土质学与土力学第5章课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,中国人民解放军理工大学工程兵工程学院多媒体教学课件,土质学与土力学,人防教研室 赵佩胜,土质学与土力学人防教研室 赵佩胜,第五章 土的压缩性与地基沉降计算,第一节 概 述,土体在压力作用下体积缩小的特性叫土的压缩性。地基土在上部荷载作用下产生应力和变形，地基土竖直方向的变形称为沉降。土体产生压缩变形的原因主要有三方面：,1、土颗粒骨架的压缩变形；,2、土中孔隙水的压缩变形；,3、土中孔隙水和气体的挤出、排出，土体变密实引起土的压缩变形。,由于一般建筑物产生的附加应力都较小（100300kPa），此时土颗粒及水的压缩量很小，可以忽略不计，而孔隙水和气体排出是土体变形的主要原因。,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,第五章 土的压缩性与地基沉降计算第一节 概 述土质学,第二节 研究土压缩性的试验及指标,一、室内侧限压缩试验与压缩模量,1、压缩试验与压缩曲线,为研究土的压缩性规律，通常进行室内压缩试验。试验是在无侧胀条件下，对土体分级施加竖向压力，测记每级压力下不同时间土的竖向变形量和压缩稳定后的变形量（,图5-1,）。根据试验结果和计算可以绘制：,ep曲线,。根据前面分析，土的压缩变形主要由土中孔隙水及气体的排出，孔隙减少，这样可用孔隙比的变化来反映土体的,变形,。,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,第二节 研究土压缩性的试验及指标 一、室内侧,2、压缩性指标,在压缩（ep）,曲线,上任取两点作割线，则割线的方程为：这就是压密定律的表达式，其中比例常数为割线的斜率，称为土的压缩系数。,压缩系数的定义：,压缩系数不是常数，为了评价土的压缩性，工程实用上常以p,1,=100kPa，p,2,=200kPa时的压缩系数a,12,作为评价指标。,土 的 压 缩 性,低压缩性土,中压缩性土,高压缩性土,压缩系数MPa,-1,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,2、压缩性指标土 的 压 缩 性低压缩性土中,土压缩模量：,3、前期固结压力和土的天然固结状态,从,elgp曲线,上反映的压缩规律，可发现有一拐点，这是土层历史上承受过的最大固结应力，称为先（前）期固结压力。其确定方法为卡萨格兰地提出的（,图5-6,）。,确定了先期固结压力，可以作出土层原始压缩曲线和判断天然土的固结状态。根据土层的前期固结压力和目前的上覆压力情况，将土分为超固结土、正常固结土和欠固结土。一般用固结比OCR的大小来,判断,。,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,土压缩模量：土质学与土力学多媒体课件,二、现场载荷试验及变形模量,室内试验是在无侧限条件下进行的，与实际受力情况不同，有一定的局限性。为研究和计算的需要，应进行现场载荷试验。,载荷试验方法：将一定尺寸的载荷板置于试坑中的土层表面，然后在载荷板上分级加载，测记每级荷载下载荷板的下沉稳定时的读数（,图5-8,）。,根据试验成果绘制成,ps曲线,，由曲线直线段，根据弹性力学解答：,可求得变形模量：,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,二、现场载荷试验及变形模量土质学与土力学多,第三节 地基沉降实用计算方法,地基沉降计算包括两个方面的内容，一是基础最终沉降量的计算，也就是基础的最大沉降量，这是在工程中首要关注的问题，也是本介绍的主要内容；另一个是沉降的时间过程（固结理论），是研究计算沉降发生变化的趋势，将的下一节中介绍。,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,第三节 地基沉降实用计算方法 地基沉降计算包,一、弹性理论法计算沉降,1、基本假设,弹性理论方法是假定地基土为半无限弹性体，用布西奈斯克竖向位移解答计算在荷载作用下地表的沉降量。,2、计算公式（绝对刚性基础）,设在地表上作用分布荷载，则地面沉降为：,上式根据基础刚度、形状、尺寸及计算点的位置，求解后得：,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,一、弹性理论法计算沉降土质学与土力学多媒体,二、分层总和法计算最终沉降,1、计算的基本原理,假定地基土为直线变形体，在外荷载作用下变形只发生在有限厚度内（压缩层厚度），将压缩层厚度内的土层分成若干层，计算出每一薄层的压缩量，再把各层土的压缩量总和起来即为地基的沉降量。,2、计算所需的基本资料,（1）基础情况：基础的形状、尺寸及埋深；,（2）荷载情况：上部结构的总静荷载（包括基础及基础台阶土重）和相邻基础的影响荷载；,（3）地基条件：地基土层的剖面，各层土的物理力学性质指标及压缩曲线，地下水位等。,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,二、分层总和法计算最终沉降土质学与土力学多,3、基本公式,根据前面压缩试验结果推导的公式：,得到计算第i分层土,压缩量,的基本公式：,按分层总和原则，基础的最终沉降量为：,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,3、基本公式土质学与土力学多媒体课件,4、计算步骤和方法,（1）根据已知条件，绘制土层剖面和基础布置示意图，并标明地下水位；,（2）划分土层，划分原则为：土层（地下水）分界面，取h=0.4b左右；,（3）计算基底附加应p,0,，并按分层情况计算各分层点的自重应力,ci,和附加应力,zi,，同时确定出土的压缩层厚度z,n,；,（4）计算各分层的压缩量,S,i,；,（5）总和各层压缩量，计算最终沉降量S。,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,4、计算步骤和方法土质学与土力学多媒体课件,三、应力面积法计算最终沉降,1、计算公式：,2、沉降计算深度的确定：,3、沉降计算经验系数：,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,三、应力面积法计算最终沉降土质学与土力学多,第四节 饱和粘性土地基沉降与时间的关系,上一节中我们介绍了最终沉降量的计算，但沉降的完成时间，即沉降与时间的关系如何？在外荷载作用下土中孔隙水排出，土体发生体积变化而压密的时间过程称为土的固结。固结问题包括土中孔隙压力分布、变形随时间的变化、固结度的计算等内容。根据压缩变形的特性，土的渗透固结快慢，决定了沉降完成时间的长短。