土的壓縮性及地基變形

1、 土的壓縮性及地基變形一、 學(xué)習(xí)基本要求1知識點與教學(xué)要求1.1土的壓縮性及壓縮量計算掌握壓縮試驗原理及其壓縮性指標(biāo)，掌握土的單向壓縮的計算公式及適用條件。了解影響土的壓縮性的主要因素，了解土的彈性變形和塑性變形的概念，了解應(yīng)力歷史對土壓縮性的影響。1.2基礎(chǔ)沉降的計算掌握用ep曲線計算沉降量和沉降差的方法。理解用elgp曲線計算沉降量。了解規(guī)范法計算沉降量的原理。1.3飽和粘性土地基的單向滲透固結(jié)理論掌握固結(jié)度的概念及其用UTv曲線計算某一時刻的沉降量St。了解飽和粘性土地基單向滲透固結(jié)理論。2能力培養(yǎng)要求2.1用分層總和法計算地基的最終沉降量和沉降差。2.2用UTv曲線計算不同應(yīng)力分布狀態(tài)

2、下某一時刻的沉降量St。二、考核知識點1、土的壓縮性1.1有效應(yīng)力原理（1）有效應(yīng)力與孔隙水應(yīng)力的概念；（2）有效應(yīng)力原理表達方法；（3）利用有效應(yīng)力原理計算一點的有效應(yīng)力和孔隙水應(yīng)力。1.2側(cè)限壓縮實驗（1）壓縮實驗的條件；（2）根據(jù)實驗資料計算孔隙比的原理；（3）ep曲線和elgp曲線的繪制方法，及其作用；（4）土的回彈變形和殘余變形的概念及對土的工程性質(zhì)的影響。1.3壓縮指標(biāo)（1）壓縮系數(shù)與壓縮模量的概念及特點；（2）壓縮系數(shù)與壓縮模量的關(guān)系，計算方法；（3）壓縮指數(shù)的概念及特點；（4）現(xiàn)場原位測試壓縮性的方法；（5）三種固結(jié)狀態(tài)土的概念及對土壓縮性的影響，先期固結(jié)壓力的確定方法。2.地

3、基最終沉降量2.1分層總和法(1)計算原理及單一壓縮土層的計算公式；（2）公式S= 中各符號的含義及獲取方法；（3）地基分層計算的原則及分層方法；（4）計算深度的確定方法。2.2用現(xiàn)場壓縮曲線計算地基最終沉降量（1）正常固結(jié)土的變形計算公式中各符號的含義和獲取方法；2.3“規(guī)范法”計算地基變形量（1）公式的計算原理，各符號的含義和獲取方法；（2）計算深度的控制方法；（3）沉降量經(jīng)驗系數(shù)s的影響因素3.飽和粘性土的單向滲透固結(jié)理論3.1飽和土單向滲透固結(jié)模型（1）單向滲透固結(jié)的概念；（2）超靜水應(yīng)力的概念及產(chǎn)生條件；（3）模型中的有效應(yīng)力、超靜水應(yīng)力與時間的關(guān)系；（4）滲透固結(jié)的實質(zhì)。3.2飽和

4、土的單向固結(jié)理論（1）單向滲透固結(jié)的基本假定；（2）平均固結(jié)度的概念和幾種情況的平均固結(jié)度計算方法；（3）固結(jié)系數(shù)Cv和時間因數(shù)Tv的影響因素；（4）沉降與時間關(guān)系中的兩種計算情況（既固結(jié)歷時t或固結(jié)度Ut的計算）；（5）兩面排水與單面排水的關(guān)系。三、考點分析1.基本概念1.1土的壓縮性土在壓縮作用下體積縮小的特性。土的壓縮可以認(rèn)為是由孔隙體積減小而使水和氣體向外排出產(chǎn)生的土體壓縮變形。1.2有效應(yīng)力通過土顆粒傳遞的應(yīng)力稱有效應(yīng)力。1.3 孔隙水應(yīng)力和超靜水應(yīng)力通過孔隙水傳遞的應(yīng)力稱孔隙水應(yīng)力，孔隙水應(yīng)力可分為靜水應(yīng)力和超靜水應(yīng)力；超靜水應(yīng)力是外荷載引起的孔隙水中超過靜水壓力的部分水應(yīng)力，它是

