高等土力学-固结理论-4课时

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• 多方向的排水和变形
4. 三维固结理论
一般情况下,受建筑物荷重作用的地基总要引起多方向 的排水和变形。 单向固结实际上仅是特定条件下的情况。 现场实测沉降表明,粘性土地基实际发生沉降比单向固 结理论计算的沉降快得多。
太沙基-伦杜立克理论
Fx Fy Fz
(2) 水流连续方程
饱和土,单元土体的水量变化dVw 应为 x、y、z 三个方向进入的分流量之和
dVw (qx qy qz )dt
qx
qx x
x
qy
qy y
y
qz
qz z
z
qz+qz
qx
qx+qx qy
qy+qy qz
由达西定律
q=-kia
则可得,不可压缩流体在渗流过程中体积守恒的连续方程
工程上压缩系数一般取
a12
e1 e2 p2 p1
作为
评价土层压缩性的标准,其中p1=100kPa,
p2=200kPa,
2. 压缩模量(侧限压缩模量)
Es
p H / H1
(e1
p e2 ) /(1 e1)
1 e1 a
(MPa)
模量=应力增量/应变
3. 体积压缩系数 coefficient of volume compressibility
u
Rowe Cell 中不同排水条件
常规固结试验不能测水平向固结系数
恒应变速率压缩试验(CRS)
常规固结试验的缺点:
• 每一级荷载固结24小时,有次压缩的影响 • 通常需要1至2个星期完成一个试验 • 测点(荷载)较疏,当压缩曲线e-log(p)比较平缓时,很难确定
先期固结压力pc’
恒应变速率压缩试验(CRS)
3. 一维固结理论
3.1 研究固结问题所需基本方程
固结是土体受外力作用,内部应力变化引起体积变化, 同时有部分孔隙水被挤出的压密过程。 要探讨固结规律,首先要研究力的平衡条件和水流连续 条件等基本问题。
(1) 土体受力平衡方程
土体受外力处于平衡状态时,土体单元的应力应该满足以下平衡方 程
Fx Fy Fz
3.4 固结系数的确定
1. 时间对数法(Log-time method/ Casagrande’s method)
固结试验的压缩曲线
当U<60% 时 曲线近似为抛物线
U2
4
Tv
沉降增加一倍,时间将增加4倍。故在初始段曲线上任找两点A点与B,B点的横坐标为A点的4
倍,A、B两点间纵坐标的差 应等于A点与起始点纵坐标的差,据此可以定出U0时刻的纵坐标
影响土压缩性的主要因素
土的组成和结构状态
• 土粒粒径大小、成分 • 土体结构 • 有机质 • 孔隙水
环境影响
• 应力历史 • 温度
土体结构影响
粗粒土基本上是单粒结构。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。土的级配 越好,密度愈高,压缩量愈小。如果压力较大,其压缩 有可能是部分土粒被压碎。
松散型
密实型
细粒土土粒大多呈扁平鳞片状,其典型结构有两种:絮 凝结构与分散结构。
絮凝结构的沉积粘土的变形,往往是颗粒相互滑移到新 稳定位置和土粒发生弹性挠曲的结果。 分散结构的粘土颗粒接近于平行排列。这类土的压缩变 形,主要由于颗粒间的水被挤出所引起。人工压密土的 结构,多属此型。
有机质影响 土中有机质主要为纤维素和腐殖质,其存在使土体的压 缩性与收缩性增大,对强度也有影响。
6. 渗透系数k保持不变 7. 外荷载一次瞬时施加,保持不变
普遍方程 已经满足
(2) 太沙基一维固结微分方程 水的渗流和土层的压缩仅在竖向发生
水流 连续 方程
dv dt
kx
2h x2
ky
2h y 2
kz
2h
z 2
dv
dt
kz
2h z 2
土体应力应变关系+有效应力原理+外荷载不变
dv mvd ' mvd ( u) mvd (u) mvd (u)
1 V
dVw dt
kx
2h x2
ky
2h y 2
kz
2h
z 2
不可压缩、饱和土稳定渗流时,单元土体内的水量保持不 变,
dVw 0 dt
拉普拉斯方程
如果土骨架可以压缩且土孔隙中的流体会被挤出, 则 dVw 0
dt
dVw dt
=?
