饱和土一维固结理论.pptx

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1、一.土的单向固结模型 单向固结：单向固结：土的单向固结模型土的单向固结模型是一个侧壁和底部均不能透水，其内部装置着多是一个侧壁和底部均不能透水，其内部装置着多层活塞和弹簧的充水容器。当模型受到外界压力作用时，由弹簧承层活塞和弹簧的充水容器。当模型受到外界压力作用时，由弹簧承担的应力即相当于土体骨架所承担的有效应力担的应力即相当于土体骨架所承担的有效应力，而由容器中的水而由容器中的水承担的应力即相当于土体内孔隙水所承担的孔隙水应力承担的应力即相当于土体内孔隙水所承担的孔隙水应力uu。现在我们来分析当模型现在我们来分析当模型顶面的活塞受到均布压力作用后顶面的活塞受到均布压力作用后其内部的应其内部的

2、应力变化及弹簧的压缩过程，即土体的固结过程。力变化及弹簧的压缩过程，即土体的固结过程。1第1页/共26页土的单向固结模型:2023/3/292(1)(1)整个渗流固结过程中整个渗流固结过程中u u和和 都是在随时间都是在随时间t t而不断变化渗流固结过程的而不断变化渗流固结过程的实质就是土中两种不同应力形态的转化过程。实质就是土中两种不同应力形态的转化过程。(2)(2)超静孔隙水压力，是由外荷载引起，超出静水位以上的那部分孔隙水压超静孔隙水压力，是由外荷载引起，超出静水位以上的那部分孔隙水压力。它在固结过程中随时间不断变化，固结完成应等于零，力。它在固结过程中随时间不断变化，固结完成应等于零，

3、饱和水土层中饱和水土层中任意时刻的总孔隙水压力应是静孔隙水压力与超静孔隙水压力之和。任意时刻的总孔隙水压力应是静孔隙水压力与超静孔隙水压力之和。(3)(3)侧侧限限条条件件下下t t0 0时时，饱饱和和土土体体的的初初始始超超静静孔孔隙隙水水压压力力u u0 0数数值值上上就就等等于于施施加的外荷载强度加的外荷载强度(总应力总应力).).第2页/共26页有效应力原理有效应力原理:土产生体积压缩变形的原因是有效应力增大的结果3第3页/共26页1.土层是均质且完全饱和2.土颗粒与水不可压缩3.水的渗出和土层压缩只沿竖向发生4.渗流符合达西定律且渗透系数保持不变5.压缩系数a是常数6.荷载均布,瞬时

4、施加，总应力不随时间变化 基本假定 基本变量总应力已知有效应力原理超静孔隙水压力的时空分布4二.Terzaghi一维渗流固结模型第4页/共26页单面排水有效应力的时空分布土层超静孔压是z和t的函数，渗流固结的过程取决于土层的可压缩性和渗透性5第5页/共26页一维固结微分方程的建立6第6页/共26页 土的压缩特性 有效应力原理 达西定律渗流固结基本方程土骨架的体积变化孔隙体积的变化流入流出水量差连续性条件7第7页/共26页固体体积：dt时段内：孔隙体积的变化流出的水量孔隙体积：8第8页/共26页dt时段内：孔隙体积的变化流出的水量达西定律:孔隙体积的变化土骨架的体积变化u-超静孔压9第9页/共2

5、6页uCv 反映土的固结特性：孔压消散的快慢固结速度uCv 与渗透系数k成正比，与压缩系数a成反比；u单位：cm2/s；m2/year，粘性土一般在 10-4 cm2/s 量级F 固结系数:10第10页/共26页反映了超静孔压的消散速度与孔压沿竖向的分布有关微分方程为抛物线形 渗透固结微分方程：11第11页/共26页p不透水z排水面Hzuu：超静孔压z：有效应力p：总附加应力u0：初始超静孔压ou+z=p u0=pzuz=p0 z H:u=pz=0:u=0z=H:uz 0 z H:u=0初始条件 边界条件方程求解 边界条件12第12页/共26页p不透水z排水面Hzuo 微分方程：初始条件和边界

