任务3计算土的压缩性和沉降-工程岩土课件.ppt
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- 任务 计算 压缩性 沉降 工程 岩土 课件
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1、计算土的压缩性和沉降计算土的压缩性和沉降 山东交通职业学院任俐璇l 土的压缩性是土的力学基本性质之一,它是指在外荷载作用下,土体产生体积压缩的性质,也可以说是反映土中应力变化与其变形之间关系的种工程地质。简单定义为土体的压缩性就是土体在压力作用下体积缩小的性质。l 由于地基土是三相体(当然完全饱和土和干土是二相体),因此土体受力压实后,其压缩变形包括:一是由于土粒及孔隙水和空气本身的压缩变形,试验研究表明,在一般压力(100600kPa)作用下,这种压缩变形占总压缩量的比例甚微,可忽略不计;二是土中部分孔隙水和空气被挤出,使土粒产生相对位移,重新排列压密。同时还可能有部分封闭气体被压缩或溶解于
2、孔隙水中,使孔隙体积减小,从而导致土的结构产生变形,因此这是引起土体压缩的主要原因。l 需要指出,土的压缩变形需要一定的时间才能完成,对于无粘性土,压缩过程所需的时间较短;而对于饱和粘性土,由于透水性小,水被挤出的较慢,压缩过程所需要的时间相当长,可能需几年甚至几十年才能达到压缩稳定。因此,将土体在压力作用下,其压缩量随时间增长的过程,称为土的固结。l 由于,土的压缩变形主要是由于空隙比减小的缘故,可以用压力与空隙比体积之间的变化来说明土的压缩性,并用于计算地基沉降量。土的压缩性高低以及压缩性随时间的变化规律,可通过压缩试验或现场荷载试验确定。一、压缩性指标一、压缩性指标l 1、压缩试验和压缩
3、曲线l 由于,土的压缩变形主要是由于孔隙减小的缘故,可以用压力与孔隙体积之间的变化来说明土的压缩性,并用于计算地基沉降量。土的压缩性高低以及压缩变形随时间的变化规律,可通过压缩试验(也称固结试验)或现场荷载试验确定。l 既然土体的压缩是孔隙体积减小的结果,由孔隙比的定义公式 可知,当土粒体积保持不变时,孔隙体积vv的变化完全可用孔隙比e的变化来表示。因此,可以将土的压缩变形过程视为土的孔隙比e随着压应力p的增加而逐渐减小的过程。则孔隙比e与压力p二者之间的关系曲线可由侧限压缩试验确定。SVVVe侧限压缩试验示意图(a)加荷载前 (b)加荷载后 侧限压缩土样孔隙比变化l 如图是压缩仪(也称固结仪
4、)示意图,侧限压缩试验一般在试验室进行。其试验方法是:先用环刀切取原状土,连同环刀放人容器,土样上下两面均有透水石。使土样受压缩时便于孔隙水自由排出。另有加压装置,通过传压活塞可给土样施加压力。土样的变形可通过测微表读值得到。在加压过程中,由于金属环刀及护环的限制,土样在压力作用下只能发生竖向压缩,而不能产生侧向变形(膨胀),故称为侧限条件下的压缩试验。试验的目的是要测定出在各级压力(50、100、200、300、400kPa)作用下,每次试土样压缩稳定后的相应压缩变形量S。从而算出相应的孔隙比(e1、e2)和压缩性指标。l 设原状土样受压前的初始高度为H0,土粒体积vs=1,孔隙体积vv=e
