土的压缩性和地基沉降计算

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1、精品课程土质学与土力学第六章第六章土的压缩性和地基沉降计算本章学习要点：本章讨论荷载作用下土体的变形，这是土力学重要问题之一，学习本章时， 重点要理解地基计算的基本原理，掌握估算基础沉降的分层总和法、 规范推荐法和弹性力学公式，学会地基最终沉降量的计算方法。学习饱和土渗透固结理论， 掌握物理模型、 数学模型以及求解方法； 掌握固结度的计算，并能解决有关沉降时间的工程问题。第一节概述客观地分析： 地基土层承受上部建筑物的荷载，必然会产生变形，从而引起建筑物基础沉降， 当场地土质坚实时，地基的沉降较小，对工程正常使用没有影响；但若地基为软弱土层且厚薄不均， 或上部结构荷载轻重变化悬殊时，地基将发生

2、严重的沉降和不均匀沉降，其结果将使建筑物发生各类事故，影响建筑物的正常使用与安全。地基土产生压缩的原因：1外因：（ 1）建筑物荷载作用，这是普遍存在的因素；（ 2）地下水位大幅度下降，相当于施加大面积荷载；（ 3）施工影响，基槽持力层土的结构扰动；（ 4）振动影响，产生震沉；（ 5）温度变化影响，如冬季冰冻，春季融化；（ 6）浸水下沉，如黄土湿陷，填土下沉。2内因：（1）固相矿物本身压缩，极小，物理学上有意义，对建筑工程来说没有意义的；（2）土中液相水的压缩，在一般建筑工程荷载（100600） Kpa 作用下，很小，可不计；（ 3）土中孔隙的压缩，土中水与气体受压后从孔隙中挤出，使土的孔隙减小

3、。上述诸多因素中， 建筑物荷载作用是外因的主要因素， 通过土中孔隙的压缩这一内因发生实际效果。第二节土的压缩性见土质学第二章第三节。第三节地基沉降量计算一、无侧向变形条件下的压缩量公式关于土体压缩量的计算方法，目前在工程中广泛采用的是计算基础沉降的分层总和法。分层总和法都是以无侧向变形条件下的压缩量公式为基础，它们的基本假设是：1土的压缩完全是由于孔隙体积减少导致骨架变形的结果，而土粒本身的压缩可不计；2土体仅产生竖向压缩，而无侧向变形；3在土层高度范围内，压力是均匀分布的。如图所示（见教材P127 图 4-15），在压力P1 作用下压缩已经稳定时，相应的孔隙比为e1，试样高度为H，设固体土粒

4、的体积为Vs，则孔隙体积为e1Vs，总体积V 1（ 1 e1）Vs；安徽理工大学1精品课程土质学与土力学第六章在压力 P2 P1 P 作用下压缩已经稳定时，试样高度为H，相应的孔隙比为e2，仍设固体土粒体积为Vs，则孔隙体积为e2Vs，总体积V 2（ 1 e2）Vs ，压缩量S H H 。压力增量 P 的作用所引起的单位体积土体的体积变化为：v1v2(1 e1 )vs(1 e2 )vse1e2（ 1）v11 e1 )vs1 e1因无侧向变形，面积A 保持不变，所以单位体积土体的体积变化为：v1v2HAHAHHS（ 2）v1HAHH令两式相等，即可得无侧向变形条件下的压缩量计算公式为：Se1e2

5、 H1e H（ 3）1e1e1将 ae1e2e 代入（ 3）得：p2p1psapH（ 4）1e1或 SMvpH（ 5）其中， Mv=a/(1+e 1)为体积压缩系数，表示土体在单位压力增量作用下单位体积变化。所以 Es 1/Mv，则上式（ 5）还可写成sp H（ 6）EsEs：压缩模量（Kpa）根据广义胡克定律，当土体的应力与应变假设为线性关系时，x,y,z 三个坐标方向应变可表示为：xx(EEyy(EEzz(EEy z )xz )xy )在无侧向变形条件下，其侧向应变xy0 ,xy ,于是从上式的前两式可得：x(xy )0 或 x/ z= /(1- )= K 0安徽理工大学2精品课程土质学与

