第四章土的壓縮與固結

1、第四章第四章 土的壓縮與固結土的壓縮與固結1 土的壓縮性土的壓縮性2 地基最終沉降量計算地基最終沉降量計算 3 地基沉降與時間的關系地基沉降與時間的關系如果在地基上修建建筑物，地基土內各點要承擔由建如果在地基上修建建筑物，地基土內各點要承擔由建筑物通過基礎傳遞給地基的荷載產生的附加應力作用，筑物通過基礎傳遞給地基的荷載產生的附加應力作用，這都將導致地基土體的變形。這都將導致地基土體的變形。在附加應力作用下，地基土將產生體積縮小，從而引起在附加應力作用下，地基土將產生體積縮小，從而引起建筑物基礎的豎直方向的位移（或下沉）稱為沉降建筑物基礎的豎直方向的位移（或下沉）稱為沉降。基礎的沉降量或者各部位

2、的沉降差過大，那么將影響基礎的沉降量或者各部位的沉降差過大，那么將影響上部建筑物的正常使用，甚至會危及建筑物的安全。上部建筑物的正常使用，甚至會危及建筑物的安全。事故的原因是：設計時未對谷倉地基承載力進行事故的原因是：設計時未對谷倉地基承載力進行調查研究，而采用了鄰近建筑地基調查研究，而采用了鄰近建筑地基 352kPa 的承載力的承載力基坑開挖，引起陽臺裂縫基坑開挖，引起陽臺裂縫通過預壓可提高軟土地基的通過預壓可提高軟土地基的強度，降低建筑使用期間的強度，降低建筑使用期間的沉降。在預壓過程中，通過沉降。在預壓過程中，通過在軟土中設置砂井、塑料排在軟土中設置砂井、塑料排水板等豎向排水系統(tǒng)，可大水

3、板等豎向排水系統(tǒng)，可大大縮短孔隙水的排水距離，大縮短孔隙水的排水距離，提高固結速度。提高固結速度。這兩個筒倉是農場用這兩個筒倉是農場用來儲存飼料的，建于來儲存飼料的，建于加拿大紅河谷的加拿大紅河谷的 Lake Agassiz 粘土層上，粘土層上，由于兩筒之間的距離由于兩筒之間的距離過近，在地基中產生過近，在地基中產生的應力發(fā)生疊加，使的應力發(fā)生疊加，使得兩筒之間地基土層得兩筒之間地基土層的應力水平較高，的應力水平較高，從而導致內側沉降從而導致內側沉降大于外側沉降，大于外側沉降，倉筒向內傾斜。倉筒向內傾斜。高層建筑物由于不均勻沉降而被爆破拆除高層建筑物由于不均勻沉降而被爆破拆除4-2 土的壓縮特

4、性土的壓縮特性在外力作用下，土顆粒重新排列，土體體積縮小的現(xiàn)象在外力作用下，土顆粒重新排列，土體體積縮小的現(xiàn)象稱為壓縮。稱為壓縮。通常，土粒本身和孔隙水的壓縮量可以忽略不計，在研通常，土粒本身和孔隙水的壓縮量可以忽略不計，在研究土的壓縮時，均認為土體壓縮完全是由于土中孔隙體積究土的壓縮時，均認為土體壓縮完全是由于土中孔隙體積減小的結果。減小的結果。土的壓縮隨時間增長的過程稱為土的固結。土的壓縮隨時間增長的過程稱為土的固結。滲透性較大的土砂土，加荷后，孔隙中的水較快滲透性較大的土砂土，加荷后，孔隙中的水較快排出，壓縮完成得快；排出，壓縮完成得快；滲透性小的土粘土，加荷后，孔隙中的水緩慢滲透性小的

5、土粘土，加荷后，孔隙中的水緩慢排出，且土顆粒間的力作用使壓縮完成得慢。排出，且土顆粒間的力作用使壓縮完成得慢。 先研究最終沉降量先研究最終沉降量壓縮性測試室內試驗室內試驗室外試驗室外試驗側限壓縮、三軸壓縮等側限壓縮、三軸壓縮等荷載試驗、旁壓試驗等荷載試驗、旁壓試驗等荷載試驗荷載試驗旁壓試驗旁壓試驗側限壓縮側限壓縮固結儀固結儀4.2.2固結試驗固結試驗內環(huán)內環(huán)透水石透水石試樣試樣傳壓板傳壓板百分表百分表用這種儀器進行試驗時，由于剛性護環(huán)所限，試樣只能在豎向產生壓用這種儀器進行試驗時，由于剛性護環(huán)所限，試樣只能在豎向產生壓縮，而不能產生側向變形，故稱為單向固結試驗或側限固結試驗?？s，而不能產生側向

