土的变形特性和地基沉降计算.ppt

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1、1,第四章,土的变形特性与地基沉降计算,2,土具有变形特性,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,4土的压缩性与地基沉降计算,土的特点（碎散、三相）,沉降具有时间效应沉降速率,3,变形特性及测试方法,最终沉降量,一维压缩,一维固结,沉降速率,多维固结,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土的压缩性与地基沉降计算,4.1 变形特性测试方法,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,概述,4.2 一维压缩性及其指标,较复杂应力状态

2、？,4,4土的压缩性与地基沉降计算,4.1 变形特性测试方法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,5,特殊应力状态,一维问题,侧限压缩试验,轴对称问题,常规三轴试验,4.1 变形特性测试方法,4土的压缩性与地基沉降计算,一般应力状态,理论拓展、经验积累,室内试验,旁压试验,原状土,荷载试验,室外试验,试验目的：变形、强度特性,静力触探试验,标准贯入试验,6,4土的压缩性与地基沉降计算,4.1变形特性测试方法,量测体变或孔压,一、常规三轴试验,7,应力应变关系以正常固结粘土为例,变形模量：,弹性模量,泊松比：,固结排水试验,一、常规三轴试验,4土的

3、压缩性与地基沉降计算,4.1变形特性测试方法,与围压有关非线性剪胀性弹塑性,8,二、侧限压缩试验,4土的压缩性与地基沉降计算,4.1变形特性测试方法,固结容器：环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等 加压设备：杠杆比例1:10 变形测量设备,1、侧限压缩仪（固结仪）,支架,加压设备,固结容器,变形测量,9,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变形特性测试方法,二、侧限压缩试验,2、试验方法,P1,s1,e1,e0,10,由虎克定律:,侧限条件下:,则:,E Es,变形模

4、量 E 与侧限变形模量 Es(压缩模量）之间的关系,4土的压缩性与地基沉降计算,4.1变形特性测试方法,11,4土的压缩性与地基沉降计算,4.1 变形特性测试方法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,12,4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,二、e-lg曲线,三、先期固结压力,四、原位压缩曲线及原位再压缩曲线,低灵敏度粘性土,13,应力历史与应力应变关系,粘土地基一次沉积侧限条件,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,上覆土,取样或剥蚀,加载或再覆土,应力历史非常重要,14,4土的压缩性与地基沉

5、降计算,4.2 一维压缩性及其指标,一、e-曲线,e,15,4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，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-1,16,4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,a1-2常用作比较土的压缩性大小,17,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-曲线,18,4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-lg曲线,e,压缩指数,Ce,回弹指数（再压

6、缩指数）,Ce Cc，一般Ce0.1-0.2Cc,特点1：有一段较长的直线段,指标：,19,特点2：起始状态不同，但压缩曲线最终趋近于同一条直线,二、e-lg 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,20,e0,0.42e0,扰动增加,原状样,重塑样,二、e-lg 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,特点3：扰动越小，压缩曲线越接近于直线,推断：原状土的原位压缩曲线为直线 原状土的原位再压缩曲线也是直线,21,三、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：历史上所经受到的最大压力p（指有效应力）,s=z：

7、自重压力p=s：正常固结土p s：超固结土p s：欠固结土,OCR=1：正常固结OCR1：超固结OCR1：欠固结,相同s 时，一般OCR越大，土越密实，压缩性越小,超固结比：,22,三、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,A,B,C,D,m,rmin,1,2,3,先期固结压力p的确定：Casagrande 法,(f)B点对应于先期固结压力p,(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,23,24,25,26,4土的压缩性与地基沉降计算,4

8、.1 变形特性测试方法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,27,研究表明：粘性土地基在基底压力作用下的沉降量S由三种不同的原因引起,次固结沉降 Ss主固结沉降完成以后，在有效应力不变条件下，由于土骨架的蠕变特性引起的变形。这种变形的速率与孔压消散的速率无关，取决于土的蠕变性质，既包括剪应变，又包括体应变。,初始沉降(瞬时沉降)Sd有限范围的外荷载作用下地基由于发生侧向位移(即剪切变形)引起的。,主固结沉降(渗流固结沉降)Sc由于超孔隙水压力逐渐向有效应力转化而发生的土渗透固结变形引起的。是地基变形的主要部分。,4土的压缩性与地基沉降计算,t,S

9、,Sd：初始瞬时沉降,Ss:次固结沉降,Sc：主固结沉降,4.3 地基的最终沉降量计算,28,4土的压缩性与地基沉降计算,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,4.3 地基的最终沉降量计算,主固结沉降,29,4土的压缩性与地基沉降计算,一、单一土层一维压缩问题,二、地基最终沉降量分层总和法,三、地基沉降计算的若干问题,4.3 地基的最终沉降量计算,30,4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、计算简图,压缩前,压缩后,侧限条件,z=p,p,e1,一、单一土层一维压缩问题,（a）e-曲线,（b）e-lg曲线

