土的壓縮性及沉降(史上最全面)

1、4、( (下下) )土的壓縮性和地基沉降計(jì)算土的壓縮性和地基沉降計(jì)算E4.4 4.4 土的壓縮性土的壓縮性E4.5 4.5 地基最終沉降量計(jì)算地基最終沉降量計(jì)算 E4.6 4.6 地基沉降與時(shí)間的關(guān)系地基沉降與時(shí)間的關(guān)系 4.4 土的壓縮性土的壓縮性 土的壓縮性高低，常用壓縮性指標(biāo)土的壓縮性高低，常用壓縮性指標(biāo)定量表示。壓縮性指標(biāo)，通常由工程地定量表示。壓縮性指標(biāo)，通常由工程地質(zhì)勘察取天然結(jié)構(gòu)的原狀土樣，進(jìn)行室質(zhì)勘察取天然結(jié)構(gòu)的原狀土樣，進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)測定。內(nèi)壓縮試驗(yàn)測定。4.4.1 室內(nèi)壓縮試驗(yàn)室內(nèi)壓縮試驗(yàn)(1)(1)試驗(yàn)儀器試驗(yàn)儀器(2)(2)試驗(yàn)方法：側(cè)限壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)方法：側(cè)限壓縮試驗(yàn)

2、(3)(3)試驗(yàn)結(jié)果（土的壓縮曲線圖片）試驗(yàn)結(jié)果（土的壓縮曲線圖片）(4)(4)試驗(yàn)結(jié)果（孔隙比）的推導(dǎo)試驗(yàn)結(jié)果（孔隙比）的推導(dǎo)iieHHeH110000001eeeHHii)1 (000eHHeei1)/)(1 (0w0s0wGe4.4.2 土的壓縮性指標(biāo)土的壓縮性指標(biāo)(1)(1)土的壓縮系數(shù)土的壓縮系數(shù) pead/d1221tanppeepea* 為了便于比較，通常采用壓力段由為了便于比較，通常采用壓力段由p p1 1=100kPa =100kPa 增加到增加到p p2 2=200kPa =200kPa 時(shí)的壓縮系數(shù)時(shí)的壓縮系數(shù)a1-21-2來評(píng)定土來評(píng)定土的壓縮性如下：的壓縮性如下：0.

3、10.5高壓縮性高壓縮性121/MPaa中壓縮性中壓縮性低壓縮性低壓縮性(2)(2)土的壓縮指數(shù)土的壓縮指數(shù))/log(/loglog121221cppeppeeC(3)(3)土的壓縮模量土的壓縮模量aeE/ )1 (1s公式：11211HeeeH推導(dǎo)：pae111HepaHaeHHpE11s1/(4)(4)土的回彈再壓縮曲線及回彈再壓縮模量土的回彈再壓縮曲線及回彈再壓縮模量4.4.3 土的壓縮性原位測試土的壓縮性原位測試 原位測試方法適用于：原位測試方法適用于： 地基土為粉、細(xì)砂、軟土，取原狀土樣困難。地基土為粉、細(xì)砂、軟土，取原狀土樣困難。 國家一級(jí)工程、規(guī)模大或建筑物對沉降有嚴(yán)格國家一級(jí)

4、工程、規(guī)模大或建筑物對沉降有嚴(yán)格要求的工程。要求的工程。 原位測試方法包括：原位測試方法包括：載荷試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)等載荷試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)等 載荷試驗(yàn)示意圖載荷試驗(yàn)示意圖反壓重物反力梁千斤頂基準(zhǔn)梁荷載板百分表載荷試驗(yàn)結(jié)果分析圖地基土的變形模量載荷試驗(yàn)結(jié)果分析圖地基土的變形模量002/)1 (Ebps1120/)1 (sbpE土的彈性模量土的彈性模量 定義定義: :土體在無側(cè)限條件下瞬時(shí)壓縮的應(yīng)力應(yīng)變比值土體在無側(cè)限條件下瞬時(shí)壓縮的應(yīng)力應(yīng)變比值。 如果在動(dòng)荷載（如車輛荷載、風(fēng)荷載、地震荷載）如果在動(dòng)荷載（如車輛荷載、風(fēng)荷載、地震荷載）作用時(shí)，都是可恢復(fù)的彈性變形作用時(shí)，都是