,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,第四节 饱和粘性土地基沉降与时间的关系 上一,一、饱和土的渗流固结模型,为便于阐述饱和土的渗流固结，用著名的水弹簧模型（,图5-24,）来说明有效应力原理。在这个模型中，用弹簧代表土颗粒构成的骨架，用水表示土中孔隙水，带孔活塞则表征土的透水性。,由于模型中只有固相、液相两种介质，对于施加的外力只能由水与弹簧共同承担。设在活塞上施加的外力增量为,p,，其中水所承担的部分压力为,u,（孔隙水压力），弹簧所承受的部分压力为,（有效应力）。根据有效应力原理,应有：，或,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,一、饱和土的渗流固结模型土质学与土力学多媒,二、太沙基一维渗流固结理论,1、基本假定,土是均质的、完全饱和的；,土粒和水是不可压缩的；,土层的压缩和土中水的渗流只沿竖向发生，是一维的；,土中水的渗流服从达西定律，且渗透系数k保持不变；,孔隙比的变化与有效应力的变化成正比，即服从压缩定律，且压缩系数保持不变；,外荷载是一次瞬时施加的。,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,二、太沙基一维渗流固结理论土质学与土力学多,2、单向固结微分方程的建立,水弹簧模型及应力的转换过程，只说明了应力与时间的关系，在土层中，应力的转换还与土中的深度有关，因此孔隙水压力（或有效应力）是坐标z和时间t的函数。,设土层厚度为H，土层顶部为排水砂层，底部是不透水层，作用着无限均布荷载p（,图5-25,）。推导过程：,（1）单元体的渗流条件：达西定律渗流速度为：,（2）单元体的变形条件：压缩定律微分形式：,（3）单元体的渗流连续条件：从单元体底面流进和从顶面流出的水量差为单元体体积的变化值：,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,2、单向固结微分方程的建立土质学与土力学多,3、单向固结微分方程的解答,（1）,单面排水,时的解答为：,（2）,双面排水,时的解答为：,式中,：,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,3、单向固结微分方程的解答土质学与土力学多,4、固结度的计算,地基土在压力作用下，经过时间t所产生的变形量S,t,与土层的最终变形量S之比，称为土的固结度，,即：,由:,得:,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,4、固结度的计算土质学与土力学多媒体课件,固结度的另一种表达方式为：,将相关公式代入后求得单面排水时固结度为：,式中：时间因数：,荷载性质系数：,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,固结度的另一种表达方式为：土质学与土力学多,The End,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,The End土质学与土力学多媒体课件,图5-1压缩仪结构示意图,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-1压缩仪结构示意图土质学与土力学多媒体课件,图5-2压缩试验曲线,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-2压缩试验曲线土质学与土力学多媒体课件,图5-3压缩前后土的体积变化,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-3压缩前后土的体积变化土质学与土力学多媒体课件,图5-4压缩曲线,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-4压缩曲线土质学与土力学多媒体课件,图5-5e-lgp曲线,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-5e-lgp曲线土质学与土力学多媒体课件,图5-6确定p,c,的方法,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-6确定pc的方法土质学与土力学多媒体课件,图5-7天然土层的三种固结情况,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-7天然土层的三种固结情况土质学与土力学多媒体课件,图5-8载荷试验,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-8载荷试验土质学与土力学多媒体课件,图5-9荷载强度与下沉量关系,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-9荷载强度与下沉量关系土质学与土力学多媒体课件,图5-17分层总和法沉降计算,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-17分层总和法沉降计算土质学与土力学多媒体课件,图5-18例题5-1图,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-18例题5-1图土质学与土力学多媒体课件,图5-19土中应力分布曲线,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-19土中应力分布曲线土质学与土力学多媒体课件,图5-24水-弹簧模型,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-24水-弹簧模型土质学与土力学多媒体课件,图5-25饱和粘性土层的固结计算,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-25饱和粘性土层的固结计算土质学与土力学多媒体课件,图5-26单向排水时,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-26单向排水时土质学与土力学多媒体课件,图5-27几种不同的起始孔隙压力分布图,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-27几种不同的起始孔隙压力分布图土质学与土力学多媒体,图5-28双面排水时,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-28双面排水时土质学与土力学多媒体课件,图5-29超静水压力分布曲线,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研室 赵佩胜 制作,图5-29超静水压力分布曲线土质学与土力学多媒体课件,图5-30孔隙压力实测曲线,土质学与土力学多媒体课件 人防工程教研