《固结理论教程课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固结理论教程课件.ppt（23页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、2-4 固结理论,前面介绍的方法确定地基的沉降量，是指地基土在建筑荷载作用下达到压缩稳定后的沉降量，因而称为地基的最终沉降量。 然而，在工程实践中，常常需要预估建筑物完工及一般时间后的沉降量和达到某一沉降所需要的时间，这就要求解决沉降与时间的关系问题。这就适用固结理论。固结：饱和土体在外荷载作用下，孔隙水随着时间逐渐向外排出,土空隙体积相应减小,土颗粒排列更紧密,从而土密度增加,土基产生沉降, 这种土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。 下面简单介绍饱和土体依据渗流固结理论为基础解决地基沉降与时间的关系（最简单的单向固结）1925年太沙基提出,固结：饱和土体在某压力作用下，压缩随着孔隙水的逐渐
2、向外排出而增长的过程；一、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，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u。,一、单向固结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其内部的应力变化及弹簧的压缩过程，即土体的固结过程。,1、加荷之前：平衡,2、加荷瞬时t=0：=0, u0=p, h0=u0/rw,3、加荷经时间t后： 0, up, p=u+ ,4、时间t趋于无穷大： u=0, =p,从固结模型模拟的土体的固结过程可以看出： 在某一压力
3、作用下，饱和土的固结过程就是土体中各点的超孔隙水应力不断消散、附加有效应力相应增加的过程， 或者说是超孔隙水应力逐渐转化为附加有效应力的过程， 在这种转化的过程中，任一时刻任一深度上的应力始终遵循着有效应力原理，即p = u + 。 因此，关于求解地基沉降与时间关系的问题，实际上就变成求解在附加应力作用下，地基中各点的超孔隙水应力随时间变化的问题。因为一旦某时刻的超孔隙水应力确定，附加有效应力就可根据有效应力原理求得，从而，根据上节介绍的理论，求得该时刻的土层压缩量。,二、太沙基（Terzaghi）单向固结理论太沙基单向固结理论有下列一些基本假定：（1）土是均质、各向同性且饱和的；（2）土粒和
4、孔隙水是不可压缩的，土的压缩完全由孔隙体积的减小引起；（3）土的压缩和固结仅在竖直方向发生；（4）孔隙水的向外排出符合达西定律，土的固结快慢决定于它的渗流速度；（5）在整个固结过程中，土的渗透系数、压缩系数等均视为常数；（6）地面上作用着连续均布荷载并且是一次施加的。,不透水岩层上：均质、各向同性的饱和粘土层；连续均布荷载； t=0时： h0=u0/rw p/rw t=t时：顶面测压管h=u/rw ；底面与顶面测压管水头差dh;,t=t时：顶面流出 q； 底面流入:dt时间内净流出水量：,dt内，单元体上的有效应力增量为d/，则单元体体积的减小为,饱和粘土固结过程,由于在固结过程中，外荷保持不
5、变，因而在z深度处的附加应力也为常数，则有效应力的增加将等于孔隙水应力的减小,(2-129),饱和粘土固结过程,任何时刻t，任何位置z，土体中孔隙水压力u都必须满足该方程。反过来，在一定的初始条件和边界条件下，由式（ 2-129 ）可以求解得任一深度z在任一时刻t的孔隙水应力的表达式。,(2-129),所以,在假设土层受力后产生的压缩是进有垂直向渗水引起,则:,式（2129）在一定的边界条件下可求得解析解：对于图示的土层和受荷情况，其初始条件和边界条件为t=0以及0zH时， u0=p0t以及z=H时，q=0, 从而 t=以及0zH时，u=0 分离变量法求解：,式中，m正奇数（1，3，5.）；
6、Tv时间因数，无因次，表示为,其中，H为最大排水距离，在单面排水条件下为土层厚度，在双面排水条件下为土层厚度的一半。 式（ 2-143a ）表示土层和受荷情况在单向固结条件下，土体中孔隙水应力随时间、深度而变化的表达式。孔隙水应力是时间和深度的函数。任一时刻任一点的孔隙水应力可由式（ 2-143a ）求得。,(2-143a),三、固结度及其应用所谓固结度：就是指在某一附加应力下，经某一时间t后，土体发生固结或孔隙水应力消散的程度。对某一深度z处土层经时间t后，该点的固结度可用下式表示,式中：uo初始孔隙水应力，其大小即等于该点的附加应力p； ut时刻该点的孔隙水应力。某一点的固结度对于解决工程
