第四章土的壓縮性及固結(jié)理論

1、第第4章章 土的壓縮性及固結(jié)理論土的壓縮性及固結(jié)理論 2 土的壓縮性土的壓縮性是指土體在壓力作用下體積縮小的特性。 試驗研究表明，在一般壓力(100一600kPa)作用下，土粒和土中水的壓縮土粒和土中水的壓縮量量與土體的壓縮總量之比是很微小的，可以忽略不計，很少量封閉的土中氣被壓縮，也可忽略不計。 土的壓縮土的壓縮是指土中孔隙的體積縮小，即土中水和土中氣的體積縮小，此時，土粒調(diào)整位置，重新排列，互相擠緊。 飽和土的壓縮飽和土的壓縮，隨孔隙的體積減小，相應(yīng)土中水的體積減小。飽和土在壓飽和土在壓力作用下隨土中水體積減小的全過程，稱為土的力作用下隨土中水體積減小的全過程，稱為土的固結(jié)固結(jié)，或稱土的壓

2、密壓密。 計算地基沉降時必須取得土的壓縮性指標(biāo)，無論采用室內(nèi)試驗室內(nèi)試驗或原位測原位測試試來測定它們，應(yīng)當(dāng)力求試驗條件與土的天然狀態(tài)及其在外荷作用下的實際應(yīng)力條件相適應(yīng)。 Dr. Han WX3 土壓縮變形的本質(zhì)土壓縮變形的本質(zhì)n 土的壓縮性是指土在壓力作用下體積縮小的特性n 土體的壓縮變形實際上是孔隙壓縮、孔隙比變小所造成的。n 在土的壓縮過程中，假定土顆粒是不可壓縮的，水是不可壓縮的， 只有孔隙可以壓縮。n 對飽和土而言，土的壓縮主要是由孔隙中的水被擠出所致，壓縮過程同排水過程一致。n 孔隙水排出，土的壓縮隨時間而增長的過程，稱為土的固結(jié)。 Dr. Han WX4 室內(nèi)試驗室內(nèi)試驗測定土的

3、壓縮性指標(biāo)，常用不允許土樣產(chǎn)生側(cè)向變形，即側(cè)限條件的固結(jié)試驗固結(jié)試驗，非飽和土只用于壓縮時，亦稱壓縮試驗壓縮試驗。 土的固結(jié)試驗土的固結(jié)試驗可以測定土的壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)a、壓縮模量壓縮模量Es等壓縮性指標(biāo)。室內(nèi)土樣在側(cè)限條件下所完成的固結(jié)，常稱為K0固結(jié)，K0為土的靜止側(cè)壓力系數(shù)，它是水平向有效應(yīng)力與豎向有效應(yīng)力之比的比例系數(shù)。通過室內(nèi)土的三軸壓縮試驗，可以測定土的彈性模量E,還可測定K0固結(jié)抗剪強度指標(biāo)。 原位測試原位測試測定土的壓縮性指標(biāo)，常用現(xiàn)場靜載荷試驗，它可以同時測定地基承載力和土的變形模量E0。一般淺層平板載荷試驗可以模擬在半空間地基表面作用著局部均布荷載，測試剛性承壓板穩(wěn)定沉降與

4、壓力的關(guān)系，從而利用地基沉降的彈性力學(xué)公式來反算土的變形模量。 對于深層土，采用深層平板載荷試驗深層平板載荷試驗或螺旋板載荷試驗螺旋板載荷試驗?，F(xiàn)場快速的原位測試，例如旁壓試驗旁壓試驗、觸探試驗觸探試驗等。 Dr. Han WX5 1. 1.固結(jié)試驗和壓縮曲線固結(jié)試驗和壓縮曲線 壓縮曲線壓縮曲線是土的孔隙比與所受壓力的關(guān)系曲線。 Dr. Han WX側(cè)限壓縮試驗圖 -1 縮儀的壓縮容 器簡圖5壓底座環(huán)刀荷載土 樣加壓活塞剛性護環(huán)透 水 石 4.2.1 固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)6 Dr. Han WXiiwsiiieHGeeHHeeeHHeHeHAVs111 1110000001