6、土力学第六章或 x=y= K 0 z其中： K 0 为侧压系数无侧向变形的竖向应变由 sp H 可以表示为：sEszz / EsH将得y 代入z(y )xzExE12212 K 01zEzEz又zzEs得土的压缩模量Es 与变形模量E 的关系：E22)Es(11令2211则 EEs因为0.5 ，所以变形模量E 总大于压缩模量Es。压缩系数 ae1e2e1e2ep2p1，压缩指数 Cclg p1，lg p2(lg )压缩模量 Es 1/mr 以及变形模量E 都是用来表征土的压缩特性的指标。二，基础的沉降计算建筑物的沉降量，是指地基土压缩变形达固结稳定的最大沉降量，或称地基沉降量。地基最终沉降量：

7、 是指地基土在建筑物荷载作用下， 变形完全稳定时基底处的最大竖向位移。地基沉降的原因： （ 1）建筑物的荷重产生的附加应力引起； （ 2）欠固结土的自重引起；（3）地下水位下降引起和施工中水的渗流引起。基础沉降按其原因和次序分为：瞬时沉降Sd；主固结沉降Sc 和次固结沉降Ss 三部分组成。瞬时沉降： 是指加荷后立即发生的沉降， 对饱和土地基， 土中水尚未排出的条件下，沉降主要由土体侧向变形引起；这时土体不发生体积变化。固结沉降： 是指超静孔隙水压力逐渐消散，使土体积压缩而引起的渗透固结沉降，也称安徽理工大学3精品课程土质学与土力学第六章主固结沉降，它随时间而逐渐增长。次固结沉降： 是指超静孔隙

8、水压力基本消散后， 主要由土粒表面结合水膜发生蠕变等引起的，它将随时间极其缓慢地沉降。因此：建筑物基础的总沉降量应为上述三部分之和，即S Sd Sc Ss计算地基最终沉降量的目的： （ 1）在于确定建筑物最大沉降量； （ 2）沉降差；（ 3）倾斜以及局部倾斜； （ 4）判断是否超过容许值，以便为建筑物设计值采取相应的措施提供依据，保证建筑物的安全。（一）分层总和法计算基础的最终沉降量目前在工程中广泛采用的方法是以无侧向变形条件下的压缩量计算基础的分层总和法。具体分为 e-p 曲线和 e lgp 曲线为已知条件的总和法。1以 ep 曲线为已知条件的分层总和法计算步骤：（ 1）选择沉降计算剖面，在

9、每一个剖面上选择若干计算点。1）根据建筑物基础的尺寸，判断在计算其底压力和地基中附加应力时是属于空间问题还是采用平面问题；2）再按作用在基础上的荷载的性质（中心、偏心或倾斜等情况）求出基底压力的大小和分布；3）然后结合地基中土层性状，选择沉降计算点的位置。（ 2）将地基分层：在分层时天然土层的交界面和地下水位应为分层面，同时在同一类土层中分层的厚度不宜过大。分层厚度h 小于 0.4B ；或 h=24m 。对每一分层，可认为压力是均匀分布的。（3）计算基础中心轴线上各分层界面上的自重应力和附加应力并按同一比例绘出自重应力和附加应力分布图。应当注意：当基础有埋置深度D 时，应采用基底尽压力；PnP

10、 rd 去计算地基中的附加应力（从基底算起） 。（ 4）确定压缩层厚度：实践经验表明；当基础中心轴线上某点的附加应力与自重应力满足下式时，这时的深度称为压缩层的下限或沉降计算深度Zn ； z 0.2 cz 。当 Zn 以下存在软弱土层时，则计算深度应满足z0.1 cz 。对一般房屋基础，可按下列经验公式确定Zn： ZnB(2.5 0.4 ln B ）（ 5）按算术平均各分算出层的平均自重应力czi 和平均附加应力zi( czi) shang (czi) xiacziZzi( zi ) sh( zi) xiaZ（ 6）根据第 i 分层的初始应力P1iczi 和初始应力与附加应力之和，即 P2 i

