土中应力及地基变形计算.ppt

,第八章土中应力及地基变形计算,8.1土的自重应力8.1.1均质土自重应力假设岩体为均匀连续介质，并为半无限空间体，在距地表深度z处，土体的自重应力为sz=zsx=sy=K0sz,sx,地下水位以下应采用浮容重,8.1.2成层土或有地下水时的自重应力地基土往往是成层的，不同土层具有不同的重度，因此，自重应力须分层计算，即式中天然地面下任意深度处的自重应力，kPa；n深度z范围内的土层总数；hi第i层土的厚度，m；I第i层土的天然重度，对地下水位以下的土层取浮重度i，kN/m3。,同时地基中往往又存在有地下水，在地下水位以下的透水层，因土粒受到水的浮力作用，应以浮重度计算自重应力；在地下水位以下的不透水层，例如，岩层或密实粘土，由于不透水层不存在水的浮力.因此，在其层面及层面以下的自重应力应按上覆土层的水、土总重计算，如图2所示。,图8-2成层土中自重应力沿深度的分布,三、地下水位升降时的土中自重应力地下水升降，使地基土中自重应力也相应发生变化。图4(a)为地下水位下降的情况，从而引起地面大面积沉降的严重后果。图4(b)为地下水位长期上升的情况，水位上升会引起地基承载力减小，湿陷性土的陷塌现象等，必须引起注意。,图8-4地下水升降对土中自重应力的影响0-1-2线为原来自重应力的分布；0-1-2线为地下水位变动后自重应力的分布,第2节基底压力8.2.1基本概念建筑物的荷载是通过基础传给地基的。由基础底面传至地基单位面积上的压力，称为基底压力（或称为接触压力），地基对基础的作用力称为地基反力。在计算地基附加应力以及设计基础结构时，必须首先确定基底压力的大小和分布情况。,试验和理论都已证明，基底压力分布是比较复杂的问题，它不仅与基础的形状、尺寸、刚度和埋深等因素有关，而且也与土的性质、种类、荷载的大小和分布等因素有关。柔性基础刚度很小，在荷载作用下，基础的变形与地基土表面的变形协调一致，当基底面上的荷载为均匀分布时，基底压力也是均匀分布，如图5所示。刚性基础的刚度很大，在荷载作用下，基础本身几乎不变形，基底始终保持为平面，这类基础基底压力分布与作用在基底面上的荷载大小、土的性质及基础埋深等因素有关。试验表明，中心受压的刚性基础随荷载的增大，基底压力分别为马鞍形、抛物线形、钟形等三种分布形态，如图6所示。实际工程中作用在基础上的荷载，由于受地基承载力的限制，一般不会很大，且基础都有一定的埋深，其基底压力分布接近马鞍形，并趋向于直线分布，因此，常假定基底压力为直线变化，按材料力学公式计算基底压力。,图8-5柔性基础基底压力分布图8-6刚性基础基底压力分布,二、基底压力的简化计算1、中心荷载下的基底压力受竖向中心荷载作用的基础，其荷载的合力通过基底形心，基底压力为均匀分布。式中p基底压力，kPa；上部结构传至基础顶面的竖向力，kN；基础底面积，m2；G基础自重及其上回填土重，kN，其中基础及回填土的平均重度，一般取20kN/m3，地下水位以下应取有效重度，d必须从设计地面或室内、外平均地面算起。对于条形基础可沿长度方向取一单位长度进行基底压力计算。,2、偏心荷载下的基底压力基础承受单向偏心竖向荷载作用，如图7所示的矩形基础，为了抵抗荷载的偏心作用，通常取基础长边l与偏心方向一致。假定基底压力为直线分布，基底两端最大压力pmax与最小压力pmin，对于工程中常见的，偏心距el/6时，其值可按下式计算，即式（4）式中e=M/（F+G），M为作用于基础底面的力矩，kNm。,由式可见，当el/6时，pmin0，基底压力为梯形分布，如图7(a)所示；当e=l/6时，pmin=0，基底压力为三角形分布，如图8-7(b)所示。,图7单向偏心荷载下矩形基础基底压力分布,当el/6时，pmin0，基底出现拉应力，而基础与地基之间是不能承受拉力，此时基础与地基之间发生局部脱开，使其基底压力重新分布，pmax将增加很多，所以在工程设计中一般不允许el/6，以便充分发挥地基承载力。对于条形基础，仍沿长边方向取1m进行计算，偏心方向与基础宽度一致，基底压力分别为：另外，水工建筑物的基础往往承受有水平荷载PH，其引起的水平基底压力ph，常假定为沿基础底面均匀分布，即,另外，水工建筑物的基础往往承受有水平荷载PH，其引起的水平基底压力ph，常假定为沿基础底面均匀分布，即,8.2.3基底附加压力建筑物基础一般都有埋深，建筑物修建时进行的基坑开挖，减小了地基原有的自重应力，相当于加了一个负荷载。