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1、福建工程学院土木工程学院 2016年3月,第五章 土的压缩性和地基沉降,2,第五章 土的压缩性和地基沉降,结构荷载,地基,产生变形、沉降等,基础,原有应力状态发生变化,土体中应力状态发生变化,引起地基土的变形，导致建筑物的沉降，倾斜或水平位移。,当应力超过地基土的强度时，地基就会因丧失稳定性而破坏，造成建筑物倒塌。,严重,3,土的压缩性,1,应力历史与土的压缩性的关系,2,地基沉降的计算方法,3,地基沉降与时间的关系,4,第五章 土的压缩性和地基沉降,4,5 1 土的压缩性,第五章 土的压缩性和地基沉降,一、基本概念,（一）压缩试验 （二）压缩性指标,二、侧限压缩试验及压缩性指标,5,土中固体
2、颗粒、水体积的压缩。 （占总压缩量的1/400不到，忽略不计）。,压缩性,土中空气、水的排出。同时土颗粒重新排列，靠拢挤紧，体积减小。 （压缩量主要组成部分）,5 1 土的压缩性,结论：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果。,地基土在压力作用下体积减小的性质叫做土的压缩性。,一、基本概念,量,6,透水性好， 水易于排出,压缩稳定 很快完成,粘性土,无粘性土,土的固结：土体在压力作用下，压缩量随时间增长的过程。,5 1 土的压缩性,土的压缩变形的快慢与土的渗透性有关。,速度,7,5 1 土的压缩性,在研究地基土的变形时，很多时候需要知道在一定的附加荷载作用下地基土准确的沉降量（变形量）。 在
3、计算沉降量时需要用到土的压缩性指标。 压缩性指标不止一个。有些是利用室内压缩试验测得，有些是利用现场原位测试测得。,8,5 1 土的压缩性,二、侧限压缩试验及压缩性指标,（一）压缩试验,压缩仪示意图,9,5 1 土的压缩性,三联固结仪,10,5 1 土的压缩性,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。,通过百分表测的的变形量可计算得到荷载作用下压缩稳定的孔隙比。,孔隙比如何求得？,11,5 1 土的压缩性,Vv1e0Vs,Vs,Vv2eVs,Vs,土样在压缩前后变形量为s。,土粒高度在受压前后不变,整理,整个过程中土粒体积和底面积不变。,12,5
4、 1 土的压缩性,根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制e-p曲线，称为压缩曲线。可以研究不同土的压缩性。,e0A,p,e,e-p曲线,曲线A压缩性,e-p曲线,e0B,曲线B压缩性,试验时，竖向荷载分级施加； 每级荷载下压缩稳定后再施加下一级荷载；,土的压缩性不同，曲线形状不同，曲线愈陡，在相同压力增量作用下，孔隙比减少得愈显著，土的压缩性愈高。,13,5 1 土的压缩性,14,5 1 土的压缩性,评价土体的压缩性通常有如下几个指标。,1.压缩系数a，单位为MPa-1 2. 压缩指数Cc（不予了解） 3. 压缩模量Es，单位为MPa 4.变形模量E0（载荷实验求得）单位为MPa,（二
5、）压缩性指标,室内侧限 压缩试验求得,15,5 1 土的压缩性,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。,有什么问题？,16,不同压力作用下，a 的值不是一个定值。为统一标准，工程实践中常用p1100kPa、 p2200kPa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 0.1MPa-1a1-20.5MPa-1 中压缩性土 a1-20.5MPa-1 高压缩性土,5 1
