水土耦合固结沉降分析-课件PPT(演示稿)-文档资料

0
Pa Pk Pf
压力
P
S
Pf 破坏荷载 A
Pk极限荷载
Pl 比例极限
D
S 沉降量
13
二、试验结果处理
弹性地基沉降公式（OA段）
均布荷载P下：
S (1v2)PB
E
圆形压板 方形压板
E0
1v2
4S
pB
1v2
E0 2 S pB
E0
B为压板直径 B为压板短边宽度
14
§ 4.4 地基沉降(settlement)计算
欠固结土 OCR<1 超固结土 OCR>1
eCClgp0
p p0
p0
e C clg p 0p 0 p C clg p p 0 c C clg p 0p c p
eCClgp0p cpCSlgp p0 c
10
§4.3 试验方法测定土的变形模量 （modulus of deformation）
1. 基本原理
• 基本假设
（1）基础中心处的沉降代表基础的沉降。
（2）中心土柱完全侧限，其压缩量为沉降。
ΔS1
• 沉降计算
ΔS2
hc
n
ΔS3
S dS dS Si
ΔS4
0
0
i1
• 计算深度
z
dS
（1）桥规： qzi 5z
建规： Sz Shc /40
（2）至不可压缩的土（岩）层。
ΔS8
17
2. 计算步骤
p1
p
标准压缩系数a1-2
0.1
0.5
低压缩性 中压缩性
高压缩性
a12 /MPa1
6
说明： （1）在整个曲线上av不是常数，也就是说av与压力大 小有关。 （2）av是衡量土压缩性的一个重要指标，av大表示土 的压缩性大，av小表示土的压缩性小（即压缩曲线的 平缓程度）。 （3）根据试验所得压缩曲线，可以推求在一定压力作 用下，土样的下沉量。

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• 6.3 常用沉降计算方法
•
地基沉降的原因很多，但其主要原因主要有两个方面：一是建筑物荷载在地基中产生
的附加应力；二是土的压缩特性。目前，国内外关于地基沉降量的计算方法很多，主
要分为4类，即弹性理论法、工程简化方法、经验方法和数值计算方法。
•
下面主要介绍国内常用的几种实用沉降计算方法，即弹性理论法、分层总和法和应力
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二、分层总和法
• 一般情况下，实际工程所遇到的地基土层都是成层的，每 层土的压缩特性各不相同，且压缩模量随深度而变化。因 此，在计算地基最终沉降量时，应分别予以对待。
• 分层总和法是将地基土分成 若干水平土层，分别计算各 层土的压缩量，然后叠加起 来，即为地基总的沉降量， 即
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影响数I1和I2值，表6-2为地面（z=0）处沉降影响数I1的值
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6.3 常用沉降计算方法
对饱和软粘土地基，在不排水条件下，μ＝0.5。
则对于圆形荷载中心，沉降表达式为（查表6-2, I1=2）：
s中心
1.5 pb ＝0.75 pB
E
E
对于圆形荷载边缘处地面沉降表达式为（查表6-
2,
在荷载作用下砂土地基 的沉降很 快完成，与软粘土地基比较，其沉降值也 较小。在应用弹性理论计算式计算沉降时， 弹性参数通常根据土体的类别和它的密实 度来选用。砂土的弹性参数可参考表6-5选 用。
饱和软粘土地基 在荷载作用下的
初始沉降是处于不排水状态、土体体积不
图6-4 E50值的确定
变采用而弹产性生理论侧计向算式变计形算时引泊起松比的一沉般可降取。0.5，不排水变形模量（杨氏模量）可
式中 E——土体变形模量；

t
Sc：主固结沉降
•初始沉降(瞬时沉降) Sd
•有限范围的外荷载作用下地基由于 S
发生侧向位移(即剪切变形)引起的 。•主固结沉降(渗流固结沉降) Sc
Ss: 次固结沉降
•由于超孔隙水压力逐渐向有效应力转化而发生的土浸透固结变形引起的。
••次固结是沉地降基变S形s 的主要部分。
•主固结沉降完成以后，在有效应力不变条件下，由于土骨架的蠕变特性引 起的变形。这种变形的速率与孔压散失的速率无关，取决于土的蠕变性质，
'(kPa )
中压缩性土 低压缩性土
0.1-0.5 <0.1
§4土的紧缩性与地基沉降计算
§4.2 一维紧缩性及其目的 一、e - σ′曲线
单向紧缩实验的各种参数的关系
指标
指标
a
a
1
mv
a/(1+e0)
Es
(1+e0)/a
mv
Es
mv(1+e0) 1
1/mvΒιβλιοθήκη (1+e0)/Es 1/Es 1
§4土的紧缩性与地基沉降计算
侧限条件下:
那 么:
x y 0;
x
y
1
z
z z E 1 E 1 2 E z 11 2 2
E
z z
1
22 1
EEs,
122 1 1
E < Es
§4土的紧缩性与地基沉降计算 §4.1变形特性测试方法
三、普遍应力－应变关系及本构模型
1.土变形的物理机制〔缘由〕
土受力以后为什么会表现出上述变形特性？
土的变形特性 与地基沉降计算
§4土的紧缩性与地基沉降计算
工程实例

