土压缩性与地基沉降计算土力学.pptx

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1、本本章章研研究究土土的的压压缩缩性性与与地地基基沉沉降降计计算算，这这部部分分内内容容为为土土力力学学的的重重点点。因因为为不不少少建建筑筑工工程程事事故故，包包括括建建筑筑物物倾倾斜斜、建建筑筑物物严严重重下下沉沉、墙墙体体开开裂裂、基基础础断断裂裂，等等等等，都都是是土土的的压压缩缩性性高高或或压压缩缩性性不不均均匀匀，引起地基严重沉降或不均匀沉降造成的。引起地基严重沉降或不均匀沉降造成的。客客观观地地分分析析：地地基基土土层层承承受受上上部部建建筑筑物物的的荷荷载载，必必然然会会产产生生变变形形，从从而而引引起起建建筑筑物物基基础础沉沉降降。当当建建筑筑场场地地土土质质坚坚实实时时，地地

2、基基的的沉沉降降较较小小，对对工工程程正正常常使使用用没没有有影影响响。但但若若地地基基为为软软弱弱土土层层且且厚厚薄薄不不均均，或或上上部部结结构构荷荷载载轻轻重重变变化化悬悬殊殊时时，基基础础将将发发生生严严重重的的沉沉降降和和不不均均匀匀沉沉降降，其其结结果果将将使使建建筑筑物物发发生生上上述述各各类类事事故故，影影响响建建筑筑物物的的正常使用与安全。正常使用与安全。分分析析地地基基土土层层发发生生变变形形的的主主要要因因素素：其其内内因因是是土土具具有有压压缩缩性性；其其外外因因主主要要是是建建筑筑物物荷荷载载的的作作用用。因因此此，为为计计算算地地基基土土的的沉沉降降，必必须须研研究

3、究土土的的压压缩缩性性；同同时时研研究究在在上上部部荷荷载载作作用用下下，地地基基中中的的应应力力分分布情况。布情况。第1页/共141页3.1土的变形特性土的变形特性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3.1.1基本概念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，

4、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第2页/共141页3.1土的变形特性土的变形特性3.1.1基本概念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

5、，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一内因发生实际效果。这一内因发生实际效果。第3页/共141页3.1土的变形特性土的变形特性3.1.1基本概念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

6、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。这是土的又一特性。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

7、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、蠕变的影响第4页/共141页3.1土的变形特性土的变形特性3.1.2土的应力与应变关系土的应力与应变关系应力的基本概念应力的基本概念土土体体中中任任一一点点中中的的应应力力状状态态，可可根根据据所所 选选 定定 的的 直直 角角 坐坐 标标ox,oy,oz,用用

8、x,y,z和和三三对剪应力对剪应力xy=yx,yz=zy,zx=xz，一一共共六六个个应应力力分分量来表示。量来表示。1 1 1 1、土体中的应力、土体中的应力、土体中的应力、土体中的应力第5页/共141页3.1土的变形特性土的变形特性3.1.2土的应力与应变关系土的应力与应变关系应力的基本概念应力的基本概念1 1 1 1、土体中的应力、土体中的应力、土体中的应力、土体中的应力法向应力的正负法向应力的正负剪应力的正负剪应力的正负第6页/共141页3.1土的变形特性土的变形特性3.1.2土的应力与应变关系土的应力与应变关系材料的性质材料的性质1 1 1 1、土体中的应力、土体中的应力、土体中的应

9、力、土体中的应力材料力学研究理想的材料力学研究理想的均匀连续均匀连续材料材料土土力力学学研研究究非非均均匀匀连连续续材材料料，土土由由固固体体、液液体体、气气体体三三相相组组成的成的粒状粒状材料材料。严严格格地地说说，土土力力学学不不能能应应用用材材料料力力学学中中的的应应力力概概念念。但但从从工工程程角角度度看看，土土的的颗颗粒粒很很微微小小，通通常常比比土土样样尺尺寸寸小小很很多多。例例如如，粉粉粒粒的的粒粒径径范范围围d=(0.05d=(0.050.005)mm,0.005)mm,压压缩缩试试验验土土样样80mm80mm,d(1/1600,d(1/16001/16000)1/16000)

