土力学课件(清华大学)第四章

土的压缩性与地基沉降计算第四章工程实例§4土的压缩性与地基沉降计算问题：沉降2.2米，且左右两部分存在明显的沉降差。左侧建筑物于1969年加固。墨西哥某宫殿左部：1709年；右部：1622年；地基：20多米厚的粘土Kiss由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触基坑开挖，引起阳台裂缝修建新建筑物：引起原有建筑物开裂高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除建筑物立面高差过大建筑物过长：长高比7.6:1土具有压缩性荷载作用地基发生沉降荷载大小土的压缩特性地基厚度一致沉降（沉降量）差异沉降（沉降差）建筑物上部结构产生附加应力影响结构物的安全和正常使用概述§4土的压缩性与地基沉降计算土的特点（碎散、三相）沉降具有时间效应－沉降速率压缩性测试最终沉降量一维压缩一维固结沉降速率三维固结修正复杂条件下的计算公式简化条件主线、重点：一维问题！§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1土的压缩性测试方法§4.3地基的最终沉降量计算§4.4饱和土体的渗流固结理论室内试验室外试验侧限压缩、三轴压缩等荷载试验、旁压试验等概述§4.2一维压缩性及其指标较复杂应力状态？§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1土的压缩性测试方法§4.2一维压缩性及其指标§4.3地基的最终沉降量计算§4.4饱和土体的渗流固结理论§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1土的压缩性测试方法一、侧限压缩试验及其应力－应变关系（复习）水槽内环环刀透水石试样传压板百分表•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Pt1p2pSt1e2e0e3e1s2s3se试验结果：§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1土的压缩性测试方法一、侧限压缩试验及其应力－应变关系应力应变关系－以某种粘土为例zpz)e1(e001Es1Ee非线性弹塑性zszE侧限变形模量：§4土的压缩性与地基沉降计算二、三轴压缩试验及其应力－应变关系（复习）§4.1土的压缩性测试方法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量测体变或孔隙水压力测定：轴向应变轴向应力体变或孔隙水压力类型施加σ3时施加σ1－σ3时量测固结排水固结排水体变固结不排水固结不排水孔隙水压力不固结不排水不固结不排水孔隙水压力§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1土的压缩性测试方法二、三轴压缩试验及其应力－应变关系v应力应变关系－以某种粘土固结排水试验为例•与围压有关•非线性•弹塑性•剪胀性§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1土的压缩性测试方法三、普遍应力－应变关系及本构模型1.土变形的物理机制（原因）土受力以后为什么会表现出上述变形特性？——土的特殊性弹性变形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的大小和排列形态变化引起的。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3112131121非线性弹性31113243111324弹塑性线弹性-理想塑性311f1E311f311f1E2.土的本构模型§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1土的压缩性测试方法三、普遍应力－应变关系及本构模型§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1土的压缩性测试方法及应力应变关系四、荷载试验与旁压试验自学§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1土的压缩性测试方法§4.2一维压缩性及其指标§4.3地基的最终沉降量计算§4.4饱和土体的渗流固结理论§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标一、e-σ′曲线二、e-lgσ′曲线三、先期固结压力四、原位压缩曲线及原位再压缩曲线§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标一、e-σ′曲线a'(kP)01002003004000.60.70.80.91.0ePt1p2pSt1e2e0e3e1s2s3sei00i0ee(1e)S/H§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标一、e-σ′曲线'ea'(kP)01002003004000.60.70.80.91.0eea'压缩系数，KPa-1，MPa-1e1e0sz'E侧限压缩模量,KPa,MPa侧限变形模量固体颗粒孔隙z0e1e0s1eEavs01amE1e体积压缩系数，KPa-1，MPa-1§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标一、e-σ′曲线ea''ea'(kP)01002003004000.60.70.80.91.0e压缩系数，KPa-1a1-2常用作比较土的压缩性大小土的类别a1-2(MPa-1)高压缩性土0.5中压缩性土0.1-0.5低压缩性土0.1单向压缩试验的各种参数的关系指标指标amvEsa1mv(1+e0)(1+e0)/Esmva/(1+e0)11/EsEs(1+e0)/a1/mv1§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标一、e-σ′曲线§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标二、e-lgσ′曲线a'(kP,lg)10010000.60.70.80.9eceC(lg')Cc11Ce压缩指数Ce回弹指数（