土的压缩性与地基沉降计算课件.ppt

1、第五章第五章5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降25土的压缩性与地基沉降5.1 5.1 土的压缩性土的压缩性5.2 5.2 应力历史与土的压缩性的关系应力历史与土的压缩性的关系5.3 5.3 地基沉降的计算方法地基沉降的计算方法5.4 5.4 地基沉降与时间的关系地基沉降与时间的关系5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降3土具有压缩特性荷载作用地基发生沉降荷载大小土的压缩性地基厚度均匀沉降（沉降量）差异沉降（沉降差）建筑物上部结构产生附加应力影响结构物的安全和正常使用一、概述一、概述土的特点（碎散、三相）沉降具有时间效应沉降速率与土的渗透性有关地基土在压力作用下体积减小的性质地基

2、土在压力作用下体积减小的性质水气体积减小固体颗粒变形5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降4二、侧限压缩试验二、侧限压缩试验F 固结容器：固结容器：环刀、护环、导环、透水环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等石、加压上盖和量表架等F 加压设备：加压设备：杠杆比例杠杆比例1:101:10F 变形测量设备变形测量设备1、侧限压缩仪（固结仪）5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降5e e p p 曲线曲线0100200 3004000.60.70.80.91.0ei00i0ee(1e)S/Hp(kPa)Vs=1Vs=1pH0HVv0=e0Vv=esesHeHeH1110005 土的

3、压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降6压缩系数，压缩系数，KPKPa a-1-1，MPMPa a-1-1压缩性指标1221ppeepeaa a1-21-2常用作常用作比较土的压比较土的压缩性大小缩性大小土的类别土的类别a1-2(MPa-1)高压缩性土高压缩性土0.5中中压缩性土压缩性土0.1-0.5低低压缩性土压缩性土 0.4中中压缩性土压缩性土0.2-0.4低低压缩性土压缩性土 15中中压缩性土压缩性土4-15高压缩性土高压缩性土 4KPa 或或 MPa侧限压缩模量侧限压缩模量EsEs与无侧限与无侧限变形模量变形模量E E0 0的关系：的关系：SEE0表表5-15-1（1)1)压缩模量压缩模

4、量EsEs与压缩系数与压缩系数a a成反成反比。比。EsEs越大，越大，a a就越小，土的就越小，土的压缩性也就越低。压缩性也就越低。现场载荷试验现场载荷试验实际上，上式不能准确地反映实际上，上式不能准确地反映E E0 0与与E Es s之间的实际关系之间的实际关系 5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降10三、现场原位试验三、现场原位试验自学教材：教材：P60-61P60-61载荷试验载荷试验旁压试验旁压试验确定：确定：土的变形模量土的变形模量地基承载力地基承载力5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降115 土的压缩性与地基沉降5.1 5.1 土的压缩性土的压缩性5.2 5.2

5、应力历史与土的压缩性的关系应力历史与土的压缩性的关系5.3 5.3 地基沉降的计算方法地基沉降的计算方法5.4 5.4 地基沉降与时间的关系地基沉降与时间的关系5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降125.2 5.2 应力历史与地基沉降的关系应力历史与地基沉降的关系一、一、什么是应力历史？什么是应力历史？应力历史应力历史是指土在形成的地质年代中所经受的是指土在形成的地质年代中所经受的应力变化的情况。应力变化的情况。粘性土在形成及存在的过程中所经受的地质粘性土在形成及存在的过程中所经受的地质作用和应力变化不同，所产生的压密过程及固作用和应力变化不同，所产生的压密过程及固结状态亦不相同。结状

6、态亦不相同。经历不同应力历史的地基土层的沉降变形特经历不同应力历史的地基土层的沉降变形特性不同，沉降计算方法亦不相同。性不同，沉降计算方法亦不相同。二、二、应力历史与地基沉降有何关系？应力历史与地基沉降有何关系？5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降13回弹曲线的割线斜率：回弹曲线的割线斜率：回弹压缩系数回弹压缩系数一、一、土的回弹与再压缩土的回弹与再压缩曲线曲线 a5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降14二、二、e e lglgp p 曲线曲线Ce回弹指数（再压缩指数）回弹指数（再压缩指数）Ce p0：超固结土超固结土pc1OCR1：超固结超固结OCR1OCR p0）假定假定

