5土的压缩性与基础沉降.docx

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5土的压缩性与基础沉降

第四章土的压缩性与基础沉降

    建筑物荷载作用或其他原因引起地基土中应力的增加，均会使地基土产生变形，变形量的大小直接与土体的压缩性有直接关系，由于土体具有压缩性，因而地基承受建筑物荷载后，产生沉降量的大小一方面取决于建筑物荷载的大小和分布，另一方面取决于地基土层的类型、分布、各土层厚度及其压缩性。

一、土的压缩性

1、土的压缩变形原因

土的压缩性：

土在压力作用下，体积缩小的特性。

土的压缩量的组成

土体压缩的实质：

土体在外荷载作用下被压缩，土粒产生相对移动并重新排列，与此同时土体孔隙中

               部分水和气体被排出，从而引起孔隙体积减小。

2、侧限压缩试验

试验仪器：

侧限压缩仪

    由于土体侧向受到环刀的限制，因此不能在侧向发生任何变形，只能在竖直方向上产生压缩变形。

3、压缩性指标

e-p曲线：

根据土体在各级不同压

         力p作用下，达到压缩稳

         定的孔隙比e，绘制出的

         e-p曲线为压缩曲线。

压缩系数（a）：

利用单位压力增量

            所引起的孔隙比的

            改变，即压缩曲线

            的割线斜率来表征

            土体压缩性高低，

            压缩曲线的斜率即

            为压缩系数。

压缩模量（Es）

变形模量（E）

二、地基最终沉降量计算

1、分层总和法

基本假定

单一压缩土层的沉降计算

单向压缩分层总和法计算

2、《规范》法

    在分层总和法的基础上，采用平均附加应力系数，并引入地基沉降计算经验系数，得到规范法计算方法。

三、地基沉降与时间的关系

1、应力历史对沉降的影响

    土的回弹与再压缩特性

粘性土沉降的组成：

瞬时沉降、固结沉降、次固结沉降

    土的应力历史对土压缩性的影响

粘性土的三种基本类型：

正常固结土、超固结土、欠固结土

2、有效应力原理

    饱和土的渗透固结过程就是孔隙水压力向有效应力转化的过程，即在任一时刻土体中的总应力等于有效应力与孔隙水压力之和，并随着渗透固结的完成，孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐增长，土体的体积也逐渐减小，强度随之提高。

3、饱和土的一维渗透固结理论

饱和土的单向渗透固结模型：

    利用饱和土的单向渗透固结模型可以模拟饱和土体中孔隙水压力向有效应力逐渐转化的有效应力原理。

饱和土的单向固结理论：

基本假定

固结理论方程及其求解

地基固结度

图解法计算地基沉降与时间关系

第一节   土的压缩性

提示：

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一、土的压缩性的概念：

概念：

   建筑物荷载作用或者其它原因引起土中应力增加，会使地基土体产生变形，变形的大小与土体的压缩性有直接的关系。

土在压力的作用下，体积缩小的特性为土体的压缩性。

土的压缩变形原因：

   土的压缩变形主要是由于外荷载增加，导致地基土中附加应力增加，导致地基土中产生附加的有效应力，有效应力导致土颗粒之间相互错动而发生压缩变形，孔隙水压力不引起压缩变形，但孔隙水压力转化为有效应力后会产生压缩变形。

土的压缩量的组成：

   土中固体颗粒的压缩和土中水的压缩

   土中孔隙水和孔隙气体的排出

土体压缩的实质：

   土体在外荷载作用下被压缩，土粒产生相对移动并重新排列，与此同时土体孔隙中部分水和气体被排出，从而引起孔隙体积减小。

二、压缩试验

   为了研究土的压缩特性，在试验室通常进行压缩（固结）试验，测定土的压缩性指标。

试验仪器：

侧限压缩仪

试验原理：

由于土体侧向受到环刀的限制，因此不能在侧向发生任何变形，只能在竖直方向上产生压缩变形。

利用不同压力作用下压缩稳定时的孔隙比之间的关系绘制相应曲线，通过曲线确定土体的压缩特性。

三、压缩性指标

e-p曲线：

根据土体在各级不同压力p作用下，达到压缩稳定的孔隙比e，绘制出的e-p曲线为压缩曲线。

   压缩曲线反映土体受压后的压缩特性，压缩曲线愈陡，土体的压缩性愈高，压缩曲线愈平缓，土体的压缩性愈低。

压缩系数（a）：

利用单位压力增量所引起的孔隙比的改变，即压缩曲线的割线斜率来表征土体压缩性高低，压缩曲线的斜率即为压缩系数。

压缩系数表示单位压力增量作用下土的孔隙比的减小量，因此压缩系数越大，土的压缩性就越大，但土的压缩系数不是常数，而是随割线位置的变化而不同。

   我国《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）取p1＝100kPa，p2＝200kPa对应的压缩系数a1－2判别土的压缩性。

