土的壓縮和地基變形

1、第第5章章 土的壓縮性及地基變形計(jì)算土的壓縮性及地基變形計(jì)算（5.1-5.25.1-5.2）5.1 概述地基沉降的分類地基沉降的分類: :均勻沉降和不均勻沉降均勻沉降和不均勻沉降(1)(1)均勻沉降均勻沉降: : 過(guò)大的沉降將會(huì)嚴(yán)重影響構(gòu)筑物的使用和美觀過(guò)大的沉降將會(huì)嚴(yán)重影響構(gòu)筑物的使用和美觀. (2)(2)不均勻沉降不均勻沉降: : 構(gòu)筑物可能發(fā)生裂縫、扭曲和傾斜，影響使構(gòu)筑物可能發(fā)生裂縫、扭曲和傾斜，影響使用和安全，嚴(yán)重時(shí)甚至使建筑物倒塌。用和安全，嚴(yán)重時(shí)甚至使建筑物倒塌。5.1 概述學(xué)習(xí)本章的目的:n將地基變形控制在容許范圍以內(nèi) 地基的變形是可壓縮地基上構(gòu)筑物最重要的控制因素之一，為保證

2、構(gòu)筑物的正常使用和安全可靠，必須將地基變形控制在容許范圍以內(nèi);(2)采取地基加固處理或采用其他的基礎(chǔ)形式。 5.1 概述本章主要內(nèi)容土的壓縮性 沉降計(jì)算方法 沉降與時(shí)間的關(guān)系5.2 土的壓縮性5.2.1 5.2.1 基本概念基本概念(1) (1) 土在壓力作用下，土在壓力作用下，體積變化的現(xiàn)象稱為土的壓縮性體積變化的現(xiàn)象稱為土的壓縮性(2)(2) 土體產(chǎn)生體積縮小的原因；土體產(chǎn)生體積縮小的原因；(3) (3) 土的土的固結(jié)，主固結(jié)（依賴于有效應(yīng)力的固結(jié)），次固結(jié)（有效應(yīng)力不固結(jié)，主固結(jié)（依賴于有效應(yīng)力的固結(jié)），次固結(jié)（有效應(yīng)力不變時(shí)粒間位置變動(dòng)引起的固結(jié)）；變時(shí)粒間位置變動(dòng)引起的固結(jié)）； (4

3、) (4) 不同土的壓縮性有很大的差別，其主要不同土的壓縮性有很大的差別，其主要影響因素: : A.A.土本身的性狀土本身的性狀( (土粒級(jí)配土粒級(jí)配. .成分成分. .結(jié)構(gòu)構(gòu)造結(jié)構(gòu)構(gòu)造. .孔隙水等孔隙水等) ) B.B.環(huán)境因素環(huán)境因素( (如應(yīng)力歷史、應(yīng)力路線、溫度等如應(yīng)力歷史、應(yīng)力路線、溫度等) )。(5) (5) 評(píng)價(jià)土的壓縮性方法評(píng)價(jià)土的壓縮性方法: : 側(cè)限壓縮試驗(yàn)(即固結(jié)試驗(yàn))和現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)。 1、壓縮試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)(1) (1) 試驗(yàn)裝置：試驗(yàn)裝置： 室內(nèi)側(cè)限壓縮儀室內(nèi)側(cè)限壓縮儀( (又稱固結(jié)儀又稱固結(jié)儀) )(2) (2) 試驗(yàn)準(zhǔn)備試驗(yàn)準(zhǔn)備(3) (3) 試驗(yàn)荷載控制：試驗(yàn)

4、荷載控制： 通常按通常按50kPa50kPa，100kPa100kPa， 200kPa200kPa，300kPa300kPa，400kPa400kPa， 500kPa500kPa逐級(jí)加載逐級(jí)加載5.2.2 壓縮試驗(yàn)與壓縮定律末級(jí)荷載末級(jí)荷載:應(yīng)略大于土自重與附加應(yīng)力之和，但不小于應(yīng)略大于土自重與附加應(yīng)力之和，但不小于200kPa(4) 試驗(yàn)有關(guān)參數(shù)推導(dǎo)及成果整理 壓縮前后土樣橫截面積保持不變、土顆粒的體積不變， 根據(jù) 得到5.2.2 壓縮試驗(yàn)與壓縮定律221111eVeV21111)(1eshAeAhi11211heeesi側(cè)限壓縮條件下土的壓縮量計(jì)算公式為側(cè)限壓縮條件下土的壓縮量計(jì)算公式為)