7、土取出地面后体积不变，即（土取出地面后体积不变，即（e e0 0,p,p0 0）在原位再压缩在原位再压缩曲线上；曲线上；再压缩指数再压缩指数C Ce e 为常数；为常数；0.420.42e e0 0处的土与原状土一致，不受扰动影响。处的土与原状土一致，不受扰动影响。推定推定 确定确定p p0 0，p pc c的作用线；的作用线；过过e e0 0作水平线与作水平线与 p p0 0作用线交于作用线交于D D点；点；过过B B和和C C点作直线即为原位压缩压缩曲线。点作直线即为原位压缩压缩曲线。过过D D点作斜率为点作斜率为C Ce e的直线，与的直线，与p pc c作用线作用线交于交于B B点，点

8、，DBDB为为原位再压缩曲线原位再压缩曲线；过过0.420.42e e0 0 作水平线与作水平线与e-lge-lgp p曲线曲线交交于点于点C C；原位压缩曲线的近似推求原位压缩曲线的近似推求DC 0.42室内压缩曲线现场压缩曲线(斜率)图5-14 正常固结土的现场压缩曲线5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降195土的压缩性与地基沉降5.1 5.1 土的压缩性土的压缩性5.2 5.2 应力历史与地基沉降的关系应力历史与地基沉降的关系5.3 5.3 地基沉降的计算方法地基沉降的计算方法5.4 5.4 地基沉降与时间的关系地基沉降与时间的关系5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降20

9、5土的压缩性与地基沉降1 1、普通分层总和法、普通分层总和法2 2、规范法（、规范法（GB5007-2002GB5007-2002）3 3、考虑应力历史的分层总和法、考虑应力历史的分层总和法地基最终沉降量分层总和法地基最终沉降量分层总和法5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降21二、地基最终沉降量分层总和法二、地基最终沉降量分层总和法1 1、什么是地基最终沉降量？、什么是地基最终沉降量？2 2、什么是分层总和法？、什么是分层总和法？地基土层在建筑物荷载作用下，不断地产生压缩，地基土层在建筑物荷载作用下，不断地产生压缩，直至压缩稳定后地基表面的沉降量称为地基的最终直至压缩稳定后地基表面的沉

10、降量称为地基的最终沉降量。沉降量。分层总和法就是先将地基土分为若干水平土层，分分层总和法就是先将地基土分为若干水平土层，分别计算每层土的压缩量，然后将各层土的压缩量累别计算每层土的压缩量，然后将各层土的压缩量累加起来求和，即为地基土的总沉降量。加起来求和，即为地基土的总沉降量。5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降221 1、基本假定和基本原理、基本假定和基本原理理论上不够完备，缺乏统一理论；单向压缩分层总和法是一个半经验性方法。（一）普通分层总和法（一）普通分层总和法（a a）地基土为均匀、各向同性的半无限体：弹性理论）地基土为均匀、各向同性的半无限体：弹性理论（b b）取基础中心点作

11、为沉降计算点：附加应力最大）取基础中心点作为沉降计算点：附加应力最大（c c）只发生竖向沉降：可采用侧限压缩指标只发生竖向沉降：可采用侧限压缩指标（d d）计算深度取有限深度：附加应力较小的深度）计算深度取有限深度：附加应力较小的深度（e e）将地基分成若干层，认为整个地基的最终沉降量为将地基分成若干层，认为整个地基的最终沉降量为各层沉降量之和各层沉降量之和：iSS5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降232、计算步骤、计算步骤(2)(2)计算原地基中自重应力分布计算原地基中自重应力分布(3)(3)基底附加压力基底附加压力p p0 0p0=p-0d中心荷载：中心荷载：p=(F+G)/A偏

12、心荷载：偏心荷载：(1)(1)地基分层地基分层HiHiczcz从地面算起；从地面算起；不同土层界面不同土层界面；地下水位线地下水位线；每层厚度不宜大于每层厚度不宜大于0.4B4B。)61(maxminbeAGFp5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降242、计算步骤、计算步骤(5)(5)确定计算深度确定计算深度z zn n（注意：从基底算起）（注意：从基底算起）(7)(7)各层沉降量叠加各层沉降量叠加 S Si i(6)(6)计算每层沉降量计算每层沉降量S Si i 一般土层一般土层：z z=0.2=0.2czcz；软粘土层软粘土层：z z=0.1=0.1czcz；基岩或不可压缩土层基岩

