土力學(xué)與土質(zhì)學(xué)課件第4章ppt

土力學(xué)和土質(zhì)學(xué) 第4章土的壓縮性與地基沉降計(jì)算 基本內(nèi)容 這是本課程的重點(diǎn) 在學(xué)習(xí)土的壓縮性指標(biāo)確定方法的基礎(chǔ)上 掌握地基最終沉降量計(jì)算原理和地基固結(jié)問題的分析計(jì)算方法 學(xué)習(xí)要求 1 掌握土的壓縮性與壓縮性指標(biāo)確定方法 2 掌握地基最終沉降量計(jì)算方法 3 熟悉不同應(yīng)力歷史條件的沉降計(jì)算方法 4 掌握有效應(yīng)力原理 5 掌握太沙基一維固結(jié)理論 6 掌握地基沉降隨時(shí)間變化規(guī)律 4 1概述 土在自重應(yīng)力或附加應(yīng)力作用下 地基土要產(chǎn)生附加變形 包括體積變形和形狀變形 對于土來說 體積變形通常表現(xiàn)為體積縮小 我們把這種在外力作用下土體積縮小得特性稱為土的壓縮性 土的壓縮性主要有兩個(gè)特點(diǎn) 1 土的壓縮性主要是由于孔隙體積減少而引起的 2 由于孔隙水的排出而引起的壓縮對于飽和粘土來說需要時(shí)間 將土的壓縮隨時(shí)間增長的過程稱為土的固結(jié) 在建筑物荷載作用下 地基土主要由于壓縮而引起的豎直方向的位移稱為沉降 研究建筑物沉降包含兩方面的內(nèi)容 一是絕對沉降量的大小 亦即最終沉降 二是沉降與時(shí)間的關(guān)系 主要介紹太沙基的一維固結(jié)理論 土體產(chǎn)生體積縮小的原因 1 固體顆粒的壓縮 2 孔隙水和孔隙氣體的壓縮 孔隙氣體的溶解 3 孔隙水和孔隙氣體的排出 由于純水的彈模約為2 106kPa 固體顆粒的彈模為9 l07kPa 土粒本身和孔隙中水的壓縮量 在工程壓力 100 600kPa 范圍內(nèi) 不到土體總壓縮量的1 400 因此?？陕圆挥?jì) 所以 土體壓縮主要來自孔隙水和土中孔隙氣體的排出 孔隙中水和氣體向外排出要有一個(gè)時(shí)間過程 因此土的壓縮亦要一段時(shí)間才能完成 把這一與時(shí)間有關(guān)的壓縮過程稱為固結(jié) 土的壓縮性概念 4 2有效應(yīng)力原理 作用于飽和土體內(nèi)某截面上總的正應(yīng)力s由兩部分組成 一部分為孔隙水壓力u 它沿著各個(gè)方向均勻作用于土顆粒上 其中由孔隙水自重引起的稱為靜水壓力 由附加應(yīng)力引起的稱為超靜孔隙水壓力 孔隙水壓力 另一部分為有效應(yīng)力s 它作用于土的骨架 土顆粒 上 其中由土粒自重引起的即為土的自重應(yīng)力 由附加應(yīng)力引起的稱為附加有效應(yīng)力 飽和土中總應(yīng)力與孔隙水壓力 有效應(yīng)力之間存在如下關(guān)系 1 任一平面上受到的總應(yīng)力等于有效應(yīng)力加孔隙水壓力之和 2 土的強(qiáng)度的變化和變形只取決于土中有效應(yīng)力的變化 4 3土的壓縮性 土的壓縮試驗(yàn)與壓縮性指標(biāo) 土體的變形計(jì)算 需要取得土的壓縮性指標(biāo) 可以通過室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)和現(xiàn)場原位試驗(yàn)得到 室內(nèi)壓縮試驗(yàn)亦稱固結(jié)試驗(yàn) 是研究土壓縮性最基本的方法 現(xiàn)場載荷試驗(yàn)是在工程現(xiàn)場通過千斤頂逐級(jí)對置于地基土上的載荷板施加荷載 觀測記錄沉降隨時(shí)間的發(fā)展以及穩(wěn)定時(shí)的沉降量s 并繪制成p