土力学讲义固结沉降

第五章 土的压缩性与沉降计算§ 5.1 基本概念一、地基土在上部结构荷载作用下产生应力和变形⎩⎨⎧→→形状变形（剪破）体积变形（不破坏）zx yz xy z y x τττσσσ,,,,地基的竖直方向变形即为沉降三相土受力后的变形包括⎩⎨⎧排出土孔隙中的水和空气的，相互挤紧）土颗粒压缩（重新排列土体积减小的过程土体压缩性：指的是在压力作用下体积减小过程的特性，包括两个方面：1． 1． 压缩变形量的绝对大小（沉降量大） 2． 2． 压缩变形随时间的变化（固结问题）一、一、 工程意义地基的沉降有均匀沉降与不均匀沉降1． 1． 均匀沉降对路桥工程的上部结构危害较小，但过量的 均匀沉降也会导致路面标高的降低，桥下净空的减小而影响正常的使用。

2． 2． 不均匀沉降则会造成路堤的开裂，路面不平，超静定结构，桥梁产生较大的附加应力等工程问题，甚至影响其正常使用。

沉降计算是地基基础验算的重要内容，也是土力学的重要课题之一§5.2 研究土体压缩性的方法及变形指标一、一、 压缩试验与压缩性规律土体积的变小是孔隙体积变小的结果，研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法称为压缩试验。

对一般工程情况来说，或在压缩土层厚度比荷载面宽度小很多的情况下常用侧限压缩试验来研究土的压缩性。

试验室用以进行土的侧限压缩试验的仪器称为压缩仪（固结仪），如图5-1 所示 透水石以便土中水的排出传压活塞向土样施加压力。

由于环刀所限，增压或减压是土样只能在铅直方向产生压缩或回胀，而不可能产生侧向变形，故称为侧限压缩试验。

试验采用压缩仪进行压缩试验是研究土的压缩性最基本的方法，有上述已知，试样土粒本身体积是假定不变的，即()112211211,11,e h he e h e h v v s s +∆=∆+=+=，因此，试样在各级压力pi 作用下的变形，常用孔隙比e 的变化来表示。

（一）e-p 曲线的表示方法如右图所示е0a 曲线为压缩曲线 ab 曲线为减压曲线 ba’为才压缩曲线当在压的压力超过试样所曾经受过的最大压力后，其e-p 曲线很快就和压缩曲线的延长线重合如图a’c 所示。

主固结沉降次固结沉降瞬时沉降1.主固结沉降是由于土体在长期荷载作用下产生的沉降变形。

Primary consolidation settlement is the settlement deformation caused by long-term loading on the soil.2.次固结沉降是由于土体在剧烈荷载或多次荷载作用下产生的沉降变形。

Secondary consolidation settlement is the settlement deformation caused by severe or repeated loading on the soil.3.瞬时沉降是由于土体在短时间内突然受到荷载作用而产生的瞬时变形。

Instantaneous settlement is the instantaneous deformation caused by sudden loading on the soil over a short period of time.4.主固结沉降是土体的渗透变形与排水过程的结果。

Primary consolidation settlement is the result of the permeation deformation and drainage process of the soil.5.次固结沉降是在主固结沉降后发生的迟滞性变形。

Secondary consolidation settlement occurs as a delayed deformation after primary consolidation settlement.6.瞬时沉降会在荷载施加后立即产生，但通常只占总沉降的一小部分。

Instantaneous settlement occurs immediately after loading, but usually only accounts for a small portion of the total settlement.7.主固结沉降是最终的沉降变形，代表了土体承载能力的逐渐恢复。

第4章土的压缩、固结与沉降土的压缩固结与沉降四川大学水电学院省岩土工程重点实验室作业：4-10;14-12; 4-13; 4134-15; 415; 416. 4-16.第四章土的压缩、固结与沉降：内容§4.1 概述§4.1概述§4.2 土的压缩性§4.3 土的侧压力系数与变形模量§43土的侧压力系数与变形模量§4.4 地基沉降量计算§4.5 饱和土的单向固结理论墨西哥某宫殿工程实例左部：1709年右部：1622年地基：20多米厚粘土问题：沉降2.2米，且左右两部分存在明显的沉降差。

