清华大学胡黎明土力学-地基沉降

土力学清华大学土木水利学院岩土工程研究所土力学（1）绪论第一章土的物理性质与工程分类第二章土的渗透性和渗透破坏第三章土中应力计算第四章土的压缩性和地基沉降量计算第五章土的强度第四章土的压缩性和地基沉降量计算第一讲工程中的问题：如何计算地基基础沉降量？第四章土的压缩性和地基沉降量计算与地基沉降量计算相关的土应力-应变关系，主要是侧限条件下应力-压缩变形的关系地基最终沉降量计算的原理、方法和实际应用中的问题地基沉降过程计算的理论与方法第四章土的压缩性和地基沉降量计算第四章土的压缩性和地基沉降量计算§4.1土的压缩性§4.2地基最终沉降量的计算—分层总和法§4.3地基沉降与时间的关系第四章土的压缩性和地基沉降量计算§4.1.1土的变形特点一.土的变形机理二.土的变形特性测定方法三.土的本构关系模型简介§4.1.2侧限应力状态下土的变形特性§4.1土的压缩性土的压缩性是指土在静力作用下体积缩小的特性第四章土的压缩性和地基沉降量计算思考：土受力以后如何变形？应力～应变～变形土体变形有什么特殊性？(与其它材料相比)土的工程材料特点－内因土的变形机理和特性§4.1.1土的变形特点§4.1土的压缩性一、土的变形机理第四章土的压缩性和地基沉降量计算一、土的变形机理土的工程材料特点－回顾碎散性变形包括颗粒本身的变形，但更主要的是颗粒间相对滑移；多相性变形包括结合水膜和气体的压缩与变形；三相承受与传递荷载－有效应力原理；天然性土的变形特性复杂，与地质历史、结构性有关§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算颗粒本身的变形接触点变形、破碎，扁平颗粒挠曲、断裂变形量小，包括弹性变形和塑性变形颗粒间的相对滑移孔隙中水和气体的排出与流入，与时间相关大孔隙消失，变形量大，土体变形的主要部分非线性、塑性变形结合水膜变形弹塑性变形、粘滞性（流变性）气体的压缩和溶解弹性变形，滞后性一、土的变形机理§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算体应变主要是由于孔隙体积变化引起的；剪应变主要是由于土颗粒排列形态变化引起的。弹性变形接触点处弹性变形弹性挠曲变形颗粒滚爬的可逆性封闭气泡受压塑性变形大孔隙消失接触点颗粒破碎颗粒相对滑移扁平颗粒断裂一、土的变形机理§4.1土的压缩性变形量大，变形与时间有关第四章土的压缩性和地基沉降量计算一、土的变形机理土的应力应变关系－非常复杂线弹性体虎克定律：应力－应变线性关系土－复杂材料应力－应变关系特征弹塑性、非线性、剪胀性应力－应变关系复杂，影响因素多要用室内试验方法来模拟不同加载条件§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算一、土的变形机理－小结土的变形特点：变形量大、变形与时间相关体应变主要是由于孔隙体积发生了变化剪应变主要是由于土颗粒排列形态发生了变化内因：土的碎散性，多相性以及与天然性有关的各向异性、结构性、非均匀性等特点土的应力应变关系：弹塑性、非线性、剪胀性§4.1土的压缩性§4.1.1土的变形特点第四章土的压缩性和地基沉降量计算§4.1.1土的变形特点一.土的变形机理二.土的变形特性测定方法三.土的本构关系模型简介§4.1.2侧限应力状态下土的变形特性§4.1土的压缩性§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算§4.1.1土的变形特点§4.1土的压缩性二、土的变形特性测定方法三轴压缩试验侧限压缩试验载荷试验与旁压试验（P123）标准贯入试验与静力触探试验（P140）教学试验特殊应力状态一维问题轴对称问题自学室内试验现场试验§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算试验设备：三轴仪：试验、控制、量测系统应力状态：三轴应力=等向压缩+偏差应力试验类型：固结排水固结不排水不固结不排水二、土的变形特性测定方法三轴压缩试验第四章土的压缩性和地基沉降量计算试验仪器：三轴仪孔压传感器体变管轴向位移量测轴向力量测压力泵调压阀压力表压力室压力室底座主机马达主机框架离合器试验系统控制系统量测系统Casagrande1930年首先使用，可控制排水条件；可完整的描述试样受力、变形和破坏的全过程；可进行不同应力路径的试验；应力状态明确；变形量测简单二、土的变形特性测定方法第四章土的压缩性和地基沉降量计算二、土的变形特性测定方法－三轴压缩试验试样压力室压力水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩橡皮膜透水石顶帽(1-)三轴压缩试验过程常规试验围压不变制样施加周围压力施加竖向附加应力直至试样破坏§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算应力状态试样是轴对称应力状态竖直应力z是大主应力1；水平向应力2=3土试样三轴试样的应力状态二、土的变形特性测定方法－三轴压缩试验§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算三轴试验剪切过程中的莫尔圆变化量测系统可以量测孔压变化或体积变化(1-)f3(1-3)f/2试样试样压力室压力水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩橡皮膜透水石顶帽(1-)二、土的变形特性测定方法－三轴压缩试验§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算试验类型：排水与固结条件仪器特点：试样内有管道与外测水管或孔压量测装置连接，可以通过阀门开关控制排水与固结条件。固结(Consolidated)不固结(Unconsolidated)排水(Drained)不排水(Undrained)二、土的变形特性测定方法－三轴压缩试验§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算三轴压缩试验：固结条件固结(Consolidated)施加等向应力－围压后，将通向试样的阀门打开，与外界大气压相通，使超静孔压消散，如果体积压缩，则排水。