5、01100其中：不變，受壓前后AeHVs001v壓縮曲線壓縮曲線是室內(nèi)壓縮實驗的成果，它是土的孔隙比e與所受壓力P的關(guān)系曲線4.2.1 固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo) 1. 1.固結(jié)試驗和壓縮曲線固結(jié)試驗和壓縮曲線7 1. 1.固結(jié)試驗和壓縮曲線固結(jié)試驗和壓縮曲線 Dr. Han WX4.2.1 固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)8 1. 1.固結(jié)試驗和壓縮曲線固結(jié)試驗和壓縮曲線 Dr. Han WX4.2.1 固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)9 1. 1.固結(jié)試驗和壓縮曲線固結(jié)試驗和壓縮曲線 Dr. Han WX4.2.1 固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)10

6、4.2.1 固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo) 2. 2.土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù) 土的壓縮系數(shù)土的壓縮系數(shù)是土體在側(cè)限條件下孔隙比減小量與豎向有效壓應(yīng)力增量的比是土體在側(cè)限條件下孔隙比減小量與豎向有效壓應(yīng)力增量的比值，即值，即e-pe-p曲線中某一壓力段的割線斜率曲線中某一壓力段的割線斜率。 地基中計算點的壓力段應(yīng)取土中自重應(yīng)力至自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和范圍。曲線愈陡，說明隨著壓力的增加，土孔隙比的減小愈顯著，因而土的壓縮性愈高。所以，曲線上任一點的切線斜率就表示相應(yīng)于壓力p作用下土的壓縮性： = -de/dp Dr. Han WX2121tanppeepe114.2

7、.1 固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo) 2. 2.土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)土的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù) 為了比較，通常采用壓力段由p1=0.1MPa(100kPa)增加到p2=0.2MPa(200kPa)時的壓縮系數(shù)卸探評定土的壓縮性如下； 當(dāng) 1-2 0.1MPa-1時，為低壓縮性土； 0.1 1-2 O.5MPa-1時，為中壓縮性土； 1-2 0.5MPa-1時，為高壓縮性土。 土土的壓縮指數(shù)的壓縮指數(shù)是土體在側(cè)限條件下孔隙比是土體在側(cè)限條件下孔隙比減小量與豎向有效壓應(yīng)力常用對數(shù)值增量的比值，減小量與豎向有效壓應(yīng)力常用對數(shù)值增量的比值，即即e-logpe-logp曲線中某一壓力段的直線斜率

8、曲線中某一壓力段的直線斜率。 壓縮指數(shù)Cc值越大，土的壓縮性越高。低壓縮性土的Cc一般小于0.2，Cc值大于0.44為高壓縮性土 Dr. Han WX)/log(loglog121221ppeppeeCc12 3 3土的壓縮模量和體積壓縮系數(shù)土的壓縮模量和體積壓縮系數(shù) 根據(jù)e-p曲線，可以求算另一個壓縮性指標(biāo)壓縮模量Es。土體在側(cè)限條件土體在側(cè)限條件下豎向附加壓應(yīng)力與豎向應(yīng)變的比值下豎向附加壓應(yīng)力與豎向應(yīng)變的比值稱為稱為壓縮模量壓縮模量，或稱側(cè)限模量土的壓縮模量Es可根據(jù)下式計算： 如果壓縮曲線中的土樣孔隙比變化e=e1-e2為已知，則可反算相應(yīng)的土樣高度變化H=H1-H2 (如圖)。于是 H