5、由于外荷載而引起的，一般隨時間的增長逐漸消失。1.4側(cè)限壓縮模量與變形模量土在側(cè)向不產(chǎn)生變形時，豎向附加應(yīng)力增量z和相應(yīng)豎向變形z的比值，即。土的壓縮模量與其他建材的彈性模量相似，但有所不同。變形模量是在無側(cè)限條件下得到的模量E0。土的側(cè)限壓縮模量大于變形模量，變形模量E0與彈性模量相似，但有所不同。1.5固結(jié)與固結(jié)度土體的變形與其它材料不同，彈性材料的變形是瞬時完成。而土體的變形需要一個時間過程。土體的壓縮變形隨時間增長的過程稱土的固結(jié)，在外力作用下土體的固結(jié)可分為主固結(jié)、次固結(jié)和瞬時固結(jié)。固結(jié)度是指土體在外荷載作用下壓縮變形完成的程度。常用相應(yīng)的變形量St和最終變形量S的比值表示，實際是有

6、效應(yīng)力占總應(yīng)力的比重。1.6先期固結(jié)壓力pc土體在歷史上曾受到過的最大固結(jié)壓力稱先期固結(jié)壓力，根據(jù)先期固結(jié)壓力pc和目前所受壓力p0的關(guān)系可將土體分為正常固結(jié)土、超固結(jié)土和欠固結(jié)土。2.基本規(guī)律和基本原理2.1有效應(yīng)力原理作用在飽和土體上的任何應(yīng)力都可以通過土顆粒間的接觸點傳遞（有效應(yīng)力）或通過連通的孔隙水傳遞（孔隙水應(yīng)力或中性應(yīng)力）。也只有通過以上兩種途徑傳遞。其總應(yīng)力等于有效應(yīng)力與孔隙水應(yīng)力即=+u，其中可以是自重引起的應(yīng)力，也可是附加應(yīng)力。由外荷引起的孔隙水應(yīng)力稱超靜水應(yīng)力，常隨時間的增長而逐漸轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，這就是飽和土體固結(jié)的實質(zhì)。因此，飽和土體的超靜水應(yīng)力的變化也常引起土體強度的變

7、化。土體的固結(jié)和強度都只取決于有效應(yīng)力的大小，孔隙水應(yīng)力不會引起土體變形，也不能承受剪力作用。2.2土的壓密定律（1）由于土粒及孔隙中水的體積縮小常可忽略不計，因此土體的變形只認(rèn)為是孔隙體積的減小，所以常用土體孔隙比的變化來反映土體的變形大小。在側(cè)限壓縮試驗中，可以分別測到在不同壓力作用下試樣所產(chǎn)生的變形量Si，可由初始孔隙比e0和土樣初始高度Ho按下式計算相應(yīng)的孔隙比ei。ei=e0-(1-e0)si/H0 （4-1）根據(jù)實驗計算出的ei和相應(yīng)的pi可以給出ep曲線或elgp曲線。（2）壓縮曲線反映了土的壓縮特性，不同的土具有不同形狀的壓縮曲線，曲線的陡緩程度反映了土體壓縮性的大小。當(dāng)壓力變

8、化不大時，曲線可用割線代替，如圖41，割線的斜率為：a = tan=e/p （4-2）式4-2被稱為壓密定律，a為壓縮系數(shù)，反映了土的壓縮性大小，但a并非常數(shù)，與p1和p的大小有關(guān)。因此，評價土體的壓縮性必須用同一壓力變化范圍對應(yīng)的a，工程中常以p1=100kPa和p2=200kPa所對應(yīng)的a1-2作為判斷土體壓縮性大小的標(biāo)準(zhǔn)。由于elgp曲線的后部相當(dāng)大的范圍為直線變化，其直線段的斜率被稱為壓縮指數(shù)，用Cc表示。Cc= （4-3）（3）反映土體壓縮性的指標(biāo)有壓縮系數(shù)a、壓縮模量Es、壓縮指數(shù)Cc以及變形模量E0等。一般壓縮性大的土體其a、Cc均較大，Es和E0較小。2.3土的側(cè)限壓縮變形特點

