土力學(xué)全套完整ppt課件

.,1,土力學(xué)全套課件,.,2,土力學(xué),.,3,緒論土力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，是以土為研究對(duì)象的學(xué)科。研究?jī)?nèi)容：通過(guò)研究土的物理、力學(xué)、物理化學(xué)性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土和土體在荷載、水、溫度等外界因素作用下的反應(yīng)特性即土的壓縮性、剪切性、滲透性及動(dòng)力特性。,需要研究和解決的工程中的三大類問(wèn)題：土體穩(wěn)定或強(qiáng)度問(wèn)題；土體變形問(wèn)題；滲流：滲透變形與滲透穩(wěn)定。,.,4,2005年7月21日在廣州海珠區(qū)江南大道南海珠廣場(chǎng)深基坑南邊發(fā)生滑坡,緒論,.,5,比薩斜塔是意大利比薩城大教堂的獨(dú)立式鐘樓，位于比薩大教堂的后面,鐘樓始建于1173年，設(shè)計(jì)為垂直建造，但是在工程開始后不久便由于地基不均勻和土層松軟而傾斜,緒論,.,6,比薩(Pisa)斜塔,緒論,.,7,該城市人口密集。1850年開始抽取地下水，18911973年，整個(gè)老城下沉達(dá)8.7m造成地面道路、建筑及其他建筑設(shè)施的破壞。,墨西哥城的下沉,土層中地下水位的下降，使有效應(yīng)力增加，使地基進(jìn)一步固結(jié)沉降。,緒論,.,8,圣母教堂，因地表不均勻下沉使其發(fā)生嚴(yán)重傾斜，并成為危房,緒論,.,9,LaConchita滑坡,1996年發(fā)生在美國(guó)加州的LaConchita，因居民已提前撤離固未造成人員傷亡,緒論,.,10,SantaTecla滑坡,2001年1月13日，薩爾瓦多發(fā)生了7.6級(jí)的強(qiáng)震，震中位于SantaMiguel西南60英里。因此在SantaTecla造成山體滑坡，最終導(dǎo)致700多人遇難,緒論,.,11,緒論,舟曲泥石流,.,12,緒論,舟曲泥石流,.,13,舟曲發(fā)生泥石流的主要因素：一、是三眼峪溝內(nèi)部有滑坡、崩塌等大量的松散固體物質(zhì)存在，為泥石流的發(fā)生提供了充分的物質(zhì)條件，其中多數(shù)為1879年7月1日甘肅文縣8級(jí)地震所誘發(fā)。同時(shí)舟曲位于龍門山地震活動(dòng)帶北緣，又臨近天水地震活動(dòng)帶，此前也曾受汶川地震波及，土質(zhì)相對(duì)疏松，一遇強(qiáng)降雨容易形成泥石流。二、是三眼峪溝流域上游植被以幼林為主，灌草比例高，局部裸露，儲(chǔ)水能力較弱，在經(jīng)歷今年入夏以來(lái)長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)重干旱后，表層土變得更加干松。三、是在近期強(qiáng)降雨作用下，土體強(qiáng)度極大地降低，形成坡面泥石流，并逐步帶動(dòng)溝坡崩滑巖土形成沖擊力巨大的泥石流，在從中上游匯流至中下游過(guò)程中，使得因地震形成的天然堆石壩逐級(jí)潰決，并最終導(dǎo)致泥石流流量的增大和破壞力的增強(qiáng)。,緒論,.,14,本章主要內(nèi)容,1.1土的生成1.2土的三相組成1.3土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算1.5無(wú)粘性土的特性1.6粘性土及粉土的特性1.7粘性土水-土系統(tǒng)的工程（物理-化學(xué)）特性1.8土的工程分類,第1章土的物理性質(zhì)及工程分類,.,15,1.1土的生成,風(fēng)化、搬運(yùn)、堆積巖石土壓密、巖化,一、土的概念土：覆蓋在地表上的碎散礦物集合體。巖石：構(gòu)成地殼的基本物質(zhì)，是一種或多種礦物的聚合體。統(tǒng)稱為大自然的產(chǎn)物,土是巖石經(jīng)過(guò)風(fēng)化后在不同條件下形成的自然歷史的產(chǎn)物,.,16,巖石風(fēng)化分為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化。物理風(fēng)化：巖石經(jīng)受風(fēng)、霜、雨、雪的侵蝕，或受波浪的沖擊、地震等引起各種力的作用，溫度的變化、凍脹等因素使整體巖石產(chǎn)生裂隙、崩解碎裂成巖塊、巖屑的過(guò)程。化學(xué)風(fēng)化：巖體（或巖塊、巖屑）與氧氣、二氧化碳等各種氣體、水和各種水溶液等物質(zhì)相接觸，經(jīng)氧化、碳化和水化作用，使這些巖石或巖屑逐漸產(chǎn)生化學(xué)變化，分解為極細(xì)顆粒的過(guò)程。,特征：物理風(fēng)化：量變過(guò)程，形成的土顆粒較粗；化學(xué)風(fēng)化：質(zhì)變過(guò)程，形成的土顆粒很細(xì)。,對(duì)一般的土而言，通常既經(jīng)歷過(guò)物理風(fēng)化，又有化學(xué)風(fēng)化，只不過(guò)哪種占優(yōu)勢(shì)而已。,1.1土的生成,.,17,土從其堆積或沉積的條件來(lái)看可分為：,殘積土：巖石風(fēng)化后仍留在原地的堆積物。特點(diǎn)：濕熱地帶，粘土，深厚，松軟，易變；寒冷地帶，巖塊或砂，物理風(fēng)化，穩(wěn)定。,1.1土的生成,.,18,運(yùn)積土：巖石風(fēng)化后經(jīng)流水、風(fēng)和冰川以及人類活動(dòng)等搬運(yùn)離開生成地點(diǎn)后再沉積下來(lái)的堆積物。又分為沖積土、風(fēng)積土、冰磧土和沼澤土等。沖積土：由水流沖積而成；顆粒分選、渾圓光滑風(fēng)積土：由風(fēng)力帶動(dòng)土粒經(jīng)過(guò)一段搬運(yùn)距離后沉積下來(lái)的堆積物；沒有層理、細(xì)砂或粉粒；黃土冰磧（qi）土：由冰川剝落、搬運(yùn)形成的堆積物；不成層、從漂石到粘粒沼澤土：在沼澤地的沉積物；含有機(jī)質(zhì)、壓縮性高、強(qiáng)度低,1.1土的生成,.,19,氣相,固相,液相,+,+,構(gòu)成土骨架，起決定作用,重要影響,土體,次要作用,1.2土的三相組成,.,20,土是固體顆粒、水和空氣的混合物，常稱土為三相系。固相：土的顆粒、粒間膠結(jié)物；液相：土體孔隙中的水；氣相：孔隙中的空氣。,1.2土的三相組成,.,21,當(dāng)土骨架的孔隙全部被水占滿時(shí)，這種土稱為飽和土；當(dāng)土骨架的孔隙僅含空氣時(shí)，就成為干土；一般在地下水位以上地面以下一定深度內(nèi)的土的孔隙中兼含空氣和水，此時(shí)的土體屬三相系，稱為濕土。根據(jù)土的粘性分：粘性土：顆粒很細(xì)；無(wú)粘性土：顆粒較粗，甚至很大。砂、碎石、甚至堆石（直徑幾十cm甚至1m）,不同類型的土,1.2土的三相組成,.,22,一、土的固相土的固相物質(zhì)包括無(wú)機(jī)礦物顆粒和有機(jī)質(zhì)，是構(gòu)成土的骨架最基本的物質(zhì)，稱為土粒。對(duì)土粒應(yīng)從其礦物成分、顆粒的大小來(lái)描述。（一）成土礦物：原生礦物，次生礦物原生礦物是指巖漿在冷凝過(guò)程中形成的礦物，如石英、長(zhǎng)石、云母等。次生礦物是由原生礦物經(jīng)過(guò)風(fēng)化作用后形成的新礦物，如三氧化二鋁、三氧化二鐵、次生二氧化硅、粘土礦物以及碳酸鹽等。,1.2土的三相組成,.,23,（二）土粒的大小和土的級(jí)配粒度，粒徑粒組：把工程性質(zhì)相近的土粒合并為一組；某粒組的土粒含量定義為該粒組的土粒質(zhì)量與干土總質(zhì)量之比土的級(jí)配：土中各種大小的粒組中土粒的相對(duì)含量隨著顆粒大小的不同，土的性質(zhì)可以有很大的差異。因此，人們常常按照粒徑的范圍，將土粒分為若干組，粒組之間的分界尺寸稱為界限粒徑。表1-1是國(guó)內(nèi)常用的一種粒組劃分。