9、2=H1-H 則： 1121121121111 1 11HeeeHeeeHHeHHeH11 eEs4.2.1 固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo) Dr. Han WX13 3 3土的壓縮模量和體積壓縮系數(shù)土的壓縮模量和體積壓縮系數(shù) 由于e=p 則： 土的壓縮模量Es值越小，土的壓縮性越高。 體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù)m mv v是土體在側(cè)限條件下體積應(yīng)變與豎向壓應(yīng)力增量之比，是土體在側(cè)限條件下體積應(yīng)變與豎向壓應(yīng)力增量之比，即在單位壓力增量作用下土體單位體積的體積變化即在單位壓力增量作用下土體單位體積的體積變化。 111HepH111/eHHpEspHHpeeemv1121/)1 (111e

10、Emsv4.2.1 固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo) Dr. Han WX144.2.1 固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo) 4. 4.土的回彈再壓縮曲線土的回彈再壓縮曲線 Dr. Han WX154.2.1 固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo)固結(jié)試驗及壓縮性指標(biāo) 正常固結(jié)線 回彈再壓縮線 Dr. Han WXlogCezclogCezs164.2.2 4.2.2 現(xiàn)場載荷試驗及變形模量現(xiàn)場載荷試驗及變形模量 土的壓縮性指標(biāo)，除從室內(nèi)試驗測定外，還可以通過現(xiàn)場原位測試取得?？梢酝ㄟ^載荷試驗載荷試驗或旁壓試驗旁壓試驗所測得地基沉降(或土的變形)與壓力之間近似的比例關(guān)系，從而利用地基沉降的彈性力學(xué)

11、公式來反算土的變形模量。 1 1淺層平板載荷試驗及變形模量淺層平板載荷試驗及變形模量 地基土的淺層平板載荷試驗是工程地質(zhì)勘察工作中一項基本的原位測試。試驗前先在現(xiàn)場試坑中豎立載荷架，使施加的荷載通過承壓板傳到地層中，以便測試淺部地基應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)的土的力學(xué)性質(zhì)，包括測定土的變形模量、地基承載力以及研究土的濕陷性質(zhì)等。 平板載荷試驗裝置構(gòu)造一般由加荷穩(wěn)壓裝置、反力裝置及觀測裝置三部分組成。 加荷穩(wěn)壓裝置加荷穩(wěn)壓裝置包括承壓板、立柱、加荷千斤頂及穩(wěn)壓器； 反力裝置反力裝置包括地錨系統(tǒng)或避重系統(tǒng)等； 觀測裝置觀測裝置包括百分表及固定支架等。 Dr. Han WX174.2.2 現(xiàn)場載荷試驗及變形

12、模量現(xiàn)場載荷試驗及變形模量 1 1淺層平板載荷試驗及變形模量淺層平板載荷試驗及變形模量 荷載試驗的觀測標(biāo)準(zhǔn)： (1)每級加載后，按間隔10、10、10、15、15分鐘，以后為每隔半小時讀次沉降量，當(dāng)連續(xù)兩小時內(nèi)，每小時的沉降量小于0.1mm時，則認(rèn)為已趨穩(wěn)定，可加下一級荷載； Dr. Han WX184.2.2 現(xiàn)場載荷試驗及變形模量現(xiàn)場載荷試驗及變形模量 1 1淺層平板載荷試驗及變形模量淺層平板載荷試驗及變形模量 (2)當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，即可終讓加載：承壓板周圍的土有明顯的側(cè)向擠出(砂土)或發(fā)生裂紋(粘性土和料土)；沉降s急驟增大，荷載沉降(p-s)曲線出現(xiàn)陡降段；在某一級荷載下，24小

13、時內(nèi)沉降速率不能達到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；sb0.06(b為承壓板的寬度或直徑)。 Dr. Han WX194.2.2 現(xiàn)場載荷試驗及變形模量現(xiàn)場載荷試驗及變形模量 1. 1.淺層平板載荷試驗及變形模量淺層平板載荷試驗及變形模量 地基土的變形模量地基土的變形模量： E0=（1-2）bp1/s1 Dr. Han WX204.2.2 現(xiàn)場載荷試驗及變形模量現(xiàn)場載荷試驗及變形模量 2 2深層平板載荷試驗及變形模量深層平板載荷試驗及變形模量 深層平板載荷試驗可用于測試地基深部土層及大直徑樁樁端土層，在承壓板下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)的承載力及變形模量。承壓板采用直徑為0.8m的剛性板，緊靠承壓板周圍外側(cè)的土層高度應(yīng)不少

