土力學壓縮與固結(jié)

土力學壓縮與固結(jié)第一頁，共四十一頁，2022年，8月28日修建新建筑物：引起原有建筑物開裂第二頁，共四十一頁，2022年，8月28日高層建筑物由于不均勻沉降而被爆破拆除第三頁，共四十一頁，2022年，8月28日建筑物立面高差過大第四頁，共四十一頁，2022年，8月28日建筑物過長第五頁，共四十一頁，2022年，8月28日§4.1概述地基沉降一致沉降（沉降量）差異沉降（沉降差）導致結(jié)果：建筑物上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，影響結(jié)構(gòu)物的安全和正常使用土體的壓縮性，以及荷載的作用，使得地基發(fā)生沉降。影響因素：荷載大??；土的壓縮特性；地基厚度；第六頁，共四十一頁，2022年，8月28日土的壓縮性——土體在壓力的作用下體積縮小的特性室外試驗室內(nèi)試驗壓縮性測試側(cè)限壓縮三軸壓縮荷載試驗旁壓試驗第七頁，共四十一頁，2022年，8月28日本章主要內(nèi)容§4.2土的壓縮性測試方法及壓縮性指標§4.2.1土的壓縮性測試方法§4.2.2土的壓縮性及其指標§4.3飽和土中的有效應(yīng)力§4.4飽和土體的滲透固結(jié)理論第八頁，共四十一頁，2022年，8月28日§4.2土的壓縮性測試方法及壓縮性指標§4.2.1土的壓縮性測試方法側(cè)限壓縮試驗試樣水槽內(nèi)環(huán)環(huán)刀透水石傳壓板百分表測定：軸向應(yīng)力軸向變形*施加荷載，靜置至變形穩(wěn)定*逐級加大荷載第九頁，共四十一頁，2022年，8月28日土變形的物理機制（原因）

彈性變形

塑性變形體應(yīng)變主要是由于孔隙體積變化引起的；剪應(yīng)變主要是由于土顆粒的大小和排列形態(tài)變化引起的。第十頁，共四十一頁，2022年，8月28日本節(jié)主要內(nèi)容：一、e–p曲線、e–lgP曲線及土的壓縮性指標二、原始壓縮曲線、回彈再壓縮曲線第十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日一、e-p曲線第十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日壓縮系數(shù)，KPa-1，MPa-1側(cè)限壓縮模量,KPa,MPa變形模量？彈性模量？01002003004000.60.70.80.91.0ep(kPa)第十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日稱為壓縮系數(shù)，KPa-1a1-2常用作比較土的壓縮性大小土的類別a1-2(MPa-1)高壓縮性土≥0.5中壓縮性土0.1-0.5低壓縮性土<0.1第十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日單向壓縮試驗的各種參數(shù)的關(guān)系a=mv(1+e0)Es=(1+e0)/aMv=1/Es第十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日e-lgP曲線壓縮指數(shù)Ce回彈指數(shù)（再壓縮指數(shù)）Ce<<Cc，一般Cece-lgP曲線：壓縮曲線的另一種表達方式

特點：有一段較長的直線段指標：第十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日二、原始壓縮曲線、回彈曲線及再壓縮曲線e地下水位上升土層剝蝕冰川融化引起卸載，使土處于回彈狀態(tài)原狀土的原位壓縮曲線：客觀存在的，無法直接得到lgP壓縮曲線再壓縮曲線回彈曲線第十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日§4.3飽和土有效應(yīng)力原理土＝孔隙水固體顆粒骨架+三相體系孔隙氣體+總應(yīng)力總應(yīng)力由土骨架和孔隙流體共同承受受外荷載作用第十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.飽和土中的應(yīng)力形態(tài)PSPSVaa一、有效應(yīng)力原理的基本概念PSA為土單元的斷面積；Aw為孔隙水的斷面積；As為顆粒接觸點的面積且接近于0a-a斷面豎向力平衡：∴因為其中所以并且令有效應(yīng)力σ′=∑Psv/A得出有效應(yīng)力原理為：第十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日2.飽和土的有效應(yīng)力原理（1）飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力可分為兩部分σ’和u，（2）土的變形與強度都只取決于有效應(yīng)力求得有效應(yīng)力總應(yīng)力已知或易知孔隙水壓測定或算定通常,通過第二十頁，共四十一頁，2022年，8月28日自重應(yīng)力情況（側(cè)限應(yīng)變條件）