9、（1）任何一級荷載作用下土體的變形有一個時間過程，如圖42（a），其原因是在壓力作用下土孔隙中的水、氣體需排出來，土粒間需要調(diào)整。因此這一時間過程的長短取決于土孔隙的大小。砂土孔隙大，所需時間就短；粘土孔隙小，所需時間就長。土的壓縮隨壓力增大而減小。（2）土的壓縮變形包括彈性變形和塑性變形，如圖42（b）。減壓曲線和再壓縮曲線都比原壓縮曲線平緩，因此土的受荷歷史直接影響土的壓縮性。先期固結(jié)壓力大的土體其壓縮性較小，先期固結(jié)壓力小的土體，其壓縮性較大。所以欠固結(jié)土易變形，而超固結(jié)土不易變形。2.4飽和土體單向滲透固結(jié)原理（1）單向滲透固結(jié)理論的基本假定是：壓縮是均質(zhì)，各向同性的飽和土體；土顆粒和

10、水都稱為不可壓縮體；固結(jié)過程中滲透系數(shù)k和a稱為常數(shù)；滲流只在鉛直方向發(fā)生，滲透符合達西定律；外荷瞬時施加。（2）單向滲透固結(jié)過程即是土中超靜水應(yīng)力向有效應(yīng)力轉(zhuǎn)化的過程，超靜水應(yīng)力分布與時間和初始條件有關(guān)，任一時刻土體的平均固結(jié)度可用有效應(yīng)力面積和總應(yīng)力面積的比值表示，即：Ut= （4-4）3.基本方法3.1側(cè)限壓縮實驗側(cè)限壓縮實驗是室內(nèi)測定土體壓縮性的基本方法，常用的有標(biāo)準(zhǔn)壓縮實驗和快速壓縮實驗。標(biāo)準(zhǔn)壓縮實驗是在每級荷載作用下，讓土體達到穩(wěn)定后再施加新一級荷載，直至實驗結(jié)束；快速壓縮實驗是每級荷載作用下一小時施加新的荷載，到最后一級荷載讓土樣達到穩(wěn)定，具體方法見第二篇土工實驗部分。3.2土體

11、壓縮指標(biāo)的測定方法土的壓縮性可以取原狀土在室內(nèi)用側(cè)限壓縮法測定，也常在現(xiàn)場進行載荷實驗或旁壓實驗測定土的壓縮指標(biāo)。現(xiàn)場載荷實驗是根據(jù)分級加荷所測到的地基的變形量s，繪出ps關(guān)系曲線，據(jù)此求出2倍承載板深度范圍內(nèi)土體的壓縮性（變形模量）。而旁壓實驗可以測定各種深度處土的變形特性。3.3前期固結(jié)壓力及原始壓縮曲線的確定方法前期固結(jié)壓力常用卡薩格蘭德圖解法確定，如圖43，具體方法見教材第四章，現(xiàn)場原始壓縮曲線，是對室內(nèi)壓縮曲線修正，消除了取土擾動影響的土體壓縮性曲線，根據(jù)它可以找出土體接近實際情況的壓縮指數(shù)。因此，用elgp曲線法計算地基變形量是，需要繪出現(xiàn)場原始壓縮曲線，從中求出相應(yīng)的壓縮指數(shù)Cc

12、和Cs。具體方法見教材第四章。3.4分層總和法計算地基最終沉降量（1）分層總和法計算地基變形是將地基分成若干薄層分別計算每一層的變形量。然后求和的方法。每層土的變形量計算是按基礎(chǔ)中心點下土層的平均自重應(yīng)力和附加應(yīng)力。土層受荷前后的平均應(yīng)力，由側(cè)限壓縮實驗成果找出壓縮前后的孔隙比e1和e2，按下列公式計算土層變形量Si。Si= （4-5）式中：e1i、e2i土層壓縮前后的孔隙比，根據(jù)p1=平均自重應(yīng)力、p2=平均自重應(yīng)力與平均附加應(yīng)力之和查ep曲線得到；H1i土層變形前的厚度。平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力的計算，一般是按計算土層的上層面和下層面的應(yīng)力值取平均，所以在用式（45）時要先計算土層上下層