s曲線 即獲得地基土載荷試驗(yàn)的結(jié)果 反映土的壓縮性的指標(biāo)主要有壓縮系數(shù) 壓縮模量 壓縮指數(shù)和變形模量 土的壓縮性的高低 常用壓縮性指標(biāo)定量表示 壓縮性指標(biāo) 通常由工程地質(zhì)勘察取天然結(jié)構(gòu)的原狀土樣進(jìn)行 側(cè)限壓縮試驗(yàn)亦稱固結(jié)試驗(yàn) 所謂側(cè)限 就是使土樣在豎向壓力作用下只能發(fā)生豎向變形 而無側(cè)向變形 室內(nèi)壓縮試驗(yàn)采用的試驗(yàn)裝置為壓縮儀 圖片 試驗(yàn)時(shí)將切有土樣的環(huán)刀置于剛性護(hù)環(huán)中 由于金屬環(huán)刀及剛性護(hù)環(huán)的限制 使得土樣在豎向壓力作用下只能發(fā)生豎向變形 而無側(cè)向變形 在土樣上下放置的透水石是土樣受壓后排出孔隙水的兩個(gè)界面 壓縮過程中豎向壓力通過剛性板施加給土樣 土樣產(chǎn)生的壓縮量可通過百分表量測 常規(guī)壓縮試驗(yàn)通過逐級(jí)加荷進(jìn)行試驗(yàn) 常用的分級(jí)加荷量p為 50kPa 100kPa 200kPa 300kPa 400kPa 室內(nèi)壓縮試驗(yàn)過程可參見如下圖的室內(nèi)壓縮試驗(yàn)演示 1 側(cè)限壓縮試驗(yàn) 土的壓縮是由于孔隙體積減小 所以土的變形常用孔隙比 表示 室內(nèi)壓縮試驗(yàn)采用的試驗(yàn)裝置 固結(jié)儀 側(cè)限壓縮試驗(yàn)裝置1 壓力容器 2 透水石3 環(huán)刀 4 傳壓板 5 荷載 6 護(hù)環(huán) 7 土樣 壓縮曲線 e lgp曲線確定壓縮指數(shù) e p曲線確定壓縮系數(shù) 回彈曲線和再壓縮曲線 壓縮曲線特征 1 卸荷時(shí) 試樣不是沿初始?jí)嚎s曲線 而是沿曲線bc回彈 可見土體的變形是由可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的塑性變形兩部份組成 2 回彈曲線和再壓線曲線構(gòu)成一迴滯環(huán) 土體不是完全彈性體 3 回彈和再壓縮曲線比壓縮曲線平緩得多 4 當(dāng)再加荷時(shí)的壓力超過b點(diǎn) 再壓縮曲線就趨于初始?jí)嚎s曲線的延長線 土體變形機(jī)理非常復(fù)雜 不是理想的彈塑性體 而是具彈 粘 塑性的自然歷史的產(chǎn)物 2 壓縮指標(biāo) 反映土的壓縮性的指標(biāo)主要有壓縮系數(shù) 壓縮指數(shù) 壓縮模量和變形模量 壓縮系數(shù) 曲線上任意兩點(diǎn)割線的斜率 可表示為 式中負(fù)號(hào)表示隨著壓力p的增加 e逐漸減少 壓縮性不同的土 其壓縮曲線的形狀是不一樣的 曲線愈陡 說明隨著壓力的增加 土孔隙比的減小愈顯著 因而土的壓縮性愈高 自重應(yīng)力p1增加到外荷作用土中應(yīng)力p2 自重與附加應(yīng)力之和 2 壓縮指標(biāo) 壓縮指數(shù) e lgp坐標(biāo)系統(tǒng)中的曲線上直線的斜率 即 Cc是無量綱系數(shù) 同壓縮系數(shù)a一樣 壓縮指數(shù)Cc值越大 土的壓縮性越高 雖然壓縮系數(shù)a和壓縮指數(shù)Cc都是反映土的壓縮性指標(biāo) 但兩者有所不同 前者隨所取的初始?jí)毫皦毫υ隽康拇笮《?