第四章土的壓縮與固結(一)2015.10

1、 本章提要本章提要 本章特點本章特點 學習難點學習難點第四章：第四章：土的壓縮性與固結土的壓縮性與固結 土的壓縮性土的壓縮性 -測試方法和指標測試方法和指標 地基的最終沉降量地基的最終沉降量-分層總合法分層總合法 地基的沉降過程地基的沉降過程-飽和土滲流固結理論飽和土滲流固結理論 有一些較嚴格的理論有一些較嚴格的理論 有較多經驗性假設和公式有較多經驗性假設和公式 應力歷史及先期固結壓力應力歷史及先期固結壓力 不同條件下的總沉降量計算不同條件下的總沉降量計算 滲流固結理論及參數滲流固結理論及參數4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 土的壓縮性測試方法土的壓縮性測試方法4.3 4.3 一維壓縮

2、性及其指標一維壓縮性及其指標4.4 4.4 地基的最終沉降量計算地基的最終沉降量計算4.5 4.5 飽和土體的滲流固結理論飽和土體的滲流固結理論 自重應力壓縮穩(wěn)定自重應力壓縮穩(wěn)定 附加應力導致地基土體變形附加應力導致地基土體變形體積變形形狀變形由正應力引起，會使土的體積縮小壓密，不會導致土體破壞形狀變形主要由剪應力引起，當剪應力超過一定限度時，土體將產生剪切破壞，此時的變形將不斷發(fā)展。通常在地基中是不允許發(fā)生大范圍剪切破壞的。本章討論重點概概 述述 沉降：沉降： 在附加應力作用下，地基土產生體積縮小，從而引在附加應力作用下，地基土產生體積縮小，從而引起建筑物基礎的豎直方向的位移（或下沉）稱為沉

3、降起建筑物基礎的豎直方向的位移（或下沉）稱為沉降 某些特殊性土由于含水量的變化也會引起體積變形，某些特殊性土由于含水量的變化也會引起體積變形，如濕陷性黃土地基，由于含水量增高會引起建筑物的如濕陷性黃土地基，由于含水量增高會引起建筑物的附加下沉，稱濕陷沉降。相反在膨脹土地區(qū)，由于含附加下沉，稱濕陷沉降。相反在膨脹土地區(qū)，由于含水量的增高會引起地基的膨脹，甚至把建筑物頂裂。水量的增高會引起地基的膨脹，甚至把建筑物頂裂。 除此之外某些大城市，如墨西哥、上海等由于大量開除此之外某些大城市，如墨西哥、上海等由于大量開采地下水使地下水位普遍下隊從而引起整個城市的普采地下水使地下水位普遍下隊從而引起整個城市

4、的普遍下沉。這可以用地下水位下降后地層的自重應力增遍下沉。這可以用地下水位下降后地層的自重應力增大來解釋。當然，實際問題也是很復雜的，還涉及工大來解釋。當然，實際問題也是很復雜的，還涉及工程地質、水文地質方面的問題。程地質、水文地質方面的問題。 如果地基土各部分的豎向變形不相同，則在基礎的不如果地基土各部分的豎向變形不相同，則在基礎的不同部位會產生沉降差，使建筑物基礎發(fā)生不均勻沉降。同部位會產生沉降差，使建筑物基礎發(fā)生不均勻沉降。 基礎的沉降量或沉降差基礎的沉降量或沉降差( (或不均勻沉降或不均勻沉降) )過大不但會降過大不但會降低建筑物的使用價值，而且往往會造成建筑物的毀壞。低建筑物的使用價

5、值，而且往往會造成建筑物的毀壞。 為了保證建筑物的安全和正常使用，我們必須預先對建筑為了保證建筑物的安全和正常使用，我們必須預先對建筑物基礎可能產生的最大沉降量和沉降差進行估算。如果建物基礎可能產生的最大沉降量和沉降差進行估算。如果建筑物基礎可能產生的最大沉降量和沉降差，在規(guī)定的允許筑物基礎可能產生的最大沉降量和沉降差，在規(guī)定的允許范圍之內，那么該建筑物的安全和正常使用一般是有保證范圍之內，那么該建筑物的安全和正常使用一般是有保證的；否則，是沒有保證的。對后一種情況，我們必須采取的；否則，是沒有保證的。對后一種情況，我們必須采取相應的工程措施以確保建筑物的安全和正常使用。相應的工程措施以確保建

