地基基础- 土的压缩性和地基沉降计算

3 土 的 压 缩 性 和 地 基 沉 降 计 算 土具有压缩性（内因）基础荷载（外因）地基变形基础沉降沉降过大不均匀沉降地基变形设计要求：控制基础沉降建筑物地基容许变形值。问 题 的 提 出 ： 影响沉降大小的因素o外因：建筑物荷载的大小和分布；o内因：地基土层的类型、分布、各土层厚度及其压缩性； 不均匀沉降原因分析与危害o原因：（1）建筑物荷载分布不均匀； （2）地基土层压缩性不同。o危害：引起超静定结构内部产生附加应力，影响建筑物的安全和正常使用。 学习本章的目的：o根据地基土层剖面情况，各层土的物理力学性质和上部荷载，计算地基的变形值，并控制其在容许范围之内。o研究地基土变形特性： 压缩、固结、渗流、蠕变。 3.1 土 的 压 缩 性o土的压缩性：土在压力作用下体积缩小的特性。o引起土体压缩的原因：内 因 ： 1） 土 粒 的 压 缩 ； 2） 土 中 水 的 压 缩 ； 3） 土 中 空 气 的 压 缩 ； 4） 空 气 及 水 从 孔 隙 中 被 排 出 。 外 因 ： 基 础 荷 载 的 作 用 。 饱和土的压缩性原理o饱和土的压缩主要是由于外荷载作用下孔隙水被挤出，以致孔隙减小所致的。o饱和土的压缩量孔隙体积的减小量 压缩、固结、渗流、蠕变o压缩：压力作用下，土体体积缩小。o固结：压力作用下，土体压缩量随时间增长。o渗流：压力作用下，孔隙水分在土体中流动与排出。o蠕变：压力不变，变形随时间持续增长。o渗透固结：与自由水的渗透速度有关的饱和土固结过程。 压 缩 试 验 ：o压缩试验（固结试验）：研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法。包括单轴压缩试验、侧限压缩试验及三轴压缩试验。o侧限压缩试验：土样在压力作用下只能在铅直方向产生压缩，而不能产生侧向的变形。o侧限压缩试验的适用范围：压缩土层厚度较小。o侧限压缩试验目的：确定土在各级压力作用下孔隙比的变化，绘制压缩曲线，确定相关压缩性指标。 侧限压缩试验装置试验过程中：（1）Vs不变；（2）A不变。 000 1 eHSee 压缩曲线（e-p曲线） 压缩系数：压缩曲线上任一点的切线斜率。o定义式：o土的压缩性评价： 12 2121 pp eea dpdea 侧限压缩模量：土在完全侧限条件下的竖向附加压应力与相应的应变增量的比值。o定义式：o侧限压缩模量与压缩系数的关系： aeEs 11 1 121 21 12 1 eepph hh pppE zs 变形模量：土在侧向自由变形条件下竖向压应力与竖向总应变之比。o物理意义：与材料力学中杨氏弹性模量相同。o变形模量与侧限压缩模量的关系： sEE 0 121 2o变形模量一般通过现场静载荷试验测定。 3.2 地 基 最 终 沉 降 量 计 算o地基最终沉降量：指地基土层在荷载作用下，达到压缩稳定时地基表面的沉降量。 o基础沉降：指地基土层在荷载作用下，达到压缩稳定时基础底面的沉降量。 引起地基沉降的原因：o内因：地基土具有压缩性；o外因：建筑物荷载在地基中产生的附加应力引起地基发生压缩变形。 计 算 地 基 最 终 沉 降 量 的 目 的 ：o确定建筑物的最大沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜，并判断其是否超出容许的范围，以便进行地基变形设计。 计算方法：o（1）分层综合法；o（2）规范法。 分 层 综 合 法o基 本 假 设 ：（1） 地基是均质、各向同性的半无限线性变形体：地基附加应力可按弹性理论计算；（2）在压力作用下， 地基土只发生垂直单向压缩，不产生侧向变形：可采用侧限压缩指标。 单一压缩土层的沉降计算：11211 HeeeS 111211 HEpHppeaS s 单向压缩分层综合法 ni i i iini i HeeeSS 1 1211 1 分 层 综 合 法 计 算 步 骤o计算基底中心点下各点地基附加应力（每0.4B深度计算一点）并绘于基础中心点右侧；o按比例绘制地基土层分布剖面图和基础剖面图；o计算地基自重应力，并按比例绘于基础中心线左侧；o计算基底压力（中心荷载或偏心荷载作用）；o计算基底附加压力； o计算地基（基础）最终沉降量（叠加）。o计算各分层土的压缩量；o地基分层界面确定原则：（1）不同土层分界面；（2）地下水位面； （3）0.4B；（4）基底附近分层薄些。o确定地基沉降计算深度；cz 2.0 ii iii HeeeS 1211 分 层 总 和 法 评 价 ：o采用侧限条件下的压缩性指标，以沉降计算深度范围内的分层计算加以总和。o基础沉降量按基础中心点下地基附加应力计算，以弥补压缩性指标偏小的不足。o地基沉降量等于受压层范围内各土层压缩量的总和：存在一个沉降计算深度。