6、變形，故稱為單向固結試驗或側限固結試驗。1hsh1vh2h1vV2vVsV sVSsh2vhsv1sv1sv11hhAhAhVVe1sv1ehhsv11hhh11se1hhsv1sv2sv22hshAhAhVVesehh2sv1shhshhsv11221se1shh)e(1hsee1112s1d (1w)e12111e1she1ha(kP ) 0100200 3004000.60.70.80.91.0e ePt1p2pSt1e2e0e3e1s2s3se)e(1hsee01011w)(1es04.2.3壓縮參數(shù)壓縮參數(shù)1.壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)1221vppeea1e2ekPa 或或MPa-1-1曲線

7、越緩，壓縮系數(shù)越小，曲線越緩，壓縮系數(shù)越小，土的壓縮性越小土的壓縮性越小ep2p1p在工程中，習慣上采用在工程中，習慣上采用100kPa和和200kPa范圍的范圍的壓縮系數(shù)來衡量土的壓縮性高低。壓縮系數(shù)來衡量土的壓縮性高低。0.50.1e a(kP ) 0100200 3004000.60.70.80.91.0e e000012eea21v2.壓縮指數(shù)壓縮指數(shù)Cc愈大，曲線愈陡，土壓縮性愈大愈大，曲線愈陡，土壓縮性愈大 1221clogplogpeeC3.壓縮模量壓縮模量1s/hp2h2vVsVSsh2vh)e(1hsee11121221vppeea221v21eeeaee1Esv1ae14.

8、體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù)mv1vve1am卸荷和再加荷的固結試驗。卸荷和再加荷的固結試驗。4.3側限狀態(tài)下地基土的壓縮變形計算側限狀態(tài)下地基土的壓縮變形計算pHe1as1vHe1eeS121He1)p/(paS112vsEpHs )e(1hsee11121221vppeeav1sae1EpHmsv4.4、用、用ep曲線法計算地基的最終沉降量曲線法計算地基的最終沉降量 分層總和法分層總和法地基土體沉降分為地基土體沉降分為：初始沉降初始沉降是指當荷載施加較快，土體允許有側向變形時，是指當荷載施加較快，土體允許有側向變形時，加荷瞬時土體的豎向變形量加荷瞬時土體的豎向變形量 固結沉降固結沉降也稱主固結

9、沉降，是土體在附加壓力作用下，也稱主固結沉降，是土體在附加壓力作用下，由于土中孔隙水和孔隙氣體的排出而引起的土體體積的減小。由于土中孔隙水和孔隙氣體的排出而引起的土體體積的減小。 次固結沉降次固結沉降是指含水量較高的軟粘土在固結沉降完成后期，是指含水量較高的軟粘土在固結沉降完成后期，較厚的吸著水層因土體受擠壓使得其中的一部分吸著水逐較厚的吸著水層因土體受擠壓使得其中的一部分吸著水逐漸轉變?yōu)樽杂伤?，土體體積減小所出現(xiàn)的壓縮量。漸轉變?yōu)樽杂伤?，土體體積減小所出現(xiàn)的壓縮量。 scdSSSStSS Si i ：初始瞬時沉降：初始瞬時沉降Ss: 次固結沉降次固結沉降S Sc c：主固結沉降：主固結沉降n

10、iiSS1分層總和法的基本思路是：分層總和法的基本思路是：將壓縮層范圍內地基分層，將壓縮層范圍內地基分層，計算每一分層的壓縮量，計算每一分層的壓縮量，然后累加得總沉降量然后累加得總沉降量。d地面地面基底基底分層總和法有兩種基本方法：分層總和法有兩種基本方法：ep曲線法和曲線法和elgp曲線法。曲線法?；A中心處的沉降代表基礎的沉降?；A中心處的沉降代表基礎的沉降。He1eeS121分層總和法計算地基的最終沉降量分層總和法計算地基的最終沉降量計算步驟計算步驟1.畫出基礎及土層的剖面圖，畫出基礎及土層的剖面圖，選擇沉降計算點的位置選擇沉降計算點的位置2.地基分層地基分層每層厚度每層厚度24m, =

11、0.4b ；d地面地面基底基底p 不同土層界面；不同土層界面；地下水位線地下水位線；3.計算原地基中自重應力分布：計算原地基中自重應力分布：從地面計算從地面計算d地面地面基底基底pp0 d 自重應力自重應力附加應力附加應力siziHin1inn2211sihih.hhBLPp 4.計算基礎中心點以下計算基礎中心點以下地基中豎向附加應力分布。地基中豎向附加應力分布。dLBPpps0z從基底算起；從基底算起；z是由基底附加應力是由基底附加應力 p0引起的引起的d地面地面基底基底pp0 d 自重應力自重應力附加應力附加應力沉降計算深度沉降計算深度siziHi5.確定計算深度確定計算深度 一般土層：一