5、1 (1112ehseei21ssVV（5 5）繪制試驗(yàn)曲線）繪制試驗(yàn)曲線-壓縮曲線壓縮曲線 （兩種形式（兩種形式) ) 曲線特點(diǎn)曲線特點(diǎn): : 壓縮曲線陡降，是高壓縮性土；壓縮曲線陡降，是高壓縮性土； 低壓縮性土的壓縮曲線是平緩的；低壓縮性土的壓縮曲線是平緩的； 壓縮曲線一般隨壓力的增大而逐漸壓縮曲線一般隨壓力的增大而逐漸 趨于平緩，即在側(cè)限壓縮條件下土趨于平緩，即在側(cè)限壓縮條件下土 的壓縮性逐漸減小。的壓縮性逐漸減小。5.2.2 壓縮試驗(yàn)與壓縮定律2. 2. 壓縮定律壓縮定律壓縮系數(shù)：曲線上任一點(diǎn)的切線斜率。壓縮系數(shù)：曲線上任一點(diǎn)的切線斜率。 在在P1P2段可用割線斜率代替，則：段可用割線

6、斜率代替，則：其中其中 P P1 1 為土中豎向自重應(yīng)力，為土中豎向自重應(yīng)力， P P2 2 為自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和為自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和dpdea1221ppeepea5.2.2 壓縮試驗(yàn)與壓縮定律pae3. 壓縮性指標(biāo)及壓縮性判斷壓縮性指標(biāo)及壓縮性判斷(1)壓縮系數(shù)壓縮系數(shù) 為了便于應(yīng)用和比較，通常采用為了便于應(yīng)用和比較，通常采用壓力由壓力由p p1 1100kPa100kPa增加到增加到p p2 2 200kPa200kPa時(shí)所得的壓縮系數(shù)時(shí)所得的壓縮系數(shù)a a1-21-2來(lái)來(lái)評(píng)定土的壓縮性：評(píng)定土的壓縮性： 低壓縮性土低壓縮性土 中壓縮性土中壓縮性土 高壓縮性土高壓縮性土 5.2.

7、2 壓縮試驗(yàn)與壓縮定律1211 . 0MPaa1215 . 01 . 0MPaa1215 . 0MPaa(2) 壓縮指數(shù)采用采用e-lge-lgp p曲線，曲線，優(yōu)點(diǎn)是在應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，優(yōu)點(diǎn)是在應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，e-lge-lgp p曲線接近直線，曲線接近直線，該直線的斜該直線的斜率率CcCc稱為壓縮指數(shù)。稱為壓縮指數(shù)。即即壓縮指數(shù)壓縮指數(shù)CcCc值也可用來(lái)判別值也可用來(lái)判別 土的壓縮性土的壓縮性)lg(lglg12211221ppeeppeeCc Cc0.2 Cc0.35Cc0.35時(shí)，屬高壓縮性土。時(shí)，屬高壓縮性土。5.2.2 壓縮試驗(yàn)與壓縮定律5.2.2 壓縮試驗(yàn)與壓縮定律(3) 體積

8、壓縮系數(shù)及側(cè)限體積壓縮系數(shù)及側(cè)限壓縮模量壓縮模量 土的體積壓縮系數(shù)是指在完全側(cè)限條件下，受單位土的體積壓縮系數(shù)是指在完全側(cè)限條件下，受單位壓力增量作用引起的單位體積壓縮量壓力增量作用引起的單位體積壓縮量. . 于是有于是有1111epeepVVmvv(3) 體積壓縮系數(shù)及側(cè)限壓縮模量5.2.2 壓縮試驗(yàn)與壓縮定律 土體在完全側(cè)限條件下，土體在完全側(cè)限條件下，豎向附加應(yīng)力豎向附加應(yīng)力z z與相應(yīng)與相應(yīng)的應(yīng)變?cè)隽康膽?yīng)變?cè)隽縵z之比之比 由壓縮試驗(yàn)由壓縮試驗(yàn): : 于是有于是有 由壓縮系數(shù)公式可得由壓縮系數(shù)公式可得 Es4MPa Es15MPaEs15MPa低壓縮性土低壓縮性土 zzsE12ppz1