5、可恢復(fù)的彈性變形。 變形模量、壓縮模量的關(guān)系變形模量、壓縮模量的關(guān)系x x= =y y= =K K0 0z zzzsyzxz000EEEEyxzx0000EEE)1/(0K變形模量變形模量壓縮模量壓縮模量無側(cè)限條件無側(cè)限條件完全側(cè)限條件完全側(cè)限條件換算關(guān)系0s0s(1 2)EEuKE1.地基的最終沉降量地基的最終沉降量：是指地基在建筑是指地基在建筑物等其它荷載作用下，物等其它荷載作用下，地基變形穩(wěn)定后的地基變形穩(wěn)定后的基礎(chǔ)底面的沉降量基礎(chǔ)底面的沉降量。 沉降與時(shí)間的關(guān)系沉降與時(shí)間的關(guān)系最終沉降量最終沉降量4.5 地基最終沉降量計(jì)算地基最終沉降量計(jì)算2.地基沉降的原因：地基沉降的原因： 外因：外

6、因：主要是建筑物荷載在地基中產(chǎn)生主要是建筑物荷載在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力。（宏觀分析）的附加應(yīng)力。（宏觀分析） 內(nèi)因：內(nèi)因：土的三相組成。（微觀分析）土的三相組成。（微觀分析）0z施工前p施工后AAz0pNet stress increase0zp附加A)地基沉降的外因地基沉降的外因:通常認(rèn)為地基土層在自重作通常認(rèn)為地基土層在自重作用下壓縮已穩(wěn)定，用下壓縮已穩(wěn)定，主要是建筑物荷載在地基中主要是建筑物荷載在地基中產(chǎn)生的產(chǎn)生的附加應(yīng)力附加應(yīng)力。B)內(nèi)因內(nèi)因:土由土由三相組成，具有碎散性三相組成，具有碎散性，在附加，在附加應(yīng)力作用下土層的應(yīng)力作用下土層的孔隙發(fā)生壓縮變形孔隙發(fā)生壓縮變形，引，引起地基沉

7、降。起地基沉降。h3.計(jì)算目的：計(jì)算目的：預(yù)知該工程建成后將產(chǎn)生的最終沉預(yù)知該工程建成后將產(chǎn)生的最終沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜，降量、沉降差、傾斜和局部傾斜，判斷地基變判斷地基變形是否超出允許的范圍形是否超出允許的范圍，以便在建筑物設(shè)計(jì)時(shí)，以便在建筑物設(shè)計(jì)時(shí)，為采取相應(yīng)的工程措施提供科學(xué)依據(jù)，保證建為采取相應(yīng)的工程措施提供科學(xué)依據(jù)，保證建筑物的安全。筑物的安全。 SS 不滿足設(shè)計(jì)要求不滿足設(shè)計(jì)要求（墨西哥城）地基的沉降及不均勻沉降計(jì)算方法： 分層總和法（道路工程）分層總和法（道路工程） 規(guī)范規(guī)范法（建筑工程）法（建筑工程） 彈性力學(xué)公式彈性力學(xué)公式 有限單元法有限單元法1.基本假設(shè)基本假設(shè)

8、 n地基是均質(zhì)、各向同性的半無限線性地基是均質(zhì)、各向同性的半無限線性變形體，可按彈性理論計(jì)算土中應(yīng)力。變形體，可按彈性理論計(jì)算土中應(yīng)力。 n在壓力作用下，地基土不產(chǎn)生側(cè)向變在壓力作用下，地基土不產(chǎn)生側(cè)向變形，可采用側(cè)限條件下的壓縮性指標(biāo)。形，可采用側(cè)限條件下的壓縮性指標(biāo)。 為了彌補(bǔ)假定為了彌補(bǔ)假定所引起誤差，取所引起誤差，取基底中心點(diǎn)下的基底中心點(diǎn)下的附加應(yīng)力進(jìn)行計(jì)附加應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，以基底中點(diǎn)算，以基底中點(diǎn)的沉降代表基礎(chǔ)的沉降代表基礎(chǔ)的平均沉降的平均沉降2.單一壓縮土層的沉降計(jì)算單一壓縮土層的沉降計(jì)算 在一定均勻厚度土層上施加連續(xù)均布在一定均勻厚度土層上施加連續(xù)均布荷載，豎向應(yīng)力增加，孔隙比相

