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1、第四章 土的紧缩性及地基沉降计算一、土的一、土的紧缩性性 compressibilitycompressibility在压力作用下土的体积减小。 紧缩性的缘由 土颗粒的紧缩 孔隙水的紧缩 孔隙的减小00紧缩性1.为什么要研讨土的紧缩性一、土的一、土的紧缩性性 compressibilitycompressibility2m4m地基沉降竖向位移Palacio de las Bellas Artes,Mexico City墨西哥城墨西哥城艺术宫的下沉的下沉 墨西哥城下的土层为：表层为人工填土与砂夹卵石硬壳层，厚度5m，其下为火山灰构成的超高紧缩性淤泥，天然孔隙比高达712，含水率150600%，层
2、厚达数十米。该艺术宫沉降量高达4m，并呵斥临近的公路下沉2m。建筑物的不均匀沉降，墨西哥城 广义Hooke定律2 土的弹性变形性质弹性半无限地基弹性变无限地基接受均匀满布荷载静止侧压力系数土的紧缩模量紧缩模量变形模量 完全侧限时，土的应力与应变之比。 紧缩模量Es3. 紧缩实验及紧缩曲线刚性护环加压活塞透水石环刀底座透水石土 样荷 载 紧缩仪 oedometer 构造或紧缩量计算公式 紧缩系数 coefficient of compressibility 规范紧缩系数a1-23. 紧缩目的 0.1 0.5低紧缩性中紧缩性高紧缩性 紧缩模量 modulus of compressibility
3、体积紧缩系数 coefficient of volume compressibility 证 明材料名称C20砼较硬粘土密实砂密实砾、石变形模量(MPa)260008155080100200紧缩系数、体积紧缩系数、紧缩模量、变形模量能否为常数？土样从地层中取出11前期固结压力preconsolidation pressure紧缩指数compression index膨胀指数swelling index4. 应力历史对粘性土紧缩性的影响现场紧缩曲线当前地表h过去地表过去地表正常固结土 normally consolidated clay欠固结土 under consolidated clay超固
4、结土over consolidated clay超固结比 over consolidation ration现场紧缩曲线室内紧缩曲线土样不受扰动影响5. 前期固结压力确实定及现场紧缩曲线的推求正常固结Casagrande1936现场紧缩曲线室内紧缩曲线超固结6. e-lgp法计算土层紧缩量正常固结超固结欠固结二、实验方法确定土的变形模量确定变形模量现场实验室内实验荷载实验旁压实验三轴实验反压重物反力梁千斤顶基准梁荷载板百分表压力p沉降s圆形压板方形压板三、地基沉降计算分层总和法zs1ds1. 根本原理1根底中心处的沉降代表根底的沉降。2中心土柱完全侧限，其紧缩量为沉降。 根本假设 沉降计算s2
5、s3s4s8 计算深度hc至变形很小、可忽略不计的深度。无侧向膨胀，直接利用紧缩实验的结果。土柱的侧限2. 计算步骤1分层细砂粘土粉质粘土12346578901234657892计算基底净压力附加压力Hb3计算原存应力自重应力4计算中心点以下的附加应力5确定紧缩底层为什么要分层？为什么要采用基底净压力？ 应力随深度变化。 紧缩性随深度变化包括同一土层。自重应力附加应力 均匀满布荷载作用下的均质土层能否需求分层？自重应力附加应力为什么要采用基底净压力计算地基沉降？开挖前开挖完成后加载过程地基应力开 挖沉降忽略不计卸载后再加载地基沉降 结 论 1在 p 的作用下，地基的变形可分为两个阶段：0H为卸
6、载后再加载，所产生的沉降忽略不计；H p 土层的变形为地基沉降。 2基底荷载H p，地基中的应力形状由 qz qz+z(p- H )。卸 载再加载卸载应力场应力场复原5确定紧缩底层(紧缩层厚度hc)目的：之下土层的变形可忽略不计。方法： 附加应力控制：缺陷：不能直接反映土层性量变化对hc的影响。 附加应力及自重应力控制：或脆弱地基铁路桥涵地基和根底设计规范 由底层相对紧缩量控制：建筑地基根底设计规范下部有脆弱土层时继续计算。 阅历公式：优点：可以反映出土层变化对hc的影响。 在hc范围内有基岩等不可紧缩土时：算至其顶面。缺陷：不能直接反映土层性量变化对hc的影响。6计算每一层土的紧缩量 方法1
7、：利用ep紧缩关系问题1：如何确定e1i、e2i ?i-1iihi自重应力附加应力e1i初始形状自重应力e2i终止形状自重应力附加应力基底净压力产生问题2：为何采用平均值 ? 同一层中的应力分布不均匀 方法2：利用紧缩模量Es、变形模量E问题：对同一土层， Es、E能否为常数? 同一层中，将Es、E作为常数，只是一种简化算法。实践上，深度不同，应力形状就不同，Es、E也随之而变。 利用紧缩模量Es 利用变形模量E 方法3：利用e-lgp曲线正常固结土超固结土7计算总沉降量Hbi-1izi-1zihi四、建筑地基根底设计规范沉降阅历修正系数阅历或紧缩层内平均紧缩模量1中等强度地基2脆弱地基3坚实