10、。因此，工程上可以采用材料力学的应力概念。因此，工程上可以采用材料力学的应力概念。第7页/共141页czcz=z(kPa=z(kPa）(3.1)(3.1)3.1土的变形特性土的变形特性3.1.2土的应力与应变关系土的应力与应变关系水水平平土土层层中中的的自自重重应应力力设设地地面面为为无无限限广广阔阔的的水水平平面面，土土层层均均匀匀，土土的的天天然然重重度度为为。在在深深度度为为Z Z处处取取一一微微元元体体dxdydzdxdydz，则则作用在此微元体上的作用在此微元体上的竖向自重应力竖向自重应力czcz(如图如图3.23.2所示所示)为：为：1 1 1 1、土体中的应力、土体中的应力、土体

11、中的应力、土体中的应力水平方向法向应力为水平方向法向应力为:cxcx=cycy=k=k0 0czcz(kPa)(3.2)(kPa)(3.2)式式中中 k k0 0比比例例系系数数，称称静止侧压力系数静止侧压力系数.k k0 00.330.330.720.72此微元体在重力作用下没有侧向变形和剪切变形；作用在此此微元体在重力作用下没有侧向变形和剪切变形；作用在此微元体上的微元体上的剪应力剪应力为为:xyxy=yzyz=zxzx=0 (3.3)=0 (3.3)第8页/共141页3.1土的变形特性土的变形特性3.1.2土的应力与应变关系土的应力与应变关系主主应应力力凡凡剪剪应应力力0 0的的平平面面

12、上上的的法法向向应应力力，称称为为主主应应力力，此平面称为此平面称为主应面主应面。czcz为大主应力，为大主应力，cxcx=cycy为小主应力。为小主应力。1 1 1 1、土体中的应力、土体中的应力、土体中的应力、土体中的应力摩尔圆摩尔圆在在的的直直角角坐坐标标系系中中，在在横横坐坐标标上上点点出出最最大大主主应应力力1 1与与最最小小主主应应力力3 3，再再以以1 13 3为为直直径径作作圆圆，此此圆圆称称为为摩摩尔尔应应力力圆圆。微微元元体体中中任任意意斜斜截截面面上上的的法法向向应应力力与与剪剪应应力力，可可用用此此摩摩尔尔圆圆来来表表示示。见见“4.2 4.2 土土的的极极限限平平衡衡

13、条条件件”。第9页/共141页3.1土的变形特性土的变形特性3.1.2土的应力与应变关系土的应力与应变关系单轴压缩试验单轴压缩试验圆钢试件轴向受拉圆钢试件轴向受拉应应力力与与应应变变关关系系呈呈直直线线关关系系。=0=0时时,=0;=,=0;=1 1时时,=,=1 1。卸卸荷荷后后由由原原来来应应力力路路径径回回到到原原点点O O，即即为为可可逆逆，如如图图（3.3a3.3a）所所示示。钢材应力与应变之比值称为钢材应力与应变之比值称为弹性模量弹性模量E E（E E/）。）。2 2 2 2、土的应力与应变关系及测定方法、土的应力与应变关系及测定方法、土的应力与应变关系及测定方法、土的应力与应变关

14、系及测定方法圆柱土体轴向受压圆柱土体轴向受压应应力力与与应应变变关关系系为为非非线线性性,呈呈曲曲线线,如如图图3.3(b)3.3(b)所所示示。通通过过曲曲线线上上两两点点A A，B B的的割割线线的的斜斜率率d/dd/d的的比比值值称称为为变变形形模模量量E0。(E(E0 0d/d)d/d)第10页/共141页3.1土的变形特性土的变形特性3.1.2土的应力与应变关系土的应力与应变关系侧限压缩试验侧限压缩试验土样圆面积为土样圆面积为50cm50cm2 2，厚度为，厚度为20mm20mm的侧限土体竖直单向受压，土的侧限土体竖直单向受压，土的孔隙比的孔隙比e e减小，土体受压缩。此时，减小，土

15、体受压缩。此时，z z/z z的比值称为土的的比值称为土的侧限压缩模量侧限压缩模量E ES S。试验结果如图。试验结果如图3.3(c)3.3(c)所示。所示。2 2 2 2、土的应力与应变关系及测定方法、土的应力与应变关系及测定方法、土的应力与应变关系及测定方法、土的应力与应变关系及测定方法试验前试验前0 0，孔隙比为，孔隙比为e e0 0，当当加大加大时，孔隙比减小，呈曲时，孔隙比减小，呈曲线线abab。当压力为。当压力为i i时，孔隙比减时，孔隙比减小为小为e ei i，卸荷卸荷至零至零,曲线为曲线为bcbc，孔隙比增大为孔隙比增大为e ei i,孔隙比并未恢复孔隙比并未恢复到到e e0