9、2111211 eeehshhhz)1 (12112121eeepphhhEzsvvsmeE11111211heeesi(4)側(cè)壓力系數(shù)和側(cè)膨脹系數(shù)側(cè)壓力系數(shù)和側(cè)膨脹系數(shù)(泊松比泊松比)5.2.2 壓縮試驗(yàn)與壓縮定律10zxK5.2.3 土的荷載試驗(yàn)及變形模量土的荷載試驗(yàn)及變形模量 1 1、荷載試驗(yàn)荷載試驗(yàn)n荷載試驗(yàn)的原理：荷載試驗(yàn)的原理： 在試驗(yàn)土面上逐級(jí)加荷載并觀測(cè)每級(jí)荷載下在試驗(yàn)土面上逐級(jí)加荷載并觀測(cè)每級(jí)荷載下土的變形。繪制荷載土的變形。繪制荷載沉降曲線沉降曲線(p-s(p-s曲線曲線) )和每和每級(jí)荷載下的沉降級(jí)荷載下的沉降時(shí)間曲線時(shí)間曲線(s-t(s-t曲線曲線) )，確定變，確定變

10、形特性、參數(shù)和極限荷載等。形特性、參數(shù)和極限荷載等。 (2) (2) 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置: : 加荷裝置、反力裝置、觀測(cè)裝置加荷裝置、反力裝置、觀測(cè)裝置5.2.3 5.2.3 土的荷載試驗(yàn)及變形模量土的荷載試驗(yàn)及變形模量 (3) (3) 試驗(yàn)過(guò)程試驗(yàn)過(guò)程 逐級(jí)加載，通常加荷等級(jí)不少于逐級(jí)加載，通常加荷等級(jí)不少于8 8級(jí)。級(jí)。 試驗(yàn)終止條件試驗(yàn)終止條件: :達(dá)到下列情況之一時(shí)，終止加載：達(dá)到下列情況之一時(shí)，終止加載： 承載板周圍的土明顯側(cè)向擠出承載板周圍的土明顯側(cè)向擠出( (砂土砂土) )或發(fā)生裂紋；或發(fā)生裂紋； s s急劇增大，急劇增大，psps曲線出現(xiàn)陡降段；曲線出現(xiàn)陡降段； 在某一荷載下在某

11、一荷載下,24h,24h內(nèi)沉降速率不能達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；內(nèi)沉降速率不能達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)； 沉降沉降s0.08b(bs0.08b(b為承壓板寬度或直徑為承壓板寬度或直徑) )。 終止加載后，終止加載后，可按規(guī)定逐級(jí)卸載，并觀測(cè)回彈?？砂匆?guī)定逐級(jí)卸載，并觀測(cè)回彈。5.2.3 5.2.3 土的荷載試驗(yàn)及變形模量土的荷載試驗(yàn)及變形模量(4) 試驗(yàn)成果整理: 繪制荷載與相應(yīng)沉降量的關(guān)系曲線(ps曲線) 每一級(jí)荷載下沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線(st曲線)較接近實(shí)際；對(duì)不易取樣的土更具優(yōu)越性較接近實(shí)際；對(duì)不易取樣的土更具優(yōu)越性; 但工作量大，費(fèi)時(shí)，只在必要時(shí)才作。但工作量大，費(fèi)時(shí)，只在必要時(shí)才作。5.2.3 5.2.3

