土的压缩性和地基沉降量计算

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1、土的压缩性和地基沉降计算学习目标在学习土的压缩性指标确定方法的基础上，掌握地基最终沉降量计算原理和地基固结问题的分析计算方法。学习基本要求1．掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法2．掌握地基最终沉降量计算方法3．熟悉不同应力历史条件的沉降计算方法4．掌握有效应力原理5．掌握太沙基一维固结理论6．掌握地基沉降随时间变化规律1第一节概述土是矿物颗粒的松散堆积体。当作用在土体中的应力发生变化时，土的体积随之改变。体积减小，称为压缩；反之，则为膨胀。由于土体积压缩，地基在铅直方向的位移称为沉降，同时还伴生水平位移。土体完成压缩变形要经历一段时间过程。对于饱和土，荷载增加时，土体一般是逐渐压缩（应力解

2、除一般引起膨胀），部分水量从土体中排出，土中孔隙水压力相应地转为土粒间的有效应力，直至变形趋于稳定。这一变形的全过程称为固结。土体的压缩依赖于其所受有效应力的变化；而固结则取决于土体排水的快慢，它是时间的函数。2土的压缩与固结的研究，历史上经历了漫长岁月，直到1923年，太沙基提出了土力学中最重要的理论—有效应力原理，才建立起量化的分析计算方法。紧接着他总结了前人关于土的性状的研究成果，结合他创建的单向固结理论，于1925年发表了他的题为《土力学和地基基础》（ErdbaumechanikaufbodenphysikalscherGrundlage）的著作。为此，人们把该书的出版看成是土力学

3、学科的诞生.3固结与压缩对土的工程性状有重要影响，与土工建筑物和地基的渗流、稳定和沉降等问题有密切联系。例如，土体由于压缩，渗透性减小；伴随着固结过程，土体内的粒间应力不断改变，使土的强度相应变化；土体的压缩导致建筑物地基下沉，直接影响上层结构的使用条件和安全。4土的固结和压缩的规律相当复杂。它不仅取决于土的类别和性状，也随其边界条件、排水条件和受荷方式等因素而异。粘性土与无粘性土的变形机理不同；二相土和三相土的固结过程迥然有别，后者由于土中含气，变形指标不易准确测定，状态方程的建立与求解都比较复杂。天然土体一般都是各向异性、非均质或成层的，如何合理地考虑它们对变形的影响，尚待进一步研究。

4、就地基而言，建筑物施加的通常是局部荷重，在固结过程中，除上下方向的排水压缩外，同时有不同程度的侧向排水与膨胀，这一类二向与三向固结问题，迄今还没有获得普遍的解析解。考虑到荷重随时间而改变的情况，更使固结微分方程的数学处理更加复杂化了。5太沙基的饱和土体固结理论是建立在许多简化假设的基础上的：土骨架是线弹性变形材料；土孔隙中所含不可压缩流体按达西定律沿单方向流动引起单向压缩变形，等等。故这一理论常称为单向固结理论。后来，经太沙基与伦杜立克（Rendulic）发展，得到三向固结方程，可以考虑三向排水时的单向压缩，其中假设了固结过程中总应力（正应力之和）为常量。6比奥（Biot）进一步研究了三向

5、变形材料与孔隙压力的相互作用，导出比较完善的三向固结方程。但是，由于比奥理论将变形与渗流结合起来考虑，大大增加了固结方程的求解的难度，至今仅得到个别情况的解析解。五十多年来，固结理论的发展，主要围绕着假设不同材料的模式，得到不同的物理方程：（1）土骨架—假设为弹性的（各相同性与各相异性的），塑性的或粘弹性的（线性与非线性以及它们的各种组合）；(2)土中流体—假设为不可压缩的，线性粘滞体的或可压缩的；（3）土骨架与流体间的相互作用—有人提出以混合体力学（Mechanicsofmixture）为基础，利用连续原理、平衡方程与能量守恒定律，建立混合体特性方程，选用适当边界条件，以获得固结理论解。

6、7虽然二向、三向理论在许多实际情况中比单向理论更为合理，但是，在指标测定与求解方面比较复杂。因此，单向固结理论至今在某些条件下与近似计算中仍被广泛应用。多年来，单向固结理论也获得了较大进展，研究方向侧重于对太沙基基本假设的修正。例如，考虑土的有关性质指标在固结过程中的变化，压缩土层的厚度随时间改变，非均质土的固结，固结荷重为时间的函数以及有限应变时的固结等。这些修正，使得计算模型能更准确地反映土的特性、土层分布和土的加荷过程。8对于土的压缩量（沉降）的计算，随着对土的应力应变关系理解的深化，也从原先只考虑单向压缩变形，发展到计及侧向变形，后来，更将土的应力历史、应力路径等因素纳入计算方案。

7、六十年代电子计算机问世后，计算技术有了划时代的飞跃，极大地推动了岩土力学理论的发展，使得以往无法考虑的许多土的复杂的本构关系，有可能被引入计算。例如，在压缩变形计算中，除土的线性弹性模型外，已经逐渐引用其它各种模型：非线性弹性模型（其中最著名的有邓肯－张模型）、弹塑性模型（如剑桥模型）等。有限单元法在固结计算中的应用，可以在一次分析中，得到土体应力变形发展的全过程。9在固结理论发展的同时，测试技术也有了相应提高。虽然沿用