资源描述
Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,概 述,土中自重应力,基底压力,地基附加应力,地基沉降的弹性力学公式,土的压缩性,地基的最终沉降量,应力历史对地基沉降的影响,地基最终沉降计算问题综述,饱和土的有效应力和渗透固结,地基沉降发展三分量,第二章 地基的应力和沉降,土中应力分布？,土中的应力按引起的原因可分为,:,(1),由土本身有效自重在地基内部引起的,自重应力,;,(2),由外荷,(,静荷载或动荷载,),在地基内部引起的,附加应力,。,概 述,土体中应力状态发生,变化,引起地基土的变形，导致建筑物的沉降，倾斜或水平位移。,当应力超过地基土的强度时，地基就会因丧失稳定性而破坏，造成建筑物倒塌。,应力计算方法：,1.,假设地基土为连续，均匀，各向同性，半无限的线弹性体,;,2.,弹性理论。,土中自重应力,研究目的,：确定土体的初始应力状态。,研究方法,：土体简化为连续体，应用连续体力学,(,例如弹性力学,),方法来研究土中应力的分布。,假设,天然土体是一个半无限体，地面以下土质均匀，天然重度为,(kN/m,3,),，则在天然地面下任意深度,z(m),处的竖向自重应力,(kPa),可取作用于该深度水平面上任一单位面积上土柱的重量 计算,即：,天然地面,1,1,z,z,cz,cz,=,z,沿水平面均匀分布，且与,z,成正比，即随深度按直线规律分布。,由于地基中的自重应力状态属于侧限应力状态,故 ，且 ，根据广义虎克定理，侧向自重应力 和 应与 成正比，而剪应力均为零，即：,式中,:K,0,比例系数，称为土的侧压力系数或静止土压力系数。,(1),土中任意截面都包括有骨架和孔隙的面积，所以在地基应力计算时考虑的是土中单位面积上的,平均应力,。,(3),土中竖向和侧向的自重应力一般均指,有效自重应力,。为了简便起见，把常用的竖向有效自重应力 ，简称为自重应力，并改用符号 表示。,(2),假设天然土体是一个半无限体，地基中的自重应力状态属于,侧限应力状态,，地基土在自重作用下只能产生,竖向变形,，而不能有,侧向变形和剪切变形,。地基中任意竖直面和水平面上均,无剪应力存在,。,天然地面,h,1,h,2,h,3,3,2,1,水位面,1,h,1,1,h,1,+,2,h,2,1,h,1,+,2,h,2,+ ,3,h,3,地下水位位于同一土层中，计算自重应力时，地下水位面应作为分层的界面,注意：,在地下水位一下，如埋藏有不透水层，由于不透水层中存在水的浮力，所以层面及层面以下的自重应力应按上腹土层的水土总重计算,基底压力,（一）中心荷载下的基底压力,中心荷载下的基础，其所受荷裁的合力通过基底形心。基底压力假定为均匀分布，此时基底平均压力设计值,P(kPa),按下式计算：,式中：,F,作用任基础上的竖向力设计值,(kN),；,G,基础自重设计值及其上回填土重标准值的总重,(kN),；,式中：,基础及回填土之平均重度，一般取,20kN/m,3,，地下水位以下部分,应扣去浮力，即取,10kN/m,3,；,d,基础埋深，必须从设计地面或室内外平均设计地面算起,(m);,A,基底面积,(m,2,),，,对,矩形基础,A=lb,，,l,和,b,分别为矩形基底的长度和宽度,(m),。,对于荷载沿长度方向均匀分布的,条形基础,，则沿长度方向截取一单位长度的截条进行基底平均压力设计值,p,(kP,a,),的计算，此时上式中,A,改为,b,(m),，而,F,及,G,则为基础截面内的相应值,(kN/m),。,（二）偏心荷载下的基底压力,单向偏心荷载下的矩形基础如图所示。