6、筑物的安全和正常使用。 基礎沉降量或沉降差的大小首先與土的壓縮性有關，易于基礎沉降量或沉降差的大小首先與土的壓縮性有關，易于壓縮的土，基礎的沉降大，而不易壓縮的土，則基礎的沉壓縮的土，基礎的沉降大，而不易壓縮的土，則基礎的沉降小。降小。 基礎的沉降量與作用在基礎上的荷載性質和大小有關。一基礎的沉降量與作用在基礎上的荷載性質和大小有關。一般而言，荷載愈大，相應的基礎沉降也愈大；而偏心或傾般而言，荷載愈大，相應的基礎沉降也愈大；而偏心或傾斜荷載所產生的沉降差要比中心荷載為大。斜荷載所產生的沉降差要比中心荷載為大。 在這一章里，我們首先討論土的壓縮性；然后介紹目前工在這一章里，我們首先討論土的壓縮性

7、；然后介紹目前工程中常用的沉降討算方法；最后介紹沉降與時間的關系。程中常用的沉降討算方法；最后介紹沉降與時間的關系。土的壓縮變形問題土的壓縮變形問題土的壓縮性與地基沉降計算土的壓縮性與地基沉降計算試驗方法試驗方法壓縮性指標壓縮性指標沉降的大小沉降的大小沉降的過程沉降的過程F土的壓縮性測試方法土的壓縮性測試方法F一維壓縮性及其指標一維壓縮性及其指標F地基的最終沉降量計算地基的最終沉降量計算F飽和土體的滲流固結理論飽和土體的滲流固結理論土的壓縮性測試方法土的壓縮性測試方法現場試驗現場試驗 荷載試驗荷載試驗 旁壓試驗旁壓試驗三軸應力狀態(tài)三軸應力狀態(tài) 側限壓縮試驗側限壓縮試驗 三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗

8、 其他特殊試驗其他特殊試驗室內試驗室內試驗一維問題一維問題F 固結容器：固結容器：環(huán)刀、護環(huán)、導環(huán)、透水環(huán)刀、護環(huán)、導環(huán)、透水石、加壓上蓋和量表架等石、加壓上蓋和量表架等F 加壓設備：加壓設備：杠桿比例杠桿比例1:101:10F 變形測量設備變形測量設備側限壓縮（固結）儀支架支架加壓設備加壓設備固結容器固結容器變形測量變形測量側限壓縮試驗常規(guī)三軸壓縮試驗常規(guī)三軸壓縮試驗 試樣試樣圍壓圍壓力力 3閥門閥門閥門閥門馬達馬達橫梁橫梁量力環(huán)量力環(huán)百分表百分表量水管量水管孔壓孔壓量測量測類型類型施加施加 3 3施加施加 1 1- - 3 3量測量測固結固結排水排水固結固結排水排水體變體變固結固結不排水不

9、排水固結固結不排水不排水孔隙水孔隙水壓力壓力不固結不固結不排水不排水不固結不固結不排水不排水孔隙水孔隙水壓力壓力常用試驗類型常用試驗類型一維壓縮性及其指標一維壓縮性及其指標F - p（或（或）曲線）曲線F e p（或（或）曲線）曲線F e lgp（或（或lg）曲線）曲線F 先期固結壓力先期固結壓力F 原位壓縮曲線及原位再壓縮曲線原位壓縮曲線及原位再壓縮曲線由側限壓縮試由側限壓縮試驗整理得到的驗整理得到的三條常用曲線三條常用曲線施加荷載，靜置至施加荷載，靜置至變形穩(wěn)定變形穩(wěn)定逐級加大荷載逐級加大荷載百分表百分表加壓上蓋加壓上蓋試樣試樣透水石透水石護環(huán)護環(huán)環(huán)刀環(huán)刀壓縮壓縮容器容器n 側限壓縮試驗側

