土力学-第四章-概述 土的压缩性测试方法 张丙印
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• 试样是轴对称应力状态
• 垂直应力一般是大主应力1
• 侧向应力相等且为中、小主应
力2=3
方法： • 固结：加围压力1=2=3 • 剪切：加偏差应力Δ1=1-3
轴向力F
水压力c
试 样
1 -3=F/A 3=c
1
3=c
3=c
应力特点与试验方法 20
§5.3 土的抗剪强度的测定试验 – 三轴试验
智者乐水 仁者乐山
εx
σx Et
νt Et
σy
σz
εy
σy Et
νt Et
σz σx
侧限条件 Δεx Δεy 0
σx σy
Δσ x
Δσ y
νt 1 νt
Δσz
则:
Δεz
Δσz
Et
νt Et
νt νt
Δσz Et
νt νt
Et
Δσz Δεz
1
2νt 2 1 νt
βEs
Et < Es
常规三轴与侧限压缩试验
土体变形的机理
24
§4.2 土的压缩性测试方法
智者乐水 仁者乐山
1-3 f 1
E
1
线弹性-理想塑性
1-3
1
2
1
非线性弹性
1-3
14
3 2
1
弹塑性
土的本构模型
25
学习难点
• 应力历史及先期固结压力 • 不同条件下的总沉降量计算 • 渗流固结理论及参数
2
第四章：本章概要
土的压缩变形问题
智者乐水 仁者乐山
土的压缩性测试方法 一维压缩性及其指标 地基的最终沉降量计算 饱和土体的渗流固结理论
试验方法 压缩性指标 沉降的大小 沉降的过程
土的压缩性与地基沉降计算
常规三轴：
• 存在破坏应力
侧限压缩试验：
• 不存在破坏应力 • 存在体积压缩极限
z=p
侧限压 缩试验
常规三 轴试验
e
z
( e )
常规三轴与侧限压缩试验
22
§4.2 土的压缩性测试方法
智者乐水 仁者乐山
变形模量 Et 与侧限变形模量 Es间的关系
虎 εz
σz Et
νt Et
σx σy
克 定 律
§4.3 一维压缩性及 其指标
§4.4 地基的最终沉 降量计算
沉降
速率
• 一维固结 • 三维固结
§4.5 饱和土体的渗 流固结理论
主线、重点：一维问题！
概述 13
第四章：土的压缩性与地基沉降计算
§4.1 概述 §4.2 土的压缩性测试方法 §4.3 一维压缩性及其指标 §4.4 地基的最终沉降量计算 §4.5 饱和土体的渗流固结理论
常用试验类型
百分表
类型
固结 排水
施加
3
固结
固结 不排水
固结
不固结 不排水
不固结
施加
1-3
排水
不排水
不排水
量测
体变
孔隙水 压力 孔隙水 压力
围压
力3
阀门
智者乐水 仁者乐山
横梁 量力环
量 水 管
孔压
试
量测
样
马达
阀门
常规三轴压缩试验
19
§5.3 土的抗剪强度的测定试验 – 三轴试验
智者乐水 仁者乐山
应力特点：
侧限压缩(固结)仪
智者乐水 仁者乐山
变形测量 固结容器
加
压
设
支架
备
16
§4.2 土的压缩性测试方法 – 压缩试验
侧限压缩试验
• 施加荷载，静置至 变形稳定
• 逐级加大荷载
透水石
试样
智者乐水 仁者乐山
百分表 加压上盖 环刀 压缩 容器
护环
测定：
• 轴向压缩应力 • 轴向压缩变形
17
p
P3
P2
P1
t
s
s3
s2
s1
t
§4.2 土的压缩性测试方法 – 压缩试验
智者乐水 仁者乐山
压缩曲线及特点
• 侧限变形（压缩）模量：
加载：
Es
Δσ z Δεz
卸载和重加载：
Ee
Δσz Δεz
非线性 弹塑性
土的一般化的压缩曲线
z= p
1 Ee 1 Es
e
z
( e )
侧限压缩试验
18
§4.2 土的压缩性测试方法 – 三轴试验
墨西哥某宫殿
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。左侧建筑 物于1969年加固
智者乐水 仁者乐山
工程实例
6
Βιβλιοθήκη Baidu
§4.1 概述
智者乐水 仁者乐山
墨西哥城的一幢建筑， 可清晰地看见其发生的 沉降及不均匀沉降。该 地的土层为深厚的湖相 沉积层，土的天然含水 量高达 650 ％，液限 500% ，塑性指数 350 ， 孔隙比为 15 ，具有极 高的压缩性。
工程实例
7
§4.1 概述
Kiss
智者乐水 仁者乐山
由于沉降相互影 响，两栋相邻的 建筑物上部接触
工程实例
8
§4.1 概述
智者乐水 仁者乐山
基坑开挖，引起阳台裂缝
工程实例
9
§4.1 概述
建新 筑建 物筑 开引 裂起
原 有
智者乐水 仁者乐山
10
§4.1 概述
智者乐水 仁者乐山
建 筑 物 立 面 高 差 过 大
23
§4.2 土的压缩性测试方法