5、0,受压后的土样高度为 ,土粒体积vs=1不变,孔隙体积vv=e0(如图),由于试验过程中土粒体积vs不变以及在侧限条件下试验使得土样的横截面积A也不变,则有:l 受压前体积为 l l 受压后土样体积为 l l 由于两式土样横截面积A相等,即 (4-1)110011HeHeAHe111AHe001iSHH01l 将 代入式(4-1)得到:l l (4-2)l 式中l e0 土样初始孔隙比;l GS 土粒相对密度;l w 水的密度(gcm3);l 0 土样的初始密度(gcrn3);l W0 土样的初始含水量,以小数计算;l H0 试样初始度高度(cm);l S 某级压力下试样高度变化量(cm)。
6、l 利用式(4-2)算出各级压力作用下相应的孔隙比e,然后以孔隙比e为纵坐标,以压力p为横坐标,根据试验结果绘出土的e-p曲线,如图所示。iSHH01)1(0001eHSeei1)1(000wSGel 2压缩性指标l(1)压缩系数le-p曲线可反映土的压缩性的高低,压缩曲线越陡,说明随着压力的增加,土的孔隙比减小越多,则土的压缩性越高;若曲线越平缓,则土的压缩性越低。在工程上,当压力p的变化范围不大时,如图中从p1到p2,压缩曲线上相应的M1M2段可近似地看成直线,即用割线M1M2代替曲线,土在此段的压缩性可用该割线的斜率来反映,则直线M1M2的斜率称为土体在该段的压缩系数,l 即 l 式中l
7、 土的压缩系数,kPa-1或MPa-1;l p1 增压前的压力,kPa;l p2 增压后的压力,kPa;le1、e2 增压前、后土体在p1和p2作用下压缩稳定后的孔隙比。l 由式(4-3)可知,越大,说明压缩曲线越陡,表明土的压缩性越高;越小,则曲线越平缓,表明土的压缩性越低。但必须注意,由于压缩曲线并非直线,故同一种土的压缩系数并非常数,它取决于压力间隔(p2-p1)及起始压力p1的大小。从对土评价的一致性出发,工程实用上常取压力p1=100 kPa、p2=200 kPa对应的压缩系数1-2作为判别土压缩性的标准。按照1-2的大小将土的压缩性划分如下:l 1-2 0.1 MPa-1属低压缩性
8、土;l 0.1 MPa-1 1-2 0.5 MPa-1属中压缩性土;l 1-2 0.5 MPa-1属高压缩性土。1221ppeel 土的e-p曲线l(2)压缩模量ESl 根据e-p曲线可求出另一个压缩性指标,即压缩模量。它是指土在有侧限压缩的条件下,竖向压力增量p=(p2-p1)与相应的应变增量的比值,其单位为kPa或MPa,表达式为:l (4-4)lES越大,表示土的压缩性越低;反之ES越小,则表示土的压缩性越高。一般情况下,按照ES的大小将土的压缩性划分如下:lES 4 MPa属高压缩性土;lES=415MPa属中压缩性土;lES 15 MPa属低压缩性土。11211211)1/()(/e
9、eeeppHsppEsl 3土的弹性变形和残余变形l 当压缩试验加压过程完成后,还可逐级卸荷,观察土样的回弹变形或体积膨胀,即恢复变形的情况。其试验结果可以绘出土样的回弹曲线或膨胀曲线,如图所示。试验证明土样不能恢复到原来状态,这说明土体不是理想弹性体,其中回弹的一部分变形称为土的弹性变形主要是土粒、水膜和封闭气体产生的压缩变形可以恢复。但土体中大部分变形不能恢复主要是由于土被压密后的孔隙体积减小以及相应的孔隙中水空气被挤出使土粒重新排列所致,这部分变形称为残余变形。l 这里应当指出,土体一旦经过一次压缩和回弹过程后,土的孔隙比已明显减小。如果再次加载,所得到的再压曲线比第一次压缩曲线必将平缓