10、限壓縮試驗P1s1e1e0pte stP2s2e2P3s3e3n 已知：已知： 試樣初始高度試樣初始高度H H0 0 試樣初始孔隙比試樣初始孔隙比e e0 0n 試驗結果：試驗結果：每級壓力每級壓力p p作用下，作用下，試樣的壓縮變形試樣的壓縮變形S S1e0e孔隙孔隙固體固體顆粒顆粒H0See1e1SHH000 000HS)e1(ee 由三相草圖：由三相草圖：可得到可得到e-p關系關系Se 的關系e-pe-p曲線曲線ep0100200 3000.60.70.80.91.0e ep(kPa)pea F不同土的壓縮系數不同，不同土的壓縮系數不同，a越大，土的壓縮性越越大，土的壓縮性越大大F同種土

11、的壓縮系數同種土的壓縮系數a不不是常數，與應力是常數，與應力p有關有關F通常用通常用a1-2即應力范圍為即應力范圍為100-200 kPa的的a值對不值對不同土的壓縮性進行比較同土的壓縮性進行比較n 壓縮系數壓縮系數KPa-1，MPa-1e-p曲線曲線壓縮系數壓縮系數a土的類別土的類別a1-2 (MPa-1)高壓縮性土高壓縮性土0.5中壓縮性土中壓縮性土0.1-0.5低壓縮性土低壓縮性土0.1壓縮系數壓縮系數a1-2常用作常用作比較土的壓縮性大小比較土的壓縮性大小壓縮系數：壓縮系數：pea 0100200 3000.60.70.80.91.0e epep(kPa)Espn 體積壓縮系數：體積壓

12、縮系數：mvp1Es單位壓應力變化引起的單位體積的體積變化單位壓應力變化引起的單位體積的體積變化（Kpa-1 ,Mpa-1）n 側限壓縮模量（側限壓縮模量（KPa ,Mpa）土體無側限變形條件下，豎向應力與豎向應變之比土體無側限變形條件下，豎向應力與豎向應變之比n 壓縮系數壓縮系數n 側限壓縮模量側限壓縮模量vs01amE1e n 體積壓縮系數體積壓縮系數壓縮指標間的關系壓縮指標間的關系1e0e孔隙孔隙固體固體顆粒顆粒e pEspea 0e1e 變形模量變形模量E E：無側限條件下，應力與應變之比：無側限條件下，應力與應變之比變形模量與彈性模量的關系：變形模量與彈性模量的關系：EbEsb12m

13、21mmxz 0.5b1EEs泊松比zp z 初始初始加載加載卸載卸載再加載再加載一次一次加載加載n 卸載和再加載曲線卸載和再加載曲線 pF在試驗曲線的卸載和再加在試驗曲線的卸載和再加載段，土樣的變形特性同載段，土樣的變形特性同初始加載段明顯不同，前初始加載段明顯不同，前者的剛度較大者的剛度較大F在再加載段，當應力超過在再加載段，當應力超過卸載時的應力卸載時的應力 p時，曲線時，曲線逐漸接近一次加載曲線逐漸接近一次加載曲線F卸載和再加載曲線形成滯卸載和再加載曲線形成滯回圈回圈n 應力歷史及影響應力歷史及影響n土體在歷史上所承受過的土體在歷史上所承受過的應力情況（包括最大應力應力情況（包括最大應

14、力等）稱為等）稱為應力歷史應力歷史zp z 初始初始加載加載卸載卸載再加載再加載 p應力歷史的影響應力歷史的影響非常顯著非常顯著F土樣在土樣在A和和B點所處的應力點所處的應力狀態(tài)完全相同，但其變形狀態(tài)完全相同，但其變形特性差別很大特性差別很大AB 10010000.60.70.80.9eC Cc c1 11 1C Ce ep(kPa，lg)e-lgp曲線曲線Ce 回彈指數回彈指數 （再壓縮指數）（再壓縮指數）Ce ps ：超固結土超固結土p pc c1OCR1：超固結超固結OCR1OCRps, ,點點D(eD(e0 0,p,ps s) )位于再位于再壓縮曲線上壓縮曲線上F過過D D點作斜率為點

