[理学]《土力学》 第四章土的压缩性.ppt
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1、第四章土的压缩性与地基沉降计算,沉降:在建筑物荷载作用下,地基土主要由 压缩而引起的竖向位移称为沉降。,最终沉降:经过长期固结达到 沉降稳定后的沉降量的大小。,沉固结沉降与时间关系: 随时间而改变的沉降过程。,Soil compressibility and calculation of foundation deformation,内容简介:,土的压缩性指标及其测定方法。 天然地基沉降计算的分层总和法和应力面积法。 沉降与时间关系问题太沙基一维固结理论。,土的压缩性分析是地基沉降计算的基础, 地基沉降计算、地基固结度计算是地基基础设计的主要内容。,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil c
2、ompressibility and calculation of foundation deformation,学习目标 学习基本要求 参考学习进度 主要基础知识,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compressibility and calculation of foundation deformation,学习目标,在学习土的压缩性指标确定方法的基础上,掌握地基最终沉降量计算原理和地基固结问题的分析计算方法。,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compressibility and calculation of foundation deformation,学习基本要求
3、,1掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法 2掌握地基最终沉降量计算方法 3熟悉不同应力历史条件的沉降计算方法 4掌握有效应力原理 5掌握太沙基一维固结理论 6掌握地基沉降随时间变化规律,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compressibility and calculation of foundation deformation,参考学习进度,主要基础知识,土中自重应力计算 土中附加应力计算 弹性力学基础知识 参阅:(1) 徐芝伦著,弹性力学,高等教育出版社,1990。 (2) 吴家龙编著,弹性力学,同济大学出版社,1993。,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compres
4、sibility and calculation of foundation deformation,沉降:在建筑物荷载作用下,地基土由于压缩而引起的竖向位移称为沉降。 建筑物地基沉降包含两方面的内容: 一、最终沉降 二、固结沉降与时间的关系,本章内容: 一、地基土压缩性指标及其测定方法 二、分层总和法和应力面积法 三、太沙基一维固结理论,工程实例,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,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compressibility and calcu
5、lation of foundation deformation,Kiss,由于沉降相互影响,两栋相邻的建筑物上部接触,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compressibility and calculation of foundation deformation,基坑开挖,引起阳台裂缝,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compressibility and calculation of foundation deformation,修建新建筑物:引起原有建筑物开裂,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compressibility and calculation
6、of foundation deformation,高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compressibility and calculation of foundation deformation,建筑物立面高差过大,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compressibility and calculation of foundation deformation,建筑物过长:长高比7.6:1,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compressibility and calculation of foundation defor
7、mation,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,土的特点 (碎散、三相),沉降具有时间效应沉降速率,第四章土的压缩性与地基沉降计算,土具有压缩性:,土体在外力作用下体积减小的特性。,土压缩通常有三部分:,(1)固体土颗粒被压缩。,(2)土中水及封闭气体被压缩。,(3)水和气从孔隙中挤出。,固体颗粒和水的压缩性很小,在一般压力100600kPa下可忽略。,土的压缩主要是孔隙中一部分水和空气被挤出,封闭气泡被压缩。,对于饱和土来说,土的压缩主要是孔隙水被
8、挤出。,概 述,第四章土的压缩性与地基沉降计算,土具有压缩性:,沉降具有时间效应沉降速率,土体在外力作用下体积减小的特性。,土的压缩表现为竖向变形和横向变形,以竖向变形为主。,土的压缩变形快慢与土的渗透性有关。,饱和土体在外力作用下,压缩随时间增长的过程,称为土的固结。,概 述,第四章土的压缩性与地基沉降计算,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!,4.1 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,4.2 一维压缩性及其指标,较复杂应力状态?,概 述,第四章土的压
9、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,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compressibility and calculation of foundation deformation,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,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
10、力应变关系,应力应变关系以某种粘土为例,非线性 弹塑性,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,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,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
11、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,2.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及应力应变关系,五、孔隙比与压缩量H的关系,初始孔隙比,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
12、最终沉降量计算 4.4 饱和土体的渗流固结理论,第四章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compressibility and calculation of foundation deformation,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 p 曲线,二、e lgp 曲线,四、先期固结压力,五、原位压缩曲线及原位再压缩曲线,三、现场载荷试验与变形模量,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 p 曲线,e,P(kPa),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 p 曲线,压缩系数,KPa-1,MPa-1,侧限压缩模量,KP