10、得多,这意味着土的压缩性已显著降低。这样可利用土的这种特性,对原来压缩性较大的地基进行加载预压,从而可以减小基础沉降量。1压缩曲线;2回弹曲线;3再压缩曲线土的回弹曲线l 4现场荷载试验l 固结试验简单易行,但所需土样是在现场取样得到,在现场取样、运输、室内试件制作等过程中,不可避免地对土样产生了不同程度的扰动。试验时的各种试验条件(如侧限条件、加荷速率、排水条件、温度以及土样与环刀之间的摩擦力等)也不可能做到完全与现场天然土的实际情况相同,可见,室内固结试验得到的压缩指标不能完全反映现场天然土的压缩性。因此必要时,需要在现场进行荷载试验。荷载试验示意图l(1)试验方法l 荷载试验通常是在基础
11、底面标高处或需要进行试验的土层标高处进行,当试验土层顶面具有一定埋深时,需要挖试坑,试验示意图如图所示。试坑尺寸以能设置试验装置,便于操作为宜,当试坑深度较大时,确定试坑宽度时还应考虑避免坑外土体对试验结果产生影响,一般规定试坑宽度不应小于3b(b为承压板的宽度或直径)。试验点一般布置在勘查取样的钻孔附近。承压板的面积一般为0.251.0m2,挖试坑和放置试验设备时必须注意保持试验土层的原状土结构和天然湿度,试验土层顶面一般采用不超过20mm厚的粗砂、中砂找平。l 试验加荷标准:第一级荷载(包括设备重力)应接近所卸除的自重应力,其相应的沉降不计,以后每级荷载增量对较软的土采用10-25kPa,
12、对较密实的土采用50kPa。加荷等级不应小于8级,最终施加的荷载应接近土的极限荷载,并不少于荷载设计值的两倍。载荷试验的观测标准如下:荷载试验的p-S曲线和S-t曲线l 1)每级加载后,按间隔l0min、l0min、l0min、15min、15min,以后每间隔半小时读一次沉降,当连续两小时内每小时的沉降量小于0.1mm时,可以认为变形已趋于稳定,可加下一级荷载。l 2)当出现有下列现象之一时,即可认为土已达到极限状态:承压板周围土有明显的侧向挤出隆起(砂土)或发生裂纹(粘性土和粉土);沉降急剧增大,p-S曲线出现陡降段;在某一级荷载下,24h内沉降速率不能达到稳定标准;S/b0.06。当满足
13、终止加载的前三个条件之一时,其对应的前一级荷载为极限荷载。l 根据沉降观测记录并进行修正后(即p-S曲线的直线段应通过坐标原点),可以绘制荷载与相应沉降量的关系曲线以及每一级荷载下沉降量与时间的关系曲线(S-t曲线),如图4-6所示。从同一荷载下沉降与时间的关系来看,不同的土在变形过程中所反映的特征也是不一样的,砂土的沉降很快就达到稳定,而饱和粘土却很慢。l 应该注意:由于试验时承压板的面积有限,压力的影响深度只限于承压板下不厚的一层土,影响深度约为(1.52)b,不能完全反映压缩层土的性质,因此,在利用载荷试验资料研究地基的压缩性特别是在确定土的承载力时,应采取分析的态度。必要时应在地基主要
14、压缩层范围内的不同深度上进行载荷试验。l(2)变形模量l 土的变形模量是指土体在无侧限条件下的应力与应变的比值,并以符号E0表示。的大小值可由载荷试验结果求得,在p-S曲线的直线段或接近于直线段任选一段压力p和它对应的沉降S,利用弹性力学公式,反求出地基的变形模量。l (4-5)l 式中l w 沉降影响系数,方形承压板w=0.88,圆形承压板w=0.79;lb 承压板的边长或直径,mm;l 土的泊松比,一般在0.20.4之间;lP 荷载,取直线段内的荷载值,一般取比例极限荷载Pcr,kPa;lS 荷载P对应的沉降量,mm;lE0 土的变形模量,kPa或MPa。SpbE)(201l 有时p-S曲