,1.2土的三相組成,.,24,土粒粒組的劃分表1-1,砂粒,粉粒,圓礫或角礫,1.2土的三相組成,.,25,顆粒大小,粒組按粗細(xì)進(jìn)行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑,1.2土的三相組成,.,26,（三）顆粒大小分析試驗(yàn)測(cè)定土中各粒組顆粒質(zhì)量所占該土總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，確定粒徑分布范圍的試驗(yàn)稱為土的顆粒大小分析試驗(yàn)。常用的方法：篩分法：粒徑0.075mm密度計(jì)法：粒徑0.075mm,1.2土的三相組成,.,27,1.篩分法利用一套孔徑由大到小的篩子，將按規(guī)定方法取得的一定質(zhì)量的干試樣放入一次疊好的篩中，置振篩機(jī)上充分振搖后，稱出留在各級(jí)篩上的土粒的質(zhì)量，按下式計(jì)算出小于某土粒粒徑的土粒含量百分?jǐn)?shù)X（）式中：mi，m分別為小于某粒徑的土粒質(zhì)量及試樣總質(zhì)量,1.2土的三相組成,.,28,105.02.01.00.50.250.1,200g,10161824223872,小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)P（）,粒徑(mm),P%958778665536,土的粒徑級(jí)配累積曲線,水分法,1.2土的三相組成,.,29,2.密度計(jì)法用于分析粒徑小于0.1mm（0.075mm）的土，根據(jù)粗顆粒下沉速度快，細(xì)顆粒下沉速度慢的原理，可以把顆粒按下沉速度進(jìn)行粗細(xì)分組。實(shí)驗(yàn)室常用比重計(jì)來(lái)進(jìn)行細(xì)粒土的粒徑分析，稱為密度計(jì)法。,1.2土的三相組成,.,30,3.土的級(jí)配曲線,1-1顆粒分析試驗(yàn)曲線,1.2土的三相組成,.,31,(四)顆粒分析試驗(yàn)曲線的主要用途按粒徑分布曲線可求得：（1）土中各粒組的土粒含量，用于粗粒土的分類和大致評(píng)估土的工程性質(zhì)；（2）某些特性粒徑，用于建筑材料的選擇和評(píng)價(jià)土級(jí)配的好壞。根據(jù)某些特征粒徑，可得到兩個(gè)有用的指標(biāo)，即不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc，它們的定義為：（12）,1.2土的三相組成,.,32,(13)式中：d10，d30和d60為粒徑分布曲線上小于某粒徑的土粒含量分別為10，30和60時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑。d10稱為有效粒徑；d60稱為限制粒徑。土的級(jí)配的好壞可由土中的土粒均勻程度和粒徑分布曲線的形狀來(lái)決定，而土粒的均勻程度和曲線的形狀又可用不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)來(lái)衡量。Cu小，曲線陡；Cu大，易壓密；Cc過(guò)大，臺(tái)階在d10d30間；Cc過(guò)小，臺(tái)階在d30d60間；規(guī)范：純凈礫、砂，Cu=5，且Cc=13時(shí)，級(jí)配良好，否則，不良。,1.2土的三相組成,.,33,圖土的顆粒級(jí)配曲線,1.2土的三相組成,.,34,二、土的液相（一）結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水性質(zhì)接近于固體，冰點(diǎn)很低，沸點(diǎn)較高，且不能傳遞壓力。弱結(jié)合水也稱為薄膜水，不能傳遞壓力，也不能在孔隙水中自由流動(dòng)，但它可以因電場(chǎng)引力的作用從水膜厚的地方向水膜薄的地方轉(zhuǎn)移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影響土的壓縮性和強(qiáng)度，并使土的透水性變小。吸著水厚度影響因素：成土礦物；陽(yáng)離子濃度及化學(xué)性質(zhì)(陽(yáng)離子價(jià)低,厚;陽(yáng)離子濃度高,薄)。,1.2土的三相組成,.,35,（二）自由水離開土顆粒表面較遠(yuǎn)，不受土顆粒電分子引力作用，且可自由移動(dòng)的水稱為自由水。（分為毛細(xì)管水和重力水）,1.毛細(xì)管水土中存在許多大小不同的相互連通的彎曲孔道，由于水分子與土粒分子之間的附著力和水氣界面上的表面張力，于是，將引起迫使相鄰?fù)亮Ｏ嗷シe緊的壓力，這個(gè)壓力稱為毛管水壓力。,1.2土的三相組成,.,36,2.重力水在重力或水位差作用下能在土中流動(dòng)的自由水稱微重力水。具有溶解能力，能傳遞靜水和動(dòng)水壓力，對(duì)土顆粒有浮力作用。當(dāng)它在土孔隙中流動(dòng)時(shí)，對(duì)所流經(jīng)的土體施加滲流力（亦稱動(dòng)水壓力、滲透力），計(jì)算中應(yīng)考慮其影響。,三、土的氣相存在土中的氣體分為兩種基本類型：一種是與大氣連通的氣體；另一種是與大氣不連通的以氣泡形式存在的封閉氣體。,1.2土的三相組成,.,37,一、土的結(jié)構(gòu)1.定義土粒或土粒集合體在空間的排列和互相聯(lián)結(jié)形式稱為土的結(jié)構(gòu).,1.3土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,2.類型,(a)單粒結(jié)構(gòu)(b)峰窩結(jié)構(gòu)(c)絮狀結(jié)構(gòu),.,38,(1)單粒結(jié)構(gòu)如圖(a)所示。由顆粒大的土粒在水或空氣中下沉堆積而成。粗粒土都具有單粒結(jié)構(gòu)。單粒結(jié)構(gòu)可以分為疏松的和緊密的。疏松單粒結(jié)構(gòu)的土孔隙大，骨架不穩(wěn)定，在外載作用下容易發(fā)生錯(cuò)位，產(chǎn)生很大的變形或沉降，因此，這種土未經(jīng)處理一般不宜作為建筑物的地基。緊密單粒結(jié)構(gòu)的土，由于顆粒排列緊密，強(qiáng)度高，壓縮性小，在動(dòng)、靜載作用下都不會(huì)發(fā)生較大的沉降，是良好的天然地基。,1.3土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,.,39,(2)峰窩結(jié)構(gòu)如圖(b)所示。粒徑大約在0.020.002mm范圍內(nèi)的粉土或粘土顆粒，在水中單個(gè)下沉?xí)r，途中碰到已沉積的土粒時(shí)，由于土粒之間的分子引力大于土粒自重，使得土粒只能停留在最初的接觸位置不能繼續(xù)下沉，這樣，一粒一粒相互吸引，最終將能形成具有很大孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。,1.3土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,.,40,(3)絮狀結(jié)構(gòu)如圖(c)所示。直徑小于0.002mm的極細(xì)粘粒，在水中能夠長(zhǎng)期懸浮而不下沉，如果水中摻有某些電解質(zhì)，顆粒間的排斥力能被動(dòng)削弱，運(yùn)動(dòng)著的土粒能夠相互碰撞凝聚成絮狀的小集粒而下沉，并相繼與已沉積的絮狀集粒接觸，形成類似蜂窩而孔隙很大絮狀結(jié)構(gòu)（又稱為二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)）。以上三種結(jié)構(gòu)中，密實(shí)的單粒結(jié)構(gòu)工程性質(zhì)最好；蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)如果受到擾動(dòng)，強(qiáng)度就會(huì)降低，壓縮性變高，難以作為天然地基。,1.3土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,.,41,二、土的構(gòu)造,1.