12、般土層：z=0.2 s； 軟粘土層：軟粘土層：z=0.1 s；6.按算術平均求各分層平均按算術平均求各分層平均自重應力和平均附加應力自重應力和平均附加應力21issisi21izzizi d地面地面基底基底pp0 d 自重應力自重應力附加應力附加應力沉降計算深度沉降計算深度siziHi7.求出第求出第i分層的壓縮量（用分層的壓縮量（用ep曲線）曲線） i1i2i1iiHe1eeSii1iviiHpe1aS ee1ie2i sip2i ziiisiiHpE1S （7）最后將每一分層的壓縮量累加，）最后將每一分層的壓縮量累加，即得地基的總沉降量為：即得地基的總沉降量為：S= Si 例：有一矩形基礎

13、，放置在均質粘土層上，如圖所示?；A長度例：有一矩形基礎，放置在均質粘土層上，如圖所示?；A長度L為為10m，寬度，寬度B為為5m，埋置深度，埋置深度D為為1.5m，其上作用著中心荷載，其上作用著中心荷載P等于等于10000kN。地基上的天然濕容重為。地基上的天然濕容重為20kN/m3，飽和容重為，飽和容重為21kN/m3，土的壓縮曲線如圖所示。若地下水位距離基底，土的壓縮曲線如圖所示。若地下水位距離基底2.5m，試求基礎中心點的沉降量。試求基礎中心點的沉降量。 d=1.5m地面地面10m5m2.5m解解:由由L/B=10/5=210可知，可知，屬于空間問題，且為中心荷載，屬于空間問題，且為中

14、心荷載，所以基底壓力為所以基底壓力為p=P/(LB) =10000/(105)200kPa基底附加應力為基底附加應力為p0=p-d=200-20 1.5170kPa因為是均質土，且地下水位在基底以因為是均質土，且地下水位在基底以下下2.5m處，取分層厚處，取分層厚Hi=2.5m。2.5m2.5m2.5m2.5m求各分層面的自重應力（注意：從地面算起）求各分層面的自重應力（注意：從地面算起）并繪分布曲線并繪分布曲線s0= d=20 1.5=30kPas1= s0 +H1=30+20 2.5=80kPa地面地面2.5m2.5m2.5m2.5m2.5md=1.5mPs2= s1 +H2=80+(21

15、-9.8) 2.5=108kPas3= s2 +H3=108+(21-9.8) 2.5=136kPas4= s3 +H4=136+(21-9.8) 2.5=164kPas5= s4 +H5=164+(21-9.8) 2.5=192kPa3080108136164192地面地面P30801081361641922.5m2.5m2.5m2.5m2.5md=1.5m求各分層面的豎向附加應力并繪分布曲線求各分層面的豎向附加應力并繪分布曲線通過中心點將基底劃分為四塊相等的計算面積，通過中心點將基底劃分為四塊相等的計算面積，每塊的長度每塊的長度L1=5m，寬度，寬度B1=2.5m位位置置00020.251

16、7012.5120.199913625.0220.12028237.5320.073250410.0 420.047432512.5 520.032822)(mizBziBLSK(kPa)p4KSz02345117082503222136(4)確定壓縮層厚度。從計算結果可知，在第確定壓縮層厚度。從計算結果可知，在第4點處有點處有z4/ s40.195hph 1先期固結壓力大于現(xiàn)時的土壓力先期固結壓力大于現(xiàn)時的土壓力先期固結壓力小于現(xiàn)時的土壓力先期固結壓力小于現(xiàn)時的土壓力0cppOCR 地基的變形不是瞬時完成的，地基在建筑物荷載作地基的變形不是瞬時完成的，地基在建筑物荷載作用下要經過相當長的時間

17、才能達到最終沉降量。用下要經過相當長的時間才能達到最終沉降量。4.6太沙基一維固結理論太沙基一維固結理論在工程設計中，除了要知道地基最終沉降量外，往往在工程設計中，除了要知道地基最終沉降量外，往往還需要知道沉降隨時間的變化過程即沉降與時間的關系。還需要知道沉降隨時間的變化過程即沉降與時間的關系。 1、物理模型物理模型0t t0 twph pphh 0h p總應力總應力: p孔隙水壓力孔隙水壓力: u =p有效應力有效應力: : z=0滲流固結過程滲流固結過程總應力總應力: p孔隙水壓力孔隙水壓力: u 0總應力總應力: p孔隙水壓力孔隙水壓力: u =0有效應力有效應力: :z=p4.6.1一