二、飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計算(1)靜水條件地下水位海洋土毛細飽和區(qū)(2)穩(wěn)定滲流條件第二十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.自重應(yīng)力情況(1)靜水條件地下水位H1H2σ’=σ-uu=γwH2u=γwH2σ’=σ-u=γH1+γsatH2-γwH2=γH1+(γsat-γw)H2=γH1+γ’H2地下水位下降會引起σ′增大，土會產(chǎn)生壓縮，這是城市抽水引起地面沉降的一個主要原因。第二十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日海洋土(1)靜水條件γwH1γwH1σ’=σ-u

=γwH1+γsatH2-γwH

=γsatH2-γw(H-H1)

=(γsat-γw)H2

=γ’H2第二十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日毛細飽和區(qū)(1)靜水條件毛細飽和區(qū)總應(yīng)力孔隙水壓力有效應(yīng)力＝－+-第二十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日HΔh砂層，承壓水粘土層γsatHΔh砂層，排水γsat(2)穩(wěn)定滲流條件兩種形式：向上滲流向下滲流第二十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日土水整體分析向上滲流:向下滲流:HΔh砂層，承壓水粘土層γsat滲流壓密為滲透壓力所以第二十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日§4.4飽和土體的滲流固結(jié)理論一、飽和土的滲透固結(jié)二、一維滲流固結(jié)理論（Terzaghi滲流固結(jié)理論）三、固結(jié)系數(shù)的測定本節(jié)主要內(nèi)容：第二十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日重點：

一維滲流固結(jié)沉降與時間之間的關(guān)系：飽和土層的滲流固結(jié)土體的單向固結(jié)理論不可壓縮層可壓縮層第二十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日工程實踐背景：大面積均布荷載p不透水巖層飽和壓縮層σz=pp側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)一、飽和土的滲透固結(jié)第二十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日

1、物理模型ppp附加應(yīng)力:σz=p超靜孔壓:u=σz=p有效應(yīng)力:σ’z=0附加應(yīng)力:σz=p超靜孔壓:u<p有效應(yīng)力:σ’z>0附加應(yīng)力:σz=p超靜孔壓:u=0有效應(yīng)力:σ’z=p二、Terzaghi一維滲流固結(jié)理論第三十頁，共四十一頁，2022年，8月28日2、數(shù)學模型①土層均勻且完全飽和；②土顆粒與水不可壓縮；③變形是單向壓縮（水的滲出和土層壓縮是單向的）；④荷載均布且一次施加；——假定z=const⑤滲流符合達西定律且滲透系數(shù)保持不變；⑥壓縮系數(shù)a是常數(shù)?；炯俣ǎ呵蠼馑悸罚嚎倯?yīng)力已知有效應(yīng)力原理超靜孔隙水壓力的時空分布第三十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日建立方程：微小單元（1×1×dz）微小時段（dt）不透水巖層飽和壓縮層z土骨架的體積變化＝孔隙體積的變化＝流出的水量第三十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日固體體積：孔隙體積：dt時段內(nèi)孔隙體積的變化＝流出的水量第三十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日達西定律:土的壓縮性：有效應(yīng)力原理：孔隙體積的變化＝土骨架的體積變化第三十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日Cv

反映了土的固結(jié)性質(zhì)：孔壓消散的快慢－固結(jié)速度；Cv

與滲透系數(shù)k成正比，與壓縮系數(shù)a成反比；（cm2/s；m2/year）固結(jié)系數(shù)第三十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日線性齊次拋物線型微分方程式，一般可用分離變量方法求解。給出定解條件，求解滲流固結(jié)方程，就可以解出uz,t。方程求解：（1）求解思路：第三十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日不透水巖層飽和壓縮層σz=pp0zH:u=pz=0:u=0z=H:uz

0zH:u=0（2）邊界、初始條件：z第三十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日(3)微分方程的解時間因數(shù)m＝1，3，5，7······0zH:u=pz=0:u=0z=H:uz

0zH:u=0基本微分方程：初始邊界條件：微分方程的解：反映孔隙水壓力的消散程度－固結(jié)程度第三十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日H單面排水時孔隙水壓力分布雙面排水時孔隙水壓力分布zz排水面不透水層排水面排水面HH滲流滲流滲流Tv=0Tv=0.05Tv=0.2Tv=0.7Tv=∞Tv=0Tv=0.05Tv=0.2Tv=0.7Tv=∞u0=pu0=p第三十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日三、固結(jié)系數(shù)確定方法固結(jié)系數(shù)Cv——反映固結(jié)速