10、,31,4土的压缩性与地基沉降计算,4.3 地基的最终沉降量计算,2、计算公式,一、单一土层一维压缩问题,（a）e-曲线,32,4土的压缩性与地基沉降计算,4.3 地基的最终沉降量计算,2、计算公式,一、单一土层一维压缩问题,（b）e-lg曲线,优点:,可使用推定的原状土压缩曲线；可以区分正常固结土和超固结土并分别进行计算。,正常固结土：,超固结土(并假定p2p)：,p,33,1、基本假定和基本原理,理论上不够完备，缺乏统一理论；单向压缩分层总和法是一个半经验性方法。,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,二、地基最终沉降量分层总和法,（a）基底压力为线性分布（b）附加应力

11、用弹性理论计算（c）只发生单向沉降：侧限应力状态（d）只计算固结沉降，不计瞬时沉降和次固结沉降（e）将地基分成若干层，认为整个地基的最终沉降量为各层沉降量之和：,34,2、计算步骤,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,二、地基最终沉降量分层总和法,情况1,不考虑地基回弹的情形：沉降量从原基底算起；适用于基础底面积小，埋深浅，施工快。,考虑地基回弹的情形：沉降量从回弹后的基底算起；基础底面大，埋深大，施工期长。,情况2,已知：地基各土层的压缩曲线 原状土压缩曲线,35,2、计算步骤情况1,4土的压缩性与地基沉降计算,4.3 地基的最终沉降量计算,二、地基最终沉降量分层总和法

12、,(a)计算原地基中自重应力分布,(b)基底附加压力p0,p0=p-d,(c)确定地基中附加应力z分布,自重应力,附加应力,(d)确定计算深度zn,一般土层：z=0.2 sz；软粘土层：z=0.1 sz；一般房屋基础：Zn=B(2.5-0.4lnB)；基岩或不可压缩土层。,沉降计算深度,sz从地面算起；,z从基底算起；z是由基底附加应力 p-d 引起的,36,2、计算步骤,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,二、地基最终沉降量分层总和法,(a)计算原地基中自重应力分布,(b)基底附加压力p0,(c)确定地基中附加应力z分布,(d)确定计算深度zn,(e)地基分层Hi,不同

13、土层界面；地下水位线；每层厚度不宜0.4B或4m；z 变化明显的土层，适当取小。,(g)各层沉降量叠加Si,(f)计算每层沉降量Si,szi,zi,Hi,37,4土的压缩性与地基沉降计算,4.3 地基的最终沉降量计算,3、计算公式,（a）用e-曲线计算,二、地基最终沉降量分层总和法,38,4土的压缩性与地基沉降计算,4.3 地基的最终沉降量计算,3、计算公式,（a）用e-曲线计算,二、地基最终沉降量分层总和法,Ai,规范法,平均附加应力系数,39,正常固结土,（b）用e-lg曲线计算,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,二、地基最终沉降量分层总和法,3、计算公式,40,各

14、种假定导致 S 的误差，如：取中点下附加应力值，使 S 偏大;侧限压缩假定使计算值偏小；地基不均匀性导致的误差等。,软粘土 S偏小,s1 硬粘土 S偏大,s1,沉降经验修正系数,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,二、地基最终沉降量分层总和法,4、结果修正,基底压力线性分布弹性附加应力计算单向压缩只计主固结沉降原状土现场取样的扰动参数为常数按中点下附加应力计算,41,表4-6 沉降计算经验系数s,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,二、地基最终沉降量分层总和法,4、结果修正,s=1.4-0.2,(1)与土质软硬有关,(2)与基底附加应力p0/fk的大

15、小有关,fk：地基承载力标准值,42,要点小结：,准备资料,应力分布,沉降计算,建筑基础（形状、大小、重量、埋深）地基各土层的压缩曲线 原状土压缩曲线计算断面和计算点,确定计算深度确定分层界面计算各土层的szi，zi计算各层沉降量地基总沉降量,自重应力基底压力基底附加应力附加应力,结果修正,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,二、地基最终沉降量分层总和法,43,44,45,46,4土的压缩性与地基沉降计算,4.1 变形特性测试方法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,47,重点：一维渗流固结,沉降与时间之间的关系：饱和土层的

16、渗流固结,固结沉降的速度？固结沉降的程度？,问题：,4土的压缩性与地基沉降计算,4.4 饱和土体的渗流固结理论,48,4土的压缩性与地基沉降计算,4.4 饱和土体的渗流固结理论,一、一维渗流固结理论（Terzaghi渗流固结理论）,二、固结度的计算,四、固结系数的测定,三、有关沉降时间的工程问题,49,1、物理模型,4.4 饱和土体的渗流固结理论,4土的压缩性与地基沉降计算,p,p,附加应力:z=p超静孔压:u=z=p有效应力:z=0,渗流固结过程变形逐渐增加,附加应力:z=p超静孔压:u 0,附加应力:z=p超静孔压:u=0有效应力:z=p,一、一维渗流固结理论,50,2、数学模型,一、一维