工程实例由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触工程实例高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除工程实例基坑开挖，引起阳台裂缝工程实例建筑物立面高差过大工程实例47m3915017587194199沉降曲线(mm)长高比过大的建筑物因不均匀沉降墙体产生裂缝中部沉降大——“八”字形裂缝本章研究内容和思路土具有变形特性荷载作用土的特点（碎散、三相）地基发生沉降致沉降差异沉降（碎散）一致沉降（沉降量）（沉降差）沉降具有时间效应－沉降速率建筑物上部结构产生附加应力土的压缩和变形特性建筑物部结构产生附加应力地基沉降计算固结沉降与时间本章内容影响结构物的安全和正常使用固结－沉降与时间关系§4.1 概述§4.2 土的压缩性§4.3 土的侧压力系数与变形模量§4.4 地基沉降量计算§4.4地基沉降量计算§4.5 饱和土的单向固结理论1.基本概念本概念土的压缩性：土体在压力作用下体积缩小的特性；压缩量的组成固体颗粒的压缩 占总压缩量的1/400不到，忽土中水的压缩 空气的排出略不计压缩量主要组成部分水的排出说明：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果透水性好，水易于排出无粘性土粘性土压缩稳定很快完成透水性差，水不易排出压缩稳定需要很长一段时间压缩稳定需要很长段时间土的固结：土体在压力作用下，随着时间的变化，土中孔隙水不断排出孔隙体积不断减小的过程不断排出、孔隙体积不断减小的过程。

土的固结与沉降consolidation and settlement of soilt LJ de gLJJIe yu eher1Jlong 土的固结与沉降(consolidation and Sett- lement of 5011)固结是饱和土体在应力作用下，水从孔隙中排出，压缩变形量随时间而增长的全过程。

沉降是在应力作用下土体发生压缩或剪切变形而引起的垂直位移。

在饱和土固结过程中，开始作用的应力全部由孔隙水所承担，随着孔隙水的排出和体积的压缩，土中超孔隙水压力消散，粒间有效应力相应增长，直至超孔隙水压力全部转化为有效应力为止。

固结的快慢取决于土的渗透性和排水条件，透水性低、排水途径长则固结过程慢。

所有粗粒土和低饱和度的细粒土，在应力作用下的固结过程极快;而对饱和或接近饱和的细粒土则需考虑固结过程中其力学性质的相应变化。

土的固结 (l)主固结与次固结。

主固结是超孔隙压力消散和有效应力增长的过程。

在主固结结束后，在有效应力基本不变情况下，由于土骨架蠕变而引起的缓慢体积压缩过程称为次固结。

对软勃土、淤泥等土层，次固结引起的沉降量可占较大比重，不可忽视。

(2)先期固结压力和超固结比。

土体内某点在历史上曾经受过的最大垂直压力称为先期固结压力P。

，可以从压缩试验的产logP曲线上求得。

它和该点现有的有效垂直压力P。

之比称为超固结比伙了R。

‘x〕R一1为正常固结，表示土体在上覆土重压力下正好完全固结; ‘灭，R>1为超固结，表示土体在历史上曾承受过的最大压力超过现存的上覆土重压力洲〕(〕R<1为欠固结，表示土体在上覆土重压力下尚未完全固结。

这3种不同固结历史的土的固结和压缩特性有很大差别。

(3)固结理论。

用于进行土体在应力作用下孔隙水压力消散过程的计算。

常用的是K.太沙基(K.Te- rzaghi)的单向固结理论，它假设:土是均质、饱和的; 土骨架和水是不可压缩的;固结过程中土的渗透系数 k和压缩系数a之比为常数;渗流服从达西(H.P.G. Darcy)定律;载荷瞬时施加;只能沿垂直方向单向排水和发生压缩。

教学内容设计及安排第一节土的压缩性【基本内容】 【工程实例】土体压缩性——土在压力（附加应力或自重应力）作用下体积缩小的特性。

地基土压缩－→地基的沉降 沉降值的大小取决于⎩⎨⎧性、各土层厚度及其压缩地基土层的类型、分布布建筑物荷载的大小和分地基土的压缩实质 减少。

会被压缩，也会被排出部分）；）不变；但会被排出（孔隙水体积（不变；土粒体积（v as V V V V ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧ω)土的固结——土体在压力作用下其压缩量随时间增长的过程。

【讨论】土体固结时间长短与哪些因素有关？一、侧限压缩试验及e －p 曲线1．侧限压缩试验（固结试验）侧限——限制土样侧向变形，通过金属环刀来实现。

试验目的——研究测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力，或孔隙比和压力的关系，变形和时间的关系，以便计算土的各项压缩指标。

试验设备——固结仪。

2．e －p 曲线要绘制e －p 曲线，就必须求出各级压力作用下的孔隙比——e 。

如何求e ？看示意图：设试样截面积为A ，压缩前孔隙体积为V v0，土粒体积为V S0，土样高度为H 0，孔隙比为e 0（已测出）。

压缩稳定后的孔隙体积为V v ，土粒体积为V S ，土样高度为H 1，孔隙比为e ，S 为某级压力下样式高度变化（用测力计测出），cm 。

依侧限压缩试验原理可知：土样压缩前后试样截面积A 不变，V S0＝V S1，则有：)1(000e H Se e +-= 利用上式计算各级荷载P 作用下达到的稳定孔隙比e ，可绘制如图3-2所示的e －p 曲线，该曲线亦被称为压缩曲线。