6、土的压缩性,压缩系数越大，土的压缩性越？,17,各类地基土的压缩性的高低，取决于土的类别、原始密度和天然结构是否扰动等因素。,5 1 土的压缩性,通常土的颗粒越粗、越密实，其压缩性越,粘性土的压缩性高低可能相差很大：,例如，密实的粗砂、卵石的压缩性比粘性土为低。,低,当土的含水率高、孔隙比大时，为 压缩性土，如淤泥；,若含水率低的硬塑或坚硬的土，则为 压缩性的土。,高,结构性软土，尤其是高灵敏度的土，天然结构遭受破坏时，压缩性变高，强度降低。,低,18,3.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。可按下式计算。,说明：土的压缩模量Es与土的的压缩系数a成反比，
7、 Es 愈大， a 愈小，土的压缩性愈低。,5 1 土的压缩性,19,Vv1e1Vs,Vs,Vv2e2Vs,Vs,土样在压缩前后变形量为H，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,5 1 土的压缩性,则压缩模量为：,20,5 1 土的压缩性,工程上常采用Es1-2作为判别土的压缩性高低的标准：,Es1-24 MPa 高压缩性土 4 MPaEs1-215 MPa 中等压缩性土 Es1-215 MPa 低压缩性土,21,5 1 土的压缩性,4.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,22,5 2
8、 应力历史与 土的压缩性的关系,第五章 土的压缩性和地基沉降,一.土的回弹与再压缩曲线,三.土的超固结比与固结状态,二.土的先期固结压力的确定,土体历史上的受力过程称为应力历史。 土的压缩性与其应力历史有密切关系。,23,5 2 应力历史与土的压缩性的关系,一.土的回弹与再压缩,a,c,b,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.土的再压缩曲线与原压缩曲线是近光滑连接的。而且再压缩曲线比原压缩曲线斜率要小得多，说明土经过压缩后，卸荷再压缩时，其压缩性明显降低。回弹再压缩系数小于压缩系数。,pb,24,二.土的先期固结压力的确定,先(
9、前）期固结压力pc ： 土在其生成历史中曾受过的最大有效固结压力，又称前期固结压力。,5 2 应力历史与土的压缩性的关系,土的受荷历史是非常复杂地，所以很难精确确定先期固结压力的数值。,但根据前面的分析，在压缩试验中，只有当土所受到的压力大于先期固结压力时，土样才发生较明显的压缩。,25,5 2 应力历史与土的压缩性的关系,准确性与什么有关？,26,三.土的超固结比与固结状态,1.正常固结土,先期固结压力不大于现时的土压力pcp0，且p0下固结已经完成，OCR=1,2.超固结土,先期固结压力大于现时的土压力pcp0，且pc下已固结完成，OCR1,3.欠固结土,先期固结压力小于现时的土压力pcp
10、0，OCR1,先期固结压力 Pc 与现在土所受的压力 P0 的比值，定义为土的超固结比，用OCR表示。,5 2 应力历史与土的压缩性的关系,先期固结压力可用于判断土的固结状态。,27,土的固结状态在一定条件下是可以相互转化的,5 2 应力历史与土的压缩性的关系,已经正常固结的土,地表流水啦、冰川啦、开挖啦,超固结土,足够大堆载,正常固结土,新近沉积土、冲填土,自重应力下未固结,欠固结土,时间推移,正常固结土,28,土的固结状态可以对土的压缩性作出评价,5 2 应力历史与土的压缩性的关系,一般来说，相对而言， 超固结土的压缩性最 ， 而欠固结的土压缩性最 。,低,高,29,5 3 地基沉降的计算