o优点：物理意义明确。o不足：对坚硬地基偏大，对软弱地基偏小。 规 范 法o计算第i层土压缩量公式： 110 iiii sii zzEpS o平均附加应力系数：izi zpAzKdz 00 地基最终沉降量计算公式 ni iiiisiss zzEpSS 1 110 沉 降 计 算 深 度 的 确 定o对独立基础：o当存在相邻荷载影响时： bbzn ln4.05.2 ni in SS 1 025.0 规 范 法 评 价 ：（1） 是另一种形式的分层综合法；（2） 引入平均附加应力系数；（3） 引入地基沉降计算经验系数。 沉 降 分 析 中 的 若 干 问 题土的回弹与再压缩（1）土不为完全弹性体（2）土经压缩后压缩性 降低。 粘 性 土 沉 降 组 成o瞬时沉降：加载瞬时地基发生的沉降。地基土只发生剪切变形，没有体积变形。o固结沉降：孔压消散，应力转移，引起土骨架变形。o次固结沉降：有效应力不变，土骨架随时间继续发生变形。 土 的 应 力 历 史 ： 土 体 在 历 史上 曾 经 受 到 过 的 应 力 状 态 。o先期固结压力： 土在其生成历史中曾受过的最大有效固结压力。 o正常固结土o超固结土o欠固结土土层应力历史的描述： 3.3 地 基 沉 降 与 时 间 的 关 系o碎石土、砂土：透水性强，压缩性低，沉降完成历时短。o饱和粘性土：渗透性小，压缩性高，固结过程历时长。 土的渗透性（渗流）达西定律（法，1856）： 渗流速度与水力梯度的一次方成正比。砂土：粘性土：kiv 0iikv LHHi 21 有效应力原理基本概念o有效应力：通过土粒接触点传递的粒间应力。o孔隙水压力：土中孔隙水传递的压应力，也称超静孔隙水压力。o饱和土的渗透固结过程：孔隙水压力向有效应力转化的过程。孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐增长，土的体积逐渐减小，强度随之提高。 饱和土渗透固结力学模型弹簧模型 有效应力原理的主要内容：o（1）饱和土变形和强度是由有效应力控制的；o（2）土中任一点的有效应力等于总应力减去孔隙水压力。u 饱和土一维固结理论o基本假定：（1）土层是均质的、完全饱和的；（2）土粒和水是不可压缩的；（3）水的渗出和土的压缩只沿竖向发生；（4）土中水的渗流服从达西定律；（5）在渗透固结中，土的渗透系数和压缩系数保持不变；（6）外荷一次施加。 饱和土一维固结微分方程o固结过程中Vs不变，根据水流连续性原理、达西定律和有效应力原理，建立以下固结微分方程：tuzuc v 22 wv a ekc 11 解析解 4/2, 222sin14 vTmztz eHmmu tHcT vv 2 地基固结度：地基在固结过程中任一时刻的固结沉降量与其最终固结沉降量之比。o定义式：cctt SSU H zH ztt dzdzuU 001 地基固结度表达了土体孔隙水压力向有效应力转化过程的完成程度。o基本表达式： 地基固结度的计算： 1 4/22 22181 m Tmt vemU vTt TfeU v 4/2 281 对同一地基，若单面排水改为双面排水，要达到相同的固结度，所需历时减少为原来的1/4。 仅在竖直方向发生渗流和变形 一维渗透固结理论曲线 3.4 建筑物沉降观测与 地基容许变形值o建筑物沉降观测的意义：（1）验证地基基础设计、分析地基事故、判别施工质量。（2）确定地基容许变形值。（3）发展沉降计算方法。 沉降观测的主要内容：o收集资料和编写计划o水准基点的设置（不少于3个）o观测点的设置（不宜少于6个）o水准测量o观测资料的整理 地基的变形特征o沉降量：指基础中心的沉降量。o沉降差：指相邻两个基础沉降量之差。o倾斜：指单独基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离之比。o局部倾斜：指承重砌体沿纵墙610m长度内基础两点的沉降差与其距离之比。 地基容许变形值的确定：o理论分析法：进行地基、基础及上部结构相互作用的理论分析，计算上部结构中由于地基差异沉降可能引起的次应力或拉应力，然后在保证其不超过结构承受能力的前提下，综合考虑其他方面要求，确定地基容许变形值。o经验统计法：对大量的各类已建建筑物进行沉降观测和使用状况的调查，然后结合地基地质类型，加以归纳整理，提出各种容许变形值。 （1）砌体承重结构以局部倾斜控制；（2）框架及单层排架结构以沉降差控制；（3）多层、高层及高耸结构以倾斜控制；（4）任何结构均应控制沉降值。 思考题o为什么可以说土的压缩变形实际上是土的孔隙体积的减小？o说明土的各压缩性指标的意义和确定方法。o何谓孔隙水压力？何谓有效应力？简述有效应力原理的主要内容。o地基变形特征有哪些？在地基变形设计中，不同结构形式建筑，应采用哪些变形特征进行控制？ 习题o习题1o习题2o习题3