再压缩指数）CeCc，一般Ce≈0.1-0.2Cce-σ′曲线缺点：不能反映土的应力历史特点：有一段较长的直线段指标：三、先期固结压力§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标先期固结压力：历史上所经受到的最大压力p（指有效应力）s=z：自重压力p=s：正常固结土ps：超固结土ps：欠固结土psOCROCR=1：正常固结OCR1：超固结OCR1：欠固结相同σs时，一般OCR越大，土越密实，压缩性越小超固结比：三、先期固结压力§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标'(lg)eABCDm123先期固结压力σp的确定：Casagrande法(f)B点对应于先期固结压力p(b)作水平线m1(c)作m点切线m2(d)作m1,m2的角分线m3(e)m3与试验曲线的直线段交于点B(a)在e-lgσ’压缩试验曲线上，找曲率最大点mp§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标四、原位压缩曲线及原位再压缩曲线'(lg)eab——沉积bb’——取样b’cd——室内试验abbdc地下水位上升土层剥蚀冰川融化引起卸载，使土处于回弹状态原状土的原位压缩曲线：客观存在的，无法直接得到fg正常固结土：超固结土：ps0e0e42.0BCelg'①确定先期固结压力σp②过e0作水平线与σp作用线交于B。由假定①知，B点必然位于原状土的初始压缩曲线上；③以0.42e0在压缩曲线上确定C点，由假定②知，C点也位于原状土的初始压缩曲线上；①土样取出以后e不变，等于原状土的初始孔隙比e0，因而，（e0,σp）点应位于原状土的初始压缩曲线上；②0.42e0时，土样不受到扰动影响。a.正常固结土假定：推定：原位压缩曲线的近似推求④通过B、C两点的直线即为所求的位压缩曲线。§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标四、原位压缩曲线及原位再压缩曲线b.超固结土假定：①土取出地面后体积不变，即（e0,σs）在原位再压缩曲线上；②再压缩指数Ce为常数；③0.42e0处的土与原状土一致，不受扰动影响。推定：①确定σs，σp的作用线；②过e0作水平线与σs作用线交于D点；⑤过B和C点作直线即为原位压缩压缩曲线。0e0e42.0spelg'CBD③过D点作斜率为Ce的直线，与σp作用线交于B点，DB为原位再压缩曲线；④过0.42e0作水平线与e-lgσ’曲线交于点C；ps()原位压缩曲线的近似推求§4土的压缩性与地基沉降计算§4.2一维压缩性及其指标四、原位压缩曲线及原位再压缩曲线§4土的压缩性与地基沉降计算§4.1土的压缩性测试方法§4.2一维压缩性及其指标§4.3地基的最终沉降量计算§4.4饱和土体的渗流固结理论§4土的压缩性与地基沉降计算§4.3地基的最终沉降量计算最终沉降量S∞：StSt∞时地基最终沉降稳定以后的最大沉降量，不考虑沉降过程。不可压缩层可压缩层σz=pp§4土的压缩性与地基沉降计算一、单一土层一维压缩问题二、地基最终沉降量分层总和法三、地基沉降计算的若干问题§4.3地基的最终沉降量计算§4土的压缩性与地基沉降计算§4.3地基的最终沉降量计算1、计算简图压缩前szσszH2压缩后1szp1e2szzp2e侧限条件σz=ppHH/2H/2γ,e1一、单一土层一维压缩问题（a）e-σ´曲线（b）e-lgσ´曲线e1Vs1e1Vs2e12zv11eee1e1ezvSHH12zv1eeSHHH1eee1e2p1p2p§4土的压缩性与地基沉降计算§4.3地基的最终沉降量计算2、计算公式2111aaS(pp)HpH1e1espHpHSEE一、单一土层一维压缩问题（a）e-σ´曲线1221eea(pp)1aSA1evvSmpHmA12zv1eeSHHH1e§4土的压缩性与地基沉降计算§4.3地基的最终沉降量计算2、计算公式2C111peHSHClg()1e1ep一、单一土层一维压缩问题（b）e-lgσ´曲线优点:•可使用推定的原状土压缩曲线；•可以区分正常固结土和超固结土并分别进行计算。正常固结土：超固结土(并假定p2p)：12zv1eeSHHH1e1e2eBCelg'1p2p1e2eBCelg'1p2ppp2eC111ppHHSClgClg1ep1eA以公式为例He1eeS121zszH;;121eeSH1e•确定：•测定：e-p曲线或者e-lgp曲线•查定：•算定：1szp2szzp2e;1e§4土的压缩性与地基沉降计算§4.3地基的最终沉降量计算3、计算步骤一、单一土层一维压缩问题侧限条件HszσszH2σz=ppH/2H/2γ,e1ee1e2p1p2p1、基本假定和基本原理理论上不够完备，缺乏统一理论；单向压缩分层总和法是一个半径验性方法。§4土的压缩性与地基沉降计算§4.3地基的最终沉降量计算二、地基最终沉降量分层总和法（a）假设基底压力为线性分布（b）附加应力用弹性理论计算（c）只发生单向沉降：侧限应力状态（d）只计算固结沉降，不计瞬时沉降和次固结沉降（e）将地基分成若干层，认为整个地基的最终沉降量为各层沉降量之和：iSS2、计算步骤§4土的压缩性与地基沉降计算§4.3地基的最终沉降量计算二、地基最终沉降量分层总和法情况1•不考虑地基回弹的情形：•沉降量从原基底算起；•适用于基础底面积小，埋深浅，施工快。•考虑地基回弹的情形：•沉降量从回弹后的基底算起；•基础底面大，埋深大，施工期长。情况2d地面基底已知：地基各土层的压缩曲线原状土压缩曲线d地面基底2、计算步骤－情况1§4土的压缩性与地基沉降计算§4.3地基的最终沉降量计算二、地基最终沉降量分层总和法(a)计算原地基中自重应力分布(b)基底附加压力p0pp0dp0=p-d(c)确定地基中附加应力z分布自重应力附加应力(d)确定计算深度zn①一般土层：σz=0.2σsz；②软粘土层：σz=0.1σsz；③一般房屋基础：Zn=B(2.5-0.4lnB)；④基岩或不可压缩土层。沉降计算深度σsz从地面算起；σz从基底算起；σz是由基底附加应力p-γd引起的2、计算步骤－情况1§4土的压缩性与地基沉降计算§4.3地基的最终沉降量计算二、地基最终沉降量分层总和法(a)计算原地基中自重应力分布(b)基底附加压力p0(c)确定地基中附加应力z分布(d)确定计算深度znd地面基底pp0d自重应力附加应力沉降计算深度(e)地基分层Hi①不同