设计时通常取基底长边方向与偏心方向一致，此时两短边边缘最大压力设计值 与最小压力设计值 按材料力学短柱偏心受压公式计算：,式中：,M,作用于矩形基底的力矩设计值,(kN,m),；,W,基础底面的抵抗矩,或,:,F+G,e,e,l,b,p,max,p,min,讨论：,当,e,0,，,基底压力呈梯形分布,当,e,=,l,/6,时，,p,max,0,，,p,min,=0,，,基底压力呈三角形分布,p,max,p,min,e,l,/6,时，,p,max,0,，,p,min,l,/6,p,max,p,min,0,p,max,p,min,=,0,基底压力重分布,由于基底与地基之间不能承受拉力，此时基底与地基局部脱开，使基底压力重新分布。因此，根据偏心荷载应与基底反力相平衡的条件，可得基底边缘的最大压力,p,max,为：,式中：,k,单向偏心荷载作用点至具有最大压力的基底边缘的距离,(m),。,p,max,p,min,=,0,F+G,(,三,),基底附加压力,一般情况下，建筑物建造前天然土层在自重作用下的变形早已结束。因此，只有基底附加压力才能引起地基的附加应力和变形。,式中：,p,基底平均压力设计值,(,kP,a,),；,土中自重应力标准值，基底处,:,基础底面标高以上天然土层的加权平度， ，其中地下水位下土层的重度取有效重度；,d,基础埋深，必须从天然地面算起，对于新填土场地则应从老天然地面起算，,d=h,1,+h,2,+.+h,n,(m),。,建筑物建造后的基底压力中应扣除基底标高处原有的土中自重应力后，才是基底平面处新增加于地基的基底附加压力，,基底平均附加压力设计值,p,0,值,(,kP,a,),按下式计算：,地基附加应力,地基附加应力,-,指建筑物荷重在土体中引起的附加于原有应力之上的应力。它是使地基发生变形，引起建筑物沉降的主要原因。,地基附加应力计算的假定,(1),地基土是均质，各向同性的半无限空间线弹性体。,(2),直接采用弹性力学理论解答。,(3),基底压力是柔性荷载，不考虑基础刚度的影响。,叠加原理,叠加原理建立在弹性理论基础之上，当地基表面同时作用有几个力时，可分别计算每一个力在地基中引起的附加应力，然后每一个力在地基中引起的附加应力累加求出附加应力的总和。,法国,J.,布辛奈斯克,( Boussinesq,1885),运用弹性理论推出了在弹性半空间表面上作用一个竖向集中力时半空间内任意点,M(x y z),处的六个应力分量和三个位移分量的弹性力学解答,一、竖向集中力下的地基附加应力,（一）,Boussinesq,解,（二）等代荷载法,如果地基中某点,M,与局部荷载的距离比荷载面尺寸大很多时，可用一个集中力,P,代替局部荷载,（三）,【,例,】,某条形地基，如下图所示。基础上作用荷载,F,=,400kN,/,m,，,M,=,20kNm,，试求基础中点下的附加应力，并绘制附加应力分布图,2m,F,M,0,18.5kN/m,3,0.1m,1.5m,分析步骤,I,：,1.,基底压力计算,F,=400kN/m,0,18.5kN/m,3,M,=20kN,m,0.1m,2m,1.5m,基础及上覆土重,G,=,G,Ad,荷载偏心距,e,=,M,/(,F,+,G,),条形基础取单位长度计算,319.7kPa,140.3kPa,分析步骤,:,2.,基底附加压力计算,1.5m,292.0kPa,112.6kPa,0.1m,F,=400kN/m,M,=20kN,m,2m,0,18.5kN/m,3,基底标高以上天然土层的加权平均重度,基础埋置深度,1.5,m,分析步骤,:,3.,基底中点下附加压力计算,2m,F,=400kN/m,M,=20kN,m,0.1m,1.5,m,0,18.5kN/m,3,179.4kPa,112.6kPa,292.0kPa,112.6kPa,分析步骤,:,2m,F,=400kN/m,M,=20kN,m,0.1m,1.5m,0,18.5kN/m,3,202.2