第4章土的压缩性-lsj.ppt
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1、第四章 土的压缩性和地基沉降计算,土具有压缩性,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),建筑物基础底面产生基底附加应力,土的特点(碎散、三相),地基土产生压缩的原因,外因:1.建筑物荷载作用,这是普遍存在的因素;2.地下水位大幅度下降,相当于施加大面积荷载;3.施工影响,基槽持力层土的结构扰动;4.振动影响,产生震沉;5.温度变化影响,如冬季冰冻,春季融化;6.浸水下沉,如黄土湿陷,填土下沉。,内因:1.固相矿物本身压缩,极小,物理学上有意义,对建 筑工程来说没有意义的;2.土中液相水的压缩,在一般建筑工程荷载 (100-600)Kpa
2、作用下,很小,可不计;3.土中孔隙的压缩,土中水与气体受压后从孔隙中 挤出,使土的孔隙减小。,土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性,固体颗粒的压缩土中水的压缩空气的排出水的排出,占总压缩量的1/400不到,忽略不计,压缩量主要组成部分,说明:土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果 需要计算在附加应力下最终沉降量的大小。,透水性好,水易于排出,压缩稳定很快完成,透水性差,水不易排出,压缩稳定需要很长一段时间,土的固结:土体在压力作用下,压缩量随时间增长的过程 需要考虑计算沉降与时间的关系,压缩:在附加应力作用下,土颗粒重新排列,土体孔隙体积缩小的现象土体孔隙体积减少的实质 土颗粒在受力后
3、调整位置,重新排列,相互挤密的结果;随着土体孔隙体积的减少,孔隙中的水和气体被排除。 作用在土颗粒上的力是什么力? 总应力?,有效应力原理,1.饱和土中的应力形态,PS,PSV,a,a,一. 有效应力原理的基本概念,PS,A:,Aw:,As:,土单元的断面积,颗粒接触点的面积,孔隙水的断面积,a-a断面通过土颗粒的接触点,有效应力,a-a断面竖向力平衡:,u:孔隙水压力,有效应力原理,一. 有效应力原理的基本概念,2. 饱和土的有效应力原理,(1)饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分 和u,并且,(2)土的变形与强度都只取决于有效应力,有效应力,总应力已知或易知,孔隙水压测定或算定,有
4、效应力原理及其意义,或,(1),(2)土的变形和强度取决于有效应力而不是总应力。,(Terzaghi,1923),有效应力原理,有效应力原理,1. 自重应力情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,(1) 静水条件,地下水位,=-u,u=wH2,u=wH2,=-u =H1+satH2-wH2 =H1+(sat-w)H2 =H1+H2,有效应力原理,H,h,砂层,承压水,粘土层sat,H,h,砂层,排水,sat,(2) 稳定渗流条件,1.自重应力情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,向上渗流,向下渗流,有效应力原理,土水整体分析,A,向上渗流:,向下渗流:,1.自重应力情况,二.
