土的压缩性与固结理论.ppt
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1、n n一般地基的压缩变形,主要由建筑物荷重产生的附加应力一般地基的压缩变形,主要由建筑物荷重产生的附加应力而引起。而引起。n n地基变形计算的目的,在于确定建筑物可能出现的最大沉地基变形计算的目的,在于确定建筑物可能出现的最大沉降量和沉降差,为建筑物设计或地基处理提供依据。降量和沉降差,为建筑物设计或地基处理提供依据。n n在工程计算中,首先关心的问题是建筑物的最终沉降量在工程计算中,首先关心的问题是建筑物的最终沉降量(或地基最终沉降量),所谓(或地基最终沉降量),所谓地基最终沉降量地基最终沉降量地基最终沉降量地基最终沉降量是指在外荷是指在外荷作用下地基土层被压缩达到稳定时基础底面的沉降量,常
2、作用下地基土层被压缩达到稳定时基础底面的沉降量,常简称地基变形量(或沉降量)。简称地基变形量(或沉降量)。n n在地基变形计算中,还需要知道地基沉降与时间的关系,在地基变形计算中,还需要知道地基沉降与时间的关系,计算不同时间的沉降量。饱水粘性土的变形速率主要取决计算不同时间的沉降量。饱水粘性土的变形速率主要取决于于孔隙水的排出速度孔隙水的排出速度。n n地基产生变形是因为土体具有可压缩的性能。地基产生变形是因为土体具有可压缩的性能。第五章第五章 土的压缩性与固结理论土的压缩性与固结理论5.1 概概 述述 第五章第五章 土的压缩性与固结理论土的压缩性与固结理论 5.1 5.1 概概概概 述述述述
3、一、土的压缩性一、土的压缩性一、土的压缩性一、土的压缩性n n在外力作用下土体积缩小的特性称为土的压缩性。在外力作用下土体积缩小的特性称为土的压缩性。n n土是三相体,土体受外力作用发生压缩变形包括三部分:土是三相体,土体受外力作用发生压缩变形包括三部分:(1 1)土固体颗粒自身变形;()土固体颗粒自身变形;(2 2)孔隙水的压缩变形;()孔隙水的压缩变形;(3 3)土中水和气从孔隙中被挤出从而使孔隙体积减小。土中水和气从孔隙中被挤出从而使孔隙体积减小。n n一般工程土体所受压力为一般工程土体所受压力为100100600kPa600kPa,颗粒的体积变化不,颗粒的体积变化不及全部土体积变化的及
4、全部土体积变化的1/4001/400,可不予考虑;水的压缩变形也很,可不予考虑;水的压缩变形也很小,可以忽略。所以,土的压缩变形,主要是由于孔隙体积小,可以忽略。所以,土的压缩变形,主要是由于孔隙体积减小而引起的。因此,土的压缩过程可看成是孔隙体积减小减小而引起的。因此,土的压缩过程可看成是孔隙体积减小和孔隙水或气体被排出的过程。因此,土的压缩性包含了两和孔隙水或气体被排出的过程。因此,土的压缩性包含了两方面的内容:方面的内容:1 1最终压缩变形量,将引起建筑物的最终沉降量或变形量最终压缩变形量,将引起建筑物的最终沉降量或变形量2 2压缩变形随时间而变化的过程压缩变形随时间而变化的过程-土的固
5、结土的固结n n 土的压缩随时间增长的过程称为土的压缩随时间增长的过程称为固结固结。n n 在荷载作用下,饱和土体中产生超静孔隙水压力,在排水条在荷载作用下,饱和土体中产生超静孔隙水压力,在排水条件下,随着时间发展,土体中水被排出,超静孔隙水压力逐步件下,随着时间发展,土体中水被排出,超静孔隙水压力逐步消散,土体中有效应力逐步增大,直至超静孔隙水压力完全消消散,土体中有效应力逐步增大,直至超静孔隙水压力完全消散,这一过程称为散,这一过程称为固结固结。n n 对于透水性较大的砂土和碎石土,在荷载作用下,孔隙中的对于透水性较大的砂土和碎石土,在荷载作用下,孔隙中的水很快排出了。因此,其固结过程在很