是固结理论要研究的问题
考虑饱和土体,从单元土体流出水量等于土体压缩量
高等土力学
土的固结理论
本章提要
1. 土的压缩性和主要影响因素 2. 土的固结和固结试验 3. 一维固结理论 4. 三维固结理论
5. 次固结和流变 6. 沉降的计算方法 7. 工程应用问题和实例
参考书
《土工原理》 殷宗泽编著 《高等土力学》李广信 主编
1. 土的压缩性和影响因素
土的压缩性是指土体在压力作用下体积缩小的特性 • 土体产生体积缩小的原因:
式中
3.3 固结度和压缩量的计算
在某一固结应力作用下,经某一时间t后,土体孔隙水压力消散程度
1. 某点土的固结度
等时孔压线 Isochrones
土层中各点在不同时刻(Tv)的固结度
2. 平均固结度
H
H
U (t) 1
(u)dz
0
0
(u0 u)dz H
H
u
(1 )dz
H 0 (u0 )dz
u0 H
理论零点
理论终点
U-Tv理论曲线
U50Tv=0.197
Tv
Cvt H2
Cv
2. 时间平方根法 (Root time method/ Taylor ’s method)
当U<60% 时 压缩曲线近似 U 4Tv
Tv 0.5 U 延伸到U=90% Tv 0.5 0.90 0.798
步骤: 1)直线段延伸到纵 轴确定U0; 2)做斜率为1.15倍 的直线交试验曲线与 一点,得到t90; 3) 计算Cv
kz
2h z 2
注意:与渗流理论中此公式一致
vx x
vy y
vz z
w
g
1
1 n
w
h
t
仅考虑 超孔压
u k 2u
t mv w z2
定义
Cv
k
mv w
太沙基一维固结微分方程
已假设k 和mv为常量,故Cv也是常量 推导Cv单位
初始条件和边界条件如下:
排水面
p
H
u
不排水面
z
应用傅立叶级数,可求得满足初始条件和边界条件的解析解如下:
dt
dt
dt
dt
dt
体应变为负值表示体积压缩
土体 应力-应变关系 单向固结问题,可用固结试验压缩曲线
差个负号
• 对于三向与二向固结问题,土体的受力条件比较复杂,变形 特性也十分复杂,还缺少完善的测试方法。
• 因此,可假设土体是理想均质各向同性弹性体,利用弹性常 数来表达土体的应力—应变关系。
mv du dt
0
u0
排水面
2H
排水面 曲线(1)
排水面
曲线(1)
曲线(1)
(a)
不排水面 曲线(1)
曲线(2) 曲线(3) (b)
H
3. 压缩量
H
U (t) 0 (u0 u)dz u0 H
H
S(t)=mv 0 udz
H
mv 0 (u0 u)dz
mv (u0 U (t) H ) (mvu0H ) U (t) S() U (t)
底部密封,测孔隙水压力, 加荷设备产生恒定速率的向下 位移 定期测读试样变形、孔压、荷 重
• CRS固结试验优点:
• 荷载连续施加 • 当取合适的应变速率时,
次压缩影响很小 • 试验时间缩短到几天
Strain rate 0.01-0.005%/min (Gorman et al. 1978)
Wissa et al. (1971)根据小应变理论,给出了固结系数和体积压缩 系数的计算方法
快速固结试验:每级压力固结1h
试验成果
初始孔隙比计算公式:
e0
(1 w0 )Gs w 0
1
各级压力下试样固结稳定后的孔隙比:
Biblioteka Baidu
ei
e0
hi h0
(1 e0 )
e-p 曲线 固结曲线/压缩过程曲线
压缩性指标
1. 压缩系数 a de / dp
e1 e2 p2 p1
指标随应力变化
(MPa-1)
• 作用在地基上荷载随时间变化 • 土层厚度随时间变化(例如,天然土沉积过程、土堤施工) • 地基为成层土(天然沉积土一般具有成层结构,如果层间的固结
特性相差较大,则宜按成层地基考虑。) • 太沙基固结理论实际上假设了固结过程中土的排水距离不变。但
在高压缩性地基上会产生相当大的变形,沉降量甚至达到压缩土 层厚的百分之几十。仍按太沙基理论计算,固结时间明显偏长。
不考虑水的压缩,土骨架可压缩,饱和土
dVw dV dv V
dt dt dt
1 V
dVw dt
kx
2h x2
ky
2h y 2
kz
2h
z 2
dv
dt
kx
2h x2
ky
2h y 2
kz
2h
z 2
3.2 太沙基一维固结理论
(1) 基本假设:
1. 土层是均质,完全饱和的,理想弹性材料 2. 土的压缩完全是由于孔隙体积的减少,土粒和水是不可压缩的 3. 水的渗流和土层的压缩仅在竖向发生 4. 水的渗流遵从达西定律 5. 土体变形是微小的
注意:太沙基固结理论无法直接计算变形,用固结度来计算。
3.4 固结系数的确定
固结系数 coefficient of consolidation
太沙基一维固结
Cv
k
mv w
k(1 e0 )
wa
单位:m2/s
(1)固结系数Cv越大,固结越快。
(2)K越大,渗透性越好,孔压消散越快;
(3)mv越小,土压缩性越小,相同荷载对应变形 越小,需要排出水越少,孔压消散越快。 举例:砂土 (4) 固结系数随应力变化.