16、0。e e0 0-e-ei i为残留变形为残留变形塑性塑性变形；变形；e ei i-e-ei i为弹性变形为弹性变形，这是土，这是土体压缩的一个重要性质。体压缩的一个重要性质。第11页/共141页3.1土的变形特性土的变形特性3.1.2土的应力与应变关系土的应力与应变关系直剪试验直剪试验此实验可以测量土样的剪应力、剪变形和抗剪强度。此实验可以测量土样的剪应力、剪变形和抗剪强度。2 2 2 2、土的应力与应变关系及测定方法、土的应力与应变关系及测定方法、土的应力与应变关系及测定方法、土的应力与应变关系及测定方法三轴压缩试验三轴压缩试验此实验可以测量土体的应力与应变关系和土的抗剪强度。此实验可以测

17、量土体的应力与应变关系和土的抗剪强度。第12页/共141页3.1土的变形特性土的变形特性3.1.2土的应力与应变关系土的应力与应变关系精精确确法法根根据据土土体体应应力力应应变变曲曲线线，建建立立数数学学模模型，用计算机进行计算分析。土的应力型，用计算机进行计算分析。土的应力应变数学模型包括：应变数学模型包括：E E弹性模型弹性模型 K KG G模型模型 沈珠江模型沈珠江模型 弹塑性应力应变关系数学模型弹塑性应力应变关系数学模型3 3 3 3、工程应用、工程应用、工程应用、工程应用简化法简化法当应力当应力较小时，可假设土体为较小时，可假设土体为线性弹性体。线性弹性体。当应力当应力很大时，可假设

18、土体为很大时，可假设土体为刚性塑性体。刚性塑性体。上上述述简简化化法法，计计算算方方便便，误误差差为为工工程程所所允允许许，因因此此在在目目前前工工程程建设中广泛采用。建设中广泛采用。第13页/共141页3.2有效应力原理有效应力原理3.2.1土中二种应力试验土中二种应力试验准准备备甲甲、乙乙两两个个直直径径与与高高度度完完全全相相同同的的量量筒筒，在在这这两两个个量量筒筒底底部部放放置置一一层层松松散散砂砂土土，其质量与密度完全一样。如图其质量与密度完全一样。如图3.43.4所示。所示。有有效效应应力力原原理理是是土土力力学学中中的的一一个个重重要要的的原原理理。这这是是近近代代土土力力学学

19、与与古古典典土土力力学学的的一一个个重重要要区区别别：古古典典土土力力学学用用总总应应力力来来研研究究土土的的压压缩缩性性和和土土的的强强度度；现现代代土土力力学学用用有有效效应应力力来来研研究究土土的的力力学学性性，它它更更符合科学性。符合科学性。1、有有效效应应力力用用表表示示，有有效效应应力力能能使使土土层层发发生生压压缩缩变变形形，从从而使土体的而使土体的强度发生变化强度发生变化。2、孔孔隙隙水水压压力力用用u u表表示示，孔孔隙隙水水压压力力不不能能使使土土层层发发生生压压缩缩变形。变形。第14页/共141页3.2有效应力原理有效应力原理3.2.2有效应力原理有效应力原理饱和土体所承

20、受的总应力饱和土体所承受的总应力为有效应力与孔隙水压力为有效应力与孔隙水压力u u之和，即：之和，即：(3.4)(3.4)第15页/共141页=wh1+sath2(3.5)u=whA=w(h1+h2)(3.6)=-u=wh1+sath2-w(h1+h2)=(sat-w)h2=h23.2有效应力原理有效应力原理据据有有效效应应力力原原理理：当当地地面面以以上上水水深深发发生生升升降降变变化化时时，可可以以引引起起土土体体中中总总应应力力的的变变化化。但但有有效效应应力力与与水水深深无无关关，不不会会随随水水深深的的升升降降而而发发生生变变化化，同同时时土土的的骨骨架架也不发生压缩或膨胀。也不发生

21、压缩或膨胀。3.2.3现场应用实例现场应用实例地地面面以以上上水水位位的的升升降降，不不会会引引起起有有效效应应力力的的变变化化；地地面面以以下下水水位的升降，将引起有效应力的变化。位的升降，将引起有效应力的变化。第16页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性侧限条件侧限条件指侧向限制不能变形，只有竖向单向压缩的条件指侧向限制不能变形，只有竖向单向压缩的条件3.3.1侧限压缩试验侧限压缩试验1、试验仪器试验仪器侧侧限限条条件件在在建建筑筑工工程程中中的的应应用用：当当自自然然界界广广阔阔土土层层上上作作用用着着大大面面积积均均布布荷荷载载的的情情况况为为侧侧限限条条件件。一