6、短的时间内就可结束。水很快排出了。因此,其固结过程在很短的时间内就可结束。相反地,对于粘性土,其透水性很差,在荷载作用下,土中水相反地,对于粘性土,其透水性很差,在荷载作用下,土中水和气体只能慢慢地排出。因此,粘性土的固结过程所需的时间和气体只能慢慢地排出。因此,粘性土的固结过程所需的时间比砂土和碎土长得多,有时需十几年或几十年才能完成。比砂土和碎土长得多,有时需十几年或几十年才能完成。1 1 1 1、土的压缩性大、土的压缩性大、土的压缩性大、土的压缩性大二、土的变形特性二、土的变形特性外因外因建筑物荷载作用。这是普遍存在的因素。建筑物荷载作用。这是普遍存在的因素。地下水位大幅度下降。相当于施
7、加大面积荷载地下水位大幅度下降。相当于施加大面积荷载=(-)h=(-)h施工影响,基槽持力层土的结构扰动施工影响,基槽持力层土的结构扰动.振动影响,产生震沉。振动影响,产生震沉。温度变化影响,如冬季冰冻,春季融化温度变化影响,如冬季冰冻,春季融化浸水下沉,如黄土湿陷,填土下沉。浸水下沉,如黄土湿陷,填土下沉。2 2 2 2、地基土产生压缩的原因、地基土产生压缩的原因、地基土产生压缩的原因、地基土产生压缩的原因内因内因土是三相体,土体受外力引起的压缩包括三部分土是三相体,土体受外力引起的压缩包括三部分:固固相相矿矿物物本本身身压压缩缩,极极小小,物物理理学学上上有有意意义义,对对建建筑筑工工程程
8、来来说无意义;说无意义;土土中中液液相相水水的的压压缩缩,在在一一般般建建筑筑工工程程荷荷载载(100100600600)KpaKpa作用下,很小,可忽略不计;作用下,很小,可忽略不计;土土中中孔孔隙隙的的压压缩缩,土土中中水水与与气气体体受受压压后后从从孔孔隙隙中中挤挤出出,使使土土的孔隙减小。的孔隙减小。2 2 2 2、地基土产生压缩的原因、地基土产生压缩的原因、地基土产生压缩的原因、地基土产生压缩的原因土体的压缩变形主要是由于孔隙减小引起的土体的压缩变形主要是由于孔隙减小引起的。上上述述因因素素中中,建建筑筑物物荷荷载载作作用用是是主主要要外外因因,通通过过土土中中孔孔隙隙的的压压缩缩这
9、一内因发生实际效果。这一内因发生实际效果。土土的的颗颗粒粒越越粗粗,孔孔隙隙越越大大,则则透透水水性性越越大大,因因而而土土中中水水的的挤挤出出和土体的压缩越快,粘土颗粒很细,则需要很长时间。和土体的压缩越快,粘土颗粒很细,则需要很长时间。3 3 3 3、饱和土体压缩过程、饱和土体压缩过程、饱和土体压缩过程、饱和土体压缩过程粘粘性性土土长长期期受受荷荷载载作作用用下下,变变形形随随时时间间而而缓缓慢慢持持续续的的现现象象称称为为蠕变蠕变。这是土的又一特性。次。这是土的又一特性。次固结固结过程过程饱饱和和土土体体的的孔孔隙隙中中全全部部充充满满着着水水,要要使使孔孔隙隙减减小小,就就必必须须使使
10、土土中中的的水水被被挤挤出出。亦亦即即土土的的压压缩缩与与土土孔孔隙隙中中水水的的挤挤出出,是是同同时时发发生生的的。由由于于土土的的颗颗粒粒很很细细,孔孔隙隙更更细细,土土中中的的水水从从很很细细的的弯弯弯弯曲曲曲曲的的孔孔隙隙中中挤挤出出需需要要相相当当长长的的时时间间,这这个个过过程程称称为为土土的的渗渗流流固固结结过过程程,也也是是土与其它材料压缩性相区别的一大特点。土与其它材料压缩性相区别的一大特点。4 4 4 4、蠕变的影响、蠕变的影响、蠕变的影响、蠕变的影响三、研究土压缩性的意义三、研究土压缩性的意义三、研究土压缩性的意义三、研究土压缩性的意义n n从工程意义上来说,地基沉降有从
