原理和滲透固結(jié)機(jī)理。（一）土的滲透性地下水在土的連通孔隙中流通的難易程度，稱為土的滲透性。在計(jì)算沉降與時(shí)光的關(guān)系和地下水的涌水量時(shí)都需要土的滲透性指標(biāo)。水的流動狀態(tài)分為層流和紊流兩種。水在孔隙中流動速度緩慢，屬于層流。1856年，法國學(xué)者達(dá)西(Darcy)舉行了大量實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，單位時(shí)光通過砂層滲流出的水量q與水頭降低（）成正比，與砂層厚度（即滲流途徑）L成反比。即稱此為滲透定律（或達(dá)西定律）。它表明了水在土中的滲透速度與水頭梯度成正比(圖17-22)，即呈直線關(guān)系上述式中：v——水在土中的滲透速度(m/s)，即單位時(shí)光(s)內(nèi)流過一單位土截面(㎡)的水量(㎡)：k——土的滲透系數(shù)(m/s)，是與土的滲透性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；A-發(fā)生滲流土的橫截面積。對粘性土，因?yàn)橥亮１砻娲嬖诮Y(jié)合水膜，阻塞了孔隙間的通道，故惟獨(dú)當(dāng)水頭梯度（起始梯度）時(shí)才開始發(fā)生滲流。這樣粘性土中的達(dá)西定律應(yīng)表示為（二）沉降的歷時(shí)組成可以認(rèn)為地基總算沉降量通常是由三個(gè)部分組成的：瞬時(shí)沉降Sd（不排水沉降）、固結(jié)沉降Sc和次固結(jié)沉降S=S瞬時(shí)沉降是緊隨著加壓之后即時(shí)發(fā)生的沉降，此時(shí)地基土在荷載作用下只發(fā)生剪切變形，其體積還來不及發(fā)生變化。固結(jié)沉降是因?yàn)楹奢d作用下隨著土孔隙中水分的逐漸擠出，孔隙體積相應(yīng)減少而發(fā)生的。次固結(jié)沉降則是指孔隙水壓力消散后仍在繼續(xù)緩慢舉行的，由土骨架蠕變而引起的沉降。（三）應(yīng)力歷史與粘性土的壓縮性天然土層在地質(zhì)歷史中在不同壓力作用下壓縮的情況，稱為應(yīng)力歷史。在研究應(yīng)力歷史時(shí)應(yīng)注重兩個(gè)基本參數(shù)。（1）任何土層在歷史上所受過的最大有效壓力稱為前期固結(jié)壓力pc（2），與現(xiàn)有的土的自重應(yīng)力pi之比稱為“超固結(jié)比”(OCR=pc按照地基土層的應(yīng)力歷史，可將地基土層分為三種情況，見圖17-24。情況a），現(xiàn)地面以下某深度z處一點(diǎn)土的自重應(yīng)力為，這種土就稱為超固結(jié)土，處于超壓密狀態(tài)。壓縮量最小，于工程有利。情況b），γz=p情況c），土層也是逐漸沉積至現(xiàn)地面的，只是最后沉積的土年代較短，或?yàn)樾陆竺娣e的人工填土，在自重作用下并沒有達(dá)到徹低固結(jié)（變形穩(wěn)定），而是處于欠固結(jié)狀態(tài)，自重壓縮變形在繼續(xù)發(fā)展中。圖中虛線表示未來固結(jié)完畢后的地表。，稱為欠固結(jié)土，應(yīng)異常注重。（四）有效應(yīng)力原理在土體中惟獨(dú)通過土粒接觸點(diǎn)傳遞的應(yīng)力，才干使土粒彼此擠緊，從而引起土體變形。此應(yīng)力稱為粒間應(yīng)力，又稱有效應(yīng)力，用表示。其中孔隙水傳遞的部分，稱為靜壓力，在飽和土中受外荷載作用又以超靜孔隙水壓力（通稱孔隙水壓力）浮上，以u表示。如用p代表外荷載作用下的總應(yīng)力，則有效應(yīng)力原理可用下式表達(dá)（五）滲透固結(jié)簡介飽和粘土中在外荷載作用下，土的壓縮固結(jié)過程就是土中孔隙水逐漸被擠出、孔隙體積逐漸縮小、土粒逐漸被擠密、也就是孔隙水壓力逐漸消散、有效應(yīng)力逐漸增長的過程，這就是滲透固結(jié)或稱主固結(jié)。為求飽和土在隨意時(shí)刻的變形，需要用太沙基一維固結(jié)理論計(jì)算。其中重要的概念是固結(jié)度UU=S式中：Sct——Sc——為便于計(jì)算可利用有關(guān)圖表求解。在滲透固結(jié)中應(yīng)控制孔隙水壓力u是隨時(shí)光t和深度z兩個(gè)參數(shù)而變化的，因此排水情況要引起注重。計(jì)算中浮上的豎向固結(jié)時(shí)光因數(shù)Tv土層為單面排水（見下圖），起始孔隙水壓力為矩形分布時(shí)，固結(jié)度表達(dá)式為U0式中注重TV和CV的應(yīng)用。習(xí)題22用直角坐標(biāo)系繪制壓縮曲線可直接決定的壓縮性指標(biāo)是()。A．B．C．D．提醒：由曲線決定壓縮系數(shù)。答案：A23用分層總和法計(jì)算普通土地基總算沉降量時(shí)，用附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比決定壓縮層深度，普通其值應(yīng)小于或等于()。A．0.2B．0.1C.0.5D．0.4提醒：普通土取0.2，軟土可取0.1。其值越小，意味著壓縮層計(jì)算厚（深）度越厚（深）。答案：A24計(jì)算地基變形時(shí)，傳至基礎(chǔ)底面的荷載組合應(yīng)是()。A．荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合B．荷載效應(yīng)準(zhǔn)永遠(yuǎn)組合C．荷載效應(yīng)頻遇組合D．荷載效應(yīng)永遠(yuǎn)組合答案：B25某地基土壓縮模量為EsA．高B．中等C．低D．普通提醒：為低壓縮性土。答案：C26某單面排水、厚度5m的飽和粘土地基，，當(dāng)固結(jié)