9、應(yīng)減荷載，豎向應(yīng)力增加，孔隙比相應(yīng)減小，土層產(chǎn)生壓縮變形，沒有側(cè)向變小，土層產(chǎn)生壓縮變形，沒有側(cè)向變形。形。4.5.1 分層總和法3.3.定義：定義： 先將地基土分為若干土層，各土層厚度分別為h1,h2,h3,hn。計(jì)算每層土的壓縮量s1,s2,s3,.,sn。然后累計(jì)起來，即為總的地基沉降量s。niinssssss1321.4.計(jì)算原理 p1p2p3p4e4e3e2e1epiiiiiheees1211 P1=自重應(yīng)力自重應(yīng)力P2=自重應(yīng)力自重應(yīng)力+ +附加應(yīng)力n確定基礎(chǔ)沉降計(jì)算深度確定基礎(chǔ)沉降計(jì)算深度 一般一般z=0.2cn確定地基分層確定地基分層1.1.不同土層的分界面與地下水位不同土層的

10、分界面與地下水位面為天然層面面為天然層面2.2.每層厚度每層厚度hi 0.4bn計(jì)算各分層沉降量計(jì)算各分層沉降量 根據(jù)自重應(yīng)力、附加應(yīng)力曲線、根據(jù)自重應(yīng)力、附加應(yīng)力曲線、e- -p壓縮曲線計(jì)算任一分層沉降量壓縮曲線計(jì)算任一分層沉降量 軟土軟土z=0.1c（若沉降深度若沉降深度范圍內(nèi)存在基巖時(shí)，計(jì)算至基范圍內(nèi)存在基巖時(shí)，計(jì)算至基巖表面為止）巖表面為止）n計(jì)算基礎(chǔ)最終沉降量計(jì)算基礎(chǔ)最終沉降量d地地基基沉沉降降計(jì)計(jì)算算深深度度c線線z線線5.計(jì)算步驟6. 6. 公式解釋公式解釋： ZiZ(i-1)Hin由建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范由建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500072011）提出提出 n分層總和法的另一

11、種形式分層總和法的另一種形式 n沿用分層總和法的假設(shè)，并引入平均附加應(yīng)力系數(shù)和地沿用分層總和法的假設(shè)，并引入平均附加應(yīng)力系數(shù)和地基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù) szzszszEAdzEdzEs001附加應(yīng)力面積附加應(yīng)力面積深度深度z范圍內(nèi)的范圍內(nèi)的附加應(yīng)力面積附加應(yīng)力面積dzAzz0附加應(yīng)力通附加應(yīng)力通式式z=K p0代入代入引入平均附引入平均附加應(yīng)力系數(shù)加應(yīng)力系數(shù)zpAzKdzz00因此附加應(yīng)力因此附加應(yīng)力面積表示為面積表示為zpA0sEzps0因此因此zKdzp004.5.2 規(guī)范法規(guī)范法 zi-1地基沉降計(jì)算深度地基沉降計(jì)算深度znzizzi-153 4612b12345612ip

