高等土力学05土的压缩与固结

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1、1,高等土力学,第5章 土的压缩与固结,2,第5章 土的压缩与固结,作业 19，24,3,关西国际机场 世界最大人工岛,http:/www.kiac.co.jp/,2007年8月 第二条跑道运营,冲积层 预设排水砂桩,洪积层 未作处理,5.10km2,5.45km2,4,关西国际机场 世界最大人工岛,1986年：开工 1990年：人工岛完成 1994年：机场运营 面积：4370m1250m 填筑量：180106m3 平均厚度：33m 地基：多层厚粘土,问题：沉降大且有不均匀沉降,设计时预测沉降：5.7-7.5 m 完成时实际沉降：8.1m，5cm/月 (1990年) 预测主固结完成：20年后

2、比设计超填： 3m,5,冲积层 预设排水砂桩,洪积层 未作处理,6,7,新京报2011年4月9日报道 最近，深圳填海区地面下沉，裂缝赫然蜿蜒在广场上和一些楼盘底部。深圳以牺牲生态环境为代价的大规模填海造地，填海区内不少土地被用于发展房地产，造商品房、豪宅。专家指出，深圳向海洋要房地产，暴露出地方政府“唯GDP”论和“土地财政”思维，与建设世界一流城市目标背道而驰。 近日，记者在深圳填海区看到，一些楼盘地面发生沉降，严重之处，地面和台阶之间撕裂形成的缝隙，足以塞进一个拳头，“局部看上去，有点像美国灾难片中的场景。”深圳市民徐燕说。,8,5.1 概述 5.2 地基沉降的计算方法 5.3 单向固结的

3、普遍方程及一般问题 5.4 土的三维固结理论 5.5 关于土体固结的其它问题简介,9,5.1 概述,5.1.1 压缩、沉降与固结 5.1.2 研究历史与发展 5.1.3 土中水的变化与土的压缩 5.1.4 单向压缩试验的各种参数 5.1.5 影响土的压缩性的因素 5.1.6 引起地基沉降的原因 5.1.7 沉降的分类： 瞬时沉降、固结沉降 和次固结沉降,10,压缩：平均应力p增加，使土的体积减少(体缩、收缩） 沉降：地基竖直向下的位移，主要是由于压缩引起的， 也可能由于剪缩、形变、湿陷、融陷等 固结：土体完成压缩变形要经历一段时间过程。对于饱和土，荷载增加引起(超静）孔隙水压力增加部分孔隙水从

4、土体中排出土中孔隙水压力相应地转为土粒间的有效应力土体逐渐压缩（反之，负孔压及应力解除引起膨胀）,直至变形趋于稳定。这一变形的全过程称为固结。,5.1.1 压缩、沉降与固结,5.1 概述,11,5.1.2 研究历史与发展压缩与沉降计算,1.单向压缩变形分层总和法 2.考虑三向变形的沉降计算 3.考虑土的应力历史、应力路径等因素的沉降计算 4.非线性弹性模型、弹塑性模型的有限单元法计算及其它数值计算方法,5.1 概述,12,5.1.2 研究历史与发展固结分析,1. 太沙基的饱和土体一维固结理论：假设； 2. 太沙基(Terzaghi)与伦杜立克（Rendulic）的拟三维固结方程，其中假设了固结

5、过程中总应力（正应力之和）为常量； 3. 比奥（Biot）考虑了材料三向变形与孔隙压力的相互作用，导出比较完善的三向固结方程； 4. 比奥固结理论与各种本构模型的耦合； 5. 非饱和土的固结问题； 6. 非饱和土的流固耦合的渗流固结问题。,5.1 概述,13,5.1.3 土中水的变化与土的压缩,土体压缩一般是孔隙中流体体积变化的结果。,Ww：土中水重,5.1 概述,14, 饱和度变化； 孔隙比变化； 水容重变化； 土粒容重变化。 后二者微不足道。,土中水重量的几种变化,1,4,3,2,5.1 概述,15,（1）e与Sr均为常量：稳定渗流。 （2）Sr为常量（1）,e变化：饱和土体的 渗流固结问