22、一般般工工程程与与侧侧限限条条件件近近似似，通通常常可以应用此条件。可以应用此条件。压压缩缩性性指指标标通通常常由由侧侧限限压压缩缩试试验验测测定定。侧侧限限压压缩缩试试验验通通常常称称固固结试验。结试验。2、试验方法试验方法用环刀切取原状土样，用天平称质量。用环刀切取原状土样，用天平称质量。将土样依次装入侧限压缩仪的容器：将土样依次装入侧限压缩仪的容器：加加上上杠杠杆杆，分分级级施施加加竖竖向向压压力力i i。一一般般工工程程压压力力等等级级可可为为2525，5050，100100，200200，400400，800Kpa.800Kpa.用测微计（百分表）测记每级压力后的稳定读数。用测微计（

23、百分表）测记每级压力后的稳定读数。计算每级压力稳定后试验的孔隙比计算每级压力稳定后试验的孔隙比e eI I。第17页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性3.3.1侧限压缩试验侧限压缩试验3、试验结果试验结果采采用用直直角角坐坐标标系系，以以孔孔隙隙比比e e为为纵纵坐坐标标，以以有有效效应应力力为为横横坐坐标标，绘制绘制e e 曲线，见图曲线，见图3.73.7。第18页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性3.3.2侧限压缩性指标侧限压缩性指标1、土的压缩系数土的压缩系数采采用用直直角角坐坐标标系系，以以孔孔隙隙比比e e为为纵纵坐坐标标，以以有有效效

24、应应力力为为横横坐坐标标，绘制绘制e e 曲线，见图曲线，见图3.73.7。(3.8)式中 压压缩缩系系数数，表表示示在在单单位位压压力力增增量量作作用用下下土土的的孔孔隙隙比比的的减减小小。因因此此，压压缩缩系系数数值值越大，土的压缩性就越大。越大，土的压缩性就越大。对对于于同同一一种种土土，e-e-曲曲线线的的斜斜率率随随 增增大大而而逐逐渐渐变变小小，压压缩系数缩系数非定值而是一个变量。非定值而是一个变量。第19页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性3.3.2侧限压缩性指标侧限压缩性指标1、土的压缩系数土的压缩系数为为便便于于各各地地区区各各单单位位相相互互比比较较

25、应应用用，规规范范规规定定：取取1 1100kPa100kPa至至2 2200kPa200kPa这这段段压压缩缩曲曲线线的的斜斜率率12，作作为为判判别别土土的的压压缩性高低的标准。即：缩性高低的标准。即：当当 1 12 20.1Mpa0.1Mpa-1-1 时，时，属低压缩性土；属低压缩性土；0.10.11 12 20.5Mpa0.5Mpa-1 -1 时，时，属中压缩性土；属中压缩性土；1 12 20.5Mpa0.5Mpa1 1时，时，属高压缩性土。属高压缩性土。各各类类地地基基土土压压缩缩性性的的高高低低，取取决决于于土土的的类类别别、原原始始密密度度和和天天然然结构是否扰动等因素。结构是否

26、扰动等因素。例例如如：密密实实的的粗粗砂砂、卵卵石石的的压压缩缩性性比比粘粘性性土土为为低低。粘粘性性土土的的压压缩缩性性高高低低可可能能相相差差很很大大：当当土土的的含含水水量量高高、孔孔隙隙比比大大时时，如如淤淤泥泥为为高高压压缩缩性性土土；若若含含水水量量低低的的硬硬塑塑或或坚坚硬硬的的土土，则则为为低低压压缩缩性性土土。此此外外，粘粘性性土土的的天天然然结结构构受受扰扰动动后后，它它的的压压缩缩性性将将增增高高，特特别别对对于于高高灵灵敏敏度度的的粘粘土土，天天然然结结构构遭遭到到破破坏坏时时，影影响响压压缩缩性性更更甚甚，同同时时其其强强度也剧烈下降。度也剧烈下降。见图见图3.93.