18、維固結一維固結模型模型cp4.6.2 一維固結理論一維固結理論太沙基單向固結理論有下列一些基本假定：太沙基單向固結理論有下列一些基本假定：（1）土是均質、各向同性且飽和的；）土是均質、各向同性且飽和的；（2）土粒和孔隙水是不可壓縮的，土的壓縮完全由孔隙體積）土粒和孔隙水是不可壓縮的，土的壓縮完全由孔隙體積的減小引起；的減小引起；（3）土的壓縮和固結僅在豎直方向發(fā)生；）土的壓縮和固結僅在豎直方向發(fā)生；（4）孔隙水的向外排出符合達西定律，土的固結快慢決定于）孔隙水的向外排出符合達西定律，土的固結快慢決定于它的滲流速度；它的滲流速度；（5）在整個固結過程中，土的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)等均視為常數(shù)；）在整

19、個固結過程中，土的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)等均視為常數(shù)；孔隙體積的變化流出的水量孔隙體積的變化流出的水量土的壓縮特性土的壓縮特性有效應力原理有效應力原理達西定律達西定律孔隙水壓力的時空分布孔隙水壓力的時空分布孔隙水壓力孔隙水壓力孔隙水壓力孔隙水壓力土骨架的體積變化土骨架的體積變化 212wk 1euutaz 固結系數(shù)固結系數(shù)2v2uuCtz vCwv1vra)ek(1C不透水巖層不透水巖層飽和壓縮層飽和壓縮層z=pHp0t t0 tz t , zuz t , z t , zut , z z 0 z H:u=p 0 z H: u=0z zvv2CTtH H為最大排水距離，在單面排水條件下為土層為最大排

20、水距離，在單面排水條件下為土層厚度，在雙面排水條件下為土層厚度的一半。厚度，在雙面排水條件下為土層厚度的一半。時間因數(shù)時間因數(shù)H4.6.3、固結度的的概念及應用、固結度的的概念及應用式中：式中：st經過時間經過時間t后的基礎沉降量；后的基礎沉降量； SSUt.e251e91e81Uv2v2v2T425T49T42基礎的最終沉降量?；A的最終沉降量。He1aSz1vSz z zz for the case of two way drainage, is equal to 1 and thedrainage path H should be half the thickness of the la

21、yer.1、求某一時刻、求某一時刻t的固的固結度與沉降量結度與沉降量tTv=Cvt/H2St=U S2、求達到某一沉降量、求達到某一沉降量(固結度固結度)所需要的時間所需要的時間U= St /S 查表確定查表確定Uv2vCHTt Tv zz He1aSz1vwv1vra)ek(1C例：設飽和粘土層的厚度為例：設飽和粘土層的厚度為10m，位于不透水堅硬巖層上，位于不透水堅硬巖層上，由于基底上作用著豎直均布荷載，在土層中引起的附加應力由于基底上作用著豎直均布荷載，在土層中引起的附加應力的大小和分布如圖所示。若土層的初始孔隙比的大小和分布如圖所示。若土層的初始孔隙比e1為為0.8，壓縮，壓縮系數(shù)系數(shù)

22、av為為2.510-4kPa1，滲透系數(shù)，滲透系數(shù)k為為2.0cm/year。試問試問:(1)加荷一年后，基礎中心點的沉降量為多少？加荷一年后，基礎中心點的沉降量為多少？ (2)當基礎的沉降量達到當基礎的沉降量達到20cm時需要多少時間？時需要多少時間？透水層p=240kPa240kPaH=10m不透水層160kPa【解】（【解】（1）該土層的平均附加應力為）該土層的平均附加應力為 z=(240+160)/2=200kPaHe1aSz1v27.8cmwv1vra)ek(1C3110kN/m0.00025kPa0.8)2cm/y(1/ycm101.4725225cm10001/ycm101.47

23、2USSt2.5cm12vvHtCT 1470.最終沉降量最終沉降量固結系數(shù)固結系數(shù)時間因子時間因子1.5160240 zz查表確定查表確定U=0.451000cm200kPa0.81kPa102.5-1-4（2）已知基礎的沉降為）已知基礎的沉降為St=20cm，最終沉降量，最終沉降量S=27.8cmSSUt0.722vvHtCT 0.73yeart vC/ycm101.4725查表確定查表確定1.5160240 zzTv=0.47總結總結1 土的壓縮性土的壓縮性)e(1hsee01011w)(1es0壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)1221vppeea1e2eep2p1p壓縮模量壓縮模量v1sae1E體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù)1vve1am1221clogplogpeeC2側限狀態(tài)下地基土的壓縮變形計算側限狀態(tài)下地基土的壓縮變形計算pHe1as1vHe1eeS1