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1、土力学,主讲：朱明,第四章 土的压缩性和地基沉降计算,主要内容,4.1 土的压缩性 4.2 地基沉降计算 4.3 沉降观测与地基容许变形 4.4 固结理论,4.0 概述,（墨西哥城）,地基的沉降及不均匀沉降,4.0 概述,4.0 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,4.0 概述,工 程 实 例,基坑开挖，引起阳台裂缝,4.0 概述,新建筑引起原有建筑物开裂,4.0 概述,工 程 实 例,建筑物立面高差过大,47m,39,150,194,199,175,87,沉降曲线(mm),工 程 实 例,建筑物过长：长高比7.6:1,4.0 概述,第一节 土的压缩性,
2、土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性.,压缩量的组成 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,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,4.1 土的压缩性,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,4.1 土的压缩性,土的变形特性测定方法,4.1 土的压缩性,常规三轴压缩试验,常用试验类型,4
3、.1 土的压缩性,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,4.1 土的压缩性,压缩试验,研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法，亦称固结试验,三联固结仪,4.1 土的压缩性,1.压缩仪示意图,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,4.1 土的压缩性,施加荷载，静置至变形稳定 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,4.1 土的压缩性,侧限压缩试验,已知： 试样初始高度H0 试样初始孔
4、隙比e0,试验结果： 每级压力p作用下，试样的压缩变形S,4.1 土的压缩性,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,4.1 土的压缩性,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,4.1 土的压缩性, - 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
5、,侧限压缩（变形）模量 kPa ,MPa,4.1 土的压缩性,侧限压缩试验,由三相草图：,可得到e-p关系,4.1 土的压缩性,e-p曲线,研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律,Vve0,Vs1,Vve1,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,4.1 土的压缩性,压力作用下，土中孔隙的减小。,压缩试验及压缩曲线,或,4.1 土的压缩性,e-p曲线,e0,p,e,e-p曲线,曲线A压缩性曲线B压缩性,4.1 土的压缩性,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-
6、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-1,4.1 土的压缩性,e-p曲线压缩系数a,压缩系数a1-2常用作比较土的压缩性大小,4.1 土的压缩性,压缩系数,侧限压缩模量,体积压缩系数,压缩指标间的关系,4.1 土的压缩性,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,4.1 土的压缩性,常规三轴与侧限压缩试验,变形模量 E0 与侧限变形模量 Es间的关系,则:,E0 Es,虎克定律,侧限条件,4.1 土的压缩性,e-lgp曲线,Cs Cc， 一般Ce0.1
7、-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,4.1 土的压缩性,侧限压缩试验指标汇总,4.1 土的压缩性,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OCR越大，土越密实，压缩性越小,4.1 土的压缩性,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,4.1 土的压缩性,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
8、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,4.1 土的压缩性,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,4.1 土的压缩性,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,4.1 土的压缩性,土样从地层中取出,前期固结压力,压缩指数,膨胀指数,应力历史对粘性土压缩性的影响,4.1 土的压缩性,当前地表,正常固