不固结(Unconsolidated)施加围压时，关闭阀门，不允许试样内水排出，产生超静孔压31Bu二、土的变形特性测定方法－三轴压缩试验§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算三轴压缩试验：排水条件排水(Drained)施加轴向偏应力，试样剪切过程中，打开排水阀门让试样水充分进出，试样体积可压缩或剪胀，不产生超静孔压不排水(Undrained)施加轴向偏应力，试样剪切过程中，不打开排水阀门，水分不允许进出，饱和试样体积不变，产生超静孔压)(312BAu二、土的变形特性测定方法－三轴压缩试验§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算二、土的变形特性测定方法－三轴压缩试验试验类型固结排水(CD)施加围压充分固结，超静孔隙水压力完全消散；阀门打开，慢慢施加轴向应力差以避免产生超静孔压固结不排水(CU)施加围压充分固结，超静孔隙水压力完全消散；关闭阀门，很快剪切破坏不固结不排水(UU)关闭阀门，施加围压3关闭阀门，很快剪切破坏教学试验§4.1土的压缩性31Bu)(312BAu)(312BAu0u第四章土的压缩性和地基沉降量计算土的变形模量E0定义：围压一定条件与土性、围压力、应力水平和应力历史有关现场原位试验－荷载试验、旁压试验测定应用于弹性理论计算切线变形模量割线变形模量初始变形模量二、土的变形特性测定方法－三轴压缩试验0zzE§4.1土的压缩性iEseEtE第四章土的压缩性和地基沉降量计算二、土的变形特性测定方法三轴压缩试验侧限压缩试验教学试验§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算二、土的变形特性测定方法－侧限压缩试验侧限压缩试验:研究侧限压缩条件下有效应力与压缩应变之间关系的室内试验方法侧限压缩条件试验装置试验过程试验成果§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算侧限压缩条件应变条件应力条件独立变量z;0;0xyyzzxxy0;0xyzxyyzzxKzzσ,εzzyxv二、土的变形特性测定方法－侧限压缩试验§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算固结容器：环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等加压设备：杠杆比例1:10变形测量设备：百分表侧限压缩(固结)仪支架加压设备固结容器变形测量二、土的变形特性测定方法－侧限压缩试验§4.1土的压缩性试验装置第四章土的压缩性和地基沉降量计算试样水槽内环环刀透水石传压板百分表施加荷载，静置至变形稳定逐级加大荷载测定：轴向应力轴向变形试验过程二、土的变形特性测定方法－侧限压缩试验试验装置第四章土的压缩性和地基沉降量计算P1p2p1e2e0e3e1s2s3s试验成果试验成果二、土的变形特性测定方法－侧限压缩试验zpz)1(00ee1Es1Ee非线性弹塑性zszE§4.1土的压缩性侧限压缩模量Es第四章土的压缩性和地基沉降量计算§4.1土的压缩性zpz)1(00ee1Es1Ee非线性弹塑性zszE应力应变关系特征①竖向应力增大土体一直压缩②密实度越来越大，Es越来越大③z=v，e0/(1+e0)为体应变上限试验成果二、土的变形特性测定方法－侧限压缩试验土的侧限压缩模量定义：侧限应力状态与土性、应力历史有关应用于地基沉降计算zszE第四章土的压缩性和地基沉降量计算侧限压缩试验常规三轴试验侧限压缩试验zpz)1(00ee二、土的变形特性测定方法应力应变关系曲线的比较常规三轴试验§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算土的侧限变形模量Es(侧限压缩模量)条件：侧限应力状态土的变形模量E0条件：围压一定E0的用处弹性理论计算中需应用E0可用现场试验测得的E0计算EsE0与Es的关系二、土的变形特性测定方法202(1)1ssEEE1212§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算二、土的变形特性测定方法00000xyzzxzxxyEEEE100KKzyx202(1)1zzE202(1)1ssEEE22111§4.1土的压缩性土的变形模量E0E0与Es的关系－推导弹性理论：虎克定律侧限应变条件第四章土的压缩性和地基沉降量计算§4.1.1土的变形特点一.土的变形机理二.土的变形特性测定方法三.土的本构关系模型简介§4.1.2侧限应力状态下土的变形特性§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算本构模型：表示土在普遍应力状态下应力－应变关系的数学模型三、土的本构关系模型简介§4.1土的压缩性土的应力应变关系特点单向加载时1-1关系：非线性卸荷与重加荷时1-1关系：弹塑性剪应力与体积变化的关系：剪胀性应变与时间有关：流变性第四章土的压缩性和地基沉降量计算三、土的本构关系模型简介土的本构模型311311线弹性—理想塑性非线性弹性弹塑性311fE§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算三、土的本构关系模型简介31y)(311刚塑性模型弹塑性模型线弹性－理想塑性（简化弹塑性模型）土的本构关系模型§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算第四章土的压缩性和地基沉降量计算§4.1土的压缩性§4.1.1土的变形特点§4.1.2侧限应力状态下土的变形特性§4.2地基最终沉降量的计算—分层总和法§4.3地基沉降与时间的关系第四章土的压缩性和地基沉降量计算§4.1.2侧限应力状态下土的变形特性一、侧限压缩试验二、侧限压缩曲线e-p曲线e-lgp曲线侧限压缩试验参数三、原位压缩曲线先期固结压力原位压缩曲线的推求§4.1土的压缩性第四章土的压缩性和地基沉降量计算一、侧限压缩试验研究侧限压缩条件下有效应力与压缩应变之间关系的室内试验方法试验设备：侧限压缩仪（固结仪）侧限压缩试验应力