kPa,193.7kPa,165.7kPa,111.2kPa,80.9kPa,62.3kPa,地基附加应力分布曲线,1m,1m,2m,2m,2m,例：在地基上作用一集中力,P,100kN,，要求确定：（,1,）在地基中,z,2m,的水平面上，水平距离,r,0,、,1,、,2,、,3,、,4m,处各点的附加应力值，并绘出分布图；（,2,）在地基中,r,0,的竖直线上距地基表面,z,0,、,1,、,2,、,3,、,4m,处各点的附加应力值，并绘出分布图；（,3,）取,z,=10,、,5,、,2,、,1kPa,，反算在地基中,z,2m,的水平面上的,r,值和在,r,0,的竖直线上的,z,值，并绘出相应于该四个应力值的,z,等值线图。,解：,（,1,）,（,2,）,（,3,）,二、矩形荷载荷载下的地基附加应力,设矩形荷载面的长度和宽度分别为,l,和,b,作用于地基上的竖向均布荷载,p,0,(kPa),， 求矩形荷载面角点下的地基附加应力，然后运用,角点法,求得矩形荷载下任意点的地基附加应力,（一）、均布的矩形荷载,式中,K,c,为均布矩形荷载角点下的竖向附加应力系数，简称角点应力系数，可按,m,及,n,值由表查得。,注意：,在应用,角点法,计算,K,c,值时，,b,恒为短边，,l,恒为长边,计算点在荷载面内：,z,M,o,o,I,II,III,IV,p,均布矩形荷载下任意点的应力计算,利用角点下的应力计算公式和应力叠加原理，推求地基中任意点的时加应力的方法称为,角点法,。,II,o,o,I,III,o,IV,o,II,计算点在基底边缘,计算点在基底边缘外,均布矩形荷载下任意点的应力计算,计算点在基底角点外,I,o,o,III,II,IV,均布矩形荷载下任意点的应力计算,这里,K,t1,和,K,t2,均为,m,l/b,和,n,z/b,的函数，可由表,2-3,查用。必须注意,b,是沿三角形分布荷载方向的边长,（二）,例：某港口码头剖面尺寸及简化后作用在基础顶面的荷载如图所示，试求,A,、,B,两边点下垂直线上的附加应力分布（算至,Z,=3,B,），并绘出,的分布图。图中集中力,P,的偏心距为,0.5m.,解,:,计算基底压力,:,取长度为,1m,计算基底附加压力,:,(B,点,),(A,点,),按每,3m,一层计算，查表时可查矩形荷载时的表格,取,m=10,。,A,、,B,两点处的附加应力的计算应分均布荷载与三角形荷载两种情况；设均布荷载下求出的应力系数为,三角形荷载下的应力系数为,对应的附加应力为,、,所求的附加应力,均布荷载时，,三角形荷载时，,A,点附加应力计算表格,Z(m),n=Z/b,均布荷载时,p,0,=2.000kN/m,2,三角荷载时,p,0max,=96.000kN/m,2,z,(kN/m,2,),K,z1,z,1,(kN/m,2,),K,z2,z,2,(kN/m,2,),3,0.6,0.234,0.468,0.0702,6.7392,7.2072,6,1.2,0.189,0.378,0.0783,7.5168,7.8948,9,1.8,0.148,0.296,0.0675,6.4800,6.7760,12,2.4,0.119,0.238,0.0566,5.4336,5.6716,15,3.0,0.099,0.198,0.0476,4.5696,4.7676,B,点附加应力计算表格,Z(m),n=Z/b,均布荷载时,p,0,=2kN/m,2,三角荷载时,p,0max,=96.000kN/m,2,z,(kN/m,2,),K,z1,z,1,(kN/m,2,),K,z2,z,2,(kN/m,2,),3,0.6,0.234,0.468,0.1640,15.744,16.212,6,1.2,0.189,0.378,0.1105,10.608