而后者在較高的壓力范圍內(nèi)卻是常量 不隨壓力而變 卸載段和再加載段的平均斜率稱為土的回彈指數(shù)Ce 而Ce Cc 一般粘性土的Cc值在1 0左右 Ce值在 0 1 0 2 Cc之間 2 壓縮指標(biāo) 壓縮模量 土體在完全側(cè)限的條件下 豎向應(yīng)力增量與豎向應(yīng)變增量的比值 或 為了便于應(yīng)用和比較 通常采用壓力由p1 100kPa增加到p2 200kPa時(shí)所得的壓縮系數(shù)a1 2來評定土的壓縮性 Es的倒數(shù)成為土的體積壓縮系數(shù)mv 它表示單位壓應(yīng)力變化引起的單位體積變化 MPa 1 a1 2 0 1MPa 1時(shí) 低壓縮性土0 1 a1 2 0 5MPa 1時(shí) 中壓縮性土a1 2 0 5MPa 1時(shí) 高壓縮性土 2 壓縮指標(biāo) 土的變形模量 土體在無側(cè)向約束條件下 豎向應(yīng)力與豎向應(yīng)變的比值 豎向應(yīng)變中包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變 稱之為變形模量 變形模量與壓縮模量之間的關(guān)系 變形模量可以由現(xiàn)場靜荷載試驗(yàn)或旁壓試驗(yàn)測定 3 現(xiàn)場靜荷載試驗(yàn) 現(xiàn)場載荷試驗(yàn)是在工程現(xiàn)場通過千斤頂逐級(jí)對置于地基土上的載荷板施加荷載 觀測記錄沉降隨時(shí)間的發(fā)展以及穩(wěn)定時(shí)的沉降量s 將上述試驗(yàn)得到的各級(jí)荷載與相應(yīng)的穩(wěn)定沉降量繪制成p s曲線 即獲得了地基土載荷試驗(yàn)的結(jié)果 地基土現(xiàn)場載荷試驗(yàn)圖 1 承壓板2 千斤頂3 百分表4 平臺(tái)5 支墩6 堆載 4 4基礎(chǔ)最終沉降量計(jì)算 1 定義 地基土層在建筑物荷載作用下 不斷產(chǎn)生壓縮 直至壓縮穩(wěn)定后地基表面的沉降量稱為地基的最終沉降量 2 原因 其外因主要是建筑物荷載在地基中產(chǎn)生附加應(yīng)力 內(nèi)因是土的碎散性 孔隙發(fā)生壓縮變形 引起地基沉降 3 目的 判斷地基變形值是否超出允許的范圍 以便在建筑物設(shè)計(jì)時(shí) 采取相應(yīng)的工程措施 保證建筑物的正常使用 4 方法 有關(guān)地基沉降量的方法很多 工業(yè)與民用建筑中常見的有分層總和法和 規(guī)范 法 還有彈性理論法和數(shù)值計(jì)算法 一 分層總和法 1 計(jì)算原理 一般取基底中心點(diǎn)下地基附加應(yīng)力來計(jì)算各分層土的豎向壓縮量 認(rèn)為基礎(chǔ)的平均沉降量s為各分層上豎向壓縮量Dsi之和 2 幾點(diǎn)假設(shè) 地基土為一均勻的 等向的半無限空間彈性體 計(jì)算部位為基礎(chǔ)中心點(diǎn)O下土柱所受附加應(yīng)力 z進(jìn)行計(jì)算 地基土的變形條件為側(cè)限條件 計(jì)算深度因工程上附加應(yīng)力擴(kuò)散隨深度而減少 計(jì)算到某一深度 受壓層 即可 3 方法與步驟 繪制地基和基礎(chǔ)的剖面圖 劃分若干薄層 計(jì)算各層的自重應(yīng)力 c與附加應(yīng)力 z 分別繪制其中心線左側(cè)和右側(cè) 確定沉降計(jì)算深度Zn 計(jì)算各薄層的壓縮量Si 計(jì)算地基最終沉降量S 分層總和法 取分層厚hi 0 4b或hi 1 2m b為基礎(chǔ)寬度 取 z 0 2 c 中 低壓縮性土 或 z 0 1 c 高壓縮性土 處的土層深度為地基沉降計(jì)算深度 平均自重應(yīng)力p1i和平均附加應(yīng)力 pi平均自重應(yīng)力p1i和平均自重應(yīng)力p1i與平均附加應(yīng)力 