11、czi zi由压缩曲线查出相应的初始孔隙比e1i 和压缩稳定后孔隙比2e i 。（ 7）按式 Se1e2 H 求出第 i 分层的压缩量 Sie1ie2i Hi1e11e1i安徽理工大学4精品课程土质学与土力学第六章nne1ie2iHi（ 8）最后加以总和，即得基础的沉降量：Ssi1e1ii 1i 1有时勘探单位提供的不是压缩曲线，而是其它压缩性指标。则可利用式 4 19，4 20，4 21（见教材 P127）等估算。此法优缺点：（ 1）优点：适用于各种成层土和各种荷载的沉降量计算；压缩指标a,Es 等易确定。（ 2）缺点：作了许多假设，与实际情况不符，侧限条件，基底压力计算有一定误差；室内试验

12、指标也有一定误差； 计算工作量大； 利用该法计算结果， 对坚实地基， 其结果偏大，对软弱地基，其结果偏小。例题 1 有一矩形基础，放置在均质粘性土上，如图所示（见教材），基础长度L 10m，宽度 B 5m，埋置深度 D 1.5m，其上作用中心荷载P 10000KN ，地基土的天然湿容重r20KN/m 3 ,饱和容重 rm=21Kn/m 3，土的压缩曲线如图，若地下水位距基底2.5m，试求基础中心点的沉降量。解：（ 1）因为中心荷载，所以基底压力为：pP10000200Kn / m2LB105基底尽压力 pnprd200 20 1.5170Kn / m 2（ 2）分层： 因为是均质土，且地下水位

13、在基底以下2.5m 处，将分层厚度Hi 2.5m（ 3）求各分层面的自重应力并绘制分布曲线cz0rd201.530 Kn / m2cz130rH 130202.5 80Kn / m2cz280r H 280 (21 9.8) 2.5108Kn / m2cz3108r H 3136Kn / m2cz4136r H 4164Kn / m2cz5164r H 5192Kn / m2（ 4）求各分层面的竖向附加应力并绘制分布曲线应用角点法，通过中心点将基础划分为四块面积相等的计算面积。 L1 5m,B1 2.5m; 中心点正好在四块计算面积的角点上。计算结果如下：位置Z（i m）Zi/BL/BKsi4

14、KsiPn ( Kn / m 2 )z00020.25170安徽理工大学5精品课程土质学与土力学第六章12.5120.199913625220.12028237.5320.073250410.0420.047432512.5520.032822(5)确定压缩层厚度从计算结果可知：在第四点处的z4 / cz40.1970.2 ，所示压缩层厚度H 10m.（ 6）计算各分层的平均自重应力和平均附加应力czI( cz1）sh( cz1) xia30 8055(Kn / m2 ）22czII94czIII122czIV150Kn/m 2同理可得： zI153zIV41zII109zIII66(7)由压

15、缩曲线查各分层的初始孔隙比和压缩稳定后的孔隙比，结果如下：层次初始应力 P1iP2i初始孔隙比 e1i压缩稳定后的孔隙比 e2i552080.9350.870942030.9150.8701221880.8950.8751501910.8850.873（ 8）计算基础的沉降量ne1ie2 iH i(0.9350.8700.915 0.8700.8950.8750.885 0.873s1e1i10.9350.91510.895) 250i 11 0.885 18.5cm.2用 elgp 曲线的分层总和法1）土的应力历史在实际工作中，从现场取样，室内压缩试验，涉及到土体扰动，应力释放，含水量变化等