6、题。 （3）e为常量, Sr变化：非饱和土体积恒定 时的减湿（Sr减小)或增湿(Sr增大)。 （4）e与Sr均变化：非饱和土的压缩与膨胀 问题。,土中水总重量的几种变化组合：,5.1 概述,16,5.1.4 单向压缩试验的各种参数,压缩系数： av 体积压缩系数：mv 侧限压缩模量：Es 压缩指数：Cc 回弹（再压缩）指数：Ce 次压缩系数： C,5.1 概述,17,5.1.4 单向压缩试验的各种参数,图51 压缩系数与压缩模量,5.1 概述,18,5.1.4 单向压缩试验的各种参数,图52 压缩指数与回弹指数,5.1 概述,19,次压缩系数C,图53 次压缩系数,5.1 概述,20,1） 土

7、粒粒度、矿物成分和土体结构,粗粒土 在压力作用下，土粒发生滑动与滚动，位移到比较密实、更稳定的位置。 如果压力较大，可能部分土粒被压碎，增加压缩量。 粗粒土的压缩一般比细粒土的要小，但在高压时也能达到相当的量级。,细粒土 颗粒间的水膜被挤薄，土粒间发生相对滑移达到较密实状态；扁平薄土粒具有弹性，在压力下产生挠曲变形。 具分散结构的粘性土：直接原因主要由于颗粒间的孔隙水被挤出。 具凝聚结构的粘性土：直接原因主要由于结构破坏和土粒发生弹性挠曲。,1土体本身性状,5.1.5 影响土的压缩性的因素,5.1 概述,21,2） 有机质,（1）泥炭（有机质含量大于60）；泥炭质土 （有机质含量10%60）；

8、（生活）垃圾土。 （2）与龄期、降解有关。 （3）含水率很高（w=100900）。 （4）孔隙比大（e=1.05.0）。 （5）比重Gs低。 （6）液、塑限大。 （7）渗透系数比较大：k=103105cm/s。 （8）水平渗透系数为垂直向的1.53倍。 （9）压缩性极高，但固结较快。,5.1 概述,22,3）孔隙水,表现为水中阳离子对粘土表面性质（包括水膜厚度）的影响。如：孔隙水中阳离子浓度高、价数高，结合水膜薄，压缩性变小。 如果土中含有膨胀性粘土矿物，当孔隙水中的阳离子性质和浓度变化、使粘结水膜厚度减薄时，土的膨胀性与膨胀压力均将减小；反之亦然。,5.1 概述,23,2环境因素,1） 应力

9、历史固结,2） 温度 对主固结有一定影响。 对于含有机质的土影响大。 对于次固结（蠕变）影响更大。,图54 应力历史:正常固结土与超固结土,5.1.5 影响土的压缩性的因素,5.1 概述,24,升温后压缩曲线下移，表观pc减小；反之，则曲线上移。 （温度提高，水的黏性减小，易于压缩）,升温,降温,图55 固结中的升温与降温,5.1 概述,25,不同温度超固结有机质粘土的典型固结曲线 温度对压缩（含次固结和蠕变）曲线的影响,图56 超固结有机土的固结曲线,5.1 概述,26,5.1.6 引起地基沉降的原因,1. 建筑物荷重 2. 环境荷载 3. 其它环境原因,5.1 概述,27,1. 建筑物荷重

10、,土体形变：瞬时完成,压缩或者剪缩：土体固结时孔隙比（或者体积）发生变化：随时间而发展（固结）,图57 形变与体变,5.1 概述,28,2. 环境荷载,土体干缩：取决于土体失水后的性质。易形成硬壳层。 地下水位下降：土层有效应力（重量）增大，沉降随时间而发展：一些城市地面下沉。,5.1 概述,29,3. 其它环境原因,（1）振动引起土粒重排列，甚至液化、震陷：视振动 性质与土的密度、含水量而异。 （2）土体浸水湿陷或软化，结构破坏丧失粘聚力 或矿物软化。 （3）膨胀土遇水膨胀；失水收缩。 （4）地下洞穴（土洞）及冲刷：不规则、有可能很严 重。 （5）化学或生物化学腐蚀。 （6）矿井（采空区）、

11、地下管道垮塌、基坑开挖：可 能很严重。 （7）整体剪切、形变蠕变、滑坡，不规则。 （8）冻融变形：随土的湿度与温度而变，不规则。,5.1 概述,30,广东梅州出现400平米地陷 据称深度超90米(图) 2010年04月27日04:10 大洋网-广州日报 4月23日凌晨2时左右，梅江区长寿水泥有限公司厂区变压器附近发生地陷，地陷口面积大约10m2左右，6根高约4.5米的高压电线杆沉入地底不见了踪影，高压线被扯断导致供电中断。随后，地陷口逐渐扩大，至26日下午扩大到了400m2左右才开始趋于稳定。,31,矿区乡政府6层宿舍楼体下沉倾斜(组图) 2010年04月28日02:37 燕赵晚报,昨日6时，