27、9第20页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性3.3.2侧限压缩性指标侧限压缩性指标2、压缩指数压缩指数C Cc c随随着着高高层层建建筑筑的的兴兴建建和和重重型型设设备备的的发发展展，常常规规侧侧限限压压缩缩仪仪的的压压力范围太小，可采用高压固结仪，最高压力可达力范围太小，可采用高压固结仪，最高压力可达3200Kpa3200Kpa。高高压压固固结结仪仪的的试试验验原原理理与与试试验验方方法法同同常常规规固固结结仪仪，试试样样面面积积由由50mm50mm2 2改为改为30mm30mm2 2,加压杠杆比由加压杠杆比由1:101:10提高为提高为1:121:12。试试验验结结

28、果果以以孔孔隙隙比比e e 为为纵纵坐坐标标，以以 对对 数数 坐坐 标标 为为 横横 坐坐 标标 表表 示示 ，绘绘制制e e 曲曲线线，如如图图3.103.10所所示示。此此曲曲线线开开始始一一段段呈呈曲曲线线，其其后后很很长长一一段段为为直直线线，即即曲曲线线的的斜斜率率相相同同，便便于于应应用用。此此直直线线段段的的斜率称为斜率称为压缩指数压缩指数C Cc c，即，即(3.9)第21页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性3.3.2侧限压缩性指标侧限压缩性指标2、压缩指数压缩指数C Cc cC CC C为为一一无无量量纲纲的的小小数数，其其值值越越大大，说说明明土土

29、的的压压缩缩性性越越高高。一一般般认为：认为：C Cc c 0.20.2 属低压缩性的土 C Cc c=0.2=0.20.4 0.4 属中压缩性的土 C Cc c 0.40.4 属高压缩性土第22页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性3.3.2侧限压缩性指标侧限压缩性指标3、侧限压缩模量侧限压缩模量E ES S弹性模量弹性模量E钢材或混凝土试件，在受力方向的应力与应钢材或混凝土试件，在受力方向的应力与应变之比称为弹性模量变之比称为弹性模量E E。试验条件试验条件：侧面不受约束，可以自由变形。：侧面不受约束，可以自由变形。侧侧限限压压缩缩模模量量ES土土的的试试样样在在完完

30、全全侧侧限限条条件件下下竖竖向向受受压压，应力增量与应变增量之比称为压缩模量应力增量与应变增量之比称为压缩模量E ES S。试试验验条条件件：为为侧侧限限条条件件，即即只只能能竖竖直直单单向向压压缩缩、侧侧向向不不能能变变形形的条件。的条件。ES与与E的区别的区别土在压缩试验时，不能侧向膨胀，只能竖向变形；土在压缩试验时，不能侧向膨胀，只能竖向变形；土土不不是是弹弹性性体体，当当压压力力卸卸除除后后，不不能能恢恢复复到到原原来来的的位位置置。除除了部分弹性变形外，还有相当部分是不可恢复的残留变形。了部分弹性变形外，还有相当部分是不可恢复的残留变形。由由此此可可知知，土土的的侧侧限限压压缩缩模模

31、量量E ES S与与钢钢材材或或混混凝凝土土的的弹弹性性模模量量E E有有本质的区别。本质的区别。第23页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性3.3.2侧限压缩性指标侧限压缩性指标3、侧限压缩模量侧限压缩模量E ES S试试验验表表明明:土土样样在在完完全全侧侧限限条条件件下下，竖竖向向应应力力1 1和和侧侧向向压压力力3 3之之比比，恒恒保保持持常常值值K K0 0，此此K K0 0称称为为侧侧压压力力系系（也也可可用用表表示示侧侧压压力力系系）。因此，上述完全侧限条件在土力学中也称为。因此，上述完全侧限条件在土力学中也称为K K0 0条件条件。在在上上述述侧侧限限压压

32、缩缩试试验验中中，当当竖竖向向压压力力由由1 1增增至至2 2，同同时时土土样样的由的由h h1 1减小至减小至h h2 2时：时：压应力增量为竖向应变为竖向应变为(3.10)则侧限压缩模量为(3.11)第24页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性3.3.2侧限压缩性指标侧限压缩性指标4、侧限压缩模量侧限压缩模量E ES S与压缩系数与压缩系数a a的关系的关系土土的的侧侧限限压压缩缩模模量量E ES S与与压压缩缩系系数数a a，两两者者都都是是建建筑筑工工程程中中常常用用的的表表示示地地基基土土压压缩缩性性指指标标，两两者者都都是是由由侧侧限限压压缩缩试试验验结结果果

