土力学第4章ppt.ppt
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1、土力学与土质学土力学与土质学第第4 4章章 土的压缩性与地基沉降计算土的压缩性与地基沉降计算基本内容:基本内容:这是本课程的这是本课程的重点重点。在学习土的压缩性指标确定方法的基。在学习土的压缩性指标确定方法的基础上,掌握地基最终沉降量计算原理和地基固结问题的分析计础上,掌握地基最终沉降量计算原理和地基固结问题的分析计算方法。算方法。学习要求:学习要求:1.1.掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法;掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法;2 2掌握地基最终沉降量计算方法;掌握地基最终沉降量计算方法;3 3熟悉不同应力历史条件的沉降计算方法;熟悉不同应力历史条件的沉降计算方法;4 4掌握掌握有效应力有
2、效应力原理;原理;5 5掌握太沙基一维掌握太沙基一维固结理论固结理论;6 6掌握地基沉降随时间变化规律。掌握地基沉降随时间变化规律。4.1 4.1 概述概述土在自重应力或附加应力作用下,地基土要产生附加变形,包括体积变形和形状变形。对于土来说,体积变形通常表现为体积缩小。我们把这种在外力作用下土体积缩小得特性称为土的压缩性土的压缩性。土的压缩性主要有两个特点:(1)土的压缩性主要是由于孔隙体积减少而引起的;(2)由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘土来说需要时间,将土的压缩随时间增长的过程称为土的固结土的固结。在建筑物荷载作用下,地基土主要由于压缩而引起的竖直方向的位移称为沉降沉降。研究建筑
3、物沉降包含两方面的内容:一是绝对沉降量的大小,亦即最终沉降最终沉降;二是沉降与时间的关系,主要介绍太沙基的一维固结理论一维固结理论。土体产生体积缩小的原因:(1)固体颗粒的压缩;(2)孔隙水和孔隙气体的压缩,孔隙气体的溶解;(3)孔隙水和孔隙气体的排出。由于纯水的弹模约为2106kPa,固体颗粒的弹模为9l 07kPa,土粒本身和孔隙中水的压缩量,在工程压力(100600kPa)范围内,不到土体总压缩量的1/400,因此常可略不计。所以,土体压缩主要来自孔隙水孔隙水和土中土中孔隙气体孔隙气体的排出。孔隙中水和气体向外排出要有一个时间过程。因此土的压缩亦要一段时间才能完成。把这一与时间有关的压缩
4、过程称为固结固结。土土 的的 压压 缩缩 性概念性概念4.2 4.2 有效应力原理有效应力原理 作用于饱和土体内某截面上总的正应力由两部分组成:一部分为孔隙水压力u,它沿着各个方向均匀作用于土颗粒上,其中由孔隙水自重引起的称为静水压力,由附加应力引起的称为超静孔隙水压力(孔隙水压力);另一部分为有效应力,它作用于土的骨架(土颗粒)上,其中由土粒自重引起的即为土的自重应力,由附加应力引起的称为附加有效应力。饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间存在如下关系(1)任一平面上受到的总应力等于有效应力加孔隙水压力之和;(2)土的强度的变化和变形只取决于土中有效应力的变化。4.3 4.3 土的压缩性土
5、的压缩性土的压缩试验与压缩性指标土的压缩试验与压缩性指标土体的变形计算,需要取得土的压缩性指标,可以通过室内侧限压缩试验和现场原位试验得到。室内压缩试验亦称固结试验固结试验,是研究土压缩性最基本的方法。现场载现场载荷荷试验试验是在工程现场通过千斤顶逐级对置于地基土上的载荷板施加荷载,观测记录沉降随时间的发展以及稳定时的沉降量s,并绘制成p-s曲线,即获得地基土载荷试验的结果。反映土的压缩性的指标主要有压缩系数、压缩模量、压缩指数和变形模量。土的压缩性的高低,常用压缩性指标定量表示,压缩性指标,通常由工程地质勘察取天然结构的原状土样进行。侧限压缩试验亦称固结试验。所谓侧限侧限,就是使土样在竖向压
6、力作用下只能发生竖向变形,而无侧向变形。室内压缩试验采用的试验装置为压缩仪压缩仪(图片)。试验时将切有土样的环刀置于刚性护环中,由于金属环刀及刚性护环的限制,使得土样在竖向压力作用下只能发生竖向变形,而无侧向变形。在土样上下放置的透水石是土样受压后排出孔隙水的两个界面。压缩过程中竖向压力通过刚性板施加给土样,土样产生的压缩量可通过百分表量测。常规压缩试验通过逐级加荷进行试验,常用的分级加荷量p为:50kPa,100kPa,200kPa,300kPa,400kPa。室内压缩试验过程可参见如下图的室内压缩试验演示。1.侧限压缩试验土的压缩是由于孔隙体积减小,所以土的变形常用孔隙比孔隙比表示。室内压