因此，在计算地基附加应力时，应该在基底压力中扣除基底处原有的自重应力，剩余的部分称为基底附加压力。显然，在基底压力相同时，基础埋深越大，其附加压力越小，越有利于减小地基的沉降。根据该原理可以进行地基基础的补偿性设计。对于基底压力为均布的情况，其基底附加压力为：,对于偏心荷载作用下梯形分布的基底压力，其基底附加压力为：式中0基础底面以上土的加权平均重度，kN/m3；d_基础埋深，m，从天然地面算起，对于新填土地区则从老地面算起。,第3节地基中的附加应力教学目的与要求：理解附加应力的概念，掌握矩形基础、条形基础地基中的附加应力计算（查表法）地基中的附加应力是指受外荷载作用下附加产生的应力增量。目前附加应力的计算，通常是假定地基土体为均匀、连续、各向同性的半无限空间弹性体，按照弹性理论计算，其结果可满足工程精度要求,8.1.1竖向集中力作用下地基中的附加应力,从图中可以看出，在某深度的水平面上，距集中力的作用线越远，越小，沿水平面向外衰减；在集中力作用线上深度越大，越小，沿深度向下衰减，这是因为应力分布面积随深度而增大所致。这种现象称为附加应力的扩散现象。如果地基上有多个相邻竖向集中力P1、P2、P3作用时，如图10所示。它们在地基中任一点产生的附加应力，可根据叠加原理，利用公式计算，即,结果将使地基中的增大，这种现象称为附加应力积聚现象，如图11所示。在工程中，由于附加应力的扩散与积聚作用，邻近基础将互相影响，引起附加沉降，这在软土地基中尤为明显。例如，新建筑物可能使旧建筑物发生倾斜或产生裂缝；水闸岸墙建成后，往往引起闸底板开裂等等。,图8-10多个集中力引起的图8-11的积聚现象,8.3.2矩形基础地基中的附加应力,矩形基础通常是指l/b10（水利工程l/b5）的基础，矩形基础下地基中任一点的附加应力与该点对x、y、z三轴的位置有关，故属空间问题。1、均布竖向荷载情况设矩形基础的长度为l，宽度为b，作用于地基上的均布竖向荷载为p0，如图12所示。在基础角点下任意深度处产生的竖向附加应力，可用下式求得，即,式中Kc矩形基础受均布竖向荷载作用时角点下的附加应力系数，可由l/b与z/b的值查表2,若附加应力计算点不位于角点下，可将荷载作用面积划分为几个部分，每一部分都是矩形，且使要求得应力之点位于划分的几个矩形的公共角点下面，利用公式（8-11）分别计算各部分荷载产生的，最后利用叠加原理计算出全部的，这种方法称为角点法，如图13所示。,图8-13用角点法计算z,(1)N点在荷载面边缘z（cc）p0(2)N点在荷载面内z(cccc)p0N点位于荷载面中心，因c=c=c=cz=4p0(3)N点在荷载面边缘外侧z(cccc)p0(4)N点在荷载面角点外侧z(cccc)p0,需要指出，矩形基础受竖向均布荷载作用情况下，在应用角点法计算附加应力，确定每个矩形荷载的Kc值时，l始终为矩形基底的长度，b始终为基底的短边。,例题8-2某矩形基础，基底面积为4m6m，如图14所示，其上作用有均布荷载p0=200kPa，求B、C、D、E各点下处的竖向附加应力。,解：（1）B点。通过B点将基础底面划分成四个相等矩形，由l1/b1=3/2=1.5，z/b1=2/2=1.0查表2得Kc1=0.1933，则=4Kc1p0=40.1933200=154.6（kPa）（2）C点。通过C点将基础底面划分成四个小矩形。l1=l2=2m，b1=b2=1m，l3=l4=5m，b3=b4=2m。由l1/b1=2/1=2.0，z/b1=2/1=2.0，查得Kc1=0.1202；由l3/b3=5/2=2.5，z/b3=2/2=1.0，查得KC3=0.2017，则=2（Kc1+Kc3）p0=2（0.1202+0.2017）200=128.8（kPa）（3）D点。通过D点将基础划分为二个相等的矩形，由l1/b1=6/2=3.0，z/b1=2/2=1.0查得Kc1=0.2034，则=2Kc1p0=20.2034200=81.4（kPa）,2、三角形分布竖向荷载情况设矩形基础上作用的竖向荷载沿宽度b方向呈三角形分布（沿l方向的荷载不变），最大荷载强度为pt，如图8-15所示。