定義同一土層中顆粒或顆粒結(jié)合體相互間的位置與充填空間情況稱為土的構(gòu)造。其實(shí)，這一定義與大多書本一樣仍然比較模糊，未交代結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的關(guān)系。其實(shí)，土的結(jié)構(gòu)著重于細(xì)微觀，而構(gòu)造可以理解為土體的宏觀結(jié)構(gòu)。,1.3土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,.,42,2.類型土體的構(gòu)造一般可以分為以下四類：(1)層狀構(gòu)造顧名思義，層狀構(gòu)造是由不同顏色和粒徑的土粒構(gòu)成的一層一層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。大部分細(xì)粒土的土層是這種構(gòu)造。(2)分散構(gòu)造土層中的土粒分布均勻，性質(zhì)相近，粗粒土大都是分散構(gòu)造。,1.3土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,.,43,(3)裂隙狀構(gòu)造土體被許多不連續(xù)的小裂隙所分割，破壞了原狀土的整體性，使其工程性質(zhì)變差，一些堅(jiān)硬和硬塑狀態(tài)的粘土具有這種結(jié)構(gòu)。(4)結(jié)核狀構(gòu)造在細(xì)粒土中明顯摻有粗顆?；蚋鞣N結(jié)核。如含結(jié)核的黃土等，該類土的性質(zhì)主要決定于細(xì)粒土部分。,1.3土的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,.,44,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,土的物理、力學(xué)性質(zhì)不僅決定于它的三相組成性質(zhì)和它的結(jié)構(gòu)，而且還與三相之間量的比例關(guān)系密切相關(guān)。可分為兩類：通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，如含水量、密度和土粒相對(duì)密度，稱為直接指標(biāo)；根據(jù)直接指標(biāo)換算，如孔隙比、孔隙率、飽和度等，稱為間接指標(biāo)。,土的三相圖,從右圖可以容易得到以下關(guān)系：Vv=Vw+VaV=Vs+Vv=Vs+Vw+Vam=ms+mw,.,45,一、試驗(yàn)直接測(cè)定的物理性質(zhì)指標(biāo)（一）土粒相對(duì)密度（土粒比重）ds土粒相對(duì)密度定義為土粒的質(zhì)量（或重量）與同體積4時(shí)純水的質(zhì)量（或重量）之比（無(wú)因次），其表達(dá)式為：（1.4.1）或（1.4.2）式中：土粒的密度，即土粒單位體積的質(zhì)量；4時(shí)純水的密度，1.0g/cm3,土粒相對(duì)密度在數(shù)值上等于土粒的密度,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,46,土粒相對(duì)密度常用比重瓶法測(cè)定，事先將比重瓶注滿純水，稱瓶加水的質(zhì)量。然后把烘干土若干克裝入該空比重瓶?jī)?nèi)，再加純水至滿，稱瓶加土加水的質(zhì)量，按下式計(jì)算土粒相對(duì)密度：,式中：m1瓶+水的質(zhì)量；m2瓶+土+水的質(zhì)量；ms烘干土的質(zhì)量；,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,47,m0msm1m2空瓶質(zhì)量烘干土的質(zhì)量瓶+水的質(zhì)量瓶+土+水的質(zhì)量m1+ms瓶+水（滿）的質(zhì)量+干土的質(zhì)量；m1+ms-m2與土粒體積相同的水的質(zhì)量。,比重瓶法,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,48,（二）土的天然含水量w土的天然含水量，定義為土中水的質(zhì)量與土粒的質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為：（1.4.3）將式（1.4.2）代入（1.4.3）中得測(cè)定含水率常用的方法是烘干法，先稱出天然土的質(zhì)量，然后放在烘箱中，在100105常溫下烘干，稱得干土質(zhì)量，按上式可算得。,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,49,（三）土的天然密度與重度土的密度定義為單位體積土的質(zhì)量，用表示，單位為Mg/m3(或g/cm3)。表達(dá)式如下：（1.4.5）對(duì)于粘性土，土的密度常用環(huán)刀法測(cè)定。,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,50,二、間接換算得物理性質(zhì)指標(biāo)（一）土的孔隙比e定義：土中孔隙的體積與土粒的體積之比，以小數(shù)表示，其表達(dá)式為：（1.4.10）（二）土的孔隙率n定義：土中孔隙的體積與土的總體積之比，或單位體積內(nèi)孔隙的體積，以百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為：（1.4.11）,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,51,（三）土的飽和度Sr定義：土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為：（1.4.12）,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,52,土的干重度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)土粒的重量，表達(dá)式為：（1.4.14）土烘干，體積要減小，因而，土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干重度也是評(píng)定土密實(shí)程度的指標(biāo)，干密度或干重度愈大表明土愈密實(shí)，反之愈疏松。,（四）干密度d與干重度d土的干密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)土粒的質(zhì)量，表達(dá)式：（1.4.13）,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,53,（五）飽和密度sat與飽和重度sat飽和密度定義：土中孔隙完全被水充滿土處于飽和狀態(tài)時(shí)單位體積土的質(zhì)量。表達(dá)式為（1.4.15）,在飽和狀態(tài)下，單位體積土的重量稱為飽和重度，其表達(dá)式為：（1.4.16）,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,54,（六）浮密度與浮重度（有效重度）土在水下，受到重力水的浮力作用，此時(shí)土中固體顆粒的質(zhì)量再扣去固體顆粒排開水的質(zhì)量與土樣總體積之比（1.4.17）,浮密度,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,55,與其相應(yīng)，提出了浮密度的概念，土的浮密度是單位體積內(nèi)的土粒質(zhì)量與同體積水質(zhì)量之差，其表達(dá)式為：（1.4.18）或（1.4.19）從上述四種土的密度或重度的定義可知，同一土樣各種密度或重度在數(shù)值上有如下關(guān)系：,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,56,三、常用物理性質(zhì)指標(biāo)的實(shí)用計(jì)算公式(重點(diǎn)、難點(diǎn))常用的土的物理指標(biāo)共有九個(gè)。