7、缩试验采用的试验装置室内压缩试验采用的试验装置固结仪固结仪 侧限压缩试验装置侧限压缩试验装置1压力容器;2透水石3环刀,4传压板,5荷载;6护环,7土样。压缩曲线压缩曲线 e-lgp曲线确定压缩指数e-p曲线确定压缩系数回弹曲线和再压缩曲线回弹曲线和再压缩曲线压缩曲线特征压缩曲线特征:(1)卸荷时,试样不是沿初始压缩曲线,而是沿曲线bc回弹,可见土体的变形是由可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形两部份组成。(2)回弹曲线和再压线曲线构成一迴滞环,土体不是完全弹性体;(3)回弹和再压缩曲线比压缩曲线平缓得多。(4)当再加荷时的压力超过b点,再压缩曲线就趋于初始压缩曲线的延长线土体变形机理非常复杂
8、,不是理想的弹塑性体,而是具弹、粘、塑性弹、粘、塑性的自然历史的产物。2、压缩指标反映土的压缩性的指标主要有压缩系数压缩系数、压缩指数压缩指数、压缩模量压缩模量和变形模量变形模量。压缩系数压缩系数:曲线上任意两点割线的斜率。可表示为:式中负号表示随着压力p的增加,e逐渐减少。压缩性不同的土,其压缩曲线的形状是不一样的。曲线愈陡,说明随着压力的增加,土孔隙比的减小愈显著,因而土的压缩性愈高。自重应力p1增加到外荷作用土中应力p2(自重与附加应力之和)2、压缩指标压缩指数压缩指数:elgp坐标系统中的曲线上直线的斜率,即:Cc是无量纲系数,同压缩系数a一样,压缩指数Cc值越大,土的压缩性越高。虽然
9、压缩系数a 和压缩指数Cc 都是反映土的压缩性指标,但两者有所不同。前者随所取的初始压力及压力增量的大小而异,而后者在较高的压力范围内却是常量,不随压力而变。卸载段和再加载段的平均斜率称为土的回弹指数Ce,而CeCc。一般粘性土的Cc值在1.0左右,Ce值在(0.10.2)Cc之间。2、压缩指标压缩模量:压缩模量:土体在完全侧限的条件下,竖向应力增量与竖向应变增量的比值。或:为了便于应用和比较,通常采用压力由p1100kPa增加到p2 200kPa时所得的压缩系数a1-2来评定土的压缩性:Es的倒数成为土的体积压缩系数mv,它表示单位压应力变化引起的单位体积变化(MPa-1)。a1-2 0.1
10、MPa-1时,低压缩性土0.1a1-21,OCR愈大,土受到超固结作用愈强,其它条件相同,压缩性愈低;欠固结土:欠固结土:OCR1,土在自重作用下还没有完全固结,土的固结应力末全部转化为有效应力,即尚有一部分由孔隙水所承担,即pcp1,如人工填土或新近沉积粘性土。欠固结土在自重作用下引起地面沉降应力历史对地基沉降的影响应力历史对地基沉降的影响在a、b、c三个土层现有地面以下同一深度z处,土的现有应力虽然相同,但是由于它们经历的应力历史不同,因而在压缩曲线上处于不同的位置。对于正正常常固固结结土土,它在沉积过程中巳从e0开始在自重应力作用下沿现场压缩曲线至a点固结稳定。对于超超固固结结土土,它曾
11、在自重应力力作用下沿现场压缩曲线至b点,后因上部土层冲蚀,现巳回弹稳定在b点。对于欠欠固固结结土土,由于在自重应力作用下还未完全固结目前它处于现场压缩曲线上的c点。若对三种土再施加相同的固结应力p,那么,正正常常固固结结和欠欠固固结结土土将分别由a和c点沿现场压缩曲线至d点固结稳定,而超超固固结结土土,则由b点沿现场再压缩曲线至d点固结稳定。显然,三者的压缩量是不同的,其中欠固结土最大大,超固结土最小小,而正常固结土则介于两者之间之间。这个问题用ep曲线法是无法考虑,只有采用elogp曲线法才能解决。1 1、前期固结压力的确定、前期固结压力的确定(Casagrande method,1936)
12、确定先期固结压力步骤:(1)从elogp曲线上找出曲率半径最小的一点A,过A点作水平线A1和切线A42;(2)作lA2的平分线A3,与 elogp 曲线中直线段的延长线相交于B点;(3)B点所对应的有效应力就是先期固结压力先期固结压力pc。试样的前期固结压力一旦确定,就可通过它与试样现有自重应力pl的比较,来判定它是正常固结的、超固结的、还是欠固结的。然后,再依据室内压缩曲线的特征,来推求原始压缩曲线。原始压缩曲线是指室内压缩试验elogp曲线经修正后得出的符合原始土体孔隙比与有效应力的关系曲线。若pc=p1,则试样是正常固结的正常固结的,它的原始压缩曲线推求:假定取样过程中试样体积不变,即试
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