,10.986,9,1.8,0.148,0.296,0.0808,7.7568,8.0528,12,2.4,0.119,0.238,0.0632,6.0672,6.3052,15,3.0,0.099,0.198,0.0511,4.9056,5.1036,应力分布曲线图,三,例：某条形基础底面宽度,b,1.4m,，作用于基底的平均附加应力,p,0,200kP,a,，要求确定（,1,）均布条形荷载中点,o,下的地基附加应力,z,分布；（,2,）深度,z,1.4m,和,2.8m,处水平面上的,z,分布；（,3,）在均布条形荷载边缘以外,1.4m,处,o,1,点下的,z,分布。,解,：,（,1,）,（,2,）,（,3,）,地基沉降的弹性力学公式,柔性荷载下的地基沉降,刚性基础的沉降,对干中心荷载下的刚性基础，由于它具有无限大的抗弯刚度，受荷沉降后基础不发生挠曲，因而基底的沉降量处处相等。,常数,利用沉降影响系数,z,可以作出刚性基础下成层地基沉降的简化汁算方法。,线性变形分层,总和法,刚性基础的倾斜,对均质弹性半空间上的刚性基础，只考虑地基有限深度范围内土的变形时，基础倾斜可以下式表达,对水平成层地基上的刚性基础，可仿照上述分层总和法作出倾斜计算表达式加下：,例：计算直径,b,5m,的圆形刚性基础在竖向偏心荷载,P,2MN,（偏心距,e,0.3m,）长期作用下的倾斜。设从基底至基岩的,8m,深度范围内计有三个水平可压缩土层，各层地面距基底的深度,z,i,、变形模量,E,0i,和泊松比,i,依次为：,z,1,2m,，,E,01,8MPa,，,1,0.35,；,z,2,4m,，,E,02,10MPa,，,2,0.30,；,z,3,8m,，,E,03,15MPa,，,3,0.25,。,解：,按层底深径比,z,1,/b=2/5=0.4,，,z,2,/b=4/5=0.8,，,z,3,/b=8/5=1.6,，查上图曲线，得相应的倾斜影响系数，,代入,得基础倾斜,土的压缩性,土的压缩性：土在压力作用下体积缩小的现象,土体产生体积缩小的原因：,(1),固体颗粒的压缩,(2),孔隙水和孔隙气体的压缩，孔隙气体的溶解,(3),孔隙水和孔隙气体的排出,土的固结：土的压缩随时间而增长的过程,显然，对于,饱和砂土，,由于它的透水性强，在压力作用下孔隙中的水易于向外排出，固结很快就能完成而对于,饱和粘土,由于它的透水性弱，孔隙中的水不能迅速排出，因而固结需要很长时间才能完成,试样,水槽,内环,环刀,透水石,传压板,百分表,测定：,轴向应力,轴向变形,侧限压缩试验,实验室测定突地压缩性主要装置为固结仪，不能产生侧向变形，只有竖向压缩。土的压缩是由于孔隙体积的减小所致，所以土的变形常用孔隙比,e,表示,曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显,著，因而土的压缩性愈高,土的变形模量,以载荷试验测定土的变形模量,利用弹性力学公式反求地基土的变形模量：,载荷试验优点：,试验结果能反映较大一部分土体的压缩性,比钻孔取样在室内测试所受到的扰动要小得多,土中应力状态在承压板较大时与实际基础情况比较接近,载荷试验缺点：,试验工作量大,费时久,所规定的沉降稳定标准带有较大的近似性,成果不易准确,变形模量与压缩模量的关系,0,根据统计资料， 可以是 值的几倍，一般说来，土愈坚硬则倍数愈大，而软土的 值与 值比较接近,地基的最终沉降量,分层总和法,在地基沉降计算深度范围内，将地基土划分为若干分层来计算各分层的压缩量，然后求其总和，每个分层压缩量的计算方法与无侧向变形条件下的压缩量计算方法相同。,8),地基最终沉降量,s,的分层总和法公式,平均附加应力系数,的物理意义：分层总和法中地基附加应力按均质地基计算，即地基土的压缩模量,E,s,不随深度而变化。