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1、第5章 土的沉降与固结,5.1 概述5.2 地基沉降的计算方法5.3 单向固结的普遍方程及推广的太 沙基（Terzaghi)固结理论5.4 拟多维固结论理及比奥（Biot)固结理论,5.1 概述,压缩、沉降与固结 研究历史与发展 土的压缩的机理 土的压缩性的参数 影响土的压缩性的因素5.1.6 引起地基沉降的原因5.1.7 沉降的分类：瞬时沉降、固结沉降 和次固结沉降,压缩：平均应力 p增加，使土的体积减少(体缩、收缩）沉降：地基竖直向下的位移，主要是由于压缩引起的（也可能由于剪缩与形变）固结：土体完成压缩变形要经历一段时间过程。对于饱和土，荷载增加时引起孔隙水压力增加部分孔隙水从土体中排出土
2、中孔隙水压力相应地转为土粒间的有效应力土体一般是逐渐压缩（反之，应力解除一般引起膨胀）。直至变形趋于稳定。这一变形的全过程称为固结,压缩、沉降与固结,5.1.2 研究历史与发展压缩,1.单向压缩变形分层总和法2.考虑三向变形的沉降计算3.考虑土的应力历史、应力路径等因素的沉降计算4.非线性弹性模型、弹塑性模型的有限单元法计算及其它数值计算方法,5.1.2 研究历史与发展固结,1.太沙基(Terzaghi)的饱和土体一维固结理论：假设。2.太沙基与伦杜立克（Rendulic）的拟三向固结方程，其中假设了固结过程中总应力（正应力之和）为常量。3.比奥（Biot）考虑了三向变形材料与孔隙压力的相互作
3、用，导出比较完善的三向固结方程。4.比奥固结理论与各种本构模型的耦合。5.非饱和土的固结问题。6.非饱和土的流固耦合的渗流固结问题。,5.1.3 土中水的变化与土的压缩,土体变形一般是孔隙中流体体积变化的结果。,土中水重Ww,饱和度变化；孔隙比变化；水容重变化；土粒容重变化。后二者是微不足道的。,土中水重的几种变化,1,4,3,2,（1）e与Sr均为常量；稳定渗流。（2）Sr为常量（1）,e变化；饱和 土体的渗流固结问题。（3）e为常量,Sr变化；非饱和土体积恒定 时的排水（减小）或吸水（增大）。（4）e与Sr均变化；非饱和土的压缩与膨胀 问题。,土中水总重量的几种变化,5.1.4 单向压缩试
4、验的各种参数,压缩系数：av体积压缩压缩系：mv（侧限）压缩模量：Es压缩指数：Cc回弹（再压缩）指数：Ce次压缩系数：C,5.1.4 单向压缩试验的各种参数,p,e,图51 压缩系数与压缩模量,5.1.4 单向压缩试验的各种参数,lg p,e,图52 压缩指数与回弹指数,次压缩系数C,e,lgt,时间,图53 次压缩系数,1）土粒粒度、矿物成分和土体结构,粗粒土 在压力作用下，土粒发生滑动与滚动，位移到比较密实、更稳定的位置 如果压力较大，其压缩有可能是部分土粒被压碎,粗粒土的压缩一般比细粒土的要小，但在高压时也能达到相当的量级。,细粒土 颗粒间的水膜被挤薄，土粒间发生相对滑移达到较密实状态
5、，扁平薄土粒具有弹性，在压力下产生挠曲变形。分散结构的粘土颗粒，主要由于颗粒间的孔隙水被挤出。具絮凝结构的沉积粘土，主要由于结构破坏和土粒发生弹性挠曲。,1土体本身性状,5.1.5 影响土的压缩性的因素,2）有机质,（1）泥炭（有机质含量大于60）；泥炭质土（有机质含量10%60）；垃圾土。（2）与龄期、降解有关。（3）含水率很高（w=100900）。（4）孔隙比大（e=1.05.0）。（5）比重Gs低。（6）液、塑限大。（7）渗透系数比较大：（k=103105cm/s）。（8）水平渗透系数为垂直向的1.53倍。（9）这类土的压缩性极高，但固结较快。,3）孔隙水,（1）孔隙水中阳离子浓度高、价
