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1、1,第四章,土的压缩性与地基沉降计算,2,本章特点,有一些较严格的理论 有较多经验性假设和公式 强调物理意义及实际应用 主线：一维压缩问题 工程中的假定 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,4土的压缩性与地基沉降计算,主要难点,学习要点,3,工程实例,4土的压缩性与地基沉降计算,问题： 沉降2.2米，且左右两部分存在明显的沉降差。,墨西哥某宫殿,地基：20多米厚的粘土,4,Kiss,由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触,5,基坑开挖，引起阳台裂缝,6,修建新建筑物：引起原有建筑物开裂,7,高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除,8,建筑物立面高差过大,9,
2、建筑物过长：长高比7.6:1,10,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,11,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
3、力状态？,12,4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,13,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,14,4土的压缩性与地基沉降计算,4.1变形特性测试方法,一、常规三轴试验,二、侧限压缩试验,三、普遍应力应变关系及本构模型,四、现场原位试验,15,4土的压缩性与地基沉降计算,4
4、.1变形特性测试方法,量测体变或孔压,一、常规三轴试验,16,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,17,二、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,18,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
5、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,e0,19,应力应变关系以正常固结粘土为例,非线性 弹塑性 记忆性,侧限变形模量：,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,20,侧限压缩试验,常规三轴试验,常规三轴试验与侧限压缩试验应力应变关系曲线的比较 （趋势图）,4土的压缩性与地基沉降计算,4.1变形特性测试方法,21,由虎克定律:,侧限条件下:,则:,E Es,变形模量 E 与侧限变形模量 Es 之间的关系（相同的初始状态）,4土的压缩性与地基沉降计算,4.1变形特性测试方法,22,三、
6、普遍应力应变关系及本构模型,1.土变形的物理机制（原因）,土受力以后为什么会表现出上述变形特性？ 土的特殊性,弹性变形,体应变主要是由于孔隙体积变化引起的； 剪应变主要是由于土颗粒的大小和排列形态变化引起的。,接触点处弹性变形 弹性挠曲变形 颗粒滚爬的可逆性 封闭气泡受压,塑性变形,大孔隙消失 接触点颗粒破碎 颗粒相对滑移 扁平颗粒断裂,4土的压缩性与地基沉降计算,4.1变形特性测试方法,剪胀性 与围压有关,碎散性,记忆性,结构性,23,2.土的本构模型,4土的压缩性与地基沉降计算,4.1变形特性测试方法,三、普遍应力应变关系及本构模型,四、现场原位试验,24,4土的压缩性与地基沉降计算,4.
7、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,25,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,26,4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,e,27,4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,
8、28,4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,29,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,30,4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,e-曲线缺点： 不能反映土的应力历史 （对一个土样，难以从e-曲线形状或形态上判断土样过去经受的应力变化情况即应力历史）,31,4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（再压缩指数）,Ce Cc，一般Ce0.1-0.2C
9、c,特点1：有一段较长的直线段,指标：,32,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,33,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。 分析：两直线斜率不同，土样加载时如e lg曲线发生转折，则为超 固结土， e lg曲线可以反映应力历史。,34,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,ab 上
10、覆土沉积 bb 取样 bcd 室内试验,历史上无卸载：,历史上有卸载：,af 上覆土沉积 ff 剥蚀 ff 取样 fgh 室内试验,s= z,p= z,二、e - lg 曲线,应力历史如何衡量？,35,三、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：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：,36,三、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
11、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,37,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,四、原位压缩曲线及原位再压缩曲线,原状土的原位压缩曲线： 直线 原状土的原位再压缩曲线：直线 客观存在的，无法直接得到！,无扰动、无卸载,无扰动、有卸载,如何求取,？,38, 确定先期固结压力p 过e0 作水平线与p作用线交于
12、B。由假定知，B点必然位于原状土的初始压缩曲线上； 以0.42e0 在压缩曲线上确定C点，由假定知，C点也位于原状土的初始压缩曲线上；,土样取出以后e不变，等于原状土的初始孔隙比e0，因而，（ e0, p）点应位于原状土的初始压缩曲线上； 0.42e0时，土样不受到扰动影响。,a. 正常固结土,假定：,推定：,原位压缩曲线的近似推求, 通过B、C两点的直线即为所求的原位压缩曲线。,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,四、原位压缩曲线及原位再压缩曲线,39,b. 超固结土,假定：, 土取出地面后体积不变，即（e0,s）在原位再压缩曲线上； 再压缩指数Ce 为常数； 0.42e
13、0处的土与原状土一致，不受扰动影响。,推定：, 确定s ，p的作用线； 过e0作水平线与 s作用线交于D点；, 过B和C点作直线即为原位压缩曲线。, 过D点作斜率为Ce的直线，与p作用线交于B点，DB为原位再压缩曲线；, 过0.42e0 作水平线与e-lg曲线交于点C；,原位压缩曲线的近似推求,4土的压缩性与地基沉降计算,4.2 一维压缩性及其指标,四、原位压缩曲线及原位再压缩曲线,40,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
14、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,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,41,4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,42,4土的压缩性与地基沉降计算,一
15、、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,43,4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,44,4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,45,4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
16、固结土并分别进行计算。,正常固结土：,超固结土(并假定p2p)：,p,46,1、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：,47,2、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，