,从基底至地基任意深度,Z,范围内的压缩量为：,应力历史对地基沉降的影响,先期固结压力,地基最终沉降计算问题综述,分层总和法共同假设的用意,各种分层总和法都认为，荷载柞用下的非均质地墓中的附加应力分布，用均质弹性半空间的理论解答来代替是可以接受的。并通过划分薄层的办法把非线性问题线性化，从而提高计算精度。,分层总和法以均质弹性半空间的应力来计算非均质地基的变形的做法，在理论上显然不协调，其所引起的计算误差也还没有得到理论和实验的充分验证。不过，实践表明，地基沉降汁算的正确与否，更直接地取决于方法本身能否反映地基的成层性和非均质性、能否考虑到土的应力应变关系的非线性，而应力计算精确度的影响毕竞还居其次这就是分层总和法虽然不尽合理，却仍然在工程实践中得到广泛应用的原因。,地基最终沉降计算问题综述,各分层总和法的特点及应用,对于大面积荷载下的薄压缩层地基，其应力和变形状态都接近于压缩仪中土样所处的完全侧限状态，对此，单向压缩分层总和法最为适用。,对于一般基础，其地基压缩层厚度与基底尺寸比较，不能作为薄层看待时，以单向压缩分层总和法计算就没有考虑地基的三维（三向）应力状态的影响，忽略了地基土因剪切畸变所产生的瞬时沉降。,以单向压缩总和法计算所得的固结沉降，对一般的正常固结和超固结土，都是偏大的。所以，通常粗略地把单向压缩分层总和法的计算结果看成是地基最终沉降，而不另行考虑地基的瞬时沉降。,规范法的重要特点在于引入了沉降计算经验系数，以校正计算值对实测值的偏差。,对超固结（或似超固结）土的地基沉降计算宜考虑应力历史影响。,线性变形分层总和法公式,和，以弹性半空间的竖向位移解答为基础，考虑了局部刚性荷载下的三维应力状态。,砂土地基在荷载作用下由土的体积变形和剪切畸变引起的沉降在短时间内几乎同时完成。,地基最终沉降计算问题综述,地基沉降计算深度问题探讨,确定地基沉降计算深度的意义是：界定对地基沉降有影响的土层范围即压缩层厚度，保证满足沉降计算的精度要求。,饱和土的有效应力和渗透固结,饱和土中的有效应力,有效应力：土中控制压缩和抗剪强度的应力,A.W.,毕肖普,K.,太沙基,饱和土的孔隙压力,A.W.,斯肯普顿,按有效应力原理计算土中自重应力,太沙基一维固结理论,基本假设,：,1.,土层是均质，各向同性和完全饱和的,2.,土的压缩完全是由于孔隙体积的减少土粒和水是不可压缩的,3.,水的渗流和土层的压缩仅在竖向发生,4.,水的渗流遵从达西定律,6.,外荷载一次瞬时施加保持不变,5.,渗透系数,k,和压缩系数,a,保持不变,一维固结微分方程,根据渗流的连续条件，一维固结微分方程如下：,初始条件和边界条件如下：,应用傅立叶级数，可求得满足初始条件和边界条件的解答如下：,在某一固结应力作用下，经某一时间,t,后，土体发生固结或孔隙水应力消散的程度,孔隙水压力梯形分布的固结度计算,某一时间,t,的沉降量等于矩形,(I),和三角形,(II),两部分沉降之和,(,情况,4),某建筑物地基中有一厚为,6.1m,的正常固结粘性土层，该层上下面均为排水砂层，在建筑物荷载作用下，设该层附加应力为均匀分布，其值为,9t/m,2,，由试验得,Cv,=1.210,-3,cm,2,/sec,，试求多少天内建筑物的固结沉降量为最终固结沉降量的一半？,解,：,得,：,由,可得：,即 在,181.6,天内建筑物的固结沉降量为最终沉降量的一半。,由,试简述如何用固结理论求解下列两种课题的步骤：（,1,）已知历时求沉降量；（,2,）估算达到某沉降量的历时。,答,:,(1),已知历时求沉降量的步骤,a,估计该土层的最终沉降量,S,；,b,计算该土层的竖向固结系数,c,计算竖向固结时间因数,d,应用公式,计算固结度,或查,系曲线求,f,应用公式,，可求竖向应力于已知历时的沉降量。