pi之和 p1i pi 在壓縮曲線上查出相應(yīng)的初始孔隙比和壓縮穩(wěn)定后的孔隙比 計(jì)算各分層土的壓縮量 si 地基最終沉降量s的分層總和法公式 例題4 1 條形基礎(chǔ)寬度為2 0m 傳至地面的荷載為100kN m 基礎(chǔ)理置深度為1 2m 地下水位在基底以下0 6m 如下圖所示 地基土的室內(nèi)壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)e p數(shù)據(jù)下表所示 用分層總和法求基礎(chǔ)中點(diǎn)的沉降量 解 1 地基分層 考慮分層厚度不超過0 4b 0 8m以及地下水位 基底以下厚1 2m的粘土層分成兩層 層厚均為0 6m 其下粉質(zhì)粘土層分層厚度均取為0 8m 2 計(jì)算自重應(yīng)力計(jì)算分層處的自重應(yīng)力 地下水位以下取有效重度進(jìn)行計(jì)算 計(jì)算各分層上下界面處自重應(yīng)力的平均值 作為該分層受壓前所受側(cè)限豎向應(yīng)力p1i 3 計(jì)算豎向附加應(yīng)力 基底平均附加應(yīng)力為 4 將各分層自重應(yīng)力平均值和附加應(yīng)力平均值之和作為該分層受壓后的總應(yīng)力p2i 5 確定壓縮層深度 按sz sc 0 2來確定壓縮層深度 在z 4 4m處 sz sc 14 8 62 5 0 237 0 2 在z 5 2m處 sz sc 12 7 69 0 0 184 0 2 所以壓縮層深度可取為基底以下5 2m 6 計(jì)算各分層的壓縮量 7 計(jì)算基礎(chǔ)平均最終沉降量 二 規(guī)范 法 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 所推薦的地基最終沉降量計(jì)算方法是另一種形式的分層總和法 它也采用側(cè)限條件的壓縮性指標(biāo) 并運(yùn)用了平均附加應(yīng)力系數(shù)計(jì)算 還規(guī)定了地基沉降計(jì)算深度的標(biāo)準(zhǔn)以及提出了地基的沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù) 使得計(jì)算成果接近于實(shí)測值 平均附加應(yīng)力系數(shù)的物理意義 分層總和法中地基附加應(yīng)力按均質(zhì)地基計(jì)算 即地基土的壓縮模量Es不隨深度而變化 從基底至地基任意深度Z范圍內(nèi)的壓縮量為 附加應(yīng)力面積 深度z范圍內(nèi)的豎向平均附加應(yīng)力系數(shù) 深度z范圍內(nèi)豎向附加應(yīng)力面積的等代值 成層地基中第i分層的沉降量的計(jì)算公式 地基最終沉降量計(jì)算公式 地基沉降計(jì)算深度zn 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 規(guī)定zn應(yīng)滿足下列條件 包括考慮相鄰荷載的影響 無相鄰荷載影響 基礎(chǔ)中點(diǎn)的地基沉降計(jì)算深度也可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù) 例題4 2 設(shè)基礎(chǔ)底面尺寸為4 8m 3 2m 埋深為1 5m 傳至地面的中心荷載F 1800kN 地基的土層分層及各層土的側(cè)限壓縮模量 相應(yīng)于自重應(yīng)力至自重應(yīng)力加附加應(yīng)力段 如下圖所示 持力層的地基承載力為fk 180kPa 