12、0i-1p0p0p0第第n層層第第i層層ziAiAi-1沉降計(jì)算深度沉降計(jì)算深度zn應(yīng)該滿足應(yīng)該滿足)(1110iiiinisisszzEpssniinss1025.0 當(dāng)確定沉降計(jì)算深度下有軟弱土層時(shí)，尚應(yīng)向下繼續(xù)計(jì)當(dāng)確定沉降計(jì)算深度下有軟弱土層時(shí)，尚應(yīng)向下繼續(xù)計(jì)算，直至軟弱土層中所取規(guī)定厚度的計(jì)算沉降量也滿足上算，直至軟弱土層中所取規(guī)定厚度的計(jì)算沉降量也滿足上式，若計(jì)算深度范圍內(nèi)存在基巖，式，若計(jì)算深度范圍內(nèi)存在基巖，zn可取至基巖表面為止可取至基巖表面為止 當(dāng)無相鄰荷載影響，基礎(chǔ)寬度在當(dāng)無相鄰荷載影響，基礎(chǔ)寬度在130m范圍內(nèi)，基礎(chǔ)中范圍內(nèi)，基礎(chǔ)中點(diǎn)的地基沉降計(jì)算深度可以按簡化公式計(jì)算點(diǎn)

13、的地基沉降計(jì)算深度可以按簡化公式計(jì)算)ln4 .05 .2(bbzn地基最終沉降量修正公式地基最終沉降量修正公式地基沉降計(jì)算中的有關(guān)問題地基沉降計(jì)算中的有關(guān)問題1.1.分層總和法在計(jì)算中假定不符合實(shí)際情況分層總和法在計(jì)算中假定不符合實(shí)際情況 假定地基無側(cè)向變形假定地基無側(cè)向變形 計(jì)算結(jié)果偏小計(jì)算結(jié)果偏小采用基礎(chǔ)中心點(diǎn)下土的附加應(yīng)力和沉降采用基礎(chǔ)中心點(diǎn)下土的附加應(yīng)力和沉降 計(jì)算結(jié)果偏大計(jì)算結(jié)果偏大 2.2.分層總和法中附加應(yīng)力計(jì)算應(yīng)考慮分層總和法中附加應(yīng)力計(jì)算應(yīng)考慮: : 土體在自重作用下的固結(jié)程度、相鄰荷載的作用土體在自重作用下的固結(jié)程度、相鄰荷載的作用 3.3.基礎(chǔ)埋置較深時(shí)，應(yīng)考慮開挖基坑

14、時(shí)地基土的回彈，建筑基礎(chǔ)埋置較深時(shí)，應(yīng)考慮開挖基坑時(shí)地基土的回彈，建筑 物施工時(shí)又產(chǎn)生地基土再壓縮的情況物施工時(shí)又產(chǎn)生地基土再壓縮的情況回彈再壓縮影回彈再壓縮影響的變形量響的變形量)(111iiiiniciccczzEPs計(jì)算深度取至計(jì)算深度取至基坑底面以下基坑底面以下5m，當(dāng)基坑底當(dāng)基坑底面在地下水位面在地下水位以下時(shí)取以下時(shí)取10m沉降分析中的若干問題沉降分析中的若干問題1.土的回彈與再壓縮土的回彈與再壓縮pe彈彈性性變變形形塑塑性性變變形形adbcb 壓縮曲線壓縮曲線回彈曲線回彈曲線再壓縮曲線再壓縮曲線n土的卸荷回彈曲線不與原壓土的卸荷回彈曲線不與原壓縮曲線重合，說明土不是完縮曲線重合，

15、說明土不是完全彈性體，其中有一部分為全彈性體，其中有一部分為不能恢復(fù)的塑性變形不能恢復(fù)的塑性變形n土的再壓縮曲線比原壓縮曲土的再壓縮曲線比原壓縮曲線斜率要小得多，說明土經(jīng)線斜率要小得多，說明土經(jīng)過壓縮后，卸荷再壓縮時(shí)，過壓縮后，卸荷再壓縮時(shí)，其壓縮性明顯降低其壓縮性明顯降低2.地基沉降的三個(gè)組成部分地基沉降的三個(gè)組成部分scdsssssd 瞬時(shí)沉降瞬時(shí)沉降sc 固結(jié)沉降固結(jié)沉降 ss 次固結(jié)沉降次固結(jié)沉降3.土的應(yīng)力歷史對土的壓縮性的影響土的應(yīng)力歷史對土的壓縮性的影響土的應(yīng)力歷史：土的應(yīng)力歷史：土體在歷史上曾經(jīng)受到過的應(yīng)力狀態(tài)土體在歷史上曾經(jīng)受到過的應(yīng)力狀態(tài)先期固結(jié)壓力先期固結(jié)壓力pc ：土在