7、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：,或者,式中：st经过时间t后的基础沉降量； s基础的最终沉降量。,(2-145),土层的平均固结度是时间因数Tv的单值函数，它与所加的附加应力的大小无关，但与附加应力的分布形式有关。,对图424所示的问题，附加应力为（沿竖向）均匀分布,(2-146a),为了使用的方便，将各种附加应力呈直线分布（即不同值）情况下土层的平均固结度与时间因数之间的关系绘制成曲线，如图426所示。或表2-9，P56,利用图426和式（2145），可以解决下列两类沉降计算问题：（1）已知土层的最终沉降量S，求某一固结历时t已完成的沉降St 1、由k
8、，av，e1，H和给定的t，算出Cv和时间因数Tv； 2、利用图426中的曲线查出固结度U； 3、再求得StSU。（2）已知土层的最终沉降量S，求土层产生某一沉降量St所需的时间t 1、平均固结度U=St/S； 2、图中查得时间因数Tv； 3、再按式t = H2 Tv / Cv求出所需的时间。,【例题】设饱和粘土层的厚度为10m，位于不透水坚硬岩层上，由于基底上作用着竖直均布荷载，在土层中引起的附加应力的大小和分布如图427所示。若土层的初始孔隙比e1为0.8，压缩系数av为2.510-4kPa，渗透系数k为2.0cm/a。试问:(1)加荷一年后，基础中心点的沉降量为多少？(2)当基础的沉降量
9、达到20cm时需要多少时间？,【解】（1）该圆该土层的平均附加应力为 z=(240+160)/2=200kPa,则基础的最终沉降量为 S=av /(1+e1)zH=2.5 10-4 200 1000 /(1+0.8) =27.8cm该土层的固结系数为 Cv=k(1+e1)/avw=2.0 (1+0.8) /0.000250.098 =1.47105cm2/a时间因数为 Tv=Cvt /H2=1.471051 /10002=0.147土层的附加应力为梯形分布，其参数 z/ z40 /160=1.5,由Tv及值从图426查得土层的平均固结度为0.45，则加荷一年后的沉降量为 St=US=0.452
10、7.812.5cm（2）已知基础的沉降为St=20cm，最终沉降量S=27.8cm则土层的平均固结度为 U=St /S=20 /27.8=0.72由U及值从图426（或表2-9，P56）查得时间因数为0.47，则沉降达到20cm所需的时间为 t=TvH2 /Cv=0.4710002 /1.471053.2年,四、沉降观测与预测1、沉降观测 软基需要观测，观测的内容一般有路基的沉降和路基外侧土体的位移，必要时要观测软基深部的位移。 边观测，边施工，是动态设计。目的：控制填土速率，确定路面铺筑时间 。,地表沉降观测groundsettlementobservation,2、沉降预测1）指数曲线法要
11、求恒载一年以上，计算时宜选择曲线变缓段，最初的一段和实际相差较大，尽量在曲线后段选择计算起始点，推算出来的最终沉降量越接近实测值。该方法适用于施工填土高度已达设计高程，并已经在施工期以后有较长时期的观测资料的路基沉降分析预测。,2）双曲线法最早由尼奇波罗维奇提出的，是目前常用的沉降变形推算计算方法之一，从沉降与时间曲线的后部分取任意两点，便可较理想地计算最终沉降量以及任意时间的沉降变形。双曲线法仅局限于沉降基本趋于稳定的曲线后段取点计算，在曲线前段应用便会出现较大偏差。TanTS和TanSA分别将双曲线法应用于大变形固结分析及竖井地基沉降确定，结果表明双曲线推算结果与实测值较接近。魏汝龙(19
12、93年)根据一个工程实例的检验，认为软黏土压缩曲线的整个形状更加符合双曲线。国内不少工程也采用了双曲线法沉降推算方法。也有不少学者在此基础上，根据特定的工程条件，对传统双曲线法进行改进，如泊松比双曲线法、修正双曲线法及复合双曲线法。,1）泊松比双曲线法：采用公式ytc(1+ae-bt)来拟合沉降曲线，其表达式能反映线性加载或近似线性加载情况下沉降量与时间的关系。2）在一般双曲线法基础上，修正双曲线法对时间起点选择及公式进行了相应的修正。3）复合双曲线法是利用沉降观测曲线中连续几次观测填土高度不变的段落，所对应的沉降量观测值，用双曲线法来推得该填土高度下的最终沉降量S1: 先假定地基土为线弹性变形，即最终沉降量与填土高度(荷载)呈线性关系，以此获得单位填土高度所引起的最终沉降量。考虑到实际土体变形的非线性，乘以修正系数，从而推算出设计填土高度H2与实际填土高度H1之差所引起的最终沉降量s，这样就可以得到设计填土高度下路基的最终沉降量。,