由三相草图：
e e0 e
1
孔隙
固体 颗粒
S H0
H0 1 e0 H0 S 1 e
e
e0
(1
e0
)
S H0
可得到e-p关 系
20
§5.3 一维压缩性及其指标
e-p曲线
压缩系数
KPa-1，MPa-1
e
1.0
0.9
e
0.8
p
0.7
a e p
不同土的压缩系数不同，
a越大，土的压缩性越 大
同种土的压缩系数a不
体应变主要由孔隙体积变化引起 剪应变主要由土颗粒的大小和排列形态变化引起
13
§5.2 土的压缩性测试方法
固结容器：
环刀、护环、导环、透水 石、加压上盖和量表架等
加压设备：杠杆比例1:10 变形测量设备
侧限压缩（固结）仪
变形测量 固结容器
加
压
设
支架
备
14
§5.2 土的压缩性测试方法
侧限压缩试验
§5.1 概述
§5.3 一维压缩性及其指标 §5.4 地基的最终沉降量计算 §5.5 饱和土体的渗流固结理论
12
§5.2 土的压缩性测试方法
土体变形的机理
土体的变形特性
土体的特点：散粒体
▪ 弹性变形
• 接触点处弹性变形 • 弹性挠曲变形 • 颗粒翻转的可逆性 • 封闭气泡受压
▪ 塑性变形
• 大孔隙消失 • 接触点颗粒破碎 • 颗粒相对滑移 • 扁平颗粒断裂
是常数，与应力p有关
通常用a1-2即应力范围为
100-200 kPa的a值对不
0.6
0 100 200 300 p(kPa)

当z=0m，σsD=19.5×2=39（kPa） z=1m，σsz1=39+19.5×1=58.5（kPa） z=2m，σsz1=58.5+20×1=78.5（kPa） z=3m，σsz1=78.5+20×1=98.5（kPa） z=4m，σsz1=98.5+20×1=118.5（kPa） z=5m，σsz1=118.5+20×1=138.5（kPa） z=6m，σsz1=138.5+18.5×1=157（kPa） z=7m，σsz1=157+18.5×1=175.5（kPa）
（一）计算原理
规范推荐法一般按地基土的天然分层面划分计算土层， 引入土层平均附加应力的概念，通过平均附加应力系数，
将基底中心以下地基中zi-1-zi深度范围的附加应力按等面积
原则化为相同深度范围内矩形分布时的分布应力大小，再 按矩形分布应力情况计算土层的压缩量，各土层压缩量的 总和即为地基的计算沉降量。基础的平均沉降量可表示为:
0.524 0
0.0506
6848
5.0
4.0
0.111 4
0.557 0
0.033
4393
6.0
4.8
0.096 7
0.580 2
0.0232
3147
7.0
5.6
0.085 2
0.596 4
0.0162
2304
7.6
6.08
0.080 4
0.611 0
pp0t.精01选 46 版 35000
(cm)
次固结沉降是指主固结过程（超静孔隙水压力消散过 程）结束后，在有效应力不变的情况下，土的骨架仍随 时间继续发生变形。这种变形的速率取决于土骨架本身 的蠕变性质。