14、于80cm；加荷等級可按預(yù)估極限荷載的(1/10)-(1/15)分級施加，最大荷載宜達到破壞，不應(yīng)少于荷載設(shè)計值的兩倍。每級加荷測讀時間間隔及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)與淺層平板載荷試驗一樣。至于終止加載標(biāo)準(zhǔn)：沉降s急驟增大，p-s曲線上有可判定極限荷載的陡降段，且沉降量超過0.04d(d為承壓板直徑)；在某級荷載下，24小時內(nèi)沉降速率不能達到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)持力層土質(zhì)堅硬，沉降量很小時，最大加載量不小于荷載設(shè)計值的2倍。 土的變形模量土的變形模量E0的計算公式的計算公式如下： E0=I(1-2)bp1/s1 其中 I =0.5+0.23d/z Dr. Han WX214.2.2 現(xiàn)場載荷試驗及變形模量現(xiàn)場載荷試驗

15、及變形模量 2 2深層平板載荷試驗及變形模量深層平板載荷試驗及變形模量 深層平板載荷試驗可用于測試地基深部土層及大直徑樁樁端土層，在承壓板下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)的承載力及變形模量。承壓板采用直徑為0.8m的剛性板，緊靠承壓板周圍外側(cè)的土層高度應(yīng)不少于80cm；加荷等級可按預(yù)估極限荷載的(1/10)-(1/15)分級施加，最大荷載宜達到破壞，不應(yīng)少于荷載設(shè)計值的兩倍。每級加荷測讀時間間隔及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)與淺層平板載荷試驗一樣。至于終止加載標(biāo)準(zhǔn)：沉降s急驟增大，p-s曲線上有可判定極限荷載的陡降段，且沉降量超過0.04d(d為承壓板直徑)；在某級荷載下，24小時內(nèi)沉降速率不能達到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)持力層土質(zhì)堅硬

16、，沉降量很小時，最大加載量不小于荷載設(shè)計值的2倍。 土的變形模量土的變形模量E0的計算公式的計算公式如下： E0=I(1-2)bp1/s1 其中 I =0.5+0.23d/z Dr. Han WX224.2.2 現(xiàn)場載荷試驗及變形模量現(xiàn)場載荷試驗及變形模量 3 3變形模量與壓縮模量的關(guān)系變形模量與壓縮模量的關(guān)系 土的變形模量土的變形模量E E0 0 是土體在無側(cè)限條件下的應(yīng)力與應(yīng)變的比值是土體在無側(cè)限條件下的應(yīng)力與應(yīng)變的比值； 土的壓縮模量土的壓縮模量E Es s 則是土體在側(cè)限條件下的應(yīng)力與應(yīng)變的比值則是土體在側(cè)限條件下的應(yīng)力與應(yīng)變的比值。 E0與Es兩者在理論上是完全可以互相換算的。 從側(cè)

17、向不允許膨脹的壓縮試驗土樣中取一單元進行分析(如圖)。在z軸方向的壓力作用下，試樣中的豎向正應(yīng)力為z，由于試樣的受力條件屬軸對稱問題，所以相應(yīng)的水平向正應(yīng)力x=y，按式(32)為： x=y=K0z (411) K0是土的側(cè)壓力系數(shù)或靜止土壓力系數(shù)，通過側(cè)限條件下的試驗測定，通常用單向固結(jié)儀中或特定的三軸壓縮儀中進行K0固結(jié)試驗測定。 Dr. Han WX234.2.2 現(xiàn)場載荷試驗及變形模量現(xiàn)場載荷試驗及變形模量 3 3變形模量與壓縮模量的關(guān)系變形模量與壓縮模量的關(guān)系 當(dāng)無試驗條件時，采用表4-1所列的經(jīng)驗值。其值一般小于1，如果地面是經(jīng)過剝蝕后遺留來的，或者所考慮的土層曾受過其他超固結(jié)作用，