16、多方面影响，即使在上述过程中努力避免扰动，保持W 不变，但应力御荷总是不可避免的。因此需要根据土样的室内压缩曲线推导求现场土层的压缩曲线，考虑土层应力历史的影响，确定现场压缩的特征曲线。2）先期固结应力和土层的固结固结应力就是使土体产生固结或压缩的应力。 就地基土层来说， 该应力主要有两种： 一种是土的自重应力，另一种是由外荷引起的附加应力。对于饱和的新沉积的土或人工填土， 起初土颗粒尚处于悬浮状态， 土的自重应力由孔隙水承担，有效应力为 0，随着时间的推移，土在自重作用下逐渐固结，最后自重应力全部转安徽理工大学6精品课程土质学与土力学第六章化为有效应力， 故这类土的自重应力就是固结应力。但对

17、大多数天然土层来说，由于经受了漫长的地质年代，在自重作用下已完全固结，此时自重应力已不再引起土层压缩，能进一步使土层产生固结，只有外加荷载引起的附加应力，故此时的固结应力指附加应力。先期固结应力： 天然土层在形成历史上沉积，固结过程中受到过的最大固结应力称为先期固结应力，用Pc 表示。超固结比 （ Ocr）：先期固结应力和现在所受的固结应力之比，根据 Ocr 值可将土层分为正常固结土，超固结土和欠固结土。Ocr1，即先期固结应力等于现有的固结应力，正常固结土Ocr 大于 1，即先期固结力大于现有的固结应力，超固结土 Ocr 小于 1，即先期固结力小于现有的固结应力，欠固结土。考虑应力历史对土层

18、压缩性的影响，必须解决（1）判定土层的固结属正常固结、超固结、欠固结（ 2）反映现场土层实际的压缩曲线，其可行办法为：通过现场取样，由室内压缩曲线的特征建立室内压缩曲线与现场压缩曲线的关系，从而以室内压缩曲线推求现场压缩曲线。（ 3）先期固结应力Pc 的推求根据室内大量试验资料证明：室内压缩曲线开始弯曲平缓，随着压力增大明显下弯，当压力接近 Pc 时，曲线急剧变陡，并随压力的增长近似直线向下延伸。确定 Pc 的常用方法是卡萨格兰德提出的经验作图法，其步骤如下：（1）从室内elgp 压缩曲线上找出曲率最大点A 点；（ 2）过 A 点作水平线 AH ，和切线 AT ；（ 3）作水平线 AH 与切线

19、 AT 所夹角的平分线 AM ；（ 4）作 elgp 曲线直线段的向上延长交 AM 于 B 点，则 B 点的横坐标即为所求的先期固结应力 PC。4）现场压缩曲线的推求：室内压缩试验的结果发现，无论试样扰动如何，当压力增大时，曲线都近于直线段，且大都经过 0.42e0 点（ e0试样的原位孔隙比） 。由室内压缩曲线加以修正求得现场土层的压缩曲线的方法：由现场取样时确定试样的原位孔隙比e0 及固结应力（即有效覆盖应力）了；由室内压缩曲线求出土层的Pc，判断： 当 P0（现有固结力）Pc 时（正常固结土）作 e=e0 水平线交lgp=PC 线于 b 点， b 点坐标为（ Pc， e0）作 e=0.4

20、2e0 水平线交室内压缩曲线直线段于C 点连接 bc 直线段，即为现场压缩曲线；bc 直线段的斜率压缩指数Cc 。当 P0 PC 时（超固结土）在取样前已产生了回弹例如沉积剥蚀等，在建筑物荷载作用下，应属于再压缩过程。作 e=e0 平行线交 lg plg p0 线于 b1 点， b1 点坐标为（ P0， e0）自 b1 点作平行线于 DF 线的平行线交 lg ppc 线于 b 点，注 DF 为室内试验滞回圈连线。作 e 0.42e0 平行线交室内压缩曲线直线段于C 点。连接 b1 b， bC 直线段安徽理工大学7精品课程土质学与土力学第六章现场压缩曲线就是由b1 b 段和 bC 段直线所组成。