用 規(guī)范法 計(jì)算基礎(chǔ)中點(diǎn)的最終沉降 解 1 基底附加壓力 2 取計(jì)算深度為8m 過程見表 計(jì)算沉降量為123 4mm 3 確定沉降計(jì)算深度zn根據(jù)b 3 2m查表4 3上可得Dz 0 6m相應(yīng)于往上取Dz厚度范圍 即7 4 8 0m深度范圍 的土層計(jì)算沉降量為l 3 0 025 123 4 3 08mm 滿足要求 故計(jì)算深度可取為8m 4 確定ys由于p0 0 75fk 135kPa 查表4 4得 ys 1 04 5 計(jì)算s 分層總和法討論 地基沉降的分層總和法的基本用意是為了解決地基的成層性和非均質(zhì)性所帶來的計(jì)算上的困難 分層總和法以均質(zhì)彈性半空間的應(yīng)力來計(jì)算非均質(zhì)地基的變形的做法 在理論上顯然不協(xié)調(diào) 其所引起的計(jì)算誤差也還沒有得到理論和實(shí)驗(yàn)的充分驗(yàn)證 分層總和法最為適用于土體的單向壓縮變形計(jì)算 因?yàn)镵0條件下的土體只有體積變形 所以計(jì)算所得的是地基最終固結(jié)沉降 通常粗略地把單向壓縮分層總和法的計(jì)算結(jié)果看成是地基最終沉降 而不考慮地基瞬時(shí)沉降 傳統(tǒng)的和規(guī)范推薦的兩種單向壓縮分層總和法 就計(jì)算方法而言并無太大差別 規(guī)范法的重要特點(diǎn)引入了沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù) 以校正計(jì)算值與實(shí)測值的偏差 砂土地基在荷載作用下由土的體積變形和剪切變形引起的沉降在短時(shí)間內(nèi)幾乎同時(shí)完成 地基沉降計(jì)算深度用于確定地基沉降有影響的土層范圍 保證滿足沉降計(jì)算的精度要求 地基沉降計(jì)算深度的確定標(biāo)準(zhǔn)有二種 應(yīng)力比法和與變形比法 三 彈性理論法 彈性理論法計(jì)算地基沉降是基于布辛奈斯克課題的位移解 地基沉降的彈性力學(xué)公式 常用于計(jì)算飽和軟粘土地基在荷載作用下的初始沉降 也適用于砂土地基沉降計(jì)算 彈性半空間表面作用著一個(gè)豎向集中力P時(shí) 則半空間表面任意點(diǎn)的豎向位移w x y 0 就是地基表面的沉降S 式中 E0土的變形模量 矩形角點(diǎn)下地面沉降計(jì)算荷載性質(zhì) 柔性荷載計(jì)算方法 角點(diǎn)法 疊加原理均布矩形荷載p0 基底附加壓力 作用下 其角點(diǎn)的沉降為 按上式積分可得角點(diǎn)C的沉降 式中 c角點(diǎn)沉降系數(shù) 其中m l b 矩形荷載作用下地面沉降計(jì)算 矩形中心點(diǎn)下地面沉降計(jì)算均布矩形荷載p0作用下 其中心點(diǎn)的沉降為 式中 中心點(diǎn)沉降系數(shù) 2 c 矩形荷載下地面平均沉降均布矩形荷載p0作用下 其平均沉降為 積分得 式中 m平均沉降影響系數(shù) 4 4 4應(yīng)力歷史 前期固結(jié)應(yīng)力pc 土在應(yīng)力歷史上 固結(jié)過程中 所受到的最大有效應(yīng)力 稱之為 超固結(jié)比OCR 前期固結(jié)應(yīng)力與現(xiàn)有的自重應(yīng)力之比 即OCR pc p1 正常固結(jié)土 OCR 1 土層歷史上經(jīng)受的最大壓力為現(xiàn)有覆蓋土的自重應(yīng)力 超固結(jié)土 OCR 1 OCR愈大 土受到超固結(jié)作用愈強(qiáng) 