18、則K0值可大于1 Dr. Han WX24 3 3變形模量與壓縮模量的關(guān)系變形模量與壓縮模量的關(guān)系 分析沿x軸方向的應(yīng)變x，由z、y、x分別引起的應(yīng)變z / E0、-y / E0、 -x / E0三部分組成(負(fù)號表示伸長,為土的泊松比)。由于土樣是在不允許側(cè)向膨脹條件下進行試驗的，所以， x = y = 0，于是： (4-12) 將式(411)代入上式得出土的側(cè)壓力系數(shù)側(cè)壓力系數(shù)K0與泊松比與泊松比 的關(guān)系如下的關(guān)系如下： K0= / (1- ) (4-13a) =K0/(1+K0) (4-13b) 分析沿z軸向應(yīng)變z得： (4-14)根據(jù)側(cè)限條件 z=z / Es 則 E0= Es (4-1

19、5) 式中 =1-2K00000EEExyzx0000EEExyzx4.2.2 現(xiàn)場載荷試驗及變形模量現(xiàn)場載荷試驗及變形模量 Dr. Han WX25 土的彈性模量土的彈性模量是土體在無側(cè)限條件下瞬時壓縮的應(yīng)力應(yīng)變模量。 彈性力學(xué)解答了一個豎向集中力作用在半空間(半無限體)表面上，半空間內(nèi)任意點處所引起的六個應(yīng)力分量和三個位移分量見式(3-14a)至式(3-16c)，其中位移分量包含了土的彈性模彈性模量量和泊松比泊松比兩個參數(shù)。32232323225223232252cos2323)()2()(32123)()2()(32123RPRzPzRRzRyzRRzRzRRzyPzRRzRxzRRzR

20、zRRzxPzyx23522352235cos2323cos2323)()2(32123RPxRxzPRPyRyzPzRRzRxyRxyzPxzzxzyyzyxxyRRzEPuzRRyRyzEPvzRRxRxzEPu1)1 (2)1 ()()21 (2)1 ()()21 (2)1 (32334.2.3 4.2.3 土的彈性模量土的彈性模量 Dr. Han WX264.2.3 土的彈性模量土的彈性模量 由于土并非理想彈性體，它的變形包括了可恢復(fù)的彈性變形彈性變形和不可恢復(fù)的殘余變形殘余變形兩部分(如圖)。因此，在靜荷載作用下計算土的變形時所采用的變形參數(shù)為壓縮模量壓縮模量或變形模量變形模量。 在

21、側(cè)限條件假設(shè)下，通常地基沉降計算的分層總和法公式都采用壓縮模量；當(dāng)運用彈性力學(xué)公式時，則用變形模量或彈性模量進行變形計算。 如果在動荷載(如車輛荷載、風(fēng)、地震)作用時，仍采用壓縮模量或變形模量計算土的變形，將得出與實際情況不符的偏大結(jié)果，其原因是沖擊荷載或反復(fù)荷載每一次作用的時間短暫，由于土骨架和土粒未被破壞，不發(fā)生不可恢復(fù)的殘余變形，只發(fā)生土骨架的彈性變形，部分土中水排出的壓縮變形、封閉土中氣的壓縮變形，都是可恢復(fù)的彈性變形。所以彈性模量遠(yuǎn)大于變形模星。 Dr. Han WX274.2.3 土的彈性模量土的彈性模量 確定土的彈性模量的方法，一般采用室內(nèi)三軸壓縮試驗室內(nèi)三軸壓縮試驗或單軸壓縮無