6、条件 方程的解：13第13页/共26页14第14页/共26页定义：地基在荷载作用下，经历某一时间定义：地基在荷载作用下，经历某一时间t t产生的固结沉产生的固结沉降量降量S St t与最终固结沉降量与最终固结沉降量S S的比值的比值U Ut t15三.固结度第15页/共26页16某一点的固结度对于解决工程实际问题来说并不重要，为此，常常引入土层平均固结度的概念，它被定义为：土层在固结过程中，t时刻土层各点土骨架承担的有效应力图面积与起始超孔隙水压力（或附加应力）图面积之比第16页/共26页17第17页/共26页18土层的平均固结度是土层的平均固结度是时间因数时间因数TTvv的单值函数的单值函数

7、，它与所加的附加应力，它与所加的附加应力的大小无关，的大小无关，但与附加应力的分布形式有关但与附加应力的分布形式有关。反映附加应力分布形态的参数反映附加应力分布形态的参数 ：定义为透水面上的附加应力与不透水面上附加应力之比。定义为透水面上的附加应力与不透水面上附加应力之比。第18页/共26页19当压缩应力分布与排水条件都相同时，达到同一固结度所需时间之比等于排水距离H的平方之比。土质相同，厚度不同的两层土，当初始孔压分布和排水条件都相同时，达到同一固结度，时间因素Tv相同：第19页/共26页2023/3/2920为了使用的方便，已将各种为了使用的方便，已将各种附加应力呈直线分布（即不同附加应力

8、呈直线分布（即不同值）情况值）情况下下土层的土层的平均固结度与时间因数之间的关系平均固结度与时间因数之间的关系绘制成曲线，如图所示。绘制成曲线，如图所示。第20页/共26页2023/3/2921起始超静水压力分布起始超静水压力分布情况情况0 0：=1 =1，应力图形为矩形。适用于土层已在自重应力作用下固结，基础底面，应力图形为矩形。适用于土层已在自重应力作用下固结，基础底面 积较大而压缩层较薄的情况。积较大而压缩层较薄的情况。情况情况1 1：=0=0，应力图形为三角形。这相当于大面积新填土层（饱和时）由于本土层，应力图形为三角形。这相当于大面积新填土层（饱和时）由于本土层自重应力引起的固结；或

9、者土层由于地下水大幅度下降，在地下水变化范围内，自重自重应力引起的固结；或者土层由于地下水大幅度下降，在地下水变化范围内，自重应力随深度增加的情况，应力随深度增加的情况，情况情况2 2：基础底面积较小，土层厚在压缩土层底面的附加应力已接近零。：基础底面积较小，土层厚在压缩土层底面的附加应力已接近零。情况情况3 3：相当于地基在自重作用下尚未固结完成就在上面修建建筑物基础。：相当于地基在自重作用下尚未固结完成就在上面修建建筑物基础。情况情况4 4：与情况：与情况2 2相似，但相当于在压缩土层底面的附加应力还不接近于零。相似，但相当于在压缩土层底面的附加应力还不接近于零。第21页/共26页 地基沉

10、降与时间关系计算步骤地基沉降与时间关系计算步骤 （1 1）计算地基最终沉降量；）计算地基最终沉降量；（2 2）计算地基附加应力沿深度的分布；）计算地基附加应力沿深度的分布；（3 3）计算土层的竖向固结系数和时间因子；）计算土层的竖向固结系数和时间因子；（4 4）求解地基固结过程中某一时刻）求解地基固结过程中某一时刻t t沉降量。沉降量。22第22页/共26页例题某饱和粘土层厚度为10m，在大面积荷载作用下，按粘土层在单面或双面排水条件下，分别求：1.：加荷1年时的沉降量；2：沉降量达140mm所需的时间；地基土的物理力学性质指标如右图所示：解：加荷1年时的沉降量由于是大面积荷载，粘土层中附加应力沿高度均匀分布，即竖向固结系数：第23页/共26页24求粘土层的最终沉降量求粘土层的最终沉降量单面排水情况单面排水情况查图 所以一年时土的沉降量为St=0.4180=72mm双面排水情况双面排水情况查图 所以一年时土的沉降量为St=0.75180=135mm第24页/共26页2.2.求沉降量达求沉降量达140mm140mm时所需的时间时所需的时间 因为因为StSt=140mm=140mm，所以，所以25单面排水情况单面排水情况双面排水情况双面排水情况第25页/共26页2023/3/29厦门大学建筑与土木工程 刘淼26谢谢您的观看！第26页/共26页