13、或不可压缩土层。(4)(4)确定地基中附加应力确定地基中附加应力 z z分布分布z z从基底算起；从基底算起；z z是由基底附加应力是由基底附加应力p p0 0引起的。引起的。5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降252、计算步骤、计算步骤（6 6）计算每层沉降量）计算每层沉降量S Si iisiziiziiiiiiiihEheaheees112111 ee1ie2i czip2i zip1 iSS(7)(7)各层沉降量叠加各层沉降量叠加 S Si i：例题例题5-15-15 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降26（二）规范法（修正的分层总和法）（二）规范法（修正的分层总和法）i：

14、Z Zi i深度范围平均附加应力系数深度范围平均附加应力系数(查表）查表）1 1、目的：使地基沉降计算值与实测值相符、目的：使地基沉降计算值与实测值相符2 2、方法：引入沉降计算经验系数修正计算值、方法：引入沉降计算经验系数修正计算值3 3、基本原理：、基本原理：isiziiziiiiiiiihEheaheees1121110pzi)(1101iiiisiiiizzEpsss0pzi令：令：5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降274、计算步骤、计算步骤(3)(3)计算基底附加压力计算基底附加压力p p0 0（与普通法相同）（与普通法相同）(2)(2)地基分层地基分层Z Zi i天然土层

15、分界面；地下水位面；土层分界面；地下水位面；(1)(1)确定计算深度确定计算深度z zn n（注意：从基底算起）（注意：从基底算起）基岩或不可压缩土层；基岩或不可压缩土层；无相邻荷载，无相邻荷载，B B1 130m30m：Zn=B(2.5-0.4lnB)Zn=B(2.5-0.4lnB)；有相邻荷载，需满足有相邻荷载，需满足：niinss1025.0isns:在计算深度范围内，第在计算深度范围内，第 i 层土的计算变形值；层土的计算变形值；:在计算深度向上取厚度为在计算深度向上取厚度为 Z Z的土层计算变形值的土层计算变形值 Z:Z:见图见图5-215-21并按表并按表5-55-5确定。确定。5

16、 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降284、计算步骤、计算步骤(4)(4)计算各土层底面深度范围内的平均附加应力系数计算各土层底面深度范围内的平均附加应力系数计算计算l/bl/b和和z/bz/b，查表求得。，查表求得。注意：有的教材为中心点下的系数，与规范不同注意：有的教材为中心点下的系数，与规范不同 规范采用的是角点下的平均附加应力系数规范采用的是角点下的平均附加应力系数i(5)(5)计算各土层的沉降值计算各土层的沉降值)(1101iiiisiiiizzEpsss(6)(6)求计算深度内的沉降计算值求计算深度内的沉降计算值)(110iiiisiizzEpss5 土的压缩性和地基沉降土的

17、压缩性和地基沉降29基底附加应力基底附加应力2.54.07.015.020.0 p0 fak1.41.31.00.40.2 p0 0.75 fak1.11.00.70.40.2表表5-4 5-4 沉降计算经验系数沉降计算经验系数 s ssE（7 7）修正沉降计算值）修正沉降计算值isisiAEAE i0iii 1i 1Ap(zz)f fakak：地基承载力特征值（第九章介绍）：地基承载力特征值（第九章介绍）4、计算步骤、计算步骤sss例题例题5-25-25 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降30（三（三)考虑应力历史的分层总和法考虑应力历史的分层总和法 考虑应力历史的分层总和法和普通分层

18、总和法考虑应力历史的分层总和法和普通分层总和法计算正常固结土地基时差别不大，不同的是前者计算正常固结土地基时差别不大，不同的是前者应用应用e-lgpe-lgp曲线，而后者应用曲线，而后者应用e-pe-p曲线。曲线。在计算超固结土地基或加载在计算超固结土地基或加载卸载卸载再加载的再加载的情况时，情况时，e-lgpe-lgp法比普通分层总和法要精确，它考法比普通分层总和法要精确，它考虑了土体处于超固结状态阶段和正常固结状态阶虑了土体处于超固结状态阶段和正常固结状态阶段土体压缩性指标不同的影响。段土体压缩性指标不同的影响。对于欠固结土来说，很少直接用其作为建筑物对于欠固结土来说，很少直接用其作为建筑