5、 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,渗流压密,渗透压力:,有效应力原理,取土骨架为隔离体,A,向上渗流:,向下渗流:,1.自重应力情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,自重应力:,渗透力:,渗透力产生的应力:,渗透力产生有效应力,压缩试验,亦称固结试验,研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法,注意:土样在竖直压力作用下,由于环刀和刚性护环的限制,只产生竖向压缩,不产生侧向变形,压缩仪示意图,2.e-p曲线,研究土在不同压力作用下,孔隙比变化规律,Vve0,Vs1,Vve,Vs1,土样在压缩前后变形量为s,整个过程中土粒体积和底面积不变,土粒高度在受压前后不变,整理,其中,根据不同
6、压力p作用下,达到稳定的孔隙比e,绘制e-p曲线,为压缩曲线,压缩性,e0,p,e,e-p曲线,二、压缩性指标,压缩性不同的土,曲线形状不同,曲线愈陡,说明在相同压力增量作用下,土的孔隙比减少得愈显著,土的压缩性愈高,根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标,1.压缩系数a2.压缩模量Es 3.变形模量E0,曲线A压缩性曲线B压缩性,1.压缩系数a,土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应力增量的比值,p1,p2,e1,e2,M1,M2,e0,e-p曲线,p,e,利用单位压力增量所引起得孔隙比改变表征土的压缩性高低,在压缩曲线中,实际采用割线斜率表示土的压缩性,规范用p1100kPa、 p2200kP
7、a对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性,a1-20.1MPa-1低压缩性土 Es 15MPa0.1MPa-1a1-20.5MPa-1中压缩性土 4MPa Es 15MPa a1-20.5MPa-1高压缩性土 Es 4MPa,2.压缩模量Es,土在侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值,或称为侧限模量,说明:土的压缩模量Es与土的的压缩系数a成反比, Es愈大, a愈小,土的压缩性愈低,3.变形模量E0,土在无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值。,变形模量与压缩模量之间关系,其中,土的泊松比,一般00.5之间,2. 按地基载荷试验确定(最可靠)浅层平板载荷试验、深层平板载荷试验、螺旋板载荷试
8、验,地基载荷试验浅层平板载荷试验,(一)p-s曲线“陡降型”,低压缩性土,中、高压缩性土,压缩指数与回弹再压缩曲线坐标横轴p用对数坐标,而纵轴e用普通坐标,称为elgp曲线。 在较高的压力范围内,elgp近似地为一直线,可用直线的坡度 压缩指数Cc来表示土的压缩性高低,即,式中:e1,e2分别为p1,p2所对应的孔隙比。,压缩系数和压缩指数都是反映土的压缩性的指标,但两者有所不同。前者随所取的初始压力及压力增量的大小而异,而后者在较高的压力范围内是常数。,1.土的卸荷回弹曲线不与原压缩曲线重合,说明土不是完全弹性体,其中有一部分为不能恢复的塑性变形2.土的再压缩曲线比原压缩曲线斜率要小得多,说
9、明土经过压缩后,卸荷再压缩时,其压缩性明显降低,地基沉降量计算,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,单向压缩量公式,无侧向变形条件下单向压缩量计算假设目前工程中广泛采用的计算地基沉降的分层总和法是以无侧向变形条件下的压缩量公式为基础的,它的基本假定是:(1)土的压缩完全是由于孔隙体积减小导致骨架变形的结果,土粒本身的压缩可忽略不计;(2)土体仅产生竖向压缩,而无侧向变形;(3)土层均质且在土层厚度范围内,压力是均匀分布的。,地基沉降量计算,单一土层一维压缩问题,e-曲线,压缩前,压缩后,地基沉降量计算,1、基本假定和基本原理
10、,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径验性方法。,地基最终沉降量分层总和法,(a)假设基底压力为线性分布 (b)附加应力用弹性理论计算(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:,地基沉降量计算,2、计算步骤,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,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=
11、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,地基沉降量计算,2、计算步骤,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,注意:不同土层要用不同e-p曲线,地基最终沉降量分层总和法,注意:不同土层要用不同e-p曲线,压缩前,压缩后,【例
12、题41】有一矩形基础放置在均质粘土层上,如图412(a)所示。基础长度L=10m ,宽度B=5m,埋置深度D=1.5m,基底面作用着中心荷载P=10000kN。地基土的天然湿重度为20kN/m3,土的压缩曲线如图(b)所示。若地下水位距基底2.5m,试求基础中心点的沉降量。,【解】(1)由L/B=10/5=210可知,属于空间问题,且为中心荷载,所以基底压力为 p=P/(LB)=1000/(105)200kPa基底净压力为 pn=p-D=200-20 1.5170kPa(2)因为是均质土,且地下水位在基底以下2.5m处,取分层厚度Hi=2.5m。(3)求各分层面的自重应力(注意:从地面算起)并
13、绘分布曲线见图412(a) s0= D=20 1.5=30kPa s1= s0 +H1=30+20 2.5=80kPa,s2= s1 +H2=80+(21-9.8) 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=192kPa(4)求各分层面的竖向附加应力并绘分布曲线见图412(a)。该基础为矩形,属空间问题,故应用“角点法”求解。为此,通过中心点将基底划分为四块相等的计算面积,每块的长度L1=5m,宽度B1=2.5m。中心点正好在
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