33、求求得得，因因此此，E ES S与与a a之间并非互相独立，具有下列关系：之间并非互相独立，具有下列关系：(3.12)第25页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性3.3.2侧限压缩性指标侧限压缩性指标4、侧限压缩模量侧限压缩模量E ES S与压缩系数与压缩系数a a的关系的关系土的压缩是由孔隙体积土的压缩是由孔隙体积V VV V发生变化产生的，固体体积发生变化产生的，固体体积V VS S不变。不变。(3.12)式式(3.12)(3.12)证明如下证明如下:绘制土层压缩示意图，如图绘制土层压缩示意图，如图3.11所示；所示；压压缩缩前前:竖竖向向压压力力为为1 1，设设孔孔

34、隙隙比比为为e e1 1，固固体体体体积积为为V VS S，土土样样厚度为厚度为h h1 1，并令并令V VS S1 1，则，则据据 e=Ve=Vv v/V/VS S ;e;e1 1=V=VV1V1,总体积总体积 V VV VS SV VV V1 1e e1 1竖竖向向压压力力由由1 1增增至至2 2，压压应应力力增增量量为为2 21 1，土土体体受受荷荷产产生生压压缩缩，固固体体体体积积不不变变V VS S1 1，土土样样厚厚度度由由h h1 1减减为为h h2 2，孔孔隙隙比比由由e e1 1减减至至e e2 2，土土样样的的厚厚度度变变化化为为hh=h=h1 1-h-h2 2，体体积积的

35、的变变化化为为VVV VV1V1V VV2V2e e1 1-e-e2 2第26页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性3.3.2侧限压缩性指标侧限压缩性指标4、侧限压缩模量侧限压缩模量E ES S与压缩系数与压缩系数a a的关系的关系面面积积为为1 1单单元元的的土土柱柱，受受压压过过程程中中因因侧侧限限条条件件面面积积不不变变，土土体体的的高高度度与与体体积积的的数数值值相相等等，因因而而土土体的竖向应变为：体的竖向应变为：将（将（3.133.13）代入（）代入（3.113.11）,得得(V=Vv1-Vv2=e1-e2V=Vs+Vv1=1+e1)(3.13)(3.14)将

36、（将（3.83.8）式）式代入上式，即得：代入上式，即得：(3.12)第27页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性3.3.2侧限压缩性指标侧限压缩性指标4、侧限压缩模量侧限压缩模量E ES S与压缩系数与压缩系数a a的关系的关系土土层层侧侧限限压压缩缩模模量量E ES S是是表表示示土土压压缩缩性性高高低低的的又又一一个个指指标标，从从上上式可见，式可见，E ES S与与a a成反比，即成反比，即a a愈大，愈大，E ES S愈小，土愈软弱愈小，土愈软弱，一般，一般(3.12)E ES S4Mpa 4Mpa 高压缩性土E ES S4 415Mpa 15Mpa 中压缩性土

37、E ES S15Mpa 15Mpa 低压缩性土第28页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性3.3.3土层侧限压缩变形量土层侧限压缩变形量1、由公式（由公式（3.113.11）可得：）可得：当当某某个个土土层层较较薄薄，在在荷荷载载作作用用下下受受垂垂直直压压应应力力增增量量，使使土土层发生侧限压缩，其变形量层发生侧限压缩，其变形量hh计算如下：计算如下：(3.11)(3.15)由由上上式式可可知知：土土层层侧侧限限压压缩缩变变形形量量hh，与与压压力力增增量量成成正正比比，与土层厚度与土层厚度h h1 1成正比，与土的侧限压缩模量成正比，与土的侧限压缩模量E ES S成反

38、比。成反比。2、应用公式（应用公式（3.123.12），则公式（），则公式（3.153.15）得：）得：(3.12)(3.16)第29页/共141页3.3侧限条件下土的压缩性侧限条件下土的压缩性3.3.3土层侧限压缩变形量土层侧限压缩变形量3、应用公式（应用公式（3.133.13），可得：），可得：(3.13)(3.17)公公式式（3.153.15）、（3.163.16）、（3.173.17）是是等等价价的的。利利用用上上述述3 3个个公公式式即即可可求求出出土土层层的的压压缩缩量量，式式中中土土层层原原有有厚厚度度h h1 1可可从从勘勘探探资资料料中中得得到到，原原有有孔孔隙隙比比e e1

39、 1,压压缩缩系系数数a a，压压缩缩模模量量E ES S和和压压缩缩指指数数C CC C均均可可从从上上述述实实验验曲曲线线中中得得到到。应应注注意意a a值值的的选选取取需需与与作作用用于于土土层层上上的的前前后后压压应应力力1 1和和2 2的的变变化化范范围围相相对对应应，即即在在e-e-曲曲线线上上取取1 12 2范范围围的的平均斜率作为平均斜率作为a a值。值。hh的计算方法，见的计算方法，见3.53.5节。节。(3.16)(3.15)第30页/共141页3.4土的压缩性原位测试土的压缩性原位测试土土的的侧侧限限压压缩缩试试验验简简单单方方便便，是是目目前前建建筑筑工工程程测测定定地