19、物的天然地基。的天然地基。5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降315土的压缩性与地基沉降5.1 5.1 土的压缩性土的压缩性5.2 5.2 应力历史与地基沉降的关系应力历史与地基沉降的关系5.3 5.3 地基沉降的计算方法地基沉降的计算方法5.4 5.4 地基沉降与时间的关系地基沉降与时间的关系5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降325.4 5.4 地基沉降与时间的关系地基沉降与时间的关系一、饱和土的渗透固结一、饱和土的渗透固结二、二、TerzaghiTerzaghi一维固结理论一维固结理论四、有关沉降四、有关沉降-时间关系的工程问题时间关系的工程问题五、地基瞬时沉降与次固结沉

20、降五、地基瞬时沉降与次固结沉降三、固结度的计算三、固结度的计算5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降33一、饱和土的渗透固结一、饱和土的渗透固结1 1、什么是饱和土的渗透固结？什么是饱和土的渗透固结？饱和粘土在压力作用下，孔隙水将随时间的迁延而逐渐被饱和粘土在压力作用下，孔隙水将随时间的迁延而逐渐被排出，同时孔隙体积也随之缩小，这一过程称为饱和土的排出，同时孔隙体积也随之缩小，这一过程称为饱和土的渗透固结。渗透固结。渗透固结所需的时间长短与土的渗透性和土的厚度有渗透固结所需的时间长短与土的渗透性和土的厚度有关。关。土的渗透性越小，土层越厚，孔隙水被挤出所需的时土的渗透性越小，土层越厚，孔

21、隙水被挤出所需的时间越长。间越长。5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降342 2、有效应力原理有效应力原理u 5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降353 3、饱和土的渗透固结模型饱和土的渗透固结模型 物理模型：物理模型：钢筒钢筒侧限条件侧限条件 弹簧弹簧土骨架土骨架 水体水体孔隙水孔隙水 带孔活塞带孔活塞排水顶面排水顶面 活塞小孔活塞小孔渗透性大小渗透性大小5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降362、数学模型数学模型土层均匀且完全饱和；土层均匀且完全饱和；土颗粒与水不可压缩；土颗粒与水不可压缩；变形是单向压缩（水的渗出和土层压缩是竖向的）；变形是单向压缩（水的渗出和土层

22、压缩是竖向的）；荷载均布且一次施加；荷载均布且一次施加；假定假定 z z 沿深度均布；沿深度均布；渗流符合达西定律且渗透系数渗流符合达西定律且渗透系数k k保持不变；保持不变；压缩系数压缩系数a a是常数。是常数。（1 1）基本假定）基本假定（2 2）基本变量）基本变量总应力已知总应力已知有效应力原理有效应力原理孔隙水压力的时空分布孔隙水压力的时空分布5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降37（3 3）建立方程）建立方程2、数学模型数学模型孔隙体积的变化流出的水量孔隙体积的变化流出的水量土的压缩特性土的压缩特性有效应力原理有效应力原理达西定律达西定律表示孔隙水压力的时空分布的微分方程表示

23、孔隙水压力的时空分布的微分方程渗透系数、渗透系数、w孔隙比、压缩系数孔隙比、压缩系数引入竖向固结系数引入竖向固结系数CV5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降38Cv 反映了土的固结性质：孔压消散的快慢固结速度；反映了土的固结性质：孔压消散的快慢固结速度；Cv 与渗透系数与渗透系数k成正比，与压缩系数成正比，与压缩系数a成反比；成反比；（cm2/s；m2/year，粘性土一般在，粘性土一般在 10-4 cm2/s 量级）量级）1vwk(1e)Ca 212wk 1euutaz 固结系数固结系数（3 3）建立方程）建立方程2、数学模型数学模型2v2uuCtz 5 土的压缩性和地基沉降土的压缩