常规试验中，一般按P =50kPa 、100 kPa 、200 kPa 、400 kPa 四级加荷，测定各级压力下的稳定变形量S ，然后由式（3-2）计算相应的孔隙比e 。

压缩曲线⎪⎩⎪⎨⎧—压缩性低。

—平缓著。

土的孔隙比减少得愈显量作用下，—说明在相同的压力增—越陡二、压缩性指标1．压缩系数 dpde-=α α——压缩系数，MP a －1，负号表e 随P 的增长而减小。

高等土力学第一次读书（固结）笔记土的压缩与固结1 沉降：在附加应力作用下，地基土产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降 2 某些特殊性土由于含水量的变化也会引起体积变形，如湿陷性黄土地基，由于含水量增高会引起建筑物的附加下沉，称湿陷沉降。

相反在膨胀土地区，由于含水量的增高会引起地基的膨胀，甚至把建筑物顶裂。

除此之外某些大城市，如墨西哥、上海等由于大量开采地下水使地下水位普遍下队从而引起整个城市的普遍下沉。

这可以用地下水位下降后地层的自重应力增大来解释。

当然，实际问题也是很复杂的，还涉及工程地质、水文地质方面的问题。

如果地基土各部分的竖向变形不相同，则在基础的不同部位会产生沉降差，使建筑物基础发生不均匀沉降。

基础的沉降量或沉降差(或不均匀沉降)过大不但会降低建筑物的使用价值，而且往往会造成建筑物的毁坏。

3 为了保证建筑物的安全和正常使用，我们必须预先对建筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差进行估算。

如果建筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差，在规定的允许范围之内，那么该建筑物的安全和正常使用一般是有保证的；否则，是没有保证的。

对后一种情况，我们必须采取相应的工程措施以确保建筑物的安全和正常使用。

（1）基础沉降量或沉降差的大小首先与土的压缩性有关，易于压缩的土，基础的沉降大，而不易压缩的土，则基础的沉降小。

（2）基础的沉降量与作用在基础上的荷载性质和大小有关。

一般而言，荷载愈大，相应的基础沉降也愈大；而偏心或倾斜荷载所产生的沉降差要比中心荷载为大。

二、土的压缩特性1 压缩：土在压力作用下，体积将缩小。

这种现象称为压缩。

2 固结：土的压缩随时间增长的过程称为固结目前我们在研究土的压缩性，均认为土的压缩完至是由于孔隙中水和气体向外排出而引起的。

3 注意：在很短的时间内，孔隙中的水来不及排出，加之土体中的土粒和水是不可压缩的，因而瞬时沉降是在没有体积变形的条件下发生的，它主要是由于土体的侧向变形引起的（1）瞬时沉降一般不予考虑（2）对于控制要求较高的建筑物，瞬时沉降可用弹性理论估算。

土的固结与沉降consolidation and settlement of soilt LJ de gLJJIe yu eher1Jlong 土的固结与沉降(consolidation and Sett — lement of 5011)固结是饱和土体在应力作用下，水从孔隙中排出，压缩变形量随时间而增长的全过程。

沉降是在应力作用下土体发生压缩或剪切变形而引起的垂直位移。

在饱和土固结过程中,开始作用的应力全部由孔隙水所承担,随着孔隙水的排出和体积的压缩, 土中超孔隙水压力消散，粒间有效应力相应增长,直至超孔隙水压力全部转化为有效应力为止。

固结的快慢取决于土的渗透性和排水条件，透水性低、排水途径长则固结过程慢。

所有粗粒土和低饱和度的细粒土，在应力作用下的固结过程极快；而对饱和或接近饱和的细粒土则需考虑固结过程中其力学性质的相应变化。

土的固结（l)主固结与次固结.主固结是超孔隙压力消散和有效应力增长的过程。

在主固结结束后,在有效应力基本不变情况下，由于土骨架蠕变而引起的缓慢体积压缩过程称为次固结。

对软勃土、淤泥等土层,次固结引起的沉降量可占较大比重,不可忽视。

（2）先期固结压力和超固结比。

土体内某点在历史上曾经受过的最大垂直压力称为先期固结压力P。

，可以从压缩试验的产logP曲线上求得.它和该点现有的有效垂直压力P。

之比称为超固结比伙了R。

‘x〕R一1为正常固结，表示土体在上覆土重压力下正好完全固结; ‘灭，R〉1为超固结,表示土体在历史上曾承受过的最大压力超过现存的上覆土重压力洲〕(〕R<1为欠固结，表示土体在上覆土重压力下尚未完全固结.这3种不同固结历史的土的固结和压缩特性有很大差别。

(3）固结理论.用于进行土体在应力作用下孔隙水压力消散过程的计算。

常用的是K。

太沙基（K。

Te— rzaghi)的单向固结理论，它假设:土是均质、饱和的; 土骨架和水是不可压缩的；固结过程中土的渗透系数 k和压缩系数a之比为常数；渗流服从达西(H。