8、地基b五、沉降差和倾斜沉降差：同一建筑中两相邻根底沉降量的差。倾 斜：同一根底两端沉降量之差与其间隔之比。偏心荷载不均匀地层c1c2假 设两端沉降倾斜度AB基 岩虎丘塔杂填土块石填土亚粘土加块石风化岩火成基岩 相邻根底沉降影响 两座建筑物同时建筑时本建筑产生的附加应力对方建筑产生的附加应力 建筑物在对方地基中产生附加应力，且较近一端下的附加应力较大，较远一端较小，两建筑物向内倾斜。 在旧建筑旁修新建筑旧建筑新建筑本建筑产生的附加应力对方建筑产生的附加应力本建筑产生的自重应力 对新建筑，旧建筑在其地基中产生的附加应力相当于原存压力，对新建筑沉降的影响不大。 对旧建筑，在较近的一端，新建筑在其下产
9、生的附加应力较大，而较远一端较小，故旧建筑向新建筑倾斜。七、饱和粘土的浸透固结实际固结：consolidation，原意即为紧缩。 饱和粘土： 在土粒静水或缓慢流水环境中堆积，并经化学作用构成的粘性土或粉土，通常称为软土。砂 土饱和粘土特 点：孔隙比大(e1)，含水量高(wwL)。Mexico City clay：e =712，w =150600%。工程特性：紧缩性高，强度低，浸透性差。地基沉降继续时间长原 因：孔隙水的排出土发生紧缩。孔隙水压散失抗剪强度提高。浸透固结问题：为什么透性差的土其变形完成所需的时间长？ MIT 校园校园10号建筑物及其沉降曲号建筑物及其沉降曲线 该建筑在建筑在19
10、15年建成后的年建成后的10年中，不断以年中，不断以较大的速率沉降，并引起相当大大的速率沉降，并引起相当大的惊慌。的惊慌。Terzaghi于于1925年初次到美国后，年初次到美国后，经过检查和分析，正确地和分析，正确地预测出其出其沉降速率将逐沉降速率将逐渐减小。减小。1. Terzaghi一维单向固结实际 固结模型和固结过程结 论 ： 随着固结过程的进展： 孔隙水压逐渐散失，最终至0。 有效应力逐渐增大，最终与总应力相等。 变形随固结过程逐渐增大，最终到达稳定。 一维固结方程根本假设：1粘土层均质、饱和。2土粒和水不可紧缩。5水的浸透和土的紧缩只沿竖向发生。一维固结4浸透服从Darcy定律，且
11、k坚持不变。3紧缩系数av坚持不变。6外荷载一次瞬时施加。孔 隙孔隙水土骨架总应力p时 间应力或沉降孔隙水压u有效应力位 移孔隙水压 pore water pressure超静水压Excess hydrostatic pressure有效应力effective stress1砂砂饱和粘土1 单元体内水量的变化dQ由Darcy定律对于一维固结问题，可以取单位面积， 而不需取为dxdy1 单元体体积的变化dV土粒高度，坚持不变由均匀满布荷载产生的附加应力沿深度不变两边微分 由dQ=dV 建立固结方程固结系数(m2/年，cm2/年)coefficient of consolidation 初始条件
12、边境条件双面排水时土单元一直处于饱和形状，孔隙体积变化等于水体积变化 固结方程H 为粘土厚度的一半粘土厚度的一半单面排水时H 为粘土的厚度粘土的厚度时间因数 time factor无量纲量 H确实定双面排水时，取粘土层厚度的一半。单面排水时，取粘土层的厚度。 饱和粘土层中孔隙水压力砂砂饱和粘土砂基岩饱和粘土 单面排水时的孔隙水压力分布2. 固结度及饱和粘土地基的沉降过程 1固结度 percent consolidation,degree of consolidation表示荷载作用下，经过一定时间t土层完成全部下沉量的百分数。 一点处的固结度按有效应力 土层平均固结度按地基沉降最终的沉降时辰t
13、 的沉降近似式(1) 固结度U与时间因数Tv为一一对应关系。(2) H Tv U。H 相当于最大排水间隔。(3) 固结度U为U在粘土层厚度内的平均值。砂 井袋装砂井排水塑料板滤 膜芯 板堆 载排水固结法 固结度Ut与时间因数Tv的关系图 3粘性土的沉降过程主固结沉降s2瞬时沉降s1次固结沉降s3瞬时沉降 shear settlement s1加载后地基瞬时产生的沉降，由剪应变引起。( 体积不变 )其中主固结沉降 primary consolidation s2因饱和土浸透固结产生。次固结沉降 secondary consolidation s3因土骨架蠕变产生。习题：课后题 4-8思索c：假设
14、该土样最终紧缩量为10mm，请问固结实验5分钟后，土样的紧缩量是多少？第四章 习题课名词解释：1 、前期固结压力2、固结度3、基底净压力4、倾斜5、时间因数选择题1、以下_不是分层总和法的假设。A. 中心土柱的紧缩是完全侧限的 B. 紧缩层底以下土层的变形忽略不计C. 计算分层紧缩量时假设土体是线性弹性的 D. 各分层中的土是均一的2. 在一老建筑左侧附近堆料并由此产生较大的地表荷载，这将使该建筑物 。A. 均匀下沉 B. 下沉并向左倾斜 C. 下沉并向右倾斜 D. 向左倾斜但不整体下沉3. 在太沙基一维固结实际中，以下说法中正确的选项是：粘土层 。A. 无侧向变形，孔隙水只能沿铅垂方向流动B. 无侧向变形，孔隙水只能沿程度方向流动C. 可以产生侧向变形，但孔隙水只在铅垂方向流动D. 无侧向变形，但孔隙水可在程度、铅垂方向流动4. 按太沙基一维固结实际，对单面排水的饱和粘土层，有效应力最小的位置一直是在粘土层的 。A. 顶部 B. 底部 C. 底部和顶部 D. 土层正中5饱和粘土的上面和下面均为透水土层，那么按照太沙基一维固结实际，当时，粘土层中由地表均匀满布荷载产生的有效应力的分布方式为 。A B C D简答题砂井预压法的原理什么是分层总和法？简述按此法计算根底沉降量的主要步骤？计算题