16、其生成歷史中曾受過的最大有土在其生成歷史中曾受過的最大有 效固結(jié)壓力效固結(jié)壓力討論：討論：對試樣施加壓力對試樣施加壓力p時(shí)，壓縮曲線形狀時(shí)，壓縮曲線形狀ppc正常壓縮曲線，斜率陡，土體壓縮量大正常壓縮曲線，斜率陡，土體壓縮量大 土層的先期固結(jié)壓力對其固結(jié)程度和壓縮性有土層的先期固結(jié)壓力對其固結(jié)程度和壓縮性有明顯的影響，用先期固結(jié)壓力明顯的影響，用先期固結(jié)壓力pc與現(xiàn)時(shí)的土壓力與現(xiàn)時(shí)的土壓力p0的比值描述土層的應(yīng)力歷史，將粘性土進(jìn)行分類的比值描述土層的應(yīng)力歷史，將粘性土進(jìn)行分類1.1.正常固結(jié)土正常固結(jié)土先期固結(jié)壓力等于現(xiàn)時(shí)的土壓力先期固結(jié)壓力等于現(xiàn)時(shí)的土壓力pcp02.2.超固結(jié)土超固結(jié)土先期

17、固結(jié)壓力大于現(xiàn)時(shí)的土壓力先期固結(jié)壓力大于現(xiàn)時(shí)的土壓力pcp03.3.超固結(jié)土超固結(jié)土先期固結(jié)壓力小于現(xiàn)時(shí)的土壓力先期固結(jié)壓力小于現(xiàn)時(shí)的土壓力pcp04.6 地基沉降與時(shí)間的關(guān)系地基沉降與時(shí)間的關(guān)系 地基的變形不是瞬時(shí)完成的，地基在建筑物荷載作用下要經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間才能達(dá)到最終沉降量。 在工程設(shè)計(jì)中，除了要知道地基最終沉降量外，往往還需要知道沉降隨時(shí)間的變化過程即沉降與時(shí)間的關(guān)系。4.6.1 飽和土的有效應(yīng)力原理飽和土的有效應(yīng)力原理 飽和土中總應(yīng)力與孔隙水壓力、有效應(yīng)力之間存在如下關(guān)系： 1、飽和土體滲流固結(jié)過程、飽和土體滲流固結(jié)過程 4.6.2 土的單向固結(jié)理論土的單向固結(jié)理論),(tzfu

18、2 2、兩種應(yīng)力在深度上隨時(shí)間的分布、兩種應(yīng)力在深度上隨時(shí)間的分布3、不同排水條件下一維滲流固結(jié)過程單面排水雙面排水 4 4、土的單向固結(jié)理論太沙基一維固結(jié)理論、土的單向固結(jié)理論太沙基一維固結(jié)理論 適用條件：適用條件：荷載面積遠(yuǎn)大于壓縮土層的厚度，地荷載面積遠(yuǎn)大于壓縮土層的厚度，地 基中孔隙水主要沿豎向滲流?；锌紫端饕刎Q向滲流。 單向固結(jié)微分方程及其解答單向固結(jié)微分方程及其解答基本假定：基本假定：（1 1）土中水的滲流只沿豎向發(fā)生，服從達(dá)西定律；）土中水的滲流只沿豎向發(fā)生，服從達(dá)西定律；（2 2）土的滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)為常數(shù)；）土的滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)為常數(shù)；（3 3）土顆粒和土中水都是不可壓縮的；）土顆粒和土中水都是不可壓縮的；（4 4）土是完全飽和的均質(zhì)、各向同性體；）土是完全飽和的均質(zhì)、各向同性體；（5 5）外荷是一次瞬時(shí)施加。）外荷是一次瞬時(shí)施加。單向固結(jié)微分方程單向固結(jié)微分方程