13、面處的自重應(yīng)力和附加應(yīng)力。需要注意的是p1是土層受荷前的固結(jié)應(yīng)力，p2是土層受荷穩(wěn)定后的固結(jié)應(yīng)力，根據(jù)變形產(chǎn)生的原因來確定p1和p2。土層變形的原因可能是外荷作用，也可能是地基表面超載（如大面積填土），或者是土體的有效重度發(fā)生變化（如大面積降低地下水位）等。不同情況中p1和p2都具有不完全相同的內(nèi)含，但變形都是由于有效應(yīng)力增加而引起的。（2）分層總和法的土層分層有以下要求：自重應(yīng)力應(yīng)在計算土層內(nèi)呈直線分布，所以土層的分界面和地下水位面處都是計算的分層面；不同壓縮性的土體其ep關(guān)系不同，因此也要作為不同土層分別計算；在同一計算層內(nèi)附加應(yīng)力的分布要盡量接近直線，因此要求分層厚度不能太大，一般按基礎(chǔ)

14、寬度的0.4倍考慮，而基礎(chǔ)尺寸很大時，可按0.25倍考慮。（3）若將壓縮系數(shù)和壓縮模量的概念引入變形計算中，可以得以下變形計算公式：Si= （4-6）Si= （4-7）式中：ai、Esi計算土層的壓縮系數(shù)和壓縮模量；zi計算土層的平均附加應(yīng)力；即土層附加應(yīng)力的平均值。需要注意的是用式（46）和式（47）計算時，a和Es是對應(yīng)于p1=變形前的固結(jié)應(yīng)力，p2=變形后的固結(jié)應(yīng)力所計算得的壓縮系數(shù)和壓縮模量。式中的ziH1i既是附加應(yīng)力在計算土層中分布圖形的面積。3.5規(guī)范推薦法計算地基變形（1）由公式（47）可知：某土層的變形量可用該層附加應(yīng)力分布圖形面積除以壓縮模量得到。由于附加應(yīng)力與附加應(yīng)力系數(shù)

15、成正比例，所以變成了求附加應(yīng)力系數(shù)的分布圖形面積，簡化后的變形公式為：S=S （4-8）式中：、分別為計算層上下層面以上至基底的附加應(yīng)力系數(shù)平均值；zi、zi-1分別為基底至計算層上下層面的深度；s經(jīng)驗系數(shù)，可據(jù)地區(qū)觀測資料確定。由此可以看出規(guī)范推薦法與分層總和法計算地基變形原理基本一致的，由于規(guī)范法較為準(zhǔn)確地計算了附加應(yīng)力分布圖形面積，因此可以按天然分層面劃分土層，無須考慮計算層內(nèi)附加應(yīng)力直線分布。（2）規(guī)范推薦法計算地基變形，其壓縮厚度是用變形比來控制的，方法見教材第四章。在確定壓縮層厚度時，既考慮了附加應(yīng)力隨厚度的分布，又考慮了土層壓縮性的影響，方法較為合理。（3）公式中引進了經(jīng)驗系數(shù)s，實測資料證明，分層總和法計算的沉降量，對低壓縮性土比實際偏大；對高壓縮性土比實測偏小。3.6減少沉降危害的方法基礎(chǔ)過大的沉降量或沉降差都會給建筑物帶來很大危害，常用以下措施減小危害：減小建筑物基底附加應(yīng)力，如采用輕型結(jié)構(gòu)、輕型材料、盡量減少上部自重；減少填土；增設(shè)地下室。改變地基土的變形性能，采用地基處理，提高局部軟弱土層的抗變形能力。調(diào)整基礎(chǔ)形式及基礎(chǔ)尺寸，增大埋深，必要時采用深基礎(chǔ)。加大基礎(chǔ)的剛度和強度；提高建筑物整體性，如設(shè)置圈梁、基礎(chǔ)梁。設(shè)置沉陷縫，分期施工。先施工荷載較大的部位。簡化建筑物平面布置，減少基礎(chǔ)荷載差異。加強施工防護，防止土的性質(zhì)發(fā)生變化?？刂频孛娑演d范圍和堆