其它條件相同 壓縮性愈低 欠固結(jié)土 OCR 1 土在自重作用下還沒有完全固結(jié) 土的固結(jié)應(yīng)力末全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力 即尚有一部分由孔隙水所承擔(dān) 即pc p1 如人工填土或新近沉積粘性土 欠固結(jié)土在自重作用下引起地面沉降 應(yīng)力歷史對地基沉降的影響 在a b c三個(gè)土層現(xiàn)有地面以下同一深度z處 土的現(xiàn)有應(yīng)力雖然相同 但是由于它們經(jīng)歷的應(yīng)力歷史不同 因而在壓縮曲線上處于不同的位置 對于正常固結(jié)土 它在沉積過程中巳從e0開始在自重應(yīng)力作用下沿現(xiàn)場壓縮曲線至a點(diǎn)固結(jié)穩(wěn)定 對于超固結(jié)土 它曾在自重應(yīng)力力作用下沿現(xiàn)場壓縮曲線至b點(diǎn) 后因上部土層沖蝕 現(xiàn)巳回彈穩(wěn)定在b 點(diǎn) 對于欠固結(jié)土 由于在自重應(yīng)力作用下還未完全固結(jié) 目前它處于現(xiàn)場壓縮曲線上的c點(diǎn) 若對三種土再施加相同的固結(jié)應(yīng)力 p 那么 正常固結(jié)和欠固結(jié)土將分別由a和c點(diǎn)沿現(xiàn)場壓縮曲線至d點(diǎn)固結(jié)穩(wěn)定 而超固結(jié)土 則由b 點(diǎn)沿現(xiàn)場再壓縮曲線至d點(diǎn)固結(jié)穩(wěn)定 顯然 三者的壓縮量是不同的 其中欠固結(jié)土最大 超固結(jié)土最小 而正常固結(jié)土則介于兩者之間 這個(gè)問題用e p曲線法是無法考慮 只有采用e logp曲線法才能解決 1 前期固結(jié)壓力的確定 Casagrandemethod 1936 確定先期固結(jié)壓力步驟 1 從e logp曲線上找出曲率半徑最小的一點(diǎn)A 過A點(diǎn)作水平線A1和切線A42 2 作 lA2的平分線A3 與e logp曲線中直線段的延長線相交于B點(diǎn) 3 B點(diǎn)所對應(yīng)的有效應(yīng)力就是先期固結(jié)壓力pc 試樣的前期固結(jié)壓力一旦確定 就可通過它與試樣現(xiàn)有自重應(yīng)力pl的比較 來判定它是正常固結(jié)的 超固結(jié)的 還是欠固結(jié)的 然后 再依據(jù)室內(nèi)壓縮曲線的特征 來推求原始?jí)嚎s曲線 原始?jí)嚎s曲線是指室內(nèi)壓縮試驗(yàn)e logp曲線經(jīng)修正后得出的符合原始土體孔隙比與有效應(yīng)力的關(guān)系曲線 若pc p1 則試樣是正常固結(jié)的 它的原始?jí)嚎s曲線推求 假定取樣過程中試樣體積不變 即試樣的初始孔隙比e0就是它的原位孔隙比 由e0和pc值 在e logp坐標(biāo)上定出b點(diǎn) 此即試樣在原始?jí)嚎s的起點(diǎn) 然后從縱軸坐標(biāo)0 42e0處作一水平線交室內(nèi)壓縮曲線于c點(diǎn) 連接bc即為所求的原始?jí)嚎s曲線 2 初始 原始 壓縮曲線確定 若pc p1 則試樣是超固結(jié)的 由于超固結(jié)土由前期固結(jié)壓力pc減至現(xiàn)有有效應(yīng)力p1期間曾在原位經(jīng)歷了回彈 因此 當(dāng)超固結(jié)土后來受到外荷引起的附加應(yīng)力 p時(shí) 它開始將沿著原始再壓縮曲線壓縮 如果 p較大 超過 pc p1 它才會(huì)沿原始?jí)嚎s曲線壓縮 