土体的变形特性
▪ 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
智者乐水 仁者乐山
土体的特点：散粒体
▪ 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
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
§4.2 土的压缩性测试方法
室内试验
• 侧限压缩试验 • 三轴压缩试验 • 其他特殊试验
现场试验
• 荷载试验 • 旁压试验
智者乐水 仁者乐山
一维问题 三轴应力状态
土的变形特性测定方法
15
§4.2 土的压缩性测试方法 – 压缩试验
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
一般化的应力应变曲线
•
变形模量：Et
Δ(σ1 σ3 ) Δε1
弹性模量
•
泊松比：
νt
Δε3 Δε1
• 与围压有关 • 非线性（弹塑性） • 剪胀性
土一般化的应力应变曲线
σ1 σ3
1 Ei
1 Et
p
e
ε1
固结排水试验
21
§4.2 土的压缩性测试方法
智者乐水 仁者乐山
应力应变关系 曲线的比较
《土力学1》之第四章
土的压缩性与地基沉降计算
张丙印
清华大学土木水利学院 岩土工程研究所
第四章：本章概要
第四章：土的压缩性与地基沉降计算
本章提要
• 土的压缩性 -测试方法和指标 • 地基的最终沉降量-分层总合法 • 地基的沉降过程-饱和土渗流固结理论
本章特点 • 有一些较严格的理论
• 有较多经验性假设和公式
工程实例
11
§4.1 概述
智者乐水 仁者乐山
建筑物过长：长高比7.6:1
47m
39
87
150
194 199
175
沉降曲线(mm)
工程实例
12
§4.1 概述
压缩性
测试
最终沉
降量
• 室内：三轴压缩 侧限压缩
• 室外：荷载试验 旁压试验
• 一维压缩：基本方法 • 复杂条件：修正
智者乐水 仁者乐山
§4.2 土的压缩性测 试方法
3
第四章：本章概要
智者乐水 仁者乐山
4-2 4-3 4-6 4-7 (1)(2)(3)(4)(6)
本章作业
4
第四章：土的压缩性与地基沉降计算
§4.1 概述 §4.2 土的压缩性测试方法 §4.3 一维压缩性及其指标 §4.4 地基的最终沉降量计算 §4.5 饱和土体的渗流固结理论
§4.1 概述
• 垂直应力一般是大主应力1
• 侧向应力相等且为中、小主应
力2=3
方法： • 固结：加围压力1=2=3 • 剪切：加偏差应力Δ1=1-3
轴向力F
水压力c
试 样
1 -3=F/A 3=c
1
3=c
3=c
应力特点与试验方法 20
§5.3 土的抗剪强度的测定试验 – 三轴试验
智者乐水 仁者乐山
εx
σx Et
νt Et
σy
σz
εy
σy Et
νt Et
σz σx
侧限条件 Δεx Δεy 0
σx σy
Δσ x
Δσ y
νt 1 νt
Δσz
则:
Δεz
Δσz
Et
νt Et
νt νt
Δσz Et
νt νt
Et
Δσz Δεz
1
2νt 2 1 νt
βEs
Et < Es
常规三轴与侧限压缩试验
土体变形的机理
24
§4.2 土的压缩性测试方法
智者乐水 仁者乐山
1-3 f 1
E
1
线弹性-理想塑性
1-3
1
2
1
非线性弹性
1-3
14
3 2
1
弹塑性
土的本构模型
25
学习难点
• 应力历史及先期固结压力 • 不同条件下的总沉降量计算 • 渗流固结理论及参数
2
第四章：本章概要
土的压缩变形问题
智者乐水 仁者乐山
土的压缩性测试方法 一维压缩性及其指标 地基的最终沉降量计算 饱和土体的渗流固结理论
试验方法 压缩性指标 沉降的大小 沉降的过程
土的压缩性与地基沉降计算
常规三轴：
• 存在破坏应力
侧限压缩试验：
• 不存在破坏应力 • 存在体积压缩极限
z=p
侧限压 缩试验
常规三 轴试验
e
z
( e )
常规三轴与侧限压缩试验
22
§4.2 土的压缩性测试方法
智者乐水 仁者乐山
变形模量 Et 与侧限变形模量 Es间的关系
虎 εz
σz Et
νt Et
σx σy
克 定 律
§4.3 一维压缩性及 其指标
§4.4 地基的最终沉 降量计算
沉降
速率
• 一维固结 • 三维固结
§4.5 饱和土体的渗 流固结理论
主线、重点：一维问题！
概述 13
第四章：土的压缩性与地基沉降计算
§4.1 概述 §4.2 土的压缩性测试方法 §4.3 一维压缩性及其指标 §4.4 地基的最终沉降量计算 §4.5 饱和土体的渗流固结理论
常用试验类型
百分表
类型
固结 排水