11、,第五章 土的压缩性和地基沉降,外因：主要是建筑物荷载产生的附加应力,内因：土的孔隙压缩变形,地基最终沉降量：地基变形稳定后基础底面 （地基表面）的沉降量。,预测建筑物建成之后将产生的最终沉降量，可以判断地基变形值是否超过允许的范围，以便在建筑物设计和施工时，采取相应的工程措施来保证建筑物的安全。,30,5 3 地基沉降的计算,第五章 土的压缩性和地基沉降,一、普通分层总和法,二、建筑地基基础设计规范法,31,第五章 土的压缩性和地基沉降,一、普通分层总和法,1、计算原理 将地基土分为若干水平土层，各土层的厚度分别为h1，h2，h3，hn。分别计算每层土的压缩量s1,s2,s3, sn，然后累
12、加起来即为地基土的总沉降量S。 为了能应用地基中的附加应力计算公式和室内侧限压缩试验的指标，需要做一些假定。,32,基本假定,地基土的变形为侧限变形，无侧限膨胀。可采用压缩实验参数计算。,取基础中心点下附加应力进行计算，此处最大。,沉降计算深度取受压层深度。若以下有软土，则至软土层底。,5 3 地基沉降的计算,2、几点假定,33,计算沉降量,分层,3,计算并绘制自重应力曲线； 算基底压力及基底附加应力； 计算并绘制地基附加应力曲线。,绘制应力分布曲线,确定计算深度,3、计算方法与步骤,5 3 地基沉降的计算,34,确定基础沉降计算深度,一般取附加应力与自重应力的比值为20处，即z=0.2cz处
13、的深度作为沉降计算深度的下限。若遇软土，延伸至软土层底面。,对于软土，取z=0.1c处，若沉降深度范围内存在基岩时，计算至基岩表面为止。,5 3 地基沉降的计算,z=0.2cz,z=0.1cz,35,计算各层沉降量,计算最终沉降量,5 3 地基沉降的计算,36,例题5-1,5 3 地基沉降的计算,37,二、规范法,由来 经过沉降观测发现，分层总和法计算的最终沉降量，只较好的适用于中等地基，而对于软弱地基与坚实地基则存在偏小和偏大的缺点。因此，为了使计算值与观测值相符，且同时简化计算过程，规范提出了改进的分层总和法。,1、规范法的实质 1、为使计算值与实测值更相符，引入经验系数 ，软弱地基 大于
14、1，对于坚实地基 小于1。 2、为使计算简便，引入平均附加应力系数。,5 3 地基沉降的计算,38,zi、zi-1基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离(m),地基最终沉降量修正公式,5 3 地基沉降的计算,2、规范法地基沉降计算公式,39,5 3 地基沉降的计算,注：1. 为变形计算深度范围内压缩模量的当量值，应按下式计算：,式中：Ai 为第 i 层土附加应力系数沿厚度的积分值。,2. fak 为地基承载力的特征值。,40,5 3 地基沉降的计算,3、规范法地基变形计算深度确定,41,当确定沉降计算深度下有软弱土层时，尚应向下继续计算，直至软弱土层中所取规定厚度的计算沉降量也满足上式；
15、若计算深度范围内存在基岩，zn可取至基岩表面为止。 当存在较厚的坚硬粘土层，其孔隙比小于0.5、压缩模量大于50MPa，或存在较厚的密实砂卵石层，其压缩模量大于80MPa时，计算深度可取至该层土表面。,5 3 地基沉降的计算,42,5 3 地基沉降的计算,例题5-2,43,5 4 地基沉降与时间的关系,第五章 土的压缩性和地基沉降,透水性好， 水易于排出,压缩稳定 很快完成,粘性土（尤其饱和的）,无粘性土,本章只讨论饱和粘性土中地基沉降与时间的关系。,44,5 4 地基沉降与时间的关系,第五章 土的压缩性和地基沉降,一、饱和土的渗透固结,二、太沙基一维固结理论,三、实测沉降-时间关系的经验公式,四、地基瞬时沉降与次固结沉降,有效应力原理,45,一、饱和土的渗透固结,饱和粘性土在压力作用下，孔隙水将随时间的延续而逐渐排出，同时孔隙体积也随之缩小，这一过程称为饱和土的渗透固结。 渗透固结所需时间长短与土的渗透性和土的厚度有关。土的渗透性越小，土层越厚，孔隙水被挤出所需的时间越长。,5 4 地基沉降与时间的关系,46,5 4 地基沉降与时间的关系,活塞弹簧力学模型,侧限条件 土骨架 孔隙水 排水顶面 渗透性大小,钢筒 弹簧 水体