已知其中任意三個(gè)，通過(guò)換算可以求出其余的六個(gè)。（一）孔隙比與孔隙率的關(guān)系設(shè)土體內(nèi)土粒的體積為1，則可知，孔隙的體積Vv為e，土體的體積V為（1e），于是有：或,三相示意圖（a）,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,57,（二）干密度與天然密度和含水量的關(guān)系設(shè)土體的體積V為1，則d=ms/V，土體內(nèi)土粒的質(zhì)量ms為d，由w=mw/ms水的質(zhì)量mw為wd。于是，按t天然密度的定義可得：或（1-22）,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,58,（三）孔隙比與土粒相對(duì)密度和干密度的關(guān)系設(shè)土體內(nèi)土粒的體積為1，則按，孔隙的體積Vv為e；由sms/Vs得土粒的質(zhì)量ms為s。于是，按d的定義可得：應(yīng)用式（16）整理得：,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,59,（四）飽和度與含水量、相對(duì)密度和孔隙比的關(guān)系設(shè)土體內(nèi)土粒的體積為1，則按e=VV/VS得體積VV=e；由sms/Vs得土粒的質(zhì)量ms=s。按w=mw/ms，得質(zhì)量mw=ws，則得體積Vw=mw/w=ws/w。于是，當(dāng)土飽和時(shí)，即Sr為100，則：式中：wsat飽和含水率。,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,60,（五）浮密度與土粒相對(duì)密度和孔隙比的關(guān)系設(shè)土體內(nèi)土粒體積為1，則按e=VV/VS，孔隙的體積VV為e；由sms/Vs得土粒的質(zhì)量ms為s。于是，按式浮密度的定義可得,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,61,例題,【例題1-1】某干砂試樣，經(jīng)細(xì)雨后，體積未變，飽和度達(dá)到Sr=40%，試問(wèn)細(xì)雨后砂樣的密度、重度和含水量各是多少？,解：對(duì)于干砂試樣，其密度應(yīng)為,孔隙比：,雨后含水量：,雨后砂樣密度：,雨后砂樣重度：,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,62,【例題1-2】有一個(gè)完全飽和的粘土土樣，測(cè)得總體積V1=100cm3，已知土粒對(duì)水的相對(duì)密度ds=2.66，土樣含水量w1=45%，將該土樣置于烘箱中烘了一段時(shí)間之后，測(cè)得土樣的體積V2=95cm3，w2=35%，問(wèn)土樣烘干前后的密度、干密度、孔隙比、飽和度各為多少？,解：烘烤前因?yàn)橥翗油耆柡图碨r1=100%所以孔隙比：,干密度：,密度：,烘烤后土樣中的干土質(zhì)量不變即,此時(shí)土樣的總質(zhì)量：,土樣密度：,土樣干密度：,土樣孔隙比：,土樣的飽和度：,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,63,【例題1-3】某一塊試樣在天然狀態(tài)下的體積為60cm3，稱得其質(zhì)量為108g，將其烘干后稱得質(zhì)量為96.43g，根據(jù)試驗(yàn)得到的土粒比重ds為2.7，試求試樣的濕密度、干密度、飽和密度、含水率、孔隙比、孔隙率和飽和度?！窘狻浚?）已知V60cm3，m=108g，則由式（14）得=mv=180/60=1.8g/cm3,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,64,（2）已知ms=96.43g，則mw=mms=10896.43=11.57g按式（18），于是w=mwms11.5796.43=12%（3）已知ds=2.7，則Vs=ms/s=96.432.735.7cm3Vv=VVs=6035.724.3cm3按式（111），于是,（4）按式（112）n=Vv/V24.360=40.5（5）根據(jù)w的定義Vw=mw/w=11.57111.57cm3于是按式（113）Sr=Vw/Vv=11.5724.348,=24.335.7=0.68,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,65,【例1-4】某土樣在天然狀態(tài)下的孔隙比e=0.8，土粒比重ds=2.68，含水量=24%，求：(a)天然狀態(tài)下的重度、干重度和飽和度；(b)若該土樣加水后，達(dá)到飽和狀態(tài)，計(jì)算飽和時(shí)的含水量及飽和重度(假定土的孔隙比保持不變)。,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,66,解:(a),(b),1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,67,【例1-5】某飽和土樣重0.4N，體積為21.5cm3。放入烘箱內(nèi)烘一段時(shí)間后取出，稱得其重量為0.33N，體積減小至15.7cm3，飽和度為75%。試求該土樣烘烤前的含水量w、孔隙比e及干容重d。,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,68,解：設(shè)烘一段時(shí)間后，孔隙體積為Vv2，孔隙水所占體積為Vw2，則：在烘后狀態(tài)：在烘前狀態(tài)：聯(lián)立求解得：,=4.8cm3，,=3.6cm3,1.4土的三相物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定及計(jì)算,.,69,上一節(jié)講的9個(gè)三相指標(biāo)主要是反映土的物理性質(zhì)的，還不能直接表現(xiàn)土的物理狀態(tài)，本節(jié)講授反映土的物理狀態(tài)的有關(guān)指標(biāo)。所謂土的物理狀態(tài)，對(duì)于粗粒土來(lái)講，就是指它的密實(shí)程度；對(duì)于細(xì)粒土，則是指它的軟硬程度即粘性土的稠度(consistency）,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,70,一、無(wú)粘性土（粗粒土）的密實(shí)度（1.5節(jié)）,土的密實(shí)度:指單位體積的土體中固體顆粒的含量。干容量d和孔隙比e（或孔隙率n）都是表示土的密實(shí)度的指標(biāo)。但這種直接用土粒的含量或孔隙含量表示密實(shí)度的方法具有明顯的缺點(diǎn):最主要的就是它們沒有考慮到土粒粒徑級(jí)配這一重要因素的影響，不同級(jí)配的砂土，即使孔隙比相同，所處的松密狀態(tài)并不會(huì)相同。,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,71,為了更好的表明粗粒土的密實(shí)狀態(tài)，可以將天然孔隙比e與同一種土的最密實(shí)狀態(tài)的孔隙比emin和最松散狀態(tài)孔隙比emax進(jìn)行對(duì)比，看天然的e是靠近emin還是靠近emax，以此來(lái)判別它的密實(shí)度。這種度量密實(shí)度的指標(biāo)稱為相對(duì)密度(relativedensity)Dr。式中：Dr相對(duì)密實(shí)度；emax無(wú)粘性土處在最松狀態(tài)時(shí)的孔隙比；emin無(wú)粘性土處在最密狀態(tài)時(shí)的孔隙比；e無(wú)粘性土得天然孔隙比或填筑孔隙比。,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,72,顯然，當(dāng)e接近于emin時(shí)，Dr接近于1，土呈密實(shí)狀態(tài)，當(dāng)e接近于emax時(shí)，Dr接近于零，土呈松散狀態(tài)。