超固結(jié)土原始?jí)嚎s曲線推求 1 先作b1點(diǎn) 其橫 縱坐標(biāo)分別為試樣現(xiàn)場自重應(yīng)力p1和現(xiàn)場孔隙比e0 2 過b1點(diǎn)作一直線 其斜率等于室內(nèi)回彈曲線與再壓縮曲線的平均斜率 該直線與通過B點(diǎn)垂線 其橫坐標(biāo)相應(yīng)于先期固結(jié)壓力值 交于b1點(diǎn) b1b就作為原始再壓縮曲線 其斜率為回彈指數(shù)Ce 3 作c點(diǎn) 由室內(nèi)壓縮曲線上孔隙比等0 42e0處確定 4 連接bc直線 即得原始?jí)嚎s曲線的直線段 取其斜率作為壓縮指標(biāo)Cc 若pc p1 則試樣是欠固結(jié)的 由于自重作用下的壓縮尚未穩(wěn)定 實(shí)質(zhì)上屬于正常固結(jié)土一類 它的現(xiàn)場壓縮曲線的推求方法完全與正常固結(jié)土一樣 3 考慮應(yīng)力歷史的影響地基沉降計(jì)算 正常固結(jié)土 欠固結(jié)土 考慮應(yīng)力歷史的地基沉降計(jì)算 超固結(jié)土 4 4 5地基瞬時(shí)沉降和次固結(jié)沉降 地基沉降的組成在荷載作用下 地基土體發(fā)生變形 地面產(chǎn)生沉降 按土體變形機(jī)理總沉降S可以分成三部分 初始沉降Sd 固結(jié)沉降Sc從和次固結(jié)沉降Ss 可用下式表示 S Sd十Sc十Ss 1 初始沉降 瞬時(shí)沉降 Sd地基加載后瞬時(shí)發(fā)生的沉降 在靠近基礎(chǔ)邊緣應(yīng)力集中部位 地基中會(huì)有剪應(yīng)變產(chǎn)生 對于飽和或接近飽和的粘性土 加載瞬間土中水來不及排出 在不排水和恒體積狀況下 剪應(yīng)變引起的側(cè)向變形 從而造成瞬時(shí)沉降 土體在附加應(yīng)力作用下產(chǎn)生的瞬時(shí)變形 2 固結(jié)沉降Sc飽和與接近飽和的粘性土在荷載作用下 隨著超靜孔隙水壓力的消散 土中孔隙水的排出 土骨架產(chǎn)生變形所造成的沉降 固結(jié)壓密 固結(jié)沉降速率取決于孔隙水的排出速率 3 次固結(jié)沉降Ss主固結(jié)過程 超靜孔隙水壓力消散過程 結(jié)束后 在有效應(yīng)力不變的情況下 土的骨架仍隨時(shí)間繼續(xù)發(fā)生變形 這種變形的速率已與孔隙水排出的速率無關(guān) 土的體積變化速率 而是取決于土骨架本身的蠕變性質(zhì) 次固結(jié)沉降既包括剪應(yīng)變 也包括體積變化 4 5土的變形與時(shí)間的關(guān)系 飽和粘性土地基在建筑物荷載作用下要經(jīng)過相當(dāng)長時(shí)間才能達(dá)到最終沉降 不是瞬時(shí)完成的 為了建筑物的安全與正常使用 對于一些重要或特殊的建筑物應(yīng)在工程實(shí)踐和分析研究中掌握沉降與時(shí)間關(guān)系的規(guī)律性 這是因?yàn)檩^快的沉降速率對于建筑物有較大的危害 例如 在第四紀(jì)一般粘性土地區(qū) 一般的四 五層以上的民用建筑物的允許沉降僅10cm左右 沉降超過此值就容易產(chǎn)生裂縫 而沿海軟土地區(qū) 沉降的固結(jié)過程很慢 建筑物能夠適應(yīng)于地基的變形 因此 類似建筑物的允許沉降量可達(dá)20cm甚至更大 碎石土和砂土的壓縮性小而滲透性大 在受荷后固結(jié)穩(wěn)定所需的時(shí)間很短 可以認(rèn)為在外荷載施加完畢時(shí) 其固結(jié)變形就已經(jīng)基本完成 