施加
3
固结
固结 不排水
固结
不固结 不排水
不固结
施加
1-3
排水
不排水
不排水
量测
体变
孔隙水 压力 孔隙水 压力
围压
力3
阀门
智者乐水 仁者乐山
横梁 量力环
量 水 管
孔压
试
量测
样
马达
阀门
常规三轴压缩试验
19
§5.3 土的抗剪强度的测定试验 – 三轴试验
智者乐水 仁者乐山
应力特点：
侧限压缩(固结)仪
智者乐水 仁者乐山
变形测量 固结容器
加
压
设
支架
备
16
§4.2 土的压缩性测试方法 – 压缩试验
侧限压缩试验
• 施加荷载，静置至 变形稳定
• 逐级加大荷载
透水石
试样
智者乐水 仁者乐山
百分表 加压上盖 环刀 压缩 容器
护环
测定：
• 轴向压缩应力 • 轴向压缩变形
17
p
P3
P2
P1
t
s
s3
s2
s1
t
§4.2 土的压缩性测试方法 – 压缩试验
智者乐水 仁者乐山
压缩曲线及特点
• 侧限变形（压缩）模量：
加载：
Es
Δσ z Δεz
卸载和重加载：
Ee
Δσz Δεz
非线性 弹塑性
土的一般化的压缩曲线
z= p
1 Ee 1 Es
e
z
( e )
侧限压缩试验
18
§4.2 土的压缩性测试方法 – 三轴试验
墨西哥某宫殿
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。左侧建筑 物于1969年加固
智者乐水 仁者乐山
工程实例
6
Βιβλιοθήκη Baidu
§4.1 概述
智者乐水 仁者乐山
墨西哥城的一幢建筑， 可清晰地看见其发生的 沉降及不均匀沉降。该 地的土层为深厚的湖相 沉积层，土的天然含水 量高达 650 ％，液限 500% ，塑性指数 350 ， 孔隙比为 15 ，具有极 高的压缩性。
工程实例
7
§4.1 概述
Kiss
智者乐水 仁者乐山
由于沉降相互影 响，两栋相邻的 建筑物上部接触
工程实例
8
§4.1 概述
智者乐水 仁者乐山
基坑开挖，引起阳台裂缝
工程实例
9
§4.1 概述
建新 筑建 物筑 开引 裂起
原 有
智者乐水 仁者乐山
10
§4.1 概述
智者乐水 仁者乐山
建 筑 物 立 面 高 差 过 大
23
§4.2 土的压缩性测试方法
土体的变形特性
▪ 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
智者乐水 仁者乐山
土体的特点：散粒体
▪ 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
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
§4.2 土的压缩性测试方法
室内试验
• 侧限压缩试验 • 三轴压缩试验 • 其他特殊试验
现场试验
• 荷载试验 • 旁压试验
智者乐水 仁者乐山
一维问题 三轴应力状态
土的变形特性测定方法
15
§4.2 土的压缩性测试方法 – 压缩试验
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
一般化的应力应变曲线
•
变形模量：Et
Δ(σ1 σ3 ) Δε1
弹性模量
•
泊松比：
νt
Δε3 Δε1
• 与围压有关 • 非线性（弹塑性） • 剪胀性
土一般化的应力应变曲线
σ1 σ3
1 Ei
1 Et
p
e
ε1
固结排水试验
21
§4.2 土的压缩性测试方法
智者乐水 仁者乐山
应力应变关系 曲线的比较
《土力学1》之第四章
土的压缩性与地基沉降计算
张丙印
清华大学土木水利学院 岩土工程研究所
第四章：本章概要
第四章：土的压缩性与地基沉降计算
本章提要
• 土的压缩性 -测试方法和指标 • 地基的最终沉降量-分层总合法 • 地基的沉降过程-饱和土渗流固结理论
本章特点 • 有一些较严格的理论
• 有较多经验性假设和公式
工程实例
11
§4.1 概述
智者乐水 仁者乐山
建筑物过长：长高比7.6:1
47m
39
87
150
194 199
175
沉降曲线(mm)
工程实例
12
§4.1 概述
压缩性
测试
最终沉
降量
• 室内：三轴压缩 侧限压缩
• 室外：荷载试验 旁压试验
• 一维压缩：基本方法 • 复杂条件：修正
智者乐水 仁者乐山
§4.2 土的压缩性测 试方法
3
第四章：本章概要
智者乐水 仁者乐山
4-2 4-3 4-6 4-7 (1)(2)(3)(4)(6)
本章作业
4
第四章：土的压缩性与地基沉降计算
§4.1 概述 §4.2 土的压缩性测试方法 §4.3 一维压缩性及其指标 §4.4 地基的最终沉降量计算 §4.5 饱和土体的渗流固结理论
§4.1 概述