土力学与地基基础 教学课件 ppt 作者 姜晨光 主编第7章 地球土的固结问题.ppt

第7章 地球土的固结问题 7.1 地球土的固结机理 ?? 地球土的压缩性是指土体在压力作用下体积缩小的性质。大量试验研究表明，一般压力（100~600kPa）作用下地球土粒和土中水的压缩量与土体的压缩总量之比很微小（可以忽略不计）且只有很少量封闭的土中气被压缩（故也可忽略不计），因此，土的压缩主要为土中孔隙体积的缩小（即土中水和土中气的体积缩小。此时，土粒调整位置并重新排列、互相挤紧）。饱和土压缩孔隙体积的减小相应于土中水体积的减小，饱和土在压力作用下随土中水体积减小的全过程称为土的固结（或称土的压密）。计算地基沉降时必须获得土的压缩性指标，确定土的压缩性指标时无论采用室内试验或原位测试均应力求试验条件与土的天然状态及其在外荷作用下的实际应力条件相适应。室内试验测定土的压缩性指标常采用不允许土样产生侧向变形的实验（即侧限条件的固结试验），非饱和土只用于压缩时亦称压缩试验（其侧限条件虽未必都符合地基土的实际工程情况但仍有其实用价值）。土的固结试验可以测定土的压缩系数a、压缩模量Es等压缩性指标。室内土样在侧限条件下所完成的固结常称为K0固结（K0为土的静止侧压力系数，它是水平向有效应力与竖向有效应力之比的比例系数），天然土层在自重应力作用下（或在大面积荷载作用下）所完成的固结均为K0固结。 室内土的固结试验就是在K0固结条件下来测定土的压缩性指标的。通过室内土的三轴压缩试验既可测定土的弹性模量E也可测定K0固结抗剪强度指标。原位测试测定土的压缩性指标常采用现场（静）载荷试验，它是一项基本的原位测试，可同时测定地基承载力和土的变形模量E0。一般浅层平板载荷试验可模拟在半空间地基表面作用有局部均布荷载的情况，可测试刚性承压板稳定沉降与压力的关系进而利用地基沉降的弹性力学公式来反算土的变形模量（对深层土可采用深层平板载荷试验或螺旋板载荷试验）。由于现场载荷试验所需设备笨重、操作繁杂、时间较长、费用较大，因此现场快速的原位测试（比如旁压试验、触探试验、等）得以广泛应用。透水性大的饱和无粘性土（包括巨粒土和粗粒土，或指碎石类土和砂类土）的压缩过程通常在短时间内就可以结束，其固结稳定所经历的时间很短，因此可认为在外荷施加完毕时其固结变形已基本完成，故实践中一般不考虑无粘性土的固结问题。粘性土、粉性土及有机土均为细粒土，其完成固结所需的时间较长（深厚软粘土层的固结变形往往需要几年甚至几十年时间才能完成），研究粘性土的固结（压密）问题实质上是研究土中有效应力增长全过程的理论问题（泰萨基（K.Terzaghi）1925年提出的饱和土中的有效应力原理和单向（一维）固结理论是目前比较公认的粘性土固结基本理论。有效应力原理就是研究饱和土中的有效应力和孔隙应力的不同比值及与总应力的关系的）。工程实际中经常会遇到许多二维、三维固结问题（比如路堤、水坝荷载是长条形分布，其地基中的变形及孔隙水渗流既可发生在竖向也可发生在水平向，因而属于二维固结平面应变问题。在厚土层上作用局部荷载时属于三维固结问题。在软粘土层中设置排水砂井时除会发生竖向渗流外还会发生水平径向渗流，因此其属于三维固结轴对称问题）。二维、三维固结问题比较复杂，其确切机理目前尚不甚了了，因此，人们的关注点仍是土的压缩性和单向固结问题。 7.1.1土的压缩试验 ? 土的压缩试验也称土的固结试验（Schematic of compression test）。见下图。 土的压缩（固结）试验 7.1.2土的压缩曲线与压缩性指标 ? （1）e~p曲线与压缩系数 土的压缩试验完成后应绘制e~p曲线（e~p curve），见图7-1-3，图中M1和M2两点之间的直线段非常重要，其斜率a为 式（7-1-2）中，a为曲线斜率（即压缩系数，无量纲），式（7-1-2）代入式（7-1-1）可得 （7-1-2） 式（7-1-3）就是计算压缩量的一个重要公式。目前人们习惯用压缩系数a1-2来评估土的压缩性，即当a1-2≥0.5MPa-1时属高压缩性土；a1-20.1MPa-1属低压缩性土；a1-2介于0.1~0.5之间属中等压缩性土。a1-2是根据e~p曲线上p1和p2分别为100kPa和200kPa的数据获得的。 （7-1-3） 土的 e~p曲线 （2）土的e~logp曲线与压缩指数 根据土的压缩试验数据可将孔隙比e（void ratio或称几何比例arithmetic scale）和竖向压力（imposed test pressure）对数间的关系绘制成e~logp曲线可获得土的压缩指数Cc（e~logp plotting compressive index Cc），它们之间的关系见图7-1-4，这条曲线被称为初始固结线，其归化线性关系的斜率被称为压