6、数高，结合水膜薄，压缩性(大？小？)。（2）如果土中含有膨胀性粘土矿物，当孔隙水中的阳离子性质和浓度变化，使粘结水膜厚度减薄时，土的膨胀性与膨胀压力均将减小；反之亦然。,2环境因素,1）应力历史 固结,2）温度对主固结有一定影响。对于含有机质的土影响大。对于次固结（蠕变）影响大。,e,p,图54 应力历史:正常固结土与超固结土,5.1.5 影响土的压缩性的因素,升温后压缩曲线下移；反之，则曲线上移。（温度提高，水的黏性减小，易于压缩）,升温,降温,图56 固结中的升温与降温,不同温度超固结有机质粘土的典型固结曲线温度对次压缩（蠕变）曲线的影响,图56 超固结有机土的固结曲线,5.1.6 引起地
7、基沉降的原因,1.建筑物荷重2.环境荷载3.其它环境原因,1.建筑物荷重,土体形变：瞬时完成,压缩或者剪缩：土体固结时孔隙比（或者体积）发生变化：随时间而发展（固结）,图57 体变与形变,2.环境荷载,土体干缩：取决于土体失水后的性质。易形成硬壳层。地下水位下降：土层有效应力（重量）增大，沉降随时间而发展：一些城市地面下沉。,3.其它环境原因,（1）振动引起土粒重排列，甚至液化、震陷：视振动 性质与土的密度、含水量而异。（2）土体浸水湿陷或软化，结构破坏丧失粘聚力或结 构破坏、矿物软化。（3）膨胀土遇水膨胀；失水收缩。（4）地下洞穴（土洞）及冲刷：不规则、有可能很严 重。（5）化学或生物化学腐
8、蚀。（6）矿井（采空区）、地下管道垮塌、基坑开挖：可 能很严重。（7）整体剪切、形变蠕变、滑坡，不规则。（8）冻融变形：随土的湿度与温度而变，不规则。,5.1.7 沉降的分类：瞬时沉降、固结沉降 和次固结沉降,S=Si+ScSs,图58 瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降,H,B,E,圆形荷载直径B,1.瞬时沉降Si的确定,图59 地基上的局部荷载,发生在加荷的瞬时。对于砂土，即是全部沉降；对于饱和粘土，即为不排水条件下土体形变引起的沉降（无体积变化）。,（1）与H/(B/2)有关一维压缩的假设条件H/a=0；（2）与泊松比 有关,0.5，全部为瞬时沉降。,瞬时沉降/最终沉降,图510 瞬时沉降的
9、确定,(1)瞬时沉降的弹性理论算,弹性半无限空间,地面距集中荷载作用点距离r处的地面沉降S,P,r,图511 集中荷载的瞬时沉降,（2）矩形均布荷载q柔性基础下的瞬时沉降,I:影响（修正）系数，与形状、计算点位置有关。,q,B,图512 矩形均布荷载的瞬时沉降,修正系数I的影响因素,（3）考虑地基有限厚度和基础埋深的瞬时沉降,0：考虑基础埋深D的修正系数；1：考虑地基压缩层H的修正系数。对于饱和粘土，泊松比 为0.5。,系数 0 与1取决于：基础形状：圆、方、条基础长宽比：L/B压缩层厚度:H/B基础埋深:D/B,图513 基础埋深和层厚的修正系数,（4）瞬时沉降的修正：由于设计地基土非弹性，
10、可能屈服，除以小于1的修正系数sR,沉降比 SR确定根据：极限承载力qult与初始剪应力比f,土层厚度/基础宽度h/B,瞬时沉降的修正SR,h/B=0.5,h/B=1.0,h/B=1.5,初始剪应力比f,图514 瞬时沉降的修正SR,瞬时沉降计算的程序,图515 瞬时沉降计算的程序,2.（主）固结沉降Sc,（1）土体在外荷作用下产生的超静水压力u。（2）迫使土中水外流，土孔隙减小。（3）形成的地面下沉。（4）由于孔隙水排出需要时间，固结沉降是时 间的函数。（5）它是饱和粘土沉降的主要部分。,3.次压缩沉降Ss,（1）它基本上发生在土中超静水压力完全消散 以后，是在恒定有效应力下的沉降。（2）它源于土的流变性。（3）时间引起的“等效超固结压力”称拟似先 期固结压力，它们可能是由于土承担恒定 长期荷载引起了次压缩等所导致的。（4）或是风化与胶结，孔隙水水质变化（水中 离子改变）等。,次固结系数C,图516 次固结沉降的确定,t，tc从主固结过程开始起算的时间和主固结完成时的时间。,次固结沉降的计算,沉降计算,（1）（2）（3）（4）,