通常根據(jù)Dr可以把粗粒土的松密狀態(tài)分為下列三種：0Dr0.33松散0.33Dr0.67中密0.67Dr1密實(shí),1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,73,天然砂土的密實(shí)度只能在現(xiàn)場(chǎng)利用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)等原位測(cè)試方法來(lái)獲得。通常根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的錘擊數(shù)N，將天然砂土分為表1.5.2中的四種密實(shí)度狀態(tài)。,表1.5.2天然砂土的密實(shí)度劃分,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,74,碎石土可以用可挖性、可鉆性等方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鑒別，一般也可區(qū)分為密實(shí)、中密和稍密三種密實(shí)度狀態(tài)。細(xì)粒土（粘性土）無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定最大和最小孔隙比，實(shí)際上也不存在emax和emin，因此只能根據(jù)孔隙比e或干密度d來(lái)判斷其密實(shí)度。,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,75,稠度：指粘性土的干濕程度或在某一含水率下抵抗外力作用而變形或破壞的能力，是粘性土最主要的物理狀態(tài)指標(biāo)。,二、粘性土的稠度（1.6節(jié)）,（一）粘性土的稠度狀態(tài),粘性土的稠度狀態(tài)常用流動(dòng)、軟、可塑、硬等描述。,粘性土,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,76,粘性土從一種狀態(tài)過(guò)渡到另一種狀態(tài)，可用某一界限含水率來(lái)區(qū)分，這種界限含水率稱為稠度界限或阿太堡界限。,（二）界限含水率及其測(cè)定,1.界限含水率,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,77,液限（WL）從流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軤顟B(tài)的界限含水率，也就是可塑狀態(tài)的上限含水率；,塑限（Wp）從可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)的界限含水率,也就是可塑狀態(tài)的下限含水率；,縮限（Ws）從半固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)的界限含水率,亦即粘性土隨著含水率的減小而體積開始不變時(shí)的含水率。,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,78,測(cè)定塑限的方法：搓滾法和液、塑限聯(lián)合測(cè)定法。,2.液、塑限的測(cè)定,測(cè)定液限的方法：碟式儀法、錐式液限儀、和液、塑限聯(lián)合測(cè)定法。,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,79,聯(lián)合測(cè)定儀,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,80,錐式液限儀,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,81,蝶式儀,25擊合攏長(zhǎng)度13mm時(shí)含水率為液限,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,82,土的縮限用收縮皿法測(cè)定。,3.縮限的測(cè)定,式中：ws土的縮限（）w制備時(shí)的含水率（）V1濕試樣的體積（cm3），V2干試樣的體積（cm3）,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,83,1.塑性指數(shù),（三）塑性指數(shù)和液性指數(shù),塑性指數(shù)：液限和塑限之差的百分?jǐn)?shù)值（去掉百分號(hào)）。用Ip表示，取整數(shù)。,粘土粉質(zhì)粘土粉土,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,84,2.液性指數(shù),式中：IL液性指數(shù)，以小數(shù)表示；w土的天然含水率。,1989和2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范都根據(jù)IL將粘性土劃分成了表1.6.1中的五種狀態(tài)。粘性土的軟硬狀態(tài)表1.6.1,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,85,（四）靈敏度、觸變性及活動(dòng)度土的結(jié)構(gòu)形成后就獲得了一定的強(qiáng)度，并且這種強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間而增長(zhǎng)。在含水量不變的情況下，將原狀土捏碎，重新按原來(lái)的密度制備成重塑土，由于原狀結(jié)構(gòu)遭到了徹底破壞，重塑土樣的強(qiáng)度會(huì)比原狀土樣有明顯的降低。原狀土樣的單軸抗壓強(qiáng)度qu與重塑土樣的單軸抗壓強(qiáng)度qu之比稱為土的靈敏度St，即：St=qu/qu(1.6.6)根據(jù)靈敏度的大小可以將粘性土分為三類：低靈敏土（14）。,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,86,與靈敏度密切相關(guān)的另一特性是觸變性。結(jié)構(gòu)受破壞，強(qiáng)度降低以后的土，若靜置不動(dòng)，則土顆粒與水分子和離子會(huì)重新組合排列，形成新的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度又將得到一定程度的恢復(fù)。這種在含水量和密度不變的條件下，土因重塑而軟化，又因靜置而逐漸硬化的性質(zhì)稱為土的觸變性。,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,87,在實(shí)際工程中，有時(shí)兩種粘土的塑性指數(shù)Ip很接近，但性質(zhì)可能會(huì)有很大差異，為了進(jìn)一步加以區(qū)別，英國(guó)土力學(xué)家斯肯普頓在1953年又引入了活動(dòng)度A的概念，即：A=Ip/m式中m為粒徑小于0.002mm的土粒質(zhì)量占土樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。,1.5和1.6土的物理狀態(tài)指標(biāo),.,88,試驗(yàn)設(shè)備擊實(shí)筒V=1000cm3；擊實(shí)錘w=25牛頓試驗(yàn)條件土樣分層n=3層；落高d=30cm；擊數(shù)N=27/層擊實(shí)能量,試驗(yàn)方法對(duì)=常數(shù)的土；分三層壓實(shí)；測(cè)定擊實(shí)后的、，算定d,注意：僅適用于細(xì)粒土；對(duì)粗粒土，可用較大尺寸的擊實(shí)儀,土,1.7粘性土水-土系統(tǒng)的工程特性,擊實(shí)試驗(yàn),土的壓實(shí)性：指在一定的含水率下，以人工或機(jī)械的方法，使土能夠壓實(shí)到某種密實(shí)度的性質(zhì)。