21、相应于b1 b 段、 bC 段直线的斜率分别用 CS、 CC 表示。当 P0 PC 的欠固结图它的现场压缩曲线的推求方法类似于正常固结土。5）地基的沉降计算按 elg p 曲线来计算地基的最终沉降量与按E-P 曲线的计算一样，都是以无测向变形条件下的压缩量基本公式se1e2 H 并采用分层总和法进行的。所不同的是初始孔隙比1e1应取 E0，由现场压缩曲线的压缩指数去得到e。（1）正常固结土的沉降计算当土层属于正常固结土时，建筑物外荷引起的附加应力是对土层产生压缩的压缩应力，设现场土层的分层厚度为hi，压缩指数为Cci，则该分层的沉降Si 为：Siei hi1e2又因为 ei Ccilg( p0

22、ipi) lg p0 i Cci lgp0ipi p0iSihiCcip0ipi1e0ilgp0 i当地基又 n 分层时，则地基的总沉降量为：nnhi ccip0ipiSsilgi 1i 1 1 e0ip0i式中： e0i 第 i 分层的初始孔隙比p0i 第 i 分层的平均自重应力cci 第 i 分层的现场压缩指数hi 第 i 分层的厚度pi 第 i 分层的平均压缩应力（2）超固结土的沉降计算计算超固结土层的沉降时， 涉及到使用压缩曲线的压缩指数 Cc 和 Cs，因此计算时应该区别两种情况：A ：当建筑物荷载引起的压缩应力Pi ( Pci - Poi) 时，则该分层的压缩量分为P0I 至 PC

23、I 段超固结压缩 S1I 和 PCI至（ p0ipi）段正常固结压缩S2I两部分，即：sis1is2 is1ihicsi lg pci1e0ip0is2ihip0ipi1e0icci lgpcinnnhipcip0 ipi ssi( s1is2i ) csi lgcci lgi 1i 1i 1 1 e0 ip0ipci式中： Pci第 i 分层的前期固结应力，其余符号同前。(3) 欠固结土的沉降计算对于欠固结土，由于在自重等作用下还未达到完全压缩稳定，PcPo，因而沉降量应该包括由于自重作用引起的压缩和建筑物荷载引起的沉降量之和。sihicci lgp0 ilgp0ipi 1e0ipcip0i

24、hicci lgp0 ipi1pcie0 innhi cci lg p0ipissii 1i 11eipci例题 1：有一仓库，面积为12.5 12.5 ,堆荷为 100kn/，地基剖面如图a（见教材），从粘土层中心部位取样做室内压缩试验得到压缩曲线如图b（见教材），土样的初始孔隙比e0=0.67.试求仓库中心处的沉降量（砂土层沉降量不计）。解：（ 1）计算自重应力并绘制分布曲线粘土层顶面的自重应力为cz12193 965Kn / m 2粘土层中心处的自重应力为：cz2cz151065 50 115Kn / m2粘土层底面的自重应力为：cz3cz2105165Kn / m2安徽理工大学9精品课

25、程土质学与土力学第六章自重应力分布如图。（2）求地基中的附加应力并绘制分布曲线由角点可求得：z180Kn / m2z245 Kn / m2z326kn / m 2，附加应力分布如图，（3）确定前期固结应力Pc 值。根据作图法求得 Pc 115Kn/m 2,如图 b，可见： PcP0（中心处自重应力） 115Kn/m 2 所以该粘土层属于正常固结土（4）现场压缩曲线的推求由 e 0.67 与 lgpPc 115Kn/m 2的交点 b， b 点即为现场压缩曲线的起点。0由 0.42E00.28 作水平线交室内压缩曲线直线段于c 点，连接 bc 即为欲求的现场压缩曲线。如图 b。从图中可得 c 点的

26、横坐标 lgp 为 630Kn/m 2所以压缩指数0.670.28Cc0.53lg 630115（ 5）分层将粘土层分为两层，每层的厚度为 H i 5m，平均附加应力分别为 62.5,35.5,平均自重应力分别为 90， 140Kn/m 2分别求出其相应的初始孔隙比e0i,由 e0ie0cc lgp0i 可得pce010.670.53lg900.726115e020.670.53lg 1400.623（6）计算沉降量115nHip0ipiscc lgp0ii1 1 e0is5000.53 lg 9062.515000.53lg 140 35.510.726900.62314035.1616.0

