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1、2006.03,第五章 土的压缩性与地基沉降计算,本章提要 本章特点 学习难点,第五章：土的压缩性与地基沉降计算,土的压缩性 -测试方法和指标 地基的最终沉降量-分层总合法 地基的沉降过程-饱和土渗流固结理论 有一些较严格的理论 有较多经验性假设和公式 应力历史及先期固结压力 不同条件下的总沉降量计算 渗流固结理论及参数,土的压缩变形问题,土的压缩性与地基沉降计算,试验方法,压缩性指标,沉降的大小,沉降的过程,土的压缩性测试方法 一维压缩性及其指标 地基的最终沉降量计算 饱和土体的渗流固结理论,5.1 概述 5.2 土的压缩性测试方法 5.3 一维压缩性及其指标 5.4 地基的最终沉降量计算
2、5.5 饱和土体的渗流固结理论,第五章：土的压缩性与地基沉降计算,5.1 概述,墨西哥某宫殿,左部：1709年 右部：1622年 地基：20多米厚粘土,工 程 实 例,问题： 沉降2.2米，且左右两部分存在明显的沉降差。左侧建筑物于1969年加固,5.1 概述,工 程 实 例,Kiss,由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触,5.1 概述,工 程 实 例,基坑开挖，引起阳台裂缝,5.1 概述,新建筑引起原有建筑物开裂,5.1 概述,工 程 实 例,高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除,5.1 概述,工 程 实 例,建筑物立面高差过大,47m,39,150,194,199,175,87,沉降
3、曲线(mm),工 程 实 例,建筑物过长：长高比7.6:1,5.1 概述,5.1 概述 5.3 一维压缩性及其指标 5.4 地基的最终沉降量计算 5.5 饱和土体的渗流固结理论,第五章：土的压缩性与地基沉降计算,5.2 土的压缩性测试方法,土体变形的机理,土体的变形特性,土体的特点：散粒体,体应变主要由孔隙体积变化引起 剪应变主要由土颗粒的大小和排列形态变化引起,5.2 土的压缩性测试方法,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,侧限压缩（固结）仪,支架,加压设备,固结容器,变形测量,5.2 土的压缩性测试方法,施加荷载，静置至变形稳
4、定 逐级加大荷载,侧限压缩试验,P1,s1,e1,e0,测定： 轴向压缩应力 轴向压缩变形,5.3 一维压缩性及其指标,侧限压缩试验,已知： 试样初始高度H0 试样初始孔隙比e0,试验结果： 每级压力p作用下，试样的压缩变形S,5.3 一维压缩性及其指标,侧限压缩试验,卸载和再加载曲线,在试验曲线的卸载和再加载段，土样的变形特性同初始加载段明显不同，前者的刚度较大 在再加载段，当应力超过卸载时的应力p时，曲线逐渐接近一次加载曲线 卸载和再加载曲线形成滞回圈,5.3 一维压缩性及其指标,侧限压缩试验,应力历史及影响,土体在历史上所承受过的应力情况（包括最大应力等）称为应力历史,应力历史的影响非常
5、显著,土样在A和B点所处的应力状态完全相同，但其变形特性差别很大,5.3 一维压缩性及其指标, - p曲线,初始加载Es 卸载和重加载Ee,体积压缩系数：,单位压应力变化引起的单位体积的体积变化,侧限压缩（变形）模量 KPa ,MPa,5.3 一维压缩性及其指标,侧限压缩试验,由三相草图：,可得到e-p关系,5.3 一维压缩性及其指标,e-p曲线,不同土的压缩系数不同，a越大，土的压缩性越大 同种土的压缩系数a不是常数，与应力p有关 通常用a1-2即应力范围为100-200 kPa的a值对不同土的压缩性进行比较,压缩系数 KPa-1，MPa-1,5.3 一维压缩性及其指标,e-p曲线压缩系数a
6、,压缩系数a1-2常用作比较土的压缩性大小,5.3 一维压缩性及其指标,压缩系数,侧限压缩模量,体积压缩系数,压缩指标间的关系,5.3 一维压缩性及其指标,e-lgp曲线,Ce Cc， 一般Ce0.1-0.2Cc,特点：在压力较大部分， 接近直线段,指标：,反映了土的应力历史,压缩指数,5.3 一维压缩性及其指标,侧限压缩试验指标汇总,5.3 一维压缩性及其指标,先期固结压力,先期固结压力：土层历史上所经受到的最大压力p,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,超固结比：,如土层当前承受的自重压力为s,相同s 时，一般
7、OCR越大，土越密实，压缩性越小,5.3 一维压缩性及其指标,e,p(lg),正常固结土的原位压缩曲线：直线,正常固结土初始压缩曲线,5.3 一维压缩性及其指标,在先期固结压力p附近发生转折，据此可确定p,先期固结压力,AB：沉积过程，到B点应力为p BC：取样过程，应力减小，先期固结压力为p CD：压缩试验曲线，开始段位于再压缩曲线上，后段趋近原位压缩曲线,5.3 一维压缩性及其指标,在e-lgp曲线上，找出曲率最大点m 作水平线m1 作m点切线m2 作m1,m2 的角分线m3 m3与试验曲线的直线段交于点B B点对应于先期固结压力p,先期固结压力p的确定,Casagrande 法,5.3
8、一维压缩性及其指标,原位压缩及原位再压缩曲线,正常固结土:,超固结土:, 沉积ab 取样bb 室内试验bcd,5.3 一维压缩性及其指标,原位初始压缩曲线的推求,基本假定： 取样后不回弹，即土样取出后孔隙比保持不变，(e0,s)点位于原状土初始压缩或再压缩曲线上 压缩指数Cc和回弹指数Ce为常数 试验曲线上的0.42e0点不受到扰动影响，未受扰动的原位初始压缩曲线也应相交于该点,5.3 一维压缩性及其指标,0.1 1 10 p(100kPa),1.0 0.8 0.6 0.4,e,e0,0.42e0,扰动增加,原状样,重塑样,不同扰动程度试样的室内压缩曲线,5.3 一维压缩性及其指标,正常固结土