,.,89,1.8地基土的工程分類,一、土的工程分類依據(jù)按前面的分析，影響土的工程性質(zhì)的三個(gè)主要因素是土的三相組成、土的物理狀態(tài)和土的結(jié)構(gòu)。在這三者中，起主要作用的無(wú)疑是三相組成。在三相組成中，關(guān)鍵又是土的固體顆粒，而顆粒的粗細(xì)是最為重要的。,.,90,1.碎石土指粒徑大于2mm的顆粒含量超過(guò)總土重50%的土。根據(jù)粒組含量及顆粒形狀，還可按表1.8.1細(xì)分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫六類。,碎石土的分類表1.8.1,注：分類時(shí)應(yīng)根據(jù)粒組含量由大到小以最先符合者確定。,1.8地基土的工程分類,.,91,2.砂土指粒徑大于2mm的顆粒含量不超過(guò)全重的50%，而粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過(guò)全重的50%的土。砂土根據(jù)粒組含量不同又被細(xì)分為礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂和粉砂五類。如表1.8.2所示。,砂土的分類表1.8.2,注：分類時(shí)應(yīng)根據(jù)粒組含量由大到小以最先符合者確定。,1.8地基土的工程分類,.,92,3.粉土指粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過(guò)50%，且塑性指數(shù)3L/6,.,263,五、地基中附加應(yīng)力的計(jì)算（空間問(wèn)題）,(一)布森涅斯克解,(二)矩形基底均布荷載作用下地基中的附加應(yīng)力,角點(diǎn)下的應(yīng)力,.,264,2.任意點(diǎn)的應(yīng)力角點(diǎn)法,z=(C+C)p0,地基中的附加應(yīng)力空間問(wèn)題的解及其應(yīng)用,.,265,z=(C+C-C-C)p0,z=(C-C-C+C)p0,.,266,(三)矩形面積上作用豎直三角形荷載在零角點(diǎn)下任意深度z處所引起的豎直附加應(yīng)力z為z=tcp0(四)圓形面積均布荷載作用中心點(diǎn)的附加應(yīng)力,.,267,五、地基中附加應(yīng)力的計(jì)算（平面問(wèn)題）,（1）弗拉曼解及其應(yīng)用（2）條形面積上的豎直均布荷載,.,268,（3）條形基底三角形分布荷載作用下地基附加應(yīng)力,zaspm,n=x/b，m=z/b的函數(shù),.,269,EndofChapter2結(jié)束,.,270,第四章土的壓縮性和地基沉降計(jì)算,.,271,主要內(nèi)容,4.1概述4.2土的壓縮性及壓縮性指標(biāo)4.3地基的沉降量計(jì)算4.4應(yīng)力歷史對(duì)地基沉降的影響4.5地基沉降與時(shí)間的關(guān)系4.6地基沉降計(jì)算的其他情況4.7二維、三維滲流固結(jié)課題4.8地基允許變形值及防止地基有害變形的措施,.,272,4.1概述,如果在地基上修建建筑物，地基土內(nèi)各點(diǎn)不僅要承受土體本身的自重應(yīng)力，而且要承擔(dān)由建筑物通過(guò)基礎(chǔ)傳遞給地基的荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用，這都將導(dǎo)致地基土體的變形。在附加應(yīng)力作用下，地基土土體變形，從而將引起建筑物沉降。為什么要研究沉降？基礎(chǔ)的沉降量或者各部位的沉降差過(guò)大，那么將影響上部建筑物的正常使用，甚至?xí)＜敖ㄖ锏陌踩?.,273,沉降、不均勻沉降工程實(shí)例,問(wèn)題：沉降2.2米，且左右兩部分存在明顯的沉降差。,墨西哥某宮殿,地基：20多米厚的粘土,概述,.,274,由于沉降相互影響，兩棟相鄰的建筑物上部接觸,沉降、不均勻沉降工程實(shí)例,概述,.,275,長(zhǎng)高比過(guò)大的建筑物因不均勻沉降墻體產(chǎn)生裂縫,中部沉降大“八”字形裂縫,沉降、不均勻沉降工程實(shí)例,概述,.,276,在外力作用下，土顆粒重新排列，土體體積縮小的現(xiàn)象稱為壓縮。,通常，土粒本身和孔隙水的壓縮量可以忽略不計(jì)，在研究土的壓縮時(shí)，認(rèn)為土體壓縮主要是孔隙中體積一部分水和空氣被擠出，封閉氣泡被壓縮。,土的壓縮隨時(shí)間增長(zhǎng)的過(guò)程稱為土的固結(jié)。,4.2土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),滲透性較大的土砂土，加荷后，孔隙中的水較快排出，壓縮完成得快；滲透性小的土粘土，加荷后，孔隙中的水緩慢排出，且土顆粒間的力作用使壓縮完成得慢。,4.2.1土的壓縮性,.,277,1土的壓縮試驗(yàn)為了研究土的壓縮特性，通?？稍谠囼?yàn)室內(nèi)進(jìn)行壓縮（固結(jié)）試驗(yàn)，從而測(cè)定土的壓縮性指標(biāo)。室內(nèi)壓縮（固結(jié)）試驗(yàn)的主要裝置為側(cè)限壓縮儀（固結(jié)儀）。,用這種儀器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于剛性護(hù)環(huán)所限，試樣只能在豎向產(chǎn)生壓縮，而不能產(chǎn)生側(cè)向變形，故稱為側(cè)限壓縮試驗(yàn)。,4.2.2壓縮試驗(yàn)及壓縮性指標(biāo),土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),.,278,側(cè)限壓縮試驗(yàn),固結(jié)容器：環(huán)刀、護(hù)環(huán)、導(dǎo)環(huán)、透水石、加壓上蓋和量表架等加壓設(shè)備：杠桿比例1:10變形測(cè)量設(shè)備,側(cè)限壓縮儀（固結(jié)儀）,支架,加壓設(shè)備,固結(jié)容器,變形測(cè)量,土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),.,279,只在豎直方向上進(jìn)行壓縮變形是由孔隙體積的減小引起的,土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),.,280,根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)各級(jí)荷載pi相應(yīng)的穩(wěn)定壓縮量Si，可求得相應(yīng)孔隙比ei建立壓力p與相應(yīng)的穩(wěn)定孔隙比的關(guān)系曲線，稱為土的壓縮曲線。,固體顆粒,孔隙,Howtodetermineit?,土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),.,281,2、壓縮性指標(biāo)（1）壓縮系數(shù)壓縮曲線反映了土受壓后的壓縮特性。土的壓縮系數(shù)是指土體在側(cè)限條件下孔隙比減小量與有效應(yīng)力增量的比值，即ep曲線某范圍的割線斜率。,e,(kPa),單位：Mpa-1,土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),.,282,圖中所示為0.1、0.2MPa兩級(jí)壓力下對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)，稱為a1-2，常用來(lái)衡量土的壓縮性高低。,e,(kPa),土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn),土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),.,283,土的固結(jié)試驗(yàn)的結(jié)果也可以繪在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，即坐標(biāo)橫軸p用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，而縱軸e用普通坐標(biāo)，由此得到的壓縮曲線稱為elgp曲線。