22、側(cè)限單軸壓縮無側(cè)限抗抗壓強度試驗壓強度試驗得到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線所確定的初始切線模量(Ei或相當(dāng)于現(xiàn)場荷載條件下的再加荷模量(Er)。試驗方法如下： 采用取樣質(zhì)量好的原狀土樣，在三軸儀中進行固結(jié)，所施加的固結(jié)壓力3各向相等，其值取等于試樣在現(xiàn)場見固結(jié)條件下的有效自重應(yīng)力，即3=cx= cy。固結(jié)后在不排水的情況下，施加軸向壓力，達到現(xiàn)場條件下的有效附加應(yīng)力，=z，此時試樣中的軸向壓應(yīng)力為3+=1，然后減壓到零。 這樣重復(fù)加荷和卸荷若干次，如圖411所示，一般加、卸5-6個循環(huán)后，在主應(yīng)力差(1-3)與軸向應(yīng)變關(guān)系圖上測得Ei和Er。該圖還表明，在周期荷載作用下，土樣隨著應(yīng)變量增大而逐漸硬化。這

23、樣確定的再加荷模量Er就是符合現(xiàn)場條件下的土的彈性模量。 Dr. Han WX284.3.1 飽和土中的有效應(yīng)力原理飽和土中的有效應(yīng)力原理 在荷載作用下，土體中產(chǎn)生超孔隙水壓力，在排水條件下，隨著時間發(fā)展在荷載作用下，土體中產(chǎn)生超孔隙水壓力，在排水條件下，隨著時間發(fā)展，土體中水被排出，超孔隙水壓力逐步消散，土體中有效應(yīng)力逐步增大，土體中水被排出，超孔隙水壓力逐步消散，土體中有效應(yīng)力逐步增大直至超孔隙水壓力完全消散，這一過程稱為直至超孔隙水壓力完全消散，這一過程稱為固結(jié)固結(jié)。 A. A. 在不排水情況下在不排水情況下, 總應(yīng)力總應(yīng)力=有效應(yīng)力有效應(yīng)力+ + 孔隙水壓力孔隙水壓力u u 體積不變

24、B. B. 在排水情況下在排水情況下, 總應(yīng)力總應(yīng)力=有效應(yīng)力有效應(yīng)力 孔隙水排出，體積變小土體在固結(jié)過程中隨著土中水的排出，土體孔隙比減小，土體產(chǎn)生壓縮，體積變小。 Dr. Han WX294.3.1 飽和土中的有效應(yīng)力原理飽和土中的有效應(yīng)力原理 Dr. Han WX304.3.1 飽和土中的有效應(yīng)力原理飽和土中的有效應(yīng)力原理 Dr. Han WX314.3.1 飽和土中的有效應(yīng)力原理飽和土中的有效應(yīng)力原理 Dr. Han WXTotalStressTimeTimeExcessPorePressure324.3.1 飽和土中的有效應(yīng)力原理飽和土中的有效應(yīng)力原理 Dr. Han WXEffec

25、tiveStressTimeSettlementTime334.3.1 飽和土中的有效應(yīng)力原理飽和土中的有效應(yīng)力原理 Dr. Han WX固體顆粒的垂直接觸力：Fm = P1 +P2 + P3 +. 孔隙水壓力：Fw 電荷排斥力：R 電荷吸引力：Att 總應(yīng)力：上式改寫成同除以A得As遠(yuǎn)小于AAttRFFFwmsws*wws*AttR)AA(uAAttRAuAAAAttARAA1uAAAAttARA)AA(uAAsws*sws*AAttRuAAws*344.3.1 飽和土中的有效應(yīng)力原理飽和土中的有效應(yīng)力原理 Dr. Han WX應(yīng)用有效應(yīng)力公式：=+ u上式等于：有兩種情況：有兩種情況： I

26、 I 對于粗顆粒土，粉土，及低塑性粘土 電性很小，可以被忽略 有效應(yīng)力： IIII 對于強塑性、飽和、細(xì)分散的粘土 有效應(yīng)力：AAttRAAs*AAs*AAttR354.3.1 飽和土中的有效應(yīng)力原理飽和土中的有效應(yīng)力原理 Dr. Han WX總豎向應(yīng)力 總豎向應(yīng)力孔隙水壓力 孔隙水壓力有效應(yīng)力 有效應(yīng)力zsatwsatwzzzzuwwwzzuz zzzuwsatwsatwwwwsatwwwwsatwzzzzzzzzzzzu364.3.2 土中水滲流時的土中有效應(yīng)力土中水滲流時的土中有效應(yīng)力 Dr. Han WX 圖(a)中表示土中B、C兩點有水頭差h，水白上向下滲流； 圖(b)表示土中B、C