11、工程意义上来说,地基沉降有均匀沉降和不均匀沉降均匀沉降和不均匀沉降之分。当建筑物基础之分。当建筑物基础均匀下沉时,从结构安全的角度来看,不致有什么影响,但过大的沉降将会均匀下沉时,从结构安全的角度来看,不致有什么影响,但过大的沉降将会严重影响建筑物的使用与美观,严重影响建筑物的使用与美观,n n如造成设备管道排水倒流,甚至断裂等;当建筑物基础发生不均匀沉降时,如造成设备管道排水倒流,甚至断裂等;当建筑物基础发生不均匀沉降时,建筑物可能发生裂缝、扭曲和倾斜,影响使用和安全,严重时甚至使建筑物建筑物可能发生裂缝、扭曲和倾斜,影响使用和安全,严重时甚至使建筑物倒塌。因此,在不均匀或软弱地基上修建建筑
12、物时,必须考虑土的压缩性和倒塌。因此,在不均匀或软弱地基上修建建筑物时,必须考虑土的压缩性和地基变形等方面的问题。地基变形等方面的问题。n n对于道路和桥梁工程,一般来说,均匀沉降对路桥工程的上部结构危害也较对于道路和桥梁工程,一般来说,均匀沉降对路桥工程的上部结构危害也较小,但过量的均匀沉降也会导致路面标高降低、桥下净空的减少而影响正常小,但过量的均匀沉降也会导致路面标高降低、桥下净空的减少而影响正常使用;不均匀沉降则会造成路堤开裂、路面不平,对超静定结构桥梁产生较使用;不均匀沉降则会造成路堤开裂、路面不平,对超静定结构桥梁产生较大附加应力等工程问题,甚至影响其正常和安全使用。因此,为了确保
13、路桥大附加应力等工程问题,甚至影响其正常和安全使用。因此,为了确保路桥工程的安全和正常使用,既需要确定地基土的最终沉降量,也需要了解和估工程的安全和正常使用,既需要确定地基土的最终沉降量,也需要了解和估计沉降量随时间的发展及其趋于稳定的可能性。计沉降量随时间的发展及其趋于稳定的可能性。n n 在工程设计和施工中,如能事先预估并妥善考虑地基的变形而在工程设计和施工中,如能事先预估并妥善考虑地基的变形而加以控制或利用,是可以防止地基变形所带来的不利影响的。加以控制或利用,是可以防止地基变形所带来的不利影响的。如某高炉,地基上层是可压缩土层,下层为倾斜岩层,在基础如某高炉,地基上层是可压缩土层,下层
14、为倾斜岩层,在基础底面积范围内,土层厚薄不均,在修建时有意使高炉向土层薄底面积范围内,土层厚薄不均,在修建时有意使高炉向土层薄的一侧倾斜,建成后由于土层较厚的一侧产生较大的变形,结的一侧倾斜,建成后由于土层较厚的一侧产生较大的变形,结果使高炉恰好恢复其竖向位置,保证了安全生产,节约了投资。果使高炉恰好恢复其竖向位置,保证了安全生产,节约了投资。5.2 5.2 土的压缩特性土的压缩特性土的压缩特性土的压缩特性一、压缩试验及压缩性指标一、压缩试验及压缩性指标一、压缩试验及压缩性指标一、压缩试验及压缩性指标1 1压缩试验压缩试验压缩试验压缩试验n n 在实验室用在实验室用侧限压缩仪(亦称固结仪)侧限
15、压缩仪(亦称固结仪)进行压缩试验,是研究土压进行压缩试验,是研究土压缩性的最基本方法。缩性的最基本方法。试验过程和结果分析:v土样制备和装样;v分级施压,给出竖向变形与时间关系;v给出压缩变形量与荷载关系曲线;n n试验仪器示意图如下图所示。试验仪器示意图如下图所示。n n试验时,用金属环刀取天然土样,并放于刚性很大的压缩环试验时,用金属环刀取天然土样,并放于刚性很大的压缩环内,来限制土样的侧向变形;在土样的上、下表面垫两块透内,来限制土样的侧向变形;在土样的上、下表面垫两块透水石,以使在压缩过程中土中水能顺利排出。压力是通过加水石,以使在压缩过程中土中水能顺利排出。压力是通过加压活塞施加在土