17、渗流固结理论,4.4 饱和土体的渗流固结理论,4土的压缩性与地基沉降计算,土层均匀且完全饱和；土颗粒与水不可压缩；变形是单向压缩（水的渗出和土层压缩是单向的）；荷载均布且一次施加；假定z=const渗流符合达西定律且渗透系数保持不变；压缩系数a是常数。,（1）基本假定,（2）基本变量,总应力已知,有效应力原理,超静孔隙水压力的时空分布,51,（3）建立方程,微小单元（11dz）微小时段（dt）,2、数学模型,一、一维渗流固结理论,4.4 饱和土体的渗流固结理论,4土的压缩性与地基沉降计算,孔隙体积的变化流出的水量,土的压缩特性,有效应力原理,达西定律,表示超静孔隙水压力的时空分布的微分方程,超

18、静孔隙水压力孔隙比,超静孔隙水压力孔隙比,土骨架的体积变化,z,52,Cv 反映了土的固结性质：孔压消散的快慢固结速度；Cv 与渗透系数k成正比，与压缩系数a成反比；（cm2/s；m2/year，粘性土一般在 10-4 cm2/s 量级）,固结系数,（3）建立方程,2、数学模型,一、一维渗流固结理论,4.4 饱和土体的渗流固结理论,4土的压缩性与地基沉降计算,53,时间因数,m1，3，5，7,3、方程求解,一、一维渗流固结理论,4.4 饱和土体的渗流固结理论,4土的压缩性与地基沉降计算,0 z H:u=p,z=0:u=0z=H:uz,0 z H:u=0,基本微分方程：,初始边界条件：,微分方程

19、的解：,反映孔隙水压力的消散程度固结程度,54,单面排水时孔隙水压力分布,双面排水时孔隙水压力分布,z,z,排水面,不透水层,排水面,排水面,渗流,渗流,渗流,Tv=0,Tv=0.05,Tv=0.2,Tv=0.7,Tv=,Tv=0,Tv=0.05,Tv=0.2,Tv=0.7,Tv=,(3)微分方程的解,3、方程求解,一、一维渗流固结理论,4.4 饱和土体的渗流固结理论,4土的压缩性与地基沉降计算,时间因数,m1，3，5，7,55,二、固结度的计算,一点M：,地 层：,一层土的平均固结度,Uz,t=01：表征总应力中有效应力所占比例,4.4 饱和土体的渗流固结理论,4土的压缩性与地基沉降计算,1

20、、基本概念,M,56,2、平均固结度Ut与沉降量St之间的关系,t时刻：,确定St的关键是确定Ut 确定Ut的核心问题是确定uz.t,4.4 饱和土体的渗流固结理论,4土的压缩性与地基沉降计算,在时间t的沉降与最终沉降量之比,二、固结度的计算,57,3.地基沉降过程计算,均布荷载，单向排水情况,确定地基的平均固结度Ut,已知,解得,近似,简化,4.4 饱和土体的渗流固结理论,4土的压缩性与地基沉降计算,二、固结度的计算,Tv反映固结程度,58,1、求某一时刻t的固结度与沉降量2、求达到某一固结度所需要的时间3、根据前一阶段测定的沉降时间曲线，推算以后的沉降时间关系,4.4 饱和土体的渗流固结理

21、论,4土的压缩性与地基沉降计算,三、有关沉降时间的工程问题,59,1、求某一时刻t的固结度与沉降量,t,Tv=Cvt/H2,St=Ut S,4.4 饱和土体的渗流固结理论,4土的压缩性与地基沉降计算,三、有关沉降时间的工程问题,60,2、求达到某一沉降量(固结度)所需要的时间,Ut=St/S,从 Ut 查表（计算）确定 Tv,4.4 饱和土体的渗流固结理论,4土的压缩性与地基沉降计算,三、有关沉降时间的工程问题,61,3、根据前一阶段测定的沉降时间曲线，推算以后的沉降时间关系,对于各种初始应力分布，固结度均可写成：,已知：t1S1t2S2,公式计算，,计算t3S3,4.4 饱和土体的渗流固结理论,4土的压缩性与地基沉降计算,三、有关沉降时间的工程问题,62,63,64,65,66,变形特性测试方法,一、三轴压缩试验二、侧限压缩试验,一维压缩性及其指标,一、e-曲线二、e-lg曲线三、先期固结压力,一、单一土层一维压缩问题二、地基最终沉降量分层总和法三、地基沉降计算的若干问题,地基的最终沉降量计算,一、一维渗流固结理论二、固结度的计算三、有关沉降时间的工程问题,饱和土体的渗流固结理论,4土的压缩性与地基沉降计算,小结,67,作 业,68,69,