15、作斜率為CeCe的直線的直線DBDB，DBDB為原位再壓縮曲線為原位再壓縮曲線F以以0.420.42e e0 0在壓縮曲線上確定在壓縮曲線上確定C C點，點，BCBC為原位初始壓縮曲線為原位初始壓縮曲線FDBCDBC即為所求的原位再壓縮和即為所求的原位再壓縮和壓縮曲線壓縮曲線n 推定方法推定方法原位再壓原位再壓縮曲線縮曲線小小 結結F - p（或（或）曲線）曲線F e p（或（或）曲線）曲線F e lgp（或（或lg）曲線）曲線F 先期固結壓力先期固結壓力F 原位壓縮曲線及原位再壓縮曲線原位壓縮曲線及原位再壓縮曲線由側限壓縮試由側限壓縮試驗整理得到的驗整理得到的三條常用曲線三條常用曲線單一土層

16、一維壓縮問題單一土層一維壓縮問題基本假定：基本假定：1、土粒本身的壓縮忽略不計，土的壓縮完全是孔隙、土粒本身的壓縮忽略不計，土的壓縮完全是孔隙體積減少的結果；體積減少的結果；2、土體無側向變形，僅在豎向壓縮；、土體無側向變形，僅在豎向壓縮；3、土層均勻，在其厚度范圍內，壓力均勻分布、土層均勻，在其厚度范圍內，壓力均勻分布szszH2 HH/2H/2n 計算簡圖計算簡圖pz=p壓縮前壓縮前1szp 1e壓縮后壓縮后2szzp 2e（a a）e-pe-p曲線曲線（b b）e-lgpe-lgp曲線曲線1Vs 1ee 1Vs 2e12zv11eee1e1e zvSHH 12zv1eeSHHH1e n

17、計算公式：計算公式：e-pe-p曲線曲線2111aaS(pp )HpH1e1e spHpHSEE b b1221eea(pp ) 單一土層一維壓縮問題單一土層一維壓縮問題e ee e1 1e e2 2p p1 1p p2 2p p12zv1eeSHHH1e p自重應自重應力狀態(tài)力狀態(tài)附加應附加應力狀態(tài)力狀態(tài)pHpHSmSmv v優(yōu)點優(yōu)點: :F可使用推定的原位壓縮和再壓可使用推定的原位壓縮和再壓縮曲線縮曲線F可考慮土層的應力歷史，區(qū)分可考慮土層的應力歷史，區(qū)分正常固結土和超固結土分別進正常固結土和超固結土分別進行計算行計算n 計算公式：計算公式：e-lgpe-lgp曲線曲線單一土層一維壓縮問題

18、單一土層一維壓縮問題n 計算公式：計算公式：e-lgpe-lgp曲線曲線- -正常固結土正常固結土單一土層一維壓縮問題單一土層一維壓縮問題F可使用推定的原位可使用推定的原位壓縮曲線的壓縮曲線的Cc值進值進行計算：行計算：)pp(lge1HCHe1eS121c1 12zv1eeSHHH1e 1e2eBCe1p2pp(lg)推定的原位推定的原位壓縮曲線壓縮曲線實驗室試驗結果實驗室試驗結果CcSH1e1Celg(pcp1)Cclg(p2pc)n 計算公式：計算公式：e-lgpe-lgp曲線曲線- -超固結土超固結土單一土層一維壓縮問題單一土層一維壓縮問題F可使用推定的原位壓縮和再壓可使用推定的原位壓縮和再壓縮曲線的縮曲線的Cc和和Ce值進行計算：值進行計算：12zv1eeSHHH1e 1e2eBCe1p2pp pc cAp(lg)推定的原位推定的原位壓縮曲線壓縮曲線推定的原位推定的原位再壓縮曲線再壓縮曲線CcCe 當當p p2 2 p pc c)pp(lgCe1HS12e