9、原位压缩曲线的推求,对正常固结土先期固结压力p=s (e0,p)位于原位压缩曲线上 以0.42e0在压缩曲线上确定C点 通过B、C两点的直线即为所求的原位压缩曲线,推定方法,5.3 一维压缩性及其指标,超固结土原位再压缩曲线的推求,确定p,s的作用线 因为ps,点D(e0,s)位于再压缩曲线上 过D点作斜率为Ce的直线DB，DB为原位再压缩曲线 以0.42e0在压缩曲线上确定C点，BC为原位初始压缩曲线 DBC即为所求的原位再压缩和压缩曲线,推定方法,5.3 一维压缩性及其指标,小 结, - p（或）曲线 e p（或）曲线 e lgp（或lg）曲线 先期固结压力 原位压缩曲线及原位再压缩曲线,
10、由侧限压缩试验整理得到的三条常用曲线,5.1 概述 5.2 土的压缩性测试方法 5.3 一维压缩性及其指标 5.4 地基的最终沉降量计算 5.5 饱和土体的渗流固结理论,第五章：土的压缩性与地基沉降计算,5.4 地基的最终沉降量计算,粘性土地基的沉降量S由机理不同的三部分沉降组成：,初始瞬时沉降 Sd ：在不排水条件下，由剪应变引起侧向变形导致 主固结沉降 Sc ：由超静孔压消散导致的沉降，通常是地基变形的主要部分 次固结沉降 Ss ：由于土骨架的蠕变特性引起的变形,粘性地基的沉降类型,5.4 地基的最终沉降量计算,地基的最终沉降量计算,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
11、考虑沉降过程。,以一维侧限应力状态土的压缩特性为基础的分层总和法,计算方法：,5.4 地基的最终沉降量计算,地基的最终沉降量计算,单一土层一维压缩问题 地基最终沉降量分层总和法 地基沉降计算的若干问题,5.4 地基的最终沉降量计算,单一土层一维压缩问题,计算简图,（a）e-p曲线,（b）e-lgp曲线,5.4 地基的最终沉降量计算,计算公式：e-p曲线,单一土层一维压缩问题,5.4 地基的最终沉降量计算,计算步骤：,单一土层一维压缩问题,确定：,查定：,算定：,以公式 为例,5.4 地基的最终沉降量计算,理论上不够完备，缺乏统一理论,是一个半经验性方法,假设基底压力为线性分布 附加应力用弹性理
12、论计算 侧限应力状态,只发生单向沉降 只计算固结沉降，不计瞬时沉降和次固结沉降 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：,基本假定和基本原理：,地基最终沉降量分层总和法,5.4 地基的最终沉降量计算,计算步骤,地基最终沉降量分层总和法,原地基的自重应力分布sz 基底附加压力p0 确定地基中附加应力z分布 确定计算深度zn 地基分层Hi 计算每层沉降量Si 各层沉降量叠加Si,sz从地面算起； z从基底算起，由基底附加应力p0=p-d引起,5.4 地基的最终沉降量计算,计算步骤,地基最终沉降量分层总和法,. . 确定计算深度zn 地基分层Hi 计算每层沉降量Si 各层沉降量叠
13、加Si,经验法： 一般土层：z=0.2sz 软土层：z=0.1sz 经验公式：Zn=B(2.5-0.4lnB) 计算到压缩性较大土层底面,5.4 地基的最终沉降量计算,计算步骤,地基最终沉降量分层总和法,原地基的自重应力分布sz 基底附加压力p0 确定地基中附加应力z分布 确定计算深度zn 地基分层Hi 计算每层沉降量Si 各层沉降量叠加Si,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,5.4 地基的最终沉降量计算,计算公式：,地基最终沉降量分层总和法,对土层i有：,5.4 地基的最终沉降量计算, 准备资料, 应力分布, 沉降计算,建筑基础（形状、大小、
14、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,分层总和法要点小结,5.4 地基的最终沉降量计算,初始瞬时沉降 Sd ，取决于剪切变形 主固结沉降 Sc ，取决于渗透固结过程，通常是地基变形的主要部分 次固结沉降 Ss ，取决于土骨架的蠕变变形,粘性地基的沉降量计算,总变形：,5.4 地基的最终沉降量计算,可计算成层地基 可计算不同形状基础 - 条性、矩形和园形等 可计算不同基底压力分布 - 均匀、三角和梯形分布 参数的试验测定方法简单 已
15、经积累了几十年应用的经验。,基本假定：,优 点：,（a）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,单向分层总和法的评价,5.4 地基的最终沉降量计算,计算精度：,单向分层总和法的评价, 欧美 可判定原状土压缩曲线 区分不同固结状态 计算结果偏大,相差比较大 修正靠经验,e-p曲线与e-lgp曲线的对比：均需修正, 原苏联 无法确定现场土压缩曲线 不区分不同固结状态 计算结果偏小,e-p,e-lgp,5.1 概述 5.2 土的压缩性测试方法 5.3 一维压缩性及其指标 5.4 地基的最终沉降量计算 5.5 饱和土体的渗流固结理论,第五章：土的压缩性与地基沉降计算,5.5 饱和土体的渗流固结理论,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：15-21m厚粘土 问题：沉降大 且不均匀,日本关西