27、351.15cm例题 2：某超固结粘土层厚2.0m，先期固结应力Pc300Kpa ，现存自重应力P0100Kpa ，建筑物对该土层引起的平均附加应力为 400Kpa，已知土层的压缩指数为 Cc 0.4，在压缩指数 Cs 0.1，初始孔隙比为 e0 0.81，求该土层产生的最终沉降量。解：已知h, Pc ,Po ,p400Kpa ,Cc， Cs， e0，因为p400Kpa ，而 pcp0300100200Kpa安徽理工大学10精品课程土质学与土力学第六章所以p ( pcp0 )Si S1i S2i由 Sihi csilg pcicci lg p0ipi 1e0ip0 ipcis200 0.1lg

28、 3000.4lg 10040015.08cm10.81100300例题 3：已知某单独基础埋置深度d=1m, r 0=20kN/m 3,基础底面尺寸L B 3 2m2 ,作用于设计地面的荷载为 720kN ，地下水位与基底面平齐，地基资料见表和图(见教材 )，用分层总和法求基础的沉降量。地基土层压缩资料：（1）各级压缩应力下的孔隙比压缩应力 Kpa050100200300400土层孔隙比0.7900.7470.6950.6570.6300.615土层孔隙比0.6920.8910.8260.7460.6940.658(2)ep 曲线根据上述资料画曲线（略） 。解（ 1）求基底附加应力P0，基础

29、及回填土重G L B R0 2 31 20120Knr0：为基础和回填土的加权平均有效重度pnPGrd720120 18 1 122KpaLB32（ 2）分层： 0.4B=0.8m, 取 h1=1m,第一层粉质粘性土分为三层。（ 3）竖向自重应力和附加应力计算自重应力计算各分层界面处，从地表起算。附加应力计算各分层界面处，从基础底面起算，采用角点法， 将基底载荷面分为4 块，基础中心均在 4 块角点之下，L 1.5m,B=1m, 采用z K s p0 式计算值见表。（ 4）计算各分层的沉降量根据各分层上下界面的自重应力，附加应力求其平均值，即(czi ) sh(czi ) xiap1iczi2

30、zi(zi ) sh(zi ) xia , p2ip1izi2由 P1i， P2i 据 ep 曲线查取 e1i,e2i ,应用式 se1ie2iH i1e1i求得地基的最终沉降量具体计算列表如下：土深cz ( Kpa )zipzie1i层zie2isimmcz (Kpa )安徽理工大学11精品课程土质学与土力学第六章层度次018.0122.0108.2130.90.7720.68750.822.711.027.494.573.4105.50.7630.69339.732.122.036.852.341.182.60.7550.71125.141.53层3.046.229.924.375.00.

31、8910.85618.550.744.055.218.715.775.40.8770.85611.259.755.064.212.610.879.50.8650.8517.568.76层6.073.29.0计算深度处： z/cz=9.0/73.2=0.120.2所以计算深度为6m(压缩层厚度H 6m)总沉降量S 152.8mm.。3地基设计规范方法地基设计规范提出的计算最终沉降量的方法，是基于分层总和法的思想，运用平均附加应力面积的概念， 按天然土层界面以简化由于过分分层引起的繁琐计算，并结合大量工程实际中沉降量观测的统计分析，以经验系数 S 进行修正，求得地基的最终变形量。1）基本公式np0

32、ss s s (zi ai zi 1ai 1 )i 1Esi式中， S ：地基的最终沉降量，mmS：为按分层总和法求得的地基沉降量；mms ：沉降计算经验系数n ： 为地基变形计算深度范围内天然土层数P0： 为基底附加应力Esi： 为基底以下第 i 层土的压缩模量，按第I 层实际应力变化范围取值，zi zi1分别为基础底面至第i 层， I 1 层底面的距离，ai ai1分别为基础底面到第i 层， I 1 层底面范围内中心点下的平均附加系数，对于矩形基础，基底为均分布附加应力时，中心点以下的附加应力为L/B ，Z/B 的函数，可查表得。2）沉降计算修正系数 S S 综合反映了计算公式中一些未能考

