每天一点土力学(32):土的压缩性与地基沉降计算(1)

前言

建筑物的

上部荷载通过基础传给地基,并在地基中扩散,由于土是可以压缩的,地基在附加应力的作用下,必然会产生沉降变形。 地基变形的大小取决于两个方面一方面是建筑物基底压力 p,它与建筑物的荷载大小、基础底面面积、基础埋深及基础形状有关;另一方面取决于土的压缩性质。

从工程意义上来说,地基的沉降分为均匀沉降和不均匀沉降。 当建筑物均匀下沉时,从结构安全的角度,不会对建筑物造成很大影响,但是过大的沉降会严重影响建筑物的美观及正常使用;当建筑物发生不均匀沉降时,将会影响建筑物的结构和使用安全,严重的会造成建筑物倒塌。 不少房屋建筑工程事故中,包括建筑物的倾斜或严重下沉、墙体开裂、基础断裂、设备管道排水倒流等,都是由于土的压缩性高或压缩性不均匀,造成地基严重沉降或不均匀沉降

因此,在工程设计及施工中,必须根据建筑物的情况和勘探试验资料,计算基础可能发生的沉降量和沉降差,并设法将其控制在建筑物容许范围内。 必要时还应采取一些措施,尽量减小地基沉降可能给建筑物带来的危害。

固结试验

土的压缩性

土在压力作用下的特性称为土的压缩性。 土的压缩通常有三部分固体土颗粒被压缩水和气体从孔隙中被压缩水和气体从孔隙中挤出。 试验研究表明,固体颗粒和水的压缩性是微不足道的,在一般压力下(100 ~600 kPa),土颗粒和水的压缩量都可以忽略不计,所以土的压缩主要是孔隙中一部分水和空气被挤出,封闭气泡被压缩;与此同时,土颗粒相应发生移动,靠拢挤紧,从而使土中孔隙减小。

不同的土压缩性有很大差别,其主要影响因素包括土本身的性状(如颗粒级配、成分、结构构造、孔隙水等)和环境因素(如应力历史、应力路径、温度等)。 为了评价土的压缩性质,通常采用

固结试验(也叫室内侧限压缩试验)和现场载荷试验来研究。

固结试验

固结试验的主要目的是了解土的孔隙比随压力变化的规律,并测定土的压缩性指标,评定土的压缩性大小。 土的固结试验采用如图(a)所示的固结仪(也称侧限压缩仪),

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压缩仪示意图

压缩容器部分如图(b)所示。

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压缩容器示意图

试验时,用金属环刀(内径80 mm,高 20 mm)切取原状土样,并置于压缩容器的刚性护环内,使土样在压缩过程中不能侧向膨胀仅发生竖向变形。 土样上、下各垫有一块透水石,土样受压后土中水可以自由排出。 在天然状态下或经人工饱和后,对土样进行逐级加压固结,通过百分表对竖向变形量进行量测。 每一级荷载通常保持 24 h,或者在竖向变形达到稳定后施加下一级荷载,一般施加5 级荷载。 试验完成后,烘干土样测其干重

如图所示,

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设土样的初始高度为 H 0 ,在荷载 p 作用下土样稳定后的总压缩量为 s。 设土颗粒体积为 V s =1,根据土孔隙比的定义,受压前后土的孔隙体积 V v 分别为 e 0 和 e,由于试验时土样处于侧限条件下,故受压前后土样的横截面面积不变。 据此求得受压前后土样横截面面积分别为:

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则有

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由上式推得试验过程中孔隙比 e 的计算公式,即

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只要测得每级荷载 p 下土样压缩稳定后的压缩量 s,就可以根据上式计算出相应的孔隙比e,从而绘制土的压缩曲线,或称 e-p 曲线,如图 (a)所示;

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e-p 曲线

如果横坐标 p 采用半对数,则得到e-lgp 曲线,如图(b)所示。

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e-lgp 曲线


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