24、性和地基沉降39 线性齐次抛物线型微分方程式，一般可用分离变量方法求解。给出定解条件，求解渗流固结方程，就可以解出uz,t。3、方程求解方程求解（1 1）求解思路）求解思路2v2uuCtz 5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降40(3)(3)微分方程的解微分方程的解vv2CTtH 时间因数时间因数m1，3，5，73、方程求解方程求解0 z H:u=pz=0:u=0z=H:u z 0 z H:u=02v2uuCtz 0t t0 t基本微分方程：基本微分方程：初始边界条件：初始边界条件：微分方程的解：微分方程的解：反映孔隙水压力的消散程度反映孔隙水压力的消散程度固结程度固结程度v22T4m

25、1mt,zeH2zmsinm1p4u 5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降41三、三、固结度的计算固结度的计算 一点一点M：地地 层：层：一层土的平均固结度一层土的平均固结度Uz,t=01：表征总应力中有效应力所占比例表征总应力中有效应力所占比例zt,zt,zU dzdzu1dzdzUzt,zH0zH0t,zt总总应应力力分分布布面面积积有有效效应应力力分分布布面面积积zt,zzt,zzzzt,zu1uU 1 1、基本概念、基本概念5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降422 2、平均固结度、平均固结度U Ut t与沉降量与沉降量S St t之间的关系之间的关系t时刻：时刻：SU

26、Stt 确定确定St的关键是确定的关键是确定Ut 确定确定Ut的核心问题是确定的核心问题是确定uz.t SSHe1adze1adzdzUt1z1t,zzt,zt总应力分布面积总应力分布面积有效应力分布面积有效应力分布面积 SSUtt在任意时间在任意时间t t的沉降的沉降S St t与最终沉降量与最终沉降量S S之比之比三、三、固结度的计算固结度的计算5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降43三、三、固结度的计算固结度的计算5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降443 3、根据前一阶段的实测沉降时间曲线，推算以后的沉降、根据前一阶段的实测沉降时间曲线，推算以后的沉降对于各种初始应力分

27、布，固结度均可写成：对于各种初始应力分布，固结度均可写成：sttsttte1U 已知：已知：t t1 1S S1 1t t2 2S S2 2t t3 3S S3 3，s s计算计算t t4 4S S4 41 1、双曲线法、双曲线法2 2、对数曲线法、对数曲线法)se(1stt已知：已知：t t1 1S S1 1t t2 2S S2 2，s s计算计算t t3 3S S3 35 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降45次固结沉降次固结沉降 Ss主固结沉降完成以后，在有效应力不变条件下，由于土骨架的蠕变主固结沉降完成以后，在有效应力不变条件下，由于土骨架的蠕变特性引起的变形。这种变形的速率与孔

28、压消散的速率无关，取决于特性引起的变形。这种变形的速率与孔压消散的速率无关，取决于土的蠕变性质，既包括剪应变，又包括体应变。土的蠕变性质，既包括剪应变，又包括体应变。初始沉降初始沉降(瞬时沉降瞬时沉降)Sd有限范围的外荷载作用下地基由于有限范围的外荷载作用下地基由于发生侧向位移发生侧向位移(即剪切变形即剪切变形)引起的引起的主固结沉降主固结沉降(渗流固结沉降渗流固结沉降)Sc由于孔隙水压力逐渐向有效应力转由于孔隙水压力逐渐向有效应力转化而发生的土渗透固结变形引起的化而发生的土渗透固结变形引起的是地基变形的主要部分。是地基变形的主要部分。tSS Sd d ：初始瞬时沉降初始瞬时沉降Ss:次固结沉降次固结沉降S Sc c：主固结沉降主固结沉降scdSSSS 五、地基瞬时沉降与次固结沉降五、地基瞬时沉降与次固结沉降5 土的压缩性和地基沉降土的压缩性和地基沉降46五、地基瞬时沉降与次固结沉降五、地基瞬时沉降与次固结沉降1 1、地基瞬时沉降计算、地基瞬时沉降计算2 2、地基次固结沉降计算、地基次固结沉降计算近似按弹性力学公式计算：近似按弹性力学公式计算：pBEsd)1(2由由e-lgte-lgt曲线可见，次固结与时间曲线可见，次固结与时间关系近似直线，则关系近似直线，则 1logttCednidiiisttCehs110log1为沉降影响系数，查表为沉降影响系数，查表