33、虑的因素，它是根据大量工程实例中沉降的观测值与计算值的统计分析比较而得的。 S 的确定与地基土的压缩模量 ES，承受的荷载有关，具体见下表中：沉降计算经验系数基底Es Mpa2.54.07.015.020.0附加应力安徽理工大学12精品课程土质学与土力学第六章粘性土P0 f k1.41.31.00.40.2P0 0.75f k1.11.00.70.40.2砂土1.11.00.70.40.2Es 为沉降计算深度范围内的压缩模量当量值，按下式计算：EsAiAiEsiAi ：为第 i 层平均附加应力系数，沿土层深度的积分值，Esi：为相应于该土层的压缩模量fk ：地基承载力标准值。3）地基沉降计算深

34、度Zn ，地基沉降计算深度Zn，应满足：nSn0.025Sii1式中：Sn 为计算深度处向上取厚度z 的分层的沉降计算值，z 的厚度选取与基础宽度 B 有关，见下表：z值表B （m） 22 4488 1515 3030z0.30.60.81.01.21.5（ m）Si 为计算深度范围内第I 层土的沉降计算值。注：（ 1）当基础无相邻荷载影响时，基础中心点以下地基沉降计算深度也按下式参数取值。Zn B（ 2.50.4lnB ）np0 ( zi ai zi 1 ai 1 )（ 2）利用 ss si 1Esi计算地基的最终沉降量，在考虑相邻荷载影响时，平均附加应力仍可应用叠加原理。第四节饱和土体渗流

35、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，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 年太沙基提出安徽理工大学13精品课程土质学与土力学第六章一基本假设：将固结理论模型用于反映饱和粘性土的实际固结问题，其基本假设如下：1土层是均质的，饱和水的；2在固结过程中，土粒和孔隙水是不可压缩的；3土层仅在竖向产生排水固结（相当于有侧限条件）；4土层的

36、渗透系数K 和压缩系数a 为常数；5土层的压缩速率取决于自由水的排出速率，水的渗出符合达西定律；6外荷是一次瞬时施加的，且沿深度Z 为均匀分布。二固结微分方程式的建立在饱和土体渗透固结过程中，土层内任一点的孔隙水应力Uzt 所满足的微分方程式称为固结微分方程式。在粘性土层中距顶面 Z 处取一微分单元，长度为 dz，土体初始孔隙比为 e1，设在固结过程中的某一时刻 t，从单元顶面流出的流量为 q q dz则从底面流入的流量将为 q。z于是，在dt 时间内，微分单元被挤出的孔隙水量为：qqd( qdz)qdt()dzdtzz设渗透固结过程中时间t 的孔隙比为et，孔隙体积为： Vvetdz1 e1

37、在 dt 时间内，微分单元的孔隙体积的变化量为：dVvVvdt(etdz)dttt1e11etdzdt1e1t由于土体中土粒， 水是不可压缩的， 故此时间内流经微分单元的水量变化应该等于微分单元孔隙体积的变化量，即： ddVv或 (q)dzdt1etdzdtz1e1t即：q1etz1e1t根据渗流满足达西定律的假设q VAKiKhKuzrwz式中： A 为微分单元在渗流方向上的载面积，A 1；i：为水头梯度， ih其中 h 为侧压管水头高度z ：为孔隙水压力，urw h0安徽理工大学14精品课程土质学与土力学第六章de根据压缩曲线和有效应力原理，adp而 zupueta uK (1 e1 )所