3、弹性模量E：由三轴仪测定，常用于弹性理论公式 估算建筑物的初始瞬时沉降。
4、Es 和E0的应变为总的应变（包括弹性应变和塑性 应变）；而E的应变只有弹性应变。
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A)地基沉降的外因:通常认为地基土层在自重作 用下压缩已稳定，主要是建筑物荷载在地基中 产生的附加应力。
z0
A
施工前z0
p A
e ap
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四、关于三种模量的讨论
1、压缩模量Es：是根据室内侧限压缩试验得到的，是 土在完全侧限的条件下，竖向正应力与相应的变形稳定情 况下的正应变的比值。用于地基最终沉降计算。
2、变形模量E0 ：由现场变形荷载试验测定，是土在 侧向自由膨胀条件下的正应力与正应变的比值。用于弹性 理论法最终沉降估算。
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4.2.2 《规范》法
由《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2002）提出
分层总和法的另一种形式
沿用分层总和法的假设，并引入平均附加应力系数和地 基沉降计算经验系数
szzd z 1 zd z A
0Es
Es 0 z
Es
深度z范围内的 附加应力面积
附加应力面积
n
s si i1
（3）计算△si ，假设地基土只在竖向发生压缩变形，无 侧向变形，故可利用室内侧限压缩试验成果进行计算。
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2.计算原理
•
e
e1
e2
e3
e4 p1p2 p3
p4 p
P1=自重应力 P2=自重应力+附加应力
si
e1i e2i 1e1i
hi
n
ss1s2s3.. .sn si i1

地基沉降的分类
要点一
总结词
地基沉降可分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三类。
要点二
详细描述
瞬时沉降是指在地基土体受到瞬时外力作用后立即发生的 沉降，通常与土体的剪切变形有关；固结沉降是指在地基 土体受到长期外力作用后逐渐发生的沉降，主要是由于土 体中的孔隙水被压缩排出而引起的；次固结沉降则是在固 结沉降之后发生的缓慢沉降，主要由土体中微粒和颗粒之 间的相对位移和重新排列造成。
地基沉降的影响因素
总结词
影响地基沉降的因素包括地质条件、土的物理性质、 地下水位、外力大小和作用时间等。
详细描述
地质条件包括地基土层的分布、厚度、均匀性以及地 质构造等，这些因素直接影响地基土体的承载能力和 稳定性；土的物理性质如密度、含水量、孔隙比等也 会影响土体的压缩性和沉降量；地下水位的变化会影 响土体的含水量和孔隙水压力，进而影响土体的压缩 性和沉降量；外力大小和作用时间则是引起地基沉降 的直接原因，外力越大、作用时间越长，地基沉降量 也越大。
VS
详细描述
某高速公路在通车后不久，出现路基沉降 现象，导致路面开裂和下沉。经过勘察和 分析，发现是由于地基土层软弱和排水不 良所致。为了解决这一问题，采取了地基 加固和排水处理等措施。
某桥梁地基沉降实例
总结词
桥梁对地基的要求极高，一旦发生沉降，可能对桥墩和上部结构造成严重损害。
详细描述
某大型桥梁在建设过程中，部分桥墩所在的地基发生沉降，导致桥墩倾斜和下沉。经过紧急抢险和加固，最终避 免了重大事故的发生。同时，该案例也提醒了工程界对桥梁地基沉降问题的重视和预防措施的加强。
PART 02
地基沉降计算方法
REPORTING
弹性力学法

某水中基础如图所示，基底尺寸为6m×12m，作用于基底 的中心荷载Ⅳ：17490kN(只考虑恒载作用，其中包括基础 重力及水的浮力)，基础埋置深度h=3.5m，地基上层为透水 的亚砂土，其r=19．3lkN／m3，下层为硬塑粘土， r=18.6kN／m3，求基础中心下各点(1—7点)的竖向自重应力 和附加应力，并画出应力分布图。
的附加应力进行计算。 3.对于每一薄层来说，从层顶到层底
的应力是变化的，计算时均近似地取层 顶和层底应力的平均值。
4.只计算“压缩层”范围内的变形。 所谓“压缩层”是指基础底面以下地基 中有显著变形的那部分土层。
二、计算公式
1.各薄层压缩量计算公式 设第i薄层土的竖应力从p1i增加到p2i，其变形稳定后 的压缩量为△si，薄层厚度为hi，
1.基本假定
①土层是均匀的，而且是完全饱和的 ②土粒和水自身是不可压缩的； ③土的压缩和水的渗透，只在竖直单向上发生，而水平 方向不排水，不压缩； ④在压缩过程中，渗透系数和压缩模量不发生变化； ⑤附加应力一次骤加，且沿土层深度呈均匀分布。
2.单向固结微分方程的建立
在土层任意深度z处，取一个微单元体进行分析。假定 单位时间内单元体内挤出的水量等于单元体压缩量. 推出
时的沉降量s，将上述试验得到
的各级荷载与相应的稳定沉降
量绘制成p-s曲线，即获得了地
基土载荷试验的结果。
（3） 生产投标货物或类似货物的业绩（包括规格、数量、主要用户、用户使用情况反映等）。 1、团(总)支部要充分发挥共青团育人功能，通过举办报告会、演讲会、党课教育等形式，加强党的基础知识教育，在团员青年中形成 争当先进的良好氛围，不断扩大入党积极分子队伍，定期向党支部了解团员、青年(35岁以下)写入党申请书的情况； 2．演练的目的 9、磋商保证金 3、权利链条相关制约机制，建立管理对象之间相互制约的权利链条，造成相关机构、相关员工相互的自我约束机制。 适当利用会议和激励可以提醒员工的服务理念。通过会议，可以让员工们实现互动，分享大家的经验和教训，并体会到工作的价值， 从而强化全员的服务意识和气氛。这就是早会制度的作用，可以强化服务理念，统一行为。