16、样上的,压活塞施加在土样上的,n n环刀内径通常有环刀内径通常有6.18cm6.18cm和和8cm8cm两种,相应的截面积为两种,相应的截面积为30cm30cm2 2和和50cm50cm2 2,高度为,高度为2cm2cm。n n做饱和土样的压缩试验时,容器内要放满水,以保证在试验过做饱和土样的压缩试验时,容器内要放满水,以保证在试验过程中土样处于饱和状态。程中土样处于饱和状态。n n由于土样受到环刀、刚性护环的约束,在压缩过程中只能发生由于土样受到环刀、刚性护环的约束,在压缩过程中只能发生竖向变形,不能发生侧向变形,所以这种试验方法称为竖向变形,不能发生侧向变形,所以这种试验方法称为侧限压侧限
17、压缩试验缩试验。n n试验时,荷载是分级施加的。首先施加荷载到第一级的压力试验时,荷载是分级施加的。首先施加荷载到第一级的压力p p1 1,等到土样变形稳定后(时间很长,约为,等到土样变形稳定后(时间很长,约为24h24h),可用百分表测),可用百分表测得其高度变化量得其高度变化量S S1 1,此时孔隙水压力,此时孔隙水压力 U0 U0,则施加的竖向总应,则施加的竖向总应力转为竖向有效应力。然后,将压力提高到第二级力转为竖向有效应力。然后,将压力提高到第二级p p2 2,当变形,当变形稳定后。稳定后。n n可测得土样的压缩量可测得土样的压缩量S S2 2。此下去,直到压力增加时,土。此下去,直
18、到压力增加时,土样变形几乎没有变化为止,则可得土样各级荷载下的压样变形几乎没有变化为止,则可得土样各级荷载下的压缩量,即:缩量,即:试验结果(土的压缩曲线图片)试验结果(土的压缩曲线图片)试验结果(土的压缩曲线图片)试验结果(土的压缩曲线图片)土的压缩曲线土的压缩曲线压缩曲线(压缩曲线(e-p曲线)曲线)压缩曲线(压缩曲线(e-lgp曲线)曲线)2 2、压缩曲线:、压缩曲线:、压缩曲线:、压缩曲线:土的孔隙比与所受压力的关系曲线。土的孔隙比与所受压力的关系曲线。在一般工程中,常遇到的压力在一般工程中,常遇到的压力 =100600kPa.=100600kPa.土粒的土粒的体积变化不及全部土体积变
19、化的体积变化不及全部土体积变化的1/4001/400因此,土的全部压缩量因此,土的全部压缩量可认为是由于土的孔隙体积缩小引起的。因此,可以用孔隙可认为是由于土的孔隙体积缩小引起的。因此,可以用孔隙比与所受压力的关系曲线说明土的压缩过程。比与所受压力的关系曲线说明土的压缩过程。n n在压缩试验过程中。我们可以通过百分表测量出土样的高度在压缩试验过程中。我们可以通过百分表测量出土样的高度变化变化S S(即土样的压缩量),如下图所示。(即土样的压缩量),如下图所示。土样的初始高度土样的初始高度为为h h0 0,横截面面积为,横截面面积为A A,初始孔隙比为,初始孔隙比为e e0 0。在第。在第i i
20、级竖向应力作级竖向应力作用下,变形稳定后的压缩量为用下,变形稳定后的压缩量为s si i,土样高度变为,土样高度变为h h0 0-s-si i ,土样,土样的孔隙比从的孔隙比从e e0 0减小到减小到e ei i,此时,此时 由于在试验过由于在试验过程中土样不能侧向变形,所以压缩前后土样横截面积程中土样不能侧向变形,所以压缩前后土样横截面积A A保持不保持不变;变;n n同时,由于土颗粒本身的压缩变形可以忽略不计,即压缩前同时,由于土颗粒本身的压缩变形可以忽略不计,即压缩前后土样中土颗粒的体积也是不变的,则有后土样中土颗粒的体积也是不变的,则有n n式中:式中:v vs s土样中土颗粒体积;土