9、结土,欠固结土,超固结土,超固结比,4.1 土的压缩性,二、试验方法确定土的变形模量,确定变形模量,现场试验,室内试验,三轴试验,4.1 土的压缩性,现场载荷试验,现场载荷试验是在工程现场通过千斤顶逐级对置于地基土上的载荷板施加荷载，观测记录沉降随时间的发展以及稳定时的沉降量s，将上述试验得到的各级荷载与相应的稳定沉降量绘制成p-s曲线，即获得了地基土载荷试验的结果。,4.1 土的压缩性,地基土现场载荷试验,图4-4 地基土现场载荷试验,1载荷板 2千斤顶 3百分表 4平台 5枕木 6堆重,4.1 土的压缩性,反压重物,反力梁,千斤顶,基准梁,荷载板,百分表,4.1 土的压缩性,圆形压板,方形
10、压板,4.1 土的压缩性,三种模量的讨论,压缩模量Es是土在完全侧限的条件下得到的，为竖向正应力与相应的正应变的比值。该参数将用于地基最终沉降量计算的分层总和法、应力面积法等方法中。,变形模量E0是根据现场载荷试验得到的，它是指土在侧向自由膨胀条件下正应力与相应的正应变的比值。该参数将用于弹性理论法最终沉降估算中，但载荷试验中所规定的沉降稳定标准带有很大的近似性。,4.1 土的压缩性,弹性模量Ei可通过静力法或动力法测定，它是指正应力s与弹性（即可恢复）正应变e的比值。该参数常用于用弹性理论公式估算建筑物的初始瞬时沉降。,根据上述三种模量的定义可看出：压缩模量和变形模量的应变为总的应变，既包括
11、可恢复的弹性应变，又包括不可恢复的塑性应变。而弹性模量的应变只包含弹性应变。,4.1 土的压缩性,第二节 地基沉降计算,地基最终沉降量：地基变形稳定后基础底面的沉降量,4.2 地基沉降计算,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,4.2 地基沉降计算,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，不考虑沉降过程。,以一维侧限应力状态土的压缩特性为基础
12、的分层总和法,计算方法：,4.2 地基沉降计算,单一压缩土层的沉降计算 在一定均匀厚度土层上施加连续均布荷载，竖向应力增加，孔隙比相应减小，土层产生压缩变形，没有侧向变形。,4.2 地基沉降计算,单一土层一维压缩问题,计算简图,（a）e-p曲线,（b）e-lgp曲线,4.2 地基沉降计算,计算公式：e-p曲线,单一土层一维压缩问题,4.2 地基沉降计算,施工步骤,地基最终沉降量分层总和法,基坑开挖：基础土层卸载，基础底面回弹,基础施工：基础土层重加载，基础底面再压缩,基坑回填：基础土层重加载，基础地面再压缩,建筑物施工：基础土层压缩沉降,4.2 地基沉降计算,地基沉降计算分层总和法,S1,dS
13、,1. 基本原理,（1）基础中心处的沉降代表基础的沉降。,（2）中心土柱完全侧限，其压缩量为沉降。,基本假设,沉降计算,S2,S3,S4,S8,计算深度,（1）桥规：,建规：,（2）至不可压缩的土（岩）层。,4.2 地基沉降计算,2. 计算步骤,（1）分层,（2）计算基底净压力（附加压力）,（3）计算原存应力（自重应力）,（4）计算中心点以下的附加应力,（5）确定压缩底层,（6）计算每一层土的压缩量,4.2 地基沉降计算,4.2 地基沉降计算,压缩量计算公式,（I）,（II）,（III）,（7）计算总沉降量,4.2 地基沉降计算,四、建筑地基基础设计规范,4.2 地基沉降计算,沉降经验修正系数
14、,（1）中等强度地基,（2）软弱地基,（3）坚实地基,4.2 地基沉降计算,S计S实,结果修正,地基最终沉降量分层总和法,会导致S的计算误差，如： 取中点下附加应力值，使S偏大 侧限压缩使计算值偏小 地基不均匀性导致的误差等,软粘土（应力集中）S偏小, s1 硬粘土（应力扩散）S偏大, s1,s经验修正系数,基底压力线性分布 弹性附加应力计算 单向压缩 只计主固结沉降 原状土现场取样的扰动 参数为常数 按中点下附加应力计算,4.2 地基沉降计算,地基最终沉降量分层总和法,结果修正,地基最终沉降量分层总和法,经验修正系数s=1.4-0.2, 与土质软硬有关 与基底附加应力p0/fk的大小有关,4
15、.2 地基沉降计算, 准备资料, 应力分布, 沉降计算,建筑基础（形状、大小、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, 结果修正,分层总和法要点小结,4.2 地基沉降计算,地基沉降计算中的有关问题,1.分层总和法在计算中假定不符合实际情况 假定地基无侧向变形 计算结果偏小 计算采用基础中心点下土的附加应力和沉降 计算结果偏大 两者在一定程度上相互抵消误差，但精确误差难以估计,2.分层总和法中附加应力计算应考虑土体在自重作用下的固结程度，未完全固结的土应考虑由于固结引起的沉降量 相邻荷载对沉降量有较大的影响，在附加应力计算中应考虑相邻荷载的作用,3.当建筑物基础埋置较深时，应考虑开挖基坑时地基土的回弹，建筑物施工时又产生地基土再压缩的情况,4.2 地基沉降计算,回弹,回弹再压缩影响的变形量,计算深度取至基坑底面以下5m，当基坑底面在地下水位以下时取10m,sc考虑回弹再压缩影响的地基变形 Eci土的回弹再压缩模量，按相关试验确定 yc考虑回弹影响的沉降计算经验系数，取