40、地基基土土的的压压缩性的常用方法。但遇到下列情况时，侧限压缩试验就不适用了。缩性的常用方法。但遇到下列情况时，侧限压缩试验就不适用了。1 1、地地基基土土为为粉粉土土、细细砂砂，取取原原状状土土样样很很困困难难；地地基基为为软软土土，土土样取不上来。样取不上来。2 2、土土试试样样尺尺寸寸小小，土土层层不不均均匀匀代代表表性性差差。国国家家一一级级工工程程、规规模模大大或建筑物对或建筑物对沉降有严格要求沉降有严格要求的工程。的工程。针针对对上上述述情情况况可可采采用用原原位位测测试试方方法法加加以以解解决决。建建筑筑工工程程中中土土的的压压缩缩性性的的原原位位测测试试，传传统统方方法法为为载载

41、荷荷试试验验，近近代代推推出出旁旁压压试试验验新新技技术，下面依次进行介绍。术，下面依次进行介绍。第31页/共141页3.4土的压缩性原位测试土的压缩性原位测试3.4.1载荷试验载荷试验1 1、试验装置与试验方法、试验装置与试验方法选择有代表性的部位选择有代表性的部位开挖试坑，深度开挖试坑，深度d,d,宽度宽度B3bB3b；注意保持原状结构和天然湿；注意保持原状结构和天然湿度。度。加载装置与方法加载装置与方法(图图3.123.12）加载标准加载标准p p1 1=D=D二级后，二级后，每级：松软每级：松软p pi i=(10=(1025kPa,25kPa,坚实土坚实土p pi i=50kPa.=

42、50kPa.加荷加荷8 8级，级，ppi i2p2p设计。设计。第32页/共141页3.4土的压缩性原位测试土的压缩性原位测试3.4.1载荷试验载荷试验1 1、试验装置与试验方法、试验装置与试验方法测记压板沉降量，每级加载后，按间隔测记压板沉降量，每级加载后，按间隔10,10,10,15,15,30,30,30,3010,10,10,15,15,30,30,30,30分钟读一次数。分钟读一次数。沉降稳定标准：当连续两次测记沉降稳定标准：当连续两次测记s si i0.1mm/h0.1mm/h。终止加载标准终止加载标准土明显侧向挤出；土明显侧向挤出；s s急剧增大，（急剧增大，（p-s)p-s)曲

43、线出现陡降段；曲线出现陡降段；某一某一p pi i下，下，2424小时不达到稳定标准；小时不达到稳定标准；总沉降总沉降量量s0.06bs0.06b。极限荷载极限荷载p pu u，满足终止加荷标准，其对应的前一级荷载定为，满足终止加荷标准，其对应的前一级荷载定为p pu u。2 2、载荷试验结果、载荷试验结果绘绘(p-s)(p-s)曲线曲线绘绘(s-t)(s-t)曲线曲线第33页/共141页3.4土的压缩性原位测试土的压缩性原位测试3.4.1载荷试验载荷试验3 3、地基应力与变形关系、地基应力与变形关系p-sp-s典型曲线通常可分为三个变形阶段：典型曲线通常可分为三个变形阶段：直线变形阶段（压密

44、阶段）直线直线变形阶段（压密阶段）直线oaoa；局部剪裂阶段，曲线局部剪裂阶段，曲线abab段；段；完全破坏阶段，曲线完全破坏阶段，曲线bcbc段。段。显显然然，作作用用在在基基底底上上的的实实际际荷荷载载决决不不允允许许达达到到极极限限荷荷载载p pu u，而而应当有一定的安全系数应当有一定的安全系数K K，通常，通常K K2 23 3。第34页/共141页3.4土的压缩性原位测试土的压缩性原位测试3.4.1载荷试验载荷试验4 4、地基承载力的确定、地基承载力的确定地基承载力基本值地基承载力基本值f f0 0有有明明显显的的比比例例界界限限a a时时，取取a a点对应的荷载点对应的荷载p p