13、a ,MPa 侧限变形模量,固体颗粒,孔隙,P(kPa),书上加上“”号,弹性模量,KPa ,MPa 弹性模量一般采用三轴仪进行重复压缩试验测定,并将得到的应力-应变曲线上的初始切线模量或再加荷模量作为弹性模量。P104书上。,轴向应变,主应力差,室内三轴试验,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 p 曲线,压缩系数,kPa-1,MPa-1,侧限压缩模量,kPa ,MPa 侧限变形模量,固体颗粒,孔隙,体积压缩系数, kPa-1 ,MPa-1,P(kPa),弹性模量,kPa ,MPa,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 - 曲线,压缩系数,
14、kPa-1,a1-2常用作比较土的压缩性大小。,p(kPa),单向压缩试验的各种参数的关系,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 p 曲线,例题:4-1(P102)某土样的常规压缩试验 压缩前后压力: 压缩前后孔隙比: 求:该土样的压缩系数和相应的压缩模量,并评价其压缩性。,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 p 曲线,低压缩性土,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 lgp 曲线,e,压缩指数,Ce,回弹指数(再压缩指数),Ce Cc,一般Ce0.1-0.2Cc,e-p 曲线缺点: 不能反映土的应力历史,特点:有
15、一段较长的直线段,指标:,现场载荷试验,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,三、现场载荷试验与变形模量,现场载荷试验,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,三、现场载荷试验与变形模量,平板载荷试验要点,0.5 0.5m, 0.71 0.71m, 1.0 1.0m 不少于3点 8-10级 每级稳定的标准 承载力的特征值,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,三、现场载荷试验与变形模量,地基破坏的判定 (1)明显侧向挤出或发生裂纹 (2)荷载增量很小,沉降急剧增加, (3)某级荷载增量下,24小时内沉降不能稳定 (4)s/b0.06的荷载作为
16、破坏荷载,载荷试验,pcr,pu,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,三、现场载荷试验与变形模量,形状影响系数, 圆:079; 方:088,三种模量之间的关系:,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,三、现场载荷试验与变形模量,压缩模量Es:土在完全侧限条件下得到的,为竖向应力与相应的正应变的比值。该参数用于地基最终沉降量计算的分层总和法、应力面积法等方法中。 变形模量E0:根据现场载荷试验得到的,它是指土在自由膨胀的条件下正应力与相应的应变的比值。该参数用于弹性理论最终沉降估算中,但载荷试验中所规定的沉降稳定标准带有很大的近似性。 弹性模量Ei:可通过静
17、力法或动力法测定,它是指正应力与弹性(即可恢复)正应变的比值。该参数常用于弹性理论公式估算建筑物的初始瞬时沉降。 NOTES:压缩模量和变形模量的应变对应的总应变(弹性塑限应变) 弹性模量的应变只包含弹性应变,,压缩模量和变形模量之间的关系:,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,三、现场载荷试验与变形模量,侧压力系数,利用广义胡克定律推导: 有侧限压缩试验中:,K0经验值,压缩模量和变形模量之间的关系:,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,三、现场载荷试验与变形模量,侧压力系数,利用广义胡克定律推导: 有侧限压缩试验中:,实测资料表明: 的值并不像理论得
18、到的在01之间变化。而可能出现超过1的情况。且土的结构性越强或压缩性越小,其比值越大。 下表为全国普查结果。,压缩模量和变形模量之间的关系:,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,三、现场载荷试验与变形模量,实测资料表明: 的值并不像理论得到的在01之间变化。而可能出现超过1的情况。且土的结构性越强或压缩性越小,其比值越大。,四、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:土层历史上所经受到的最大固结压力pc (指有效应力),c= z:自重压力 pc= c:正常固结土 pc c:超固结土 pc c:欠固结土,OCR=1:正常固结 OCR
19、1:超固结 OCR1:欠固结,相同c时,一般OCR越大,土越密实,压缩性越小,超固结比:,书上用符号pc,应力历史: 土层在地质历史发展过程中所形成的先期应力状态以及这个状态对土层强度与变形的影响。,四、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,e,A,B,C,D,m,rmin,1,2,3,先期固结压力pc的确定: Casagrande(卡萨格兰德) 法,(f) B点对应于先期固结压力pc,(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-lg 压缩试验曲线上,找曲率最大点 m,p
20、c,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,五、原位压缩曲线及原位再压缩曲线,e,ab 沉积 bb 取样 bcd 室内试验,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,正常固结土:,超固结土:,?,p(lg), 确定先期固结压力pc 过e0 作水平线与pc 作用线交于B。由假定知,B点必然位于原状土的初始压缩曲线上; 以0.42e0 在压缩曲线上确定C点,由假定知,C点也位于原状土的初始压缩曲线上;,土样取出以后e不变,等于原状土的初始孔隙比e0,因而,( e0, pc)点应位于原状土的初始压缩曲线上; 0.
21、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, 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,五、原位压缩曲线及原位再压缩曲线,b. 超固结土,假定:, 土取出地面后体积不变,即(e0,c)在原位再压缩曲线上; 再压缩指数Ce 为常数; 0.42e0处的土与原状土一致,不受扰动影响。,推定:, 确定c ,pc的作用线; 过e0作水平线与 c作用线交于D点;, 过B和C点作直线即为原位压缩压缩曲线。, 过D点作斜率为Ce的直线,与pc作用线交于B点,DB为原位再压缩曲线;, 过0.42e0 作水平
22、线与e-lgp曲线交于点C;,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,五、原位压缩曲线及原位再压缩曲线,lgp,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,一、侧限压缩试验及其应力应变关系(复习),二、三轴压缩试验及其应力应变关系(复习),三、普遍应力应变关系及本构模型,四、荷载试验与旁压试验(自学),一、e -p曲线,二、e - lgp曲线,三、先期固结压力,四、原位压缩曲线及原位再压缩曲线,4.1 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,第四
23、章土的压缩性与地基沉降计算,Soil compressibility and calculation of foundation deformation,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:,t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,z=p,p,4土的压缩性与地基沉降计算,二、单一土层一维压缩问题,三、地基最终沉降量分层总和法,四、地基沉降计算的若干问题,4.3 地基的最终沉降量计算,一、弹性理论法(P110自学),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、计算的理论依据,一、弹性理论法,2、点荷载作用
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