15、线并不出现直线段,建议对中、高压缩性粉土取S=0.02b及对应的荷载p;对低压缩性粉土、粘性土、碎石土及砂土,可取S=(0.010.015)b及其对应的荷载p代入上式计算E0。l 载荷试验在现场进行,对地基扰动较小,土中应力状态在承载板较大时与实际基础情况比较接近,测出的指标比较能较好地反映土的压缩性质。但载荷试验工作量大、时间长,所规定沉降稳定标准带有较大的近似性,据有些地区的经验,它所反映的土的固结程度通常仅相当于实际建筑施工完毕时的早期沉降。此外,载荷试验的影响深度一般只能达(1.52)b。对于深层土,曾在钻孔内用小型承压板借助钻杆进行深层载荷试验。但由于在地下水位以下清理孔底困难和受力
16、条件复杂等因素,数据不准确。故国内外常用旁压或触探试验测定深层的变形模量。l (3)变形模量和压缩模量之间的关系l 载荷试验确定土的变形模量是在无侧限条件即单向受力条件下的应力与应变的比值,而室内压缩试验是确定的压缩模量在完全侧限条件下的土应力与应变的比值。利用三向应力条件下的广义虎克定律可以分析二者之间的关系。根据广义虎克定律,在三向应力作用下的竖向应变分别为:l 对室内侧限压缩条件下土样有 l 代入上式得:,即:l 由前面式(4-4)知道,压缩试验土样在压力增量p=p作用下的竖向应变z为:l 令 ,上式改写为:E0=ES (4-6)l 必须指出,上式只不过是E0与ES之间的理论关系。实际上
17、,由于现场荷载试验测定E0和室内压缩试验测定ES时,各有些无法考虑到的因素,使得上式不能准确反映E0与ES之间的实际关系。这些因素主要是:压缩试验的土样容易受到较大的扰动(尤其是低压缩性土);荷载试验与压缩试验的加荷速率、压缩稳定标准都不一样;值不易精确确定等。根据统计资料,E0值可能是ES的几倍,一般说来,土愈坚硬则倍数愈大,而软土的E0值与ES值比较接近。)(10yxzzE10000kpkkpzyxyxz,)121(20Epz)121(20zpEszEppeaee1111sEE)121(20)121(2l(4)弹性理论法计算沉降l 弹性理论方法假定地基为半无限直线变形体,应用布辛尼斯克的竖
18、向位移解答,在荷载作用面积范围内积分得到地基最终沉降量的表达式。l 若在地基表面作用一竖向集中力F,地面某点(其坐标为z=0,R=r)的沉降为:l (4-7)l 若在地面表面局部面积F上作用着分布荷载p0(x,y),则地面上任一点的沉降可由式(4-7)积分而得:l 上式的求解与基础刚度、形状、尺寸大小及计算点位置等因素有关。一般求解后可写成:l (4-8)l 式中lP0 基底附加压力;lb 矩形基础的宽度或圆形基础的直径;l、E0分别为土的泊松比和变形模量;l w 沉降影响系数。l 弹性理论方法计算沉降的正确性,往往取决于E0选取正确与否。一般都是假定在整个地基土层中不变,这只有当地基土层比较
19、均匀时才是近似的。实际地基土的E0随着深度是变化的。弹性理论方法的压缩层厚度理论上是无穷大,这与实际不符。但由于它的计算过程简单,所以还是常用做一般的沉降计算。rEFS02)1(ArdFyxpEyxS),(1),(002020)1(EbpS二、二、地基最终沉降量计算地基最终沉降量计算l 土体在外荷载作用下会产生压缩变形,道路或桥梁的建造必然引起地基的沉降,正常情况下,随着时间的推移沉降会趋于稳定。如果在工程完工后经过相当长的时间沉降仍未稳定,则会影响道路或桥梁的正常使用,特别是有较大的不均匀沉降,将会对结构产生附加应力,影响其安全使用。为了确保路桥工程等结构的安全使用,必须将地基沉降控制在允许
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