,(2),估计达到某沉降量的历时,a,由公式,，可求固结度,Uz,b,查曲线,或用弹力公式计算,c,计算竖向固结系数,d,由,可求历时。,如下图所示正常固结粘土地基，其基本物理力学指标为：含水量,58%,，比重,2.71,，重度,18.5kN/m,3,，孔隙比,1.0440,，固结系数,1.7510,-7,m,2,/s,，变形模量,6.010,3,kPa,，泊松比,0.5,，次压缩系数,0.005,，中心沉降影响系数,1.24,。今在地基表面有,80kPa,的,4m5m,均布矩形荷载。试计算该土层在荷载中心点处,20,年时的地面沉降；该地基固结沉降有无极限？若有，是多少？若没有，请给出理由。,注：假定地基平均固结度为,95%,时发生次固结。,附：（,1,）土样压缩试验结果：,(2),均布矩形荷载角点下的竖向附加应力系数；,不可压缩层,粘土,5m,80kPa,地下水位,解：,故固结沉降,20,年后总沉降,该地基固结沉降无极限，瞬时沉降和主固结沉降都是有限的，而次固结沉降则是无限的，,当,如图所示地基土层厚,，压缩模量,，渗透系数,问：加载一年后地基的固结沉降多大？若土层的厚度、压缩模量、渗透系数均增大一倍；问：与原来相比，该地基的固结沉降有何变化？,，地表作用有大面积均布荷载,，荷载瞬时施加；,解：,(1),最终固结沉降量,由,得：,q,H,k,，,Es,不排水地基,又由,得,一年时的沉降量：,（,2,）,(,不变,),因,故固结沉降不变。,地基沉降发展三分量,初始沉降（瞬时沉降）,S,d,土体在附加应力作用下产生的瞬时变形,固结沉降,S,c,饱和与接近饱和的粘性土在荷载作用下随着超静孔隙水压力的消散土中孔隙水的排出土骨架产生变形所造成的沉降,(,固结压密,),次固结沉降,S,s,主固结过程,(,超静孔隙水压力消散过程,),结束后，在有效应力不变的情况下，土的骨架仍随时间继续发生变形,土的性质对沉降的影响,砂土地基,初始沉降是主要的，排水固结变形在荷载作用后很快完成,饱和软粘土地基,固结沉降是主要的，需要很长时间才能完成,沉降计算方法,初始沉降,采用弹性理论求解,固结沉降,根据固结确定试验参数，采用,分层总和法求解,次结沉降,根据蠕变试验确定参数，采用,分层总和法求解,次固结变形定义,次固结变形为主固结变形完成后，土体的变形在时间上把主固结变形和次固结变形截然分开的意见在学术界看法是不一致的。,将地基沉降分成三部分是从变形机理角度考虑，并不是从时间角度划分的地基固结沉降和次固结沉降难以在时间上分开。,谢谢观看,/,欢迎下载,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH,内容总结,概 述 土中自重应力。基底压力 地基附加应力。(1)由土本身有效自重在地基内部引起的自重应力。研究方法：土体简化为连续体，应用连续体力学(例如弹性力学)方法来研究土中应力的分布。式中:K0比例系数，称为土的侧压力系数或静止土压力系数。(3)土中竖向和侧向的自重应力一般均指有效自重应力。基底压力假定为均匀分布，此时基底平均压力设计值P(kPa)按下式计算：。对矩形基础A=lb，l和b分别为矩形基底的长度和宽度(m)。式中：k单向偏心荷载作用点至具有最大压力的基底边缘的距离(m)。一般情况下，建筑物建造前天然土层在自重作用下的变形早已结束。因此，只有基底附加压力才能引起地基的附加应力和变形。如果地基中某点M与局部荷载的距离比荷载面尺寸大很多时，可用一个集中力P代替局部荷载。二、矩形荷载荷载下的地基附加应力。解:计算基底压力:。利用沉降影响系数z可以作出刚性基础下成层地基沉降的简化汁算方法,
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