在較高的壓力范圍內(nèi)，elgp曲線近似地為一直線，可用直線的斜率壓縮指數(shù)Cc來(lái)表示土的壓縮性高低，即,式中，e1，e2分別為p1，p2所對(duì)應(yīng)的孔隙比。,（2）壓縮指數(shù),土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)區(qū)別:前者隨所取的初始?jí)毫皦毫υ隽康拇笮《?，而后者在較高的壓力范圍內(nèi)是常數(shù)。,.,284,（3）土的壓縮模量是指土體在側(cè)限條件下的豎向附加應(yīng)力與相應(yīng)的豎向應(yīng)變之比：,固體顆粒,孔隙,土的體積壓縮系數(shù)mv定義為土體在單位應(yīng)力作用下體積應(yīng)變,它與土的壓縮模量互為倒數(shù)。,土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),.,285,1、現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn),教材117,4.2.3土的荷載試驗(yàn)及變形模量,土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),.,286,土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),.,287,2、土的側(cè)壓力系數(shù)及變形模量,土的側(cè)壓力系數(shù)，K0，是指?jìng)?cè)限條件下土中側(cè)向應(yīng)力與豎向應(yīng)力之比。,土的變形模量，E0，是土體在無(wú)側(cè)限條件下的應(yīng)力與應(yīng)變的比值。相當(dāng)于理想彈性體的彈性模量，但是由于土體不是理想彈性體,故稱為變形模量。E0的大小反映了土體抵抗彈塑性變形的能力。前面定義側(cè)限條件下的壓縮模量Es，與之有如下關(guān)系：,K0與泊松比有如下關(guān)系：,土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),.,288,變形模量E0與壓縮模量Es之間的關(guān)系推導(dǎo)：,所以有,根據(jù)定義,土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),.,289,土的彈性模量（楊氏模量）E，是指土體在無(wú)側(cè)限條件下瞬時(shí)壓縮的應(yīng)力與彈性應(yīng)變的比值。常用于估算建筑物初始瞬時(shí)沉降。,壓縮模量Es和變形模量E0的應(yīng)變?yōu)榭倯?yīng)變，包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變。彈性模量E的應(yīng)變只包含彈性應(yīng)變。,通常變形模量取值,土的壓縮性及壓縮性指標(biāo),.,290,4.3地基沉降量計(jì)算,地基沉降量是指地基土壓縮變形達(dá)固結(jié)穩(wěn)定的最大沉降量。,地基沉降有兩方面的原因：一是建筑物荷載在土中產(chǎn)生附加應(yīng)力，二是土具有壓縮性。,地基沉降計(jì)算方法有分層總和法、彈性理論法、應(yīng)力歷史法、應(yīng)力路徑法等等。,分層總和法是目前被廣泛采用的沉降計(jì)算方法。,.,291,分層總和法是以無(wú)側(cè)向變形條件下的壓縮量公式為基礎(chǔ)。,一、分層總和法,無(wú)側(cè)向變形條件下單向壓縮量計(jì)算假設(shè)：(1)地基土的一個(gè)分層為一均勻、連續(xù)、各向同性的半無(wú)限空間彈性體。(2)土的壓縮完全是由于孔隙體積減小導(dǎo)致骨架變形的結(jié)果，土粒本身的壓縮可忽略不計(jì)；(3)土體僅產(chǎn)生豎向壓縮，而無(wú)側(cè)向變形；(4)土層均質(zhì)且在土層厚度范圍內(nèi)，壓力是均勻分布的。,4.3地基沉降量計(jì)算,.,292,無(wú)側(cè)向變形條件下單向壓縮量公式,4.3地基沉降量計(jì)算,.,293,根據(jù)av，mv和Es的定義,上式又可表示為,4.3地基沉降量計(jì)算,.,294,4.3地基沉降量計(jì)算,分層總和法在沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)劃分若干土層，計(jì)算各層的壓縮量（Si），然后求其總和，即得地基表面的最終沉降量S，這種方法稱為分層總和法。沉降計(jì)算深度zn是指自基礎(chǔ)底面向下需要計(jì)算壓縮變形所達(dá)到的深度。,分層總和法,.,295,沉降計(jì)算深度zn的確定：,z-地基某深度的附加應(yīng)力;s-自重應(yīng)力。,一般土層：z=0.2cz；軟粘土層：z=0.1cz；至基巖或不可壓縮土層。,分層總和法,4.3地基沉降量計(jì)算,.,296,分層總和法的基本思路是：將壓縮層范圍內(nèi)地基分層，計(jì)算每一分層的壓縮量，然后累加得總沉降量。分層總和法有兩種基本方法：ep曲線法和elgp曲線法。,4.3地基沉降量計(jì)算,.,297,用ep曲線法計(jì)算地基的沉降量計(jì)算步驟（1）首先根據(jù)建筑物基礎(chǔ)的形狀，結(jié)合地基土層性狀，選擇沉降計(jì)算點(diǎn)的位置；再按作用在基礎(chǔ)上荷載的性質(zhì)（中心、偏心或傾斜等），求出基底壓力的大小和分布。,（2）將地基分層。12m,p1，稱為超固結(jié)土；如果pc1.0的土就是超固結(jié)土;OCR1.0的土就是欠固結(jié)土。,4.4應(yīng)力歷史對(duì)地基沉降的影響,.,311,圖正常固結(jié)土的原始?jí)嚎s曲線推求,2現(xiàn)場(chǎng)初始?jí)嚎s曲線的推求1)正常固結(jié)土如右圖(教材P144圖4.4.5)所示。假設(shè)條件：10取樣過(guò)程中無(wú)回彈,eo代表現(xiàn)場(chǎng)原位(p1)孔隙比；20e=0.42eo時(shí)，試樣不受擾動(dòng)(試驗(yàn)結(jié)果的總結(jié))。,4.4應(yīng)力歷史對(duì)地基沉降的影響,.,312,方法：10根據(jù)試驗(yàn)曲線，用卡薩格蘭德方法找到先期固結(jié)壓力pc；20確定原位狀態(tài)點(diǎn)b(p1=pc，eo)；30在試驗(yàn)曲線上找到縱坐標(biāo)e=0.42eo的點(diǎn)c；40連接b、c兩點(diǎn)即得原位壓縮曲線bc，其斜率就是土的原位壓縮指數(shù)Cc。,4.4應(yīng)力歷史對(duì)地基沉降的影響,.,313,2)超固結(jié)土如右圖(教材P144圖4.4.6)所示。假設(shè)條件：10取樣過(guò)程中無(wú)回彈,eo代表現(xiàn)場(chǎng)原位(p1)孔隙比；20e=0.42eo時(shí)，試樣不受擾動(dòng)(試驗(yàn)結(jié)果的總結(jié))；30再壓縮指數(shù)Ce為常數(shù)。,圖4-13超固結(jié)土的原始?jí)嚎s曲線推求,4.4應(yīng)力歷史對(duì)地基沉降的影響,.,314,方法：10用卡薩格蘭德法從室內(nèi)試驗(yàn)曲線上找到先期固結(jié)壓力pc；20確定原位狀態(tài)點(diǎn)b1(p1=h，eo)；30從b1點(diǎn)作斜率為Ce的直線交垂線p=pc于b點(diǎn)；40在室內(nèi)試驗(yàn)曲線上找到縱坐標(biāo)e=0.42eo的點(diǎn)c；50連接b、c兩點(diǎn)得直線bc。,4.4應(yīng)力歷史對(duì)地基沉降的影響,3)欠固結(jié)土近似按正常固結(jié)土的方法求原始?jí)嚎s曲線。