a1－2＜0.1MPa－1土属于低压缩性土

0.1MPa－1≤a1－2＜0.5MPa－1土属于中压缩性土

a1－2≥0.5MPa－1土属于高压缩性土

压缩模量（Es）：

土体在侧限条件下，竖向压应力与竖向总应变的比值。

变形模量（E）：

土体在无侧限条件下，竖向压应力与竖向总应变的比值。

第二节地基最终沉降量计算

提示：

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一、分层总和法

基本假定

    地基是均质、各向同性的半无限线性变形体，可按弹性理论计算土中应力

    在压力作用下，地基土不产生侧向变形，可采用侧限条件下的压缩性指标

单一压缩土层的沉降计算

    土体受到压力增量△p作用，相应的孔隙比由e1降低为e2，产生沉降量为

单向压缩分层总和法计算

分层总和法步骤

a.根据建筑物基础形状，确定基底压力的大小和分布；

b.对地基土进行分层；

c.确定地基土中自重应力和附加应力大小和分布；

d.根据自重应力和附加应力大小和分布确定地基沉降计算深度；

e.根据每层的平均自重应力和平均附加应力，确定每层的压缩沉降量；

f.通过叠加每层的压缩量，得到地基的总沉降量。

二、《规范》法

    在分层总和法的基础上，采用平均附加应力系数，并引入地基沉降计算经验系数，得到规范法计算方法。

    均质地基土，在侧限条件下，压缩模量Es不随深度而变，从基底至深度z的压缩量为

    将地基土分层后，第i层的压缩量为△si

    根据分层总和法的相应原理，同时引入经验系数s，得到《规范》法计算地基沉降量公式

第三节地基沉降与时间的关系

提示：

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一、应力历史对沉降的影响

土的回弹与再压缩特性

土的卸荷回弹曲线不与原压缩曲线重合，说明土不是完全弹性体，其中有一部分为不能恢复的塑性变形。

土的再压缩曲线比原压缩曲线斜率要小得多，说明土经过压缩后，卸荷再压缩时，其压缩性明显降低。

    粘性土沉降的组成：

瞬时沉降、固结沉降、次固结沉降

    土的应力历史对土压缩性的影响

    土的应力历史是指土体在历史上曾经受到过的应力状态，土体在历史上受到过的应力状态不同，它所表现出的压缩特性也存在差别，因此土的应力历史对压缩性影响显著。

根据土体现时受到的应力p0与历史上曾受到最大应力pc（先期固结压力）的相比较把粘性土分成三种基本类型。

现时土压力p0＝先期固结压力pc正常固结土

现时土压力p0＜先期固结压力pc超固结土

现实土压力p0＞先期固结压力pc欠固结土

二、有效应力原理

    在某一压力作用下，饱和土的渗透固结过程就是土体中各点孔隙水压力不断消散，附加有效应力相应增加的过程。

即孔隙水压力逐渐向有效应力转化的过程。

在转化过程中，任一时刻土体中的总应力均等于有效应力与孔隙水压力之和。

并随着渗透固结的完成，孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐增长，土体的体积也逐渐减小，强度随之提高。

第三节地基沉降与时间的关系

提示：

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三、饱和土的一维渗透固结理论

1、饱和土的单向渗透固结模型：

    利用饱和土的单向渗透固结模型可以模拟饱和土体中孔隙水压力向有效应力逐渐转化的有效应力原理。

    弹簧模拟土体中的土颗粒，弹簧受到力模拟土体中的有效应力。

    容器中水模拟土体中孔隙水，水压力模拟土体中的孔隙水压力。

    活塞上孔隙的大小模拟土体中渗透性的大小。

2、饱和土的单向固结理论：

基本假定

1.土层是均质的、完全饱和的

2.土的压缩完全由孔隙体积减小引起，土体和水不可压缩

3.土的压缩和排水仅在竖直方向发生

4.土中水的渗流服从达西定律

5.在渗透固结过程中，土的渗透系数k和压缩系数a视为常数

6.外荷一次性施加

固结理论方程及其求解

    根据水流连续性原理、达西定律和有效应力原理，建立固结微分方程为

Cv——土的固结系数，

    利用相应初始条件和边界条件，可以得到上述模型微分方程的解答

其中Tv——表示时间因素

地基固结度（U）

概念：

在某一固结应力作用下，经过某一时间t后，土体发生固结或孔隙水压力消散的程度。

可以用

     地基固结过程中任一时刻t的固结沉降量sct与其最终固结沉降量sc之比来表示。

    利用孔隙水压力分布解答，经过上述积分计算得到上述条件下土的固结度

    利用固结度和土中固结应力的分布和排水条件，已经相应的固结度与时间因素的关系曲线，解决两类问题：

1、已知土层的最终沉降量sc，求解某一固结历时t时刻的沉降量sct。

2、已知土层的最终沉降量sc，求解达到某一沉降量sct所经历的时间。