渗透系数K
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Porous多孔介质单元组属性的设置
• Porous多孔介质属性的设置：
在单元组内采用2D轴对称单元且考虑porous属性。
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边界条件及荷载
• 边界条件及荷载如下：
两侧设置Y方向约束，底部设置Z方面约束；地面左端施加逐渐增大的Pressure压 力荷载，地面右端设置Pore Pressure为零来模拟排水边界。
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计算结果
• 总体位移云图：
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计算结果
• 总体位移云图动画：
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计算结果
• 最左端顶点Node125处的总体位移时间曲线：
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计算结果
• 孔压云图：
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计算结果
• 孔压云图动画：
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计算结果
• 最左端顶点Node125处的孔压时间曲线：
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计算结果
• ZSOIL的孔压云图动画：
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计算结果
• ZSOIL计算出来的荷载中点处的孔压时间曲线：
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感谢您的观看！
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材料模型
• 材料参数如下：
建立Mohr-Coulomb的粘土模型，E=30000kN/m^2、μ=0.3、r=18kN/m^3、 Kx=Ky=1e-5 m2/Pa*day 、C=15kN/m^2、φ=25deg、ψ=0deg。
在此需注意：ADINA软件内Permeability输入的是渗透系数/液体的容重，其单位 为m2/Pa*day。
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岩土专业软件ZSoil的计算结果

V2
eV1
1 e(
1 e1
dz)
1
z
dt时段内： 孔隙体积的变化＝流出的水量
q
dz
1
(q q dz) z
V2 t
dt
q
q
q z
dz
dt
q z
dzdt
1 e q 1 e1 t z
数学模型
饱和土体的渗流固结理论 - 一维渗流固结理论
仁者乐山 智者乐水
dt时段内： 孔隙体积的变化＝流出的水量
达西定律: q Aki ki k hu k u z w z
孔隙体积的变化＝土骨架的体积变化
1 e q 1 e1 t z u - 超静孔压
土的压缩性：e a'z 有效应力原理： 'z z u
a u k 2u 1 e1 t w z2
e a 'z a (z u) a u
t
t
仁者乐山 智者乐水
t=0
u0=p
u=p z =0
z u
0<t<
u<p z >0
t=
u=0 z =p
饱和土体的渗流固结理论 - 一维渗流固结理论
仁者乐山 智者乐水
p
排水面
z dz
H 微单元
z u
t时刻
u ：超静孔压 z ：有效应力 p ：总附加应力
u+ z =p
不透水岩层
z
u0=p
u0：初始超静孔压
0t
z=0: u=0 z=H: uz
t
0 z H: u=0
方程求解 – 边界条件
饱和土体的渗流固结理论 - 一维渗流固结理论
• 微分方程：

③ 在某一荷载下，24小时内沉降速率不能 达到稳定标准； ④ 沉降S≥0.06b（ b为承载板宽度或直 径）。
注 意：
①P～S曲线有直线段反求得到E0； ②若P～S曲线不出现直线段，建议：
中、高压缩性土 取s1=0.02b及其对应的荷载为p1
低压缩性土 取s1＝（0.01～0．015）b及其对应的
Ⅲ阶段——塑性阶段，最 后达到极限压力Pl 。
旁压模量EM：
EM
2(1 )(V
Vm
)
p V
式中： V ——旁压器测量腔（中腔）初始固有体积（cm3）； Vm——旁压曲线直线段头尾中间的平均扩展体积（cm3
） Δp/ΔV——旁压曲线直线段的斜率（kPa/cm3）。
各模量之间的区别
模量
土的压缩性和沉降计算
会计学
1
一.侧限压缩（固结）试验(室内试验)
压缩试验——研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法，亦称固 结试验
三联固结仪
1.压缩仪（固结仪）示意图
加压活塞 刚性护环
荷载 透水石 环刀
土样
透水石
底座
注意：土样在竖直压 力作用下，由于金属 环 刀 （ 内 径 80mm ， 高 20mm ） 和 刚 性 护 环的限制，只产生竖 向压缩，不产生侧向 变形；利用百分表测 读试件的竖向变形（ 0.01mm ） ， 每 小 时 变形量不超过 0.005mm 认 为 变 形 稳 定。饱和土样时在水 槽内充水；试件不能 膨胀，侧限应力状态 。
l F l F / Ap l l
Ep Ap
Ep
Ep
为什么不用变形模量E0计算？ 基本假设
弹性力学方法 采用变形模量E0计算
s
F(1 ) 2 E