对于零角点下任意深度处的（kPa），可用下式求得，即式中Kt矩形基础受三角形分布竖向荷载作用时零荷载角点下的附加应力系数，可由l/b与z/b的值查表8-3。查表时b始终为沿荷载变化方向的基底边长，另一边为l。对于荷载最大值角点下的，可利用均布荷载和三角形荷载叠加而得，即：z=(KcKt)pt对于矩形基底内、外各点下任意深度处的附加应力，仍可用角点法进行计算。,（4）E点。由l/b=6/4=1.5，z/b=2/4=0.5，查得Kc=0.2370；则=Kcp0=0.2370200=47.4（kPa）,3、均布水平荷载情况,图16水平均布荷载下的z,矩形基础受水平均布荷载作用，如图8-16所示。在基础角点下的，可用下式计算，即式中式中Kt矩形基础受水平均布荷载作用时角点下的附加应力系数，可由l/b与z/b的值查表4。查表时b始终为平行于水平荷载方向的基底边长，另一边为l。,三、条形基础地基中的附加应力当基础的长宽比l/b=时，其上作用的荷载沿长度方向分布相同，则地基中在垂直于长度方向，各个截面的附加应力分布规律均相同，与长度无关，此种情况地基中的应力状态属于平面问题。在实际工程中，当基础的长宽比l/b10（水利工程中l/b5）时，可按条形基础计算地基中的附加应力。,1、均布竖向荷载情况如图8-17所示，地基中任意点M的竖向附加应力，可用下式求得，即式中条形基础受均布竖向荷载作用下的附加应力系数，可由x/b与z/b的值查表5。,2、三角形分布竖向荷载情况如图18所示，宽度为b的条形基础底面上，作用有三角形分布的竖向荷载，其荷载最大值为pt。现将坐标原点O取在荷载强度为零侧的端点上，以荷载强度增大方向为x正方向，则地基中任意点M的竖向附加应力，可用下式求得，即式中条形基础受三角形分布竖向荷载作用下的附加应力系数，可由x/b与z/b的值查表6。,图8-18条形基础三角形分布竖向荷载下的z图8-19条形基础水平均布荷载下的z,3.水平均荷载情况图8-19为条形基础受水平均布荷载(ph)作用的情况，将坐标原点O取在水平荷载起始端点侧，以水平荷载作用方向为x正方向，则地基中任意点M的竖向附加应力，可用下式求得，即式中条形基础受水平均布荷载作用下的附加应力系数，可由x/b与z/b的值查表8-7。,例题8-3某水闸基础宽度b=15m，长度l=150m，其上作用有偏心竖向荷载与水平荷载，如图20所示。试绘出基底中心点O以及A点以下30m深度范围内的附加应力的分布曲线（基础埋深不大，可不计埋深的影响）。,图8-20例题8-3附图,解：1、基底压力的计算因l/b=150/15=10，故属条形基础。竖向基底压力水平基底压力,2、基础中心O点下的竖向附加应力在计算时，应用叠加原理，将梯形分布的竖向荷载分解成两部分，即均布竖向荷载p=80kPa和三角形分布竖向荷载pt=40kPa，另有水平均布荷载ph=40kPa，即O点下不同深度的附加应力计算结果见表8。根据计算结果绘出O点下的沿深度分布曲线，如图20。,3、基底A点下的竖向附加应力计算过程同上，的计算结果见表9，分布曲线见图20。,表8-8基础中心O点下的附加应力计算,表9基底A点下的附加应力计算,第4节土的压缩性,教学目的与要求：掌握压缩试验原理及压缩性指标了解土的受荷历史对压缩性的影响,8.4.1基本概念地基土在压力作用下体积减小的特性称为土的压缩性。土体产生压缩变形的原因有以下三个方面：（1）土粒本身的压缩变形；（2）孔隙中水和空气的压缩变形；（3）孔隙中部分水和空气被挤出，土粒互相靠拢，孔隙体积变小,试验研究表明，在工程实践中所遇到的压力（约100600kPa）作用下，土粒和孔隙中水的压缩量很小，可以忽略不计。因此，土的压缩变形主要是由于孔隙减小的缘故，可以用压力与孔隙体积之间的变化来说明土的压缩性，并用于计算地基沉降量。,8.4.2侧限压缩试验与压缩性指标1、侧限压缩试验室内压缩试验是用压缩仪（或称固结仪）进行的，如图21所示。土样由于受到环刀和刚性护环的限制，只能在竖直方向产生压缩变形，不能产生侧向膨胀，故称为侧限压缩实验。