21、样中土颗粒体积;n n A A土样底面积;土样底面积;n n h h0 0土样原始高度;土样原始高度;n n e e0 0土样初始孔隙比(由三相基本比例指标试验确定);土样初始孔隙比(由三相基本比例指标试验确定);n n s si i土样在第级竖向应力土样在第级竖向应力 作用下变形稳定后的压缩量;作用下变形稳定后的压缩量;n n e ei i土样在第级竖向应力土样在第级竖向应力 作用下变形稳定后的孔隙比。作用下变形稳定后的孔隙比。n n将二式相除可得将二式相除可得n n则则n n这样,只要测定了土样在各级压力这样,只要测定了土样在各级压力 作用下的稳定变形量后,作用下的稳定变形量后,就可以按上
22、式计算出孔隙比。以竖向有效应力就可以按上式计算出孔隙比。以竖向有效应力 为横坐标,为横坐标,孔隙比为纵坐标,绘制出孔隙比与有效应力的关系曲线,即孔隙比为纵坐标,绘制出孔隙比与有效应力的关系曲线,即压缩曲线,又称压缩曲线,又称 ,如下图,如下图a a所示。如用半对数直角所示。如用半对数直角坐标绘图,则得到坐标绘图,则得到 曲线,如下图曲线,如下图b b所示。所示。n n从上图可以看出,用半对数坐标绘制的从上图可以看出,用半对数坐标绘制的 曲线,在后半曲线,在后半部出现明显的直线段,这已被大量的实验所证实。部出现明显的直线段,这已被大量的实验所证实。n n对于不同的土,其压缩曲线的形状不同,压缩曲
23、线越陡,说对于不同的土,其压缩曲线的形状不同,压缩曲线越陡,说明随着压力的增加,土中孔隙比的减小越显著,土的压缩性明随着压力的增加,土中孔隙比的减小越显著,土的压缩性也就越高。从上图可以看出,软粘土的压缩性要比密实砂土也就越高。从上图可以看出,软粘土的压缩性要比密实砂土的压缩性高得多。的压缩性高得多。n n另外,土的压缩曲线一般随压力的增大而逐渐趋于平缓,即另外,土的压缩曲线一般随压力的增大而逐渐趋于平缓,即在侧限条件下土的压缩性逐渐减小。在侧限条件下土的压缩性逐渐减小。3 3压缩性指标压缩性指标压缩性指标压缩性指标(1 1)压缩系数)压缩系数)压缩系数)压缩系数a a对于地基土,在修建建筑物
24、对于地基土,在修建建筑物之前就存在有效自重应力之前就存在有效自重应力 。建筑物修建后,。建筑物修建后,地基中的应力发生了变化,地基中的应力发生了变化,由原来的由原来的 增加到增加到,相应的孔隙比由原来,相应的孔隙比由原来的减少到,如右图所示。由的减少到,如右图所示。由于修建建筑物所引起的应力增加量一般不大,于修建建筑物所引起的应力增加量一般不大,=100 =100300 kPa300 kPa,故,故MM1 1至至MM2 2的一小段曲线可以近似用的一小段曲线可以近似用 直线直线来代替,其误差是工程允许的。来代替,其误差是工程允许的。n n令令 ,称为压缩系数,称为压缩系数n n式中:式中:n n
25、 地基某深度处土中有效竖向自重应力;地基某深度处土中有效竖向自重应力;n n 地基某深度处土中有效竖向自重有力与有效竖向附加地基某深度处土中有效竖向自重有力与有效竖向附加应力之和;应力之和;n ne e1 1作用下压缩稳定后土的孔隙比,即土的天然孔隙比;作用下压缩稳定后土的孔隙比,即土的天然孔隙比;n ne e2 2作用下压缩稳定后土的孔隙比,即土的最终孔隙比;作用下压缩稳定后土的孔隙比,即土的最终孔隙比;n na a 土的压缩系数,土的压缩系数,kPakPa-1-1。n n压缩系数压缩系数a a是反映土压缩性的一个重要参数,是反映土压缩性的一个重要参数,a a值越大,曲线值越大,曲线越陡,土
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