试样不能产生侧向变形
试验步骤:
• 逐级加压,12.5\25\50、 100\200\400\800\1600\3 200kPa
• 每级压力下固结24h • 为测定压缩速率,加压后
按时间读数至24h
1—水槽 2—护环 3—环刀 4—导环 5—透水板 6—加压盖 7—位移计导杆 8—位移计架 9—试样
固结仪/Oedometer
关注两个问题: 压缩大小(压缩性)、
快慢(固结特性)
2. 固结试验
Oedometer Test常规固结试验/侧限压缩试验/Ko压缩试 验/单向压缩试验 Rowe Cell固结仪 恒应变速率试验(Constant Rate of Strain ,CRS)
固结仪 11
12
13
常规固结试验
土工试验方法标准(GB/T50123-1999) BS1377(part 5)
• 举例:天然泥炭与泥炭质土(含水率很高,孔隙比大,比重低, 液、塑限大),压缩性极高,但固结较快。
在加荷后很短时间内,即完成 大部分压缩; 随着荷载加大,压缩量急剧增 加
什么是土的固结?
在荷载作用下,饱和土体孔隙中的水逐渐排出,土的骨架颗粒 相互挤紧,土体发生压缩变形,这一现象称为土的固结。
饱和土(土骨架+孔隙水)
这三个指标可认为是常数
Rowe Cell固结仪
Rowe, P.W., Barden, L., 1966. A new consolidation cell. Geotechnique, 16(6):162-170.
改进的固结仪 施加荷载方式好,由加荷 产生的变形可忽略 压力传感器测量试件的水 压 试样尺寸大,可达到直径 250mm,高100mm 可设置不同排水条件,测 不同方向排水固结系数
实际上U=90%时,
Tv 0.848 0.920 1.15 0.798
Ut=90%时,TV 为Ut<60%的 1.15倍
U90Tv=0.848
0.848H 2
Cv
t90
3. 反弯点法
U70
其它方法还包括:试算法、三点计算法、司各脱法、 现场测试法
单向固结的复杂情况
实际工程条件与太沙基一维固结理论的某些简化假设不 同。
因为压缩指标实际不是常数,不宜采用上述公式计算 固结系数
U1
0.8 0.6 0.4 0.2
U 4Tv
级数取8项 级数取3项 级数取1项 平方根
U
1
8
2
e
2 4
Tv
1 e9
2 4
Tv
9
1 25 2 e4
Tv
25
...
0
0
0.5
1
1.5
2 Tv
U<0.53,用平方根式近似;U>0.53,用一阶级数近似式。
mv 1/ Es a / (1 e1)
4. 压缩指数 Compression index
e Cc (lg p)
压缩指数值越大,土的压缩性越高。 低压缩性土的压缩指数一般小于0.2 压缩指数大于0.4为高压缩性土。
5. 回弹指数 Expansion index
Log10()
Ce
6. 再压缩指数 Cr
(1)孔隙水和孔隙气体的排出 (2)孔隙水和孔隙气的压缩 (3)固体颗粒的压缩 (4)孔隙气体的溶解 试验研究表明,在一般压力(100~600kPa)作用下,土粒和水的压
缩量与土体的压缩总量之比(小于1/400)可以忽略不计,封闭的 气泡很少量压缩也可忽略不计。
土的压缩实际上是由于孔隙水和孔隙气体的排出,孔隙体积缩 小,土粒调整位置,重新排列,互相挤紧(土骨架变形)
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