12、井陉矿区横涧乡一座6层乡政府宿舍楼居民遭遇惊魂瞬间：楼体突然下沉，楼前地面突现深坑，直径在两米以上，深约3米。整座楼朝东北方倾斜，周围地面出现了数道裂痕。,32,5.1.7 沉降的分类： 瞬时沉降、固结沉降 和次固结沉降,图58 瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降,5.1 概述,S=Si+ Sc+ Ss,33,圆形荷载，直径B,1. 瞬时沉降Si的确定,图59 地基上的局部荷载,5.1 概述,34,发生在加荷的瞬时：对于砂土，即是全部沉降；对于饱和粘土，即为不排水条件下土体形变引起的沉降（无体积变化）。,（1）与H/(B/2)有关一维压缩的假设条件：H/(B/2)=0； （2）与泊松比 有关, 0

13、.5，全部为瞬时沉降。,图510 瞬时沉降的确定,5.1 概述,35,(1) 瞬时沉降的弹性理论算法集中荷载,弹性半无限空间,地面距集中荷载作用点距离r处的地面沉降S,图511 集中荷载作用下的瞬时沉降,5.1 概述,36,（2） 均布荷载q 柔性基础下的瞬时沉降,I: 影响（修正）系数，与形状、计算点位置有关。,图512 矩形均布荷载的瞬时沉降,5.1 概述,37,修正系数I基础形状,不同形状基础的修正系数 I,5.1 概述,38,（3）考虑基础埋深和地基有限厚度的瞬时沉降,0：考虑基础埋深D的修正系数； 1：考虑地基压缩层厚度H的修正系数。 对于饱和粘土，泊松比 为0.5。,5.1 概述,

14、39,0：考虑基础埋深D的修正系数； 1：考虑地基压缩层H的修正系数。 系数 0与1取决于： 基础形状：圆、方、条 基础长宽比：L/B 0：基础埋深:D/B 1：压缩层厚度:H/B,图513 基础埋深和层厚的修正系数,5.1 概述,40,（4）瞬时沉降的修正：由于设计地基土非弹性，可能屈服，除以小于1的修正系数SR,沉降比 SR 确定根据： 荷载q与极限承载力qult之比q/qult 初始剪应力比 f,5.1 概述,41,土层厚度/基础宽度H/B，,瞬时沉降的修正SR,H/B=0.5,H/B=1.0,H/B=1.5,初始剪应力比 f,图514 瞬时沉降的修正SR,5.1 概述,荷载与极限承载力

15、之比q/qult,42,瞬时沉降计算的程序,图515 瞬时沉降计算的程序,5.1 概述,43,2. 固结沉降Sc,（1）土体在外荷作用下产生的超静水压力u。 （2）迫使土中水外流，土孔隙减小。 （3）形成的地面下沉。 （4）由于孔隙水排出需要时间，固结沉降是时 间的函数。 （5）它是饱和粘土沉降的主要部分。 具体计算方法将在后面给出,5.1 概述,44,3. 次压缩沉降Ss,（1）它基本上发生在土中超静水压力完全消散 以后，是在恒定有效应力下的沉降。 （2）它源于土的流变性。 （3）时间引起的“等效超固结压力”称拟似先 期固结压力，它们可能是由于土承担恒定 长期荷载引起了次压缩等所导致的。或是

16、 风化与胶结，孔隙水水质变化（水中离子 改变）等。,5.1 概述,45,次固结系数C,图516 次固结沉降的确定,5.1 概述,46,t，tc从主固结过程开始起算的时间和主固结完成时的时间。,次固结沉降的计算,5.1 概述,47,沉降计算,（1） （2） （3） （4）,5.1 概述,48,5.2 地基沉降的计算方法,5.2.1 单向压缩分层总和法 5.2.2 考虑三向效应的单向压缩计算法 （SkemptonBjerrum) 5.2.3 三向变形计算法（黄文熙法） 5.2.4 弹性理论法 5.2.5 应力路径法 5.2.6 剑桥模型法 5.2.7 几种沉降计算方法的讨论,49,5.2.1 单向沉降的分层总和法,假设与应用 （1） 荷载用弹性理论计算（布辛尼斯克） （2） 只发生单向渗流与沉降（侧限） （3） 主要计算主固结沉降（荷载