,.,315,3elgp曲線法（應(yīng)力歷史法）利用室內(nèi)elgp曲線法可以考慮應(yīng)力歷史的影響，從而可進(jìn)行更為準(zhǔn)確的沉降計(jì)算。與單向壓縮分層總和法的區(qū)別：a.采用elgp曲線確定壓縮指數(shù)Ccb.由現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線求得c.初始孔隙比用d.考慮土的應(yīng)力歷史，對(duì)正常固結(jié)土和超固結(jié)土采用不同的計(jì)算公式,4.4應(yīng)力歷史對(duì)地基沉降的影響,.,316,e-p曲線與e-lgp曲線計(jì)算沉降的比較,.,317,沉降計(jì)算方法的討論,單向壓縮分層總和法（使用e-p曲線）優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算方法簡(jiǎn)單，計(jì)算指標(biāo)容易測(cè)定，能考慮地基分層、地下水位、基礎(chǔ)形狀，適用廣泛，經(jīng)驗(yàn)積累較多。當(dāng)基礎(chǔ)面積大大超過(guò)壓縮層厚度，可以得到較好結(jié)果。缺點(diǎn)：室內(nèi)測(cè)e-p曲線，取樣擾動(dòng)，使計(jì)算結(jié)果偏大。,可判定原狀土壓縮曲線區(qū)分不同固結(jié)狀態(tài),無(wú)法確定現(xiàn)場(chǎng)土壓縮曲線不區(qū)分不同固結(jié)狀態(tài),e-lgp曲線方法與e-p曲線方法相比，不足之處：,規(guī)范法,修正，提高了精度。,e-pe-lgp,其它方法的優(yōu)缺點(diǎn)前面已講過(guò),.,318,4.5地基沉降與時(shí)間的關(guān)系,固結(jié)：飽和土體在某壓力作用下，壓縮量隨著孔隙水的排出而逐漸增長(zhǎng)的過(guò)程；固結(jié)描述了沉降與時(shí)間之間的關(guān)系。,關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)世界最大人工島,1986年：開工1990年：人工島完成1994年：機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)面積：4370m1250m填筑量：180106m3平均厚度：33m地基：15-21m厚粘土,工程實(shí)例,關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)是日本建造海上機(jī)場(chǎng)的偉大壯舉，是日本人圍海造地工程的杰作。關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)建在大阪東南、離海岸大約3英里的大沙灘上。這個(gè)大沙灘，長(zhǎng)2.5英里，寬0.75英里。1989年日本政府決定在大阪建成年客流量高大3000萬(wàn)人的世界級(jí)機(jī)場(chǎng)，并配有現(xiàn)代化的商場(chǎng)、旅館以及其他配套設(shè)施。機(jī)場(chǎng)的全部預(yù)算高達(dá)100億美元，如果將配套的高速運(yùn)輸線和填海費(fèi)用全部計(jì)算在內(nèi)，工程造價(jià)將超過(guò)英吉利海峽隧道工程。關(guān)西機(jī)場(chǎng)1994年夏季已投入使用，整個(gè)機(jī)場(chǎng)酷似一個(gè)綠色的峽谷，一側(cè)為陸地，一側(cè)為海洋。國(guó)家：日本城市：大阪年份：1994年關(guān)西機(jī)場(chǎng)象是一具精準(zhǔn)的儀器，是數(shù)學(xué)與科技的結(jié)晶。皮亞諾,.,319,工程實(shí)例,設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)測(cè)沉降：5.77.5m完成時(shí)實(shí)際沉降：8.1m，5cm/月(1990年)預(yù)測(cè)主固結(jié)完成：20年后比設(shè)計(jì)超填：3.0m,問(wèn)題：沉降大且有不均勻沉降,.,320,一、飽和土的滲透固結(jié)物理模型彈簧活塞模型,4.5地基沉降與時(shí)間的關(guān)系,p,p,附加應(yīng)力:z=p超靜孔壓:u=z=p有效應(yīng)力:z=0,滲流固結(jié)過(guò)程變形逐漸增加,附加應(yīng)力:z=p超靜孔壓:u0,附加應(yīng)力:z=p超靜孔壓:u=0有效應(yīng)力:z=p,p,.,321,從固結(jié)模型模擬的土體的固結(jié)過(guò)程可以看出：在某一壓力作用下，飽和土的固結(jié)過(guò)程就是土體中各點(diǎn)的超孔隙水應(yīng)力不斷消散、附加有效應(yīng)力相應(yīng)增加的過(guò)程，或者說(shuō)是超孔隙水應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為附加有效應(yīng)力的過(guò)程，而在這種轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，任一時(shí)刻任一深度上的應(yīng)力始終遵循著有效應(yīng)力原理，即p=u+。因此，關(guān)于求解地基沉降與時(shí)間關(guān)系的問(wèn)題，實(shí)際上就變成求解在附加應(yīng)力作用下，地基中各點(diǎn)的超孔隙水應(yīng)力隨時(shí)間變化的問(wèn)題。因?yàn)橐坏┠硶r(shí)刻的超孔隙水應(yīng)力確定，附加有效應(yīng)力就可根據(jù)有效應(yīng)力原理求得，從而，根據(jù)上節(jié)介紹的理論，求得該時(shí)刻的土層壓縮量。,.,322,二、太沙基（Terzaghi）單向固結(jié)理論,實(shí)踐背景：大面積均布荷載,p,不透水巖層,飽和壓縮層,z=p,p,側(cè)限應(yīng)力狀態(tài),土層均勻且完全飽和；土顆粒與水不可壓縮；變形是單向壓縮（水的滲出和土層壓縮是單向的）；荷載均布且一次施加；假定z=const滲流符合達(dá)西定律且滲透系數(shù)保持不變；壓縮系數(shù)a是常數(shù)。,1、基本假定,.,323,2、建立方程,微小單元（11dz）微小時(shí)段（dt）,孔隙體積的變化流出的水量,土的壓縮特性,有效應(yīng)力原理,達(dá)西定律,表示超靜孔隙水壓力的時(shí)空分布的微分方程,超靜孔隙水壓力孔隙比,超靜孔隙水壓力孔隙比,土骨架的體積變化,z,.,324,固體體積：,孔隙體積：,dt時(shí)段內(nèi)：,孔隙體積的變化流出的水量,.,325,dt時(shí)段內(nèi)：,孔隙體積的變化流出的水量,土的壓縮性：,有效應(yīng)力原理：,達(dá)西定律:,孔隙體積的變化土骨架的體積變化,.,326,由公式可以求解得任一深度z在任一時(shí)刻t的孔隙水應(yīng)力的表達(dá)式。固結(jié)微分方程的物理意義：孔隙水應(yīng)力隨時(shí)間的變化正比于水力梯度隨深度的變化。,固結(jié)系數(shù),Cv反映了土的固結(jié)性質(zhì)：孔壓消散的快慢固結(jié)速度；Cv與滲透系數(shù)k成正比，與壓縮系數(shù)a成反比；（cm2/s；m2/year，粘性土一般在10-4cm2/s量級(jí)）,.,327,3、固結(jié)微分方程求解：,(4-36),線性齊次拋物線型微分方程式，一般可用分離變量方法求解。給出定解條件，求解滲流固結(jié)方程，就可以解出uz,t。,（1）求解思路,.,328,0zH:u=p,z=0:u=0z=H:uz,0zH:u=0,（2）邊界、初始條件,z,.,329,時(shí)間因數(shù),反映孔隙水壓力的消散程度固結(jié)程度,式中，m正奇數(shù)（1，3，5.）；Tv時(shí)間因數(shù)，無(wú)因次,其中，H為最大排水距離，在單面排水條件下為土層厚度，在雙面排水條件下為土層厚度的一半。,.,330,H,單面排水時(shí)孔隙水壓力分布,雙面排水時(shí)孔隙水壓力分布,z,z,排水面,不透水