38、以：并令 Cvttarw2 uu则得 Cvtz2此式即为饱和土体单向渗透固结微分方程式。22三固结微分方程式的求解对于 Cv2uu 方程，可以根据不同的起始条件和边界条件求得它的特解。考虑到z2t饱和土体的渗流固结过程中， 的变化与时间 t 的关系应有 t=0, Uz,t P；0t, Uz,tp ； t,uz1t 0, p 如图所示（见教材）的情况。当： t=0,和 0 Z H, U= z=P初始条件0t 和 Z=0时u00t, zH , 土层不透水， q0,u0zt,0zH ,uo, zp将固结微分方程Cv2uu 与上述初始条件，边界条件一起构成定解问题，用分离z2t变量法可求微分方程的特解

39、任一点的孔隙水应力。41m2 2u ztze4m 1 mmsinz2H式中的 m 为正整奇数（ 1.3.5.7.）；e 为自然对数的底；Tv 为时间因素，无因次，Tv tCv/H2 ，t 的单位为年， H 为压缩土层的透水面至不透水面的排水距离cm；当土层双面排水， H 取土层厚度的一半。四固结度及其应用所谓固结度，就是指在某一固结应力作用下，经某一时间t 后，土体发生固结或孔隙水应力消散的程度。对于土层任一深度Z 处经时间 t 后的固结度，按下式表示：安徽理工大学15精品课程土质学与土力学第六章v zt ztu0uzt1uztpu0u0式中： U 0： 初始孔隙水应力，其大小即等于该点的固结

40、应力；Uzt ： t 时刻的孔隙水应力；Vzt ：固结度。平均固结度（ Vt ）：当土层为均质时，地基在固结过程中任一时刻t 时的沉降量 St 与地基的最终变形量 S 之比称为地基在t 时刻的平均固结度。用Vt 表示即：Vt St/S 或 St Vt S当地基的固结应力、土层性质和排水条件已定的前提下，Vt仅是时间 t 的函数，4p1m zm22sinTv4给出了 t 时刻在深度Z 的孔隙水应力的大小，根据有效由 uzt2Hem 1 m应力和孔隙水应力的关系，土层的平均固结度：aH dzHHst1e10(z u)dzudz010vtaHHsHzdzzdzz dz1e1000HHz dzudz,

41、分别表示土层在外荷作用下t 时刻孔隙水应力面积与固结应力的面004 p1m zm22Tv积，将式 uzt4代入上式得：sinem 1 m2H22vt182 (e 4 Tv1 e99Tv4)此式给出的 Vt 与 Tv 之间的关系可以用图4 29 中（见教材P147）的曲线 (1)表示。从上式可以看出，土层的平均固结程度是时间因数Tv 的单值函数，它与所加的固结应力的大小无关，但与土层中固结应力的分布有关。固结度应用：有了上述几个公式，就可根据土层中的固结应力、排水条件解决下列两类问题：1已知土层的最终沉降量S，求某时刻历时t 的沉降 St2 求得 Tv 后，由地基资料 K，压缩系数 a， e1,

42、H ,t，按式 Cv K（ 1+e1）/arw ,Tv Cvt/H2Tv然后利用图 4 29（1）线查出相应的固结度Vt 或按式 vt 1a(2)2 163 e 41a求得 Vt 和式 Vt St/S 求得 St。式中： az （表示透水在上的固结应力与不透水面上的固结应力之比）z 2已知土层的最终沉降量S，求土层到达某一沉降St 时，所需的时间t安徽理工大学16精品课程土质学与土力学第六章例题 1：某饱和粘性土层，厚10m，在外荷作用下产生的附加应力沿土层深度分布简化为梯度如图（见教材） ，下为不透水层。已知初始孔隙比 e1 0.85，压缩系数 a=2.5 10-4 m2/KN, 渗透系数 K 2.5cm/年。求（ 1）加荷 1 年后的沉降量， （ 2）求土层沉降 15.0cm 所需时间。解：（ 1） St V tS，固结应力1K p az2(100 200) 150aszH最终沉降量1e12.5104100020.27cm11500.85固结系数Cv K （ 1+e1） /arw=19m 2/ 年=1.9 105cm2/ 年Cv1.9 105时间因数 Tv2 t100021 0.19H 透水面上固结应力/不透水面上固结应力200/100=2(2)2 162vt1e4Tv1322(2)2