27、兩點的水頭差也是h，但水自下向上滲流。土中的總應(yīng)力、孔隙水壓力u及有效應(yīng)力的計算值，及其分布示于圖中。不同情況水滲流時土中總應(yīng)力的分布是相同的，土中水的滲流不影響總應(yīng)力值。水滲流時土中產(chǎn)生滲流力，致使土中有效應(yīng)力及孔隙水壓力發(fā)生變化。土中水自上向下滲流時，滲流力方向與土重力方向一致，于是有效應(yīng)力增加，而孔隙水壓力相應(yīng)減小。反之，土中水自下向上滲流時，導(dǎo)致土中有效應(yīng)力減小，孔隙水壓力增加374.3.3 毛細(xì)水上升時的土中有效應(yīng)力原理毛細(xì)水上升時的土中有效應(yīng)力原理 Dr. Han WX Fz = weight of water the tension forces from capillary a

28、ction. 力平衡： 毛細(xì)水高度：由于T、對一定的液體是定值毛細(xì)水升高的高度和直徑成反比而土中孔隙大小和有效粒徑有關(guān)0cosdTz4dwc2wcdcosT4zd1zc10eqD%20d10eqDed384.3.1 飽和土中的有效應(yīng)力原理飽和土中的有效應(yīng)力原理 Dr. Han WX394.3.1 飽和土中的有效應(yīng)力原理飽和土中的有效應(yīng)力原理 Dr. Han WX 若已知土中毛細(xì)水的上升高度為hc，如圖，因為毛細(xì)水上升區(qū)中的水壓力u為負(fù)值(即拉應(yīng)力)，所以在毛細(xì)水彎液面底面的水壓力u=-whc，在地下水位面處u=0。則可分別計算土中各控制點的總應(yīng)力、孔隙水壓力u及有效應(yīng)力(列于表4-2)，并繪出

29、其分布圖示于下圖-15。404.4.1 飽和土的滲透（流）固結(jié)飽和土的滲透（流）固結(jié) Dr. Han WX 飽和土的固結(jié)包括滲透固結(jié)固結(jié)(主固結(jié))和次固結(jié)次固結(jié)兩部分。 前者由土孔隙中自由水的排出速度所決定；后者由土骨架的蠕變速度所決定 飽和土在附加壓力作用下，孔隙中相應(yīng)的一些自由水將隨時間而逐漸被排出，飽和土在附加壓力作用下，孔隙中相應(yīng)的一些自由水將隨時間而逐漸被排出，同時孔隙體積也隨著縮小，這個過程稱為同時孔隙體積也隨著縮小，這個過程稱為飽和土的滲透固結(jié)飽和土的滲透固結(jié)。 飽和土的滲透固結(jié)，可用彈簧活塞模型來說明。 在飽和土的固結(jié)過程中任一時間t，根據(jù)平衡條件，有效應(yīng)力與超孔隙水壓力u之和

30、總是等于作用在土中的附加應(yīng)力z，即： + u = z (418) 當(dāng)在加壓的那一瞬間 u=z, 所以 =0當(dāng)固結(jié)變形完全穩(wěn)定時，則 u = 0, = z 。 因此，只要土中孔隙水壓力還存在，就意味著土的滲透固結(jié)變形尚未完成。換而言之飽和土的固結(jié)就是孔隙水壓力的消散和有效應(yīng)力相應(yīng)增長的過程。414.4.2 太沙基一維固結(jié)理論太沙基一維固結(jié)理論 Dr. Han WX 土固結(jié)過程中，總應(yīng)力,有效應(yīng)力和超靜孔隙水壓力 u 之間服從: + u = Terzaghi(1924) 建立一維固結(jié)理論中作了下述假設(shè)： (1)土體是飽和的； (2)土體是均質(zhì)的； (3)土中固相 (土粒) 和液相 (孔隙水) 在固