飽和粘性土與粉土地基在建筑物荷載作用下需要經(jīng)過相當(dāng)長時(shí)間才能達(dá)到最終沉降 例如厚的飽和軟粘土層 其固結(jié)變形需要幾年甚至幾十年才能完成 因此 工程中一般只考慮粘性土和粉土的變形與時(shí)間的關(guān)系 飽和土體的滲透固結(jié) 4 5 1飽和土體的滲透固結(jié) 1 定義 飽和土體在壓力作用下 孔隙中水隨時(shí)間的增長逐漸被排出 同時(shí)孔隙體積也隨之減少的過程稱為 2 壓縮固結(jié)過程 a 土體孔隙中自由水逐漸排出 b 土體體積自逐漸減少 c 孔隙水壓力逐漸轉(zhuǎn)移到土骨架來承受 成為有效應(yīng)力 以上三方面為飽和土體固結(jié)作用 即排水 壓縮和壓力轉(zhuǎn)移 3 滲透固結(jié)力學(xué)模型飽和土體的滲透固結(jié) 可以用彈簧活塞模型來說明 以彈簧模擬土骨架 圓筒中的水模擬孔隙中水 活塞模擬土的透水性 活塞上作用 A壓力 4 5 2太沙基一維固結(jié)理論基本假設(shè) 1 土層是均質(zhì) 各向同性和完全飽和的 2 土的壓縮完全是由于孔隙體積的減少 土粒和水是不可壓縮的 3 水的滲流和土層的壓縮僅在豎向發(fā)生 4 水的滲流遵從達(dá)西定律 5 滲透系數(shù)k和壓縮系數(shù)a保持不變 6 外荷載一次瞬時(shí)施加 一維固結(jié)微分方程根據(jù)滲流的連續(xù)條件 一維固結(jié)微分方程如下 初始條件和邊界條件如下 t 0和0 z H時(shí) u u0 p0 t 和z 0時(shí) u 00 t 和z H時(shí) t 和0 z H時(shí) u 0式中Cv 固結(jié)系數(shù) a 土的壓縮系數(shù)k 土的滲透系數(shù)應(yīng)用傅立葉級(jí)數(shù) 可求得滿足初始條件和邊界條件的解答如下 時(shí)間因素 H土層最遠(yuǎn)的排水距離 當(dāng)土層為單面 上面或下面 排水時(shí) H取土層厚度 雙面排水時(shí) 水由土層中心分別向上下兩方向排出 此時(shí)H應(yīng)取土層厚度之半 固結(jié)度在某一固結(jié)應(yīng)力作用下 經(jīng)某一時(shí)間t后 土體發(fā)生固結(jié)或孔隙水應(yīng)力消散的程度 對于土層任一深度z處經(jīng)時(shí)間t后的固結(jié)度 平均固結(jié)度 Ut Tv 二 地基沉降與時(shí)間關(guān)系計(jì)算 地基沉降與時(shí)間關(guān)系計(jì)算步驟如下 1 計(jì)算地基最終沉降量s 2 計(jì)算附加應(yīng)力比值 3 假定一系列地基平均固結(jié)度U0 4 計(jì)算時(shí)間因子Tv 5 計(jì)算時(shí)間t 6 計(jì)算時(shí)間t的沉降量st st U0s 7 繪制st與t的曲線 例題見課本P82例4 3 二 實(shí)測沉降 時(shí)間關(guān)系應(yīng)用 由于理論計(jì)算值與實(shí)測值存在差異 所以在工程實(shí)踐中 利用前期沉降觀測資料來預(yù)估基礎(chǔ)的后期沉降量 常用的方法有對數(shù)曲線法和雙曲線法 1 雙曲線法 二 實(shí)測沉降 時(shí)間關(guān)系應(yīng)用 由于理論計(jì)算值與實(shí)測值存在差異 所以在工程實(shí)踐中 利用前期沉降觀測資料來預(yù)估基礎(chǔ)的后期沉降量 常用的方法有對數(shù)曲線法和雙曲線法 2 對數(shù)法 4 6建筑物沉降觀測與地基容許變形值 一 地基變形特征建筑物地基變形的特征 可分為沉降量 沉降差 傾斜和局部傾斜4種