f
a
b
§4.2 地基中的应力§4.2.3 附加应力
（d）O点在荷载面的角点外侧
荷载面（abcd）＝ 面积Ⅰ（ohce）- 面积Ⅱ（ohbf）
- 面积Ⅲ（ogde）+ 面积Ⅳ（ogaf）
则
z (K z K z K z K zV ) p
必须注意: 在角点法中，查附加应力系数 时所用的L和B均指划分后的矩形（如ohbf、 ohce等）的长和宽。
§4.2 地基中的应力
§4.2.1 引言
地基中自重应力的计算问题即属于一维问题。
§4.2 地基中的应力
§4.2.2 自重应力
自重应力——土本身自重引起。在建筑物建造前即存在，故又称为初
始应力。 只有有效应力，才能使土粒彼此挤紧，从而引起土体变形。而自重应
力作用下的土体变形一般均已完成（欠固结土除外），故自重应力通常
——谢康和
§4 沉降分析Settlement Analysis
§4.1 概述 §4.2 地基中的应力 §4.3 土的压缩性 §4.4 沉降组成分析 §4.5 沉降计算方法
§4.1 概述
变形
竖向变形
沉降（下沉） Settlement 隆起（上抬） Heave
水平向变形（侧向） Lateral displacement
w

P
4 G
z2 R3

2(1 R
)

§4.2 地基中的应力§4.2.3 附加应力
2．明德林（R.D. Mindlin，1936）解（集中力作用于地基内）
地基内作用一竖向集中力时地基中应力计算
§4.2 地基中的应力§4.2.3 附加应力
当一集中力作用于地基内时，地基中附加应力计算可采用弹性理 论中半无限弹性体内作用一竖向集中应力时的明德林（R.D. Mindlin，1936）解。如上图设置坐标系，距表面距离c处作用一 个集中力P，地基中附加应力表示式为

料场开采和坝区开挖的砂、砾石、卵石、石 料和风化料及砾石均可作为坝壳的填筑材料。
均匀中细砂只能用于中、低坝坝壳浸润线以 上的干燥区，高坝和地震区不宜采用这种土料。
下游坝壳应采用透水性能良好的土石料填筑。 对软化系数低，不能压碎成砾石土的风化石料
和软岩宜在坝壳的干燥区填筑。
2本构模型
8
2019/12/2
(三) 高坝的应力和变形特性
9
2019/12/2
竖直位移
心墙的竖直位移一般比坝壳部分大［图5 －28 a］， 这是因为心墙土料的压缩性 比较大，同时水库水压力主要由心墙承 受。最大竖直位移发生在下部 H/3处(H 为坝高)。一般计算的土石坝最大竖直位 移多发生在 H/2～H/3范围内，原型观测 结果也基本上证实了这一点。
23
2019/12/2
压实度
2)对于I、II级坝和高坝的压实度P应取 98%～100%，III—V级坝和中、低坝应取 0.95～0.98，V级坝和低坝取小值，设计 地震烈度为8～9度时取最大值。
3)对混凝土防渗墙顶部的高塑性土、湿 陷性黄土，需根据工程实际情况确定合 适的压实度.
24
2019/12/2
③土粒和水本身的压缩性可以忽略，土 体变形主要由孔隙水排出和超静孔隙水 压力（超过稳定渗流的孔隙水压力）的 消散而引起。
3
2019/12/2
土的压缩曲线
4
2019/12/2
(二) 沉降分析
1、概念:固结过程中孔隙水压力消散， 导致土体被压缩产生沉降。
2、目的：在于确定竣工时坝顶应预留的 超高，以及预估各个部位的不均匀沉降 和不均匀沉降梯度，以初步判断发生裂 缝的可能性，并据以研究是否需要和如 何采取防止裂缝的工程措施。