31、結(jié)過程中體積是不可壓縮的； (4)土中水的滲流服從 Darcy 定律 (5)土中滲透系數(shù) k 是常數(shù)； (6)土體壓縮系數(shù)是常數(shù)； (7)外部荷載是一次瞬時施加的； (8)土體固結(jié)變形是小變形； (9)土中滲流和土體變形只發(fā)生在一個方向。 在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上， Terzaghi(1924) 建立了一維固結(jié)理論。許多新的固結(jié)理論是在減少上述假設(shè)約束的條件下發(fā)展起來的。42 根據(jù)上述假設(shè)，固結(jié)過程中，單元體 dxdydy在 dt 時間內(nèi)沿豎向排出的水量等于單元體在 dt 時間內(nèi)豎向壓縮量單元體在 dt時間內(nèi)排水量 dQ 表達式為根據(jù)Darcy定律 代入得：dzdxdydtzvdQzurkkivwd

32、zdxdydtzurkdQw224.4.2 太沙基一維固結(jié)理論太沙基一維固結(jié)理論 Dr. Han WX43 在單元體dt時間內(nèi)土的壓縮表達式 土體孔隙比改變與土體中有效應(yīng)力的關(guān)系， 即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 代入上式，并合并有效應(yīng)力 得： dzdxdydtdtdueadVv01vaeudzdxdydteetdV)1(04.4.2 太沙基一維固結(jié)理論太沙基一維固結(jié)理論 Dr. Han WX44 排水量dQ和壓縮量dV應(yīng)該相等，因此 記 此式為太沙基一維排水固結(jié)過程方程 dzdxdydtdzdurkdzdxdydtdtdueawv2201220)1 (dzduarekdtduvwmvwvwCmrkarek)

33、1 (022dzduCdtduv4.4.2 太沙基一維固結(jié)理論太沙基一維固結(jié)理論 Dr. Han WX45 采用分離變量法求解：0mv2dr0)TMexp(HMzsinMu2) t , z(u1m22M2drvvHtCT 4.4.2 太沙基一維固結(jié)理論太沙基一維固結(jié)理論 Dr. Han WX46 1.1.地基固結(jié)度地基固結(jié)度： 地基固結(jié)度地基固結(jié)度是指地基土層在某一壓力作用下，經(jīng)歷時間指地基土層在某一壓力作用下，經(jīng)歷時間t t所產(chǎn)生的固結(jié)所產(chǎn)生的固結(jié)變形量與最終變形量之比，或土層中（超）孔隙水壓力的消散程度，亦稱固結(jié)變形量與最終變形量之比，或土層中（超）孔隙水壓力的消散程度，亦稱固結(jié)比或固結(jié)百

34、分?jǐn)?shù)。比或固結(jié)百分?jǐn)?shù)。 固結(jié)度固結(jié)度 由于土層中某點的固結(jié)度對實際工程不好解決，為此引入某一層土的平均固結(jié)度00uuuUsUzcSzct4.4.3 地基固結(jié)度地基固結(jié)度 Dr. Han WXprofilepressureporeexcessinitialofAreaprofilepressureporeexcesscurrentofArea1U)/(100,HHztzzdzdzuabceadeabceabceabcdU應(yīng)力面積應(yīng)力面積應(yīng)力面積應(yīng)力面積應(yīng)力面積47 2.2.荷載一次瞬時施加情況的地基平均固結(jié)度荷載一次瞬時施加情況的地基平均固結(jié)度 將 代入平均固結(jié)度公式得： 上式括號的級數(shù)收斂很快，當(dāng) 時，可近似地取式中的第一項：.49exp914exp814exp1812223 , 12222vVzmmVzTTUTmm