12、 土的荷載試驗(yàn)及變形模量土的荷載試驗(yàn)及變形模量2地基土的變形模量n定義定義: :無(wú)側(cè)限情況下單軸受壓時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變之比。無(wú)側(cè)限情況下單軸受壓時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變之比。(2) (2) 計(jì)算方法：用彈性沉降公式，利用計(jì)算方法：用彈性沉降公式，利用psps曲線進(jìn)行反算。曲線進(jìn)行反算。(3) (3) 推導(dǎo)過(guò)程推導(dǎo)過(guò)程 由彈力得任意點(diǎn)的沉降為由彈力得任意點(diǎn)的沉降為 積分上式得積分上式得 由由p-s直線段得直線段得Cd為沉降系數(shù)為沉降系數(shù),剛性方形承壓板剛性方形承壓板Cd=0.89,剛性圓形剛性圓形Cd0.795.2.3 5.2.3 土的荷載試驗(yàn)及變形模量土的荷載試驗(yàn)及變形模量ErFs)1 (2dCEpBs)1 (

13、2dCspBE)1 (23土的變形模量與壓縮模量的關(guān)系（1 1）E E與與EsEs都是豎向應(yīng)力與豎向應(yīng)變的比值都是豎向應(yīng)力與豎向應(yīng)變的比值（2 2）E E是由現(xiàn)場(chǎng)獲得，有圍土側(cè)限；而是由現(xiàn)場(chǎng)獲得，有圍土側(cè)限；而EsEs是由室內(nèi)求得，完全是由室內(nèi)求得，完全 側(cè)限壓縮；有不可恢復(fù)的殘余變形。側(cè)限壓縮；有不可恢復(fù)的殘余變形。（3 3）理論上）理論上E E與與EsEs是可以互相換算的，但與實(shí)際有差異。是可以互相換算的，但與實(shí)際有差異。 理論推導(dǎo)如下：理論推導(dǎo)如下： 室內(nèi)試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn) 為側(cè)壓系數(shù)為側(cè)壓系數(shù),5.2.3 5.2.3 土的荷載試驗(yàn)及變形模量土的荷載試驗(yàn)及變形模量yxzyxK00KzzsEsz

14、zE3土的變形模量與壓縮模量的關(guān)系三向受力情況下的應(yīng)變?yōu)槿蚴芰η闆r下的應(yīng)變?yōu)榇雮?cè)限條件代入側(cè)限條件: )(zyxxEE)(zxyyEE)(yxzzEE0yxzyx110K001 KKEzz)121 (2)121 (1)121 (212vseEE5.2.3 5.2.3 土的荷載試驗(yàn)及變形模量土的荷載試驗(yàn)及變形模量szzE5.2.4 5.2.4 土的回彈再壓縮曲線與應(yīng)力歷史土的回彈再壓縮曲線與應(yīng)力歷史1. 土的回彈曲線和再壓縮曲線土的回彈曲線和再壓縮曲線 壓縮曲線、回彈曲線壓縮曲線、回彈曲線（殘留變形，彈性變形）、殘留變形，彈性變形）、再壓縮曲線再壓縮曲線 2. 天然土層的應(yīng)力歷史天然土層的應(yīng)

15、力歷史應(yīng)力歷史應(yīng)力歷史: : 土在形成的地質(zhì)年代中經(jīng)受應(yīng)力變化的情況土在形成的地質(zhì)年代中經(jīng)受應(yīng)力變化的情況先先( (前前) )期固結(jié)壓力期固結(jié)壓力p pc c: : 天然土層在歷史上所承受過(guò)的最大固天然土層在歷史上所承受過(guò)的最大固結(jié)壓力。結(jié)壓力。超固結(jié)比超固結(jié)比(over consolidation ratio) OCR=pOCR=pc c/p/p1 1，根據(jù)根據(jù)OCROCR可將天然土層劃分為三種固結(jié)狀態(tài)：可將天然土層劃分為三種固結(jié)狀態(tài)：(1).(1).超固結(jié)狀態(tài)超固結(jié)狀態(tài)(OCR1(OCR1(2).(2).正常固結(jié)狀態(tài)正常固結(jié)狀態(tài)(OCR=1)(OCR=1)(3).(3).欠固結(jié)狀態(tài)欠固結(jié)狀態(tài)(OCR1)(OCR1)5.2.42. 天然土層的應(yīng)力歷史天然