45、0 0=f=f0 0；p pu u能能确确定定，且且p pu u1.5p5Mpa5Mpa的粘性土与粉土，的粘性土与粉土，可用下式计算：可用下式计算：(MPa)(3.23)第46页/共141页3.5地基中的应力分布地基中的应力分布为为了了对对建建筑筑物物地地基基基基础础进进行行沉沉降降（变变形形）、强强度度与与稳稳定定性性分分析析，必必须须掌掌握握建建筑筑前前后后土土中中应应力力的的分分布布和和变变化化情情况况。目目前前土土中中应应力力计计算算主主要要采采用用弹弹性性理理论论求求解解，其其假假定定地地基基是是均均匀匀、连连续续、各各向向同同性性的的半半无无限限弹弹性性体体。这这种种假假定定虽虽与

46、与土土体体的的实实际际情情况况不不尽尽相相同同，因因地地基基往往往往具具有有明明显显的的层层理理构构造造，是是成成层层的的非非均均匀匀的的各各向向异异性性体体，但但其其计计算算简简单单，且且实实践践证证明明，当当基基底底压压力力在在一一定定范范围围内内，弹弹性性理理论的计算结果能满足实际工程的要求论的计算结果能满足实际工程的要求。土土中中应应力力一一般般包包括括自自重重应应力力和和附附加加应应力力。土土的的自自重重应应力力是是指指建建造造建建筑筑物物之之前前，由由于于土土体体本本身身受受重重力力作作用用而而引引起起的的应应力力；附附加加应应力力则则是是指指建建造造建建筑筑物物后后，由由于于建建

47、筑筑物物荷荷载载作作用用在在地地基基中中产产生生的的应应力力，它它是是引引起起地地基基沉沉降降的的主主要要原原因因。在在计计算算由由建建筑筑物物引引起起的的附附加加应应力力时时，基础底面的基础底面的压力分布压力分布是不可缺少的条件。是不可缺少的条件。第47页/共141页3.5地基中的应力分布地基中的应力分布3.5.1土层自重应力土层自重应力1 1、定义、定义在未修建筑物之前，由土体本身自重引起的应力称在未修建筑物之前，由土体本身自重引起的应力称为土的自重应力，记为为土的自重应力，记为C C。cz=Z(3.26)均质土的自重应力均质土的自重应力竖向自重应力竖向自重应力地面下任意地面下任意Z Z（

48、m m）处的竖向自重应力，）处的竖向自重应力，可取作用于该水平面上任一单位面积的可取作用于该水平面上任一单位面积的土柱自重土柱自重Z1Z1计算。即计算。即2 2、计算、计算在在计计算算土土的的自自重重应应力力时时，地地基基可可看看作作为为半半无无限限体体，也也就就是是说说土土体体在在水水平平方方向向和和地地面面以以下下都都是是半半无无限限的的。因因此此，当当地地基基土土在在自自重重应应力作用下只能产生竖向变形，而无侧向位移及剪切变形存在。力作用下只能产生竖向变形，而无侧向位移及剪切变形存在。cz沿水平面均匀分布，且与沿水平面均匀分布，且与Z Z成正比，即随深度呈线性增加。成正比，即随深度呈线性

49、增加。第48页/共141页3.5地基中的应力分布地基中的应力分布3.5.1土层自重应力土层自重应力 cx=cy=k0cz (3.26)均质土的自重应力均质土的自重应力竖向自重应力竖向自重应力2 2、计算、计算成层土的自重应力成层土的自重应力一般情况下，天然地基往往由成层所一般情况下，天然地基往往由成层所组成，各土层重度不同，深度组成，各土层重度不同，深度Z Z处的竖向自重应力处的竖向自重应力czcz如图如图3.163.16所示，所示，按下式计算：按下式计算：水平向自重应力及剪应力水平向自重应力及剪应力 xy=yz=zx=0 (3.26)(3.26)式式中中 i i-第第i i层层土土的的天天然

50、然重重度度，KN/mKN/m3 3；地地下下水水位位以以下下一一般般用浮重度用浮重度;第49页/共141页3.5地基中的应力分布地基中的应力分布3.5.1土层自重应力土层自重应力3 3、应注意的几点、应注意的几点在此所讨论的自重应力是指土颗粒之间在此所讨论的自重应力是指土颗粒之间接触点接触点传递的粒间应传递的粒间应力，故又称为力，故又称为有效有效自重应力；自重应力；一般土层形成地质年代较长，在自重作用下一般土层形成地质年代较长，在自重作用下变形早已稳定变形早已稳定，故自重应力不再引起建筑物基础沉降，但对故自重应力不再引起建筑物基础沉降，但对近期沉积近期沉积或或堆积堆积的土层的土层以及以及地下水