,图8-21侧限压缩试验示意图图8-22压缩试验土样变形示意图,2、压缩性指标压缩系数在工程上，当压力的变化范围不大时，如图23中从到，压缩曲线上相应的段可近似地看成直线，即用割线代替曲线，土在此段的压缩性可用该割线的斜率来反映，则直线的斜率称为土体在该段的压缩系数，即,图8-23ep曲线图8-24elgp曲线,2土的压缩性指标(1)土的压缩系数,为了便于比较，通常采用压力段由p1=100kPa增加到p2=200kPa时的压缩系数a1-2来评定土的压缩性如下：,中压缩性,低压缩性,(2)土的压缩指数,(3)土的压缩模量,(4)土的回弹再压缩曲线及回弹再压缩模量,8.4.3受荷历史对压缩性的影响,在做压缩试验时，如加压到某一级荷载达到压缩稳定后，逐级卸荷，可以看到土的一部分变形可以恢复（即弹性变形），而另一部分变形不能恢复（即残余变形）。如果卸荷后又逐级加荷便可得到再加压曲线，再加压曲线比原压缩曲线平缓得多，如图25所示。这说明，土在历史上若受过大于现在所受的压力，其压缩性将大大降低。土的前期固结压力是指土层形成后的历史上所经受过的最大固结压力。将土层所受的前期固结压力Pc与土层现在所受的自重应力的比值称为超固结比，以OCR表示。根据OCR可将天然土层分为三种固结状态。,1、正常固结土（OCR=1）一般土体的固结是在自重应力的作用下伴随土的沉积过程逐渐达到的。当土体达到固结稳定后，土层的应力未发生明显变化，即前期固结压力等于目前土层的自重应力，这种状态的土称为正常固结的土。如图（a）所示，工程中多数建筑物地基均为正常固结土。2、超固结土（OCR1）当土层在历史上经受过较大的固结压力作用而达到固结稳定后，由于受到强烈的侵蚀、冲刷等原因，使其目前的自重应力小于前期固结压力，这种状态的土称为超固结土，如图（b）所示。3、欠固结土（OCR1）土层沉积历史短，在自重应力作用下尚未达到固结稳定，这种状态的土称为欠固结土，如图（c）所示。,图8-26天然土层的三种固结状态（a）正常固结土；（b）超固结土；（c）欠结固土,前期固结压力可用卡萨格兰德的经验作图法确定，如图27所示。在曲线上找出曲率半径最小的一点A，过A点作水平线A1和切线A2，作1A2的平分线A3并与曲线中直线段的延长线相交于B点，B点所对应的压力就是前期固结压力,图8-27卡萨格兰德法确定,1.基本假设地基是均质、各向同性的半无限线性变形体，可按弹性理论计算土中应力。在压力作用下，地基土不产生侧向变形，可采用侧限条件下的压缩性指标。,2.单一压缩土层的沉降计算在一定均匀厚度土层上施加连续均布荷载，竖向应力增加，孔隙比相应减小，土层产生压缩变形，没有侧向变形。,8.5地基最终沉降量计算8.5.1分层总和法地基最终沉降量计算,3.定义：先将地基土分为若干土层，各土层厚度分别为h1,h2,h3,hn。计算每层土的压缩量s1,s2,s3,.,sn。然后累计起来，即为总的地基沉降量s。,4.计算原理,P1=自重应力,P2=自重应力+附加应力,确定基础沉降计算深度,一般z=0.2c,确定地基分层,1.不同土层的分界面与地下水位面为天然层面2.每层厚度hi0.4b,计算各分层沉降量,根据自重应力、附加应力曲线、e-p压缩曲线计算任一分层沉降量,软土z=0.1c（若沉降深度范围内存在基岩时，计算至基岩表面为止）,计算基础最终沉降量,5.计算步骤,6.公式解释：,例题4一水闸基础宽度，长度，作用在基底上的荷载如图28（a）所示，沿宽度方向的竖向偏心荷载kN（偏心距0.5m），水平荷载kN。地基分二层，上层为软粘土，湿重度19.62kN/m3，浮重度9.81kN/m3，下层为中密砂，地下水位在基底以下3m处。在基底以下03m、38m、815m范围内软粘土的压缩曲线如图8-29中的、所示，试计算基础中心点（点2）和两侧边点（点1、3）的最终沉降量。,图8-28例题4附图基础中心点（点2）下的附加应力计算表10,解：1、地基分层共分四层，其中：H1=3m、H2=5m、H3=3.5m、H4=3.5m，最大分层厚度为5m=0.25b，符合水闸地基分层要求，如图28（b）所示。2、计算基底压力和基底附加压力因l/b=200/20=105，可按条形基础计算。基础每米长度上所受的竖向荷载(F+G)=360000/200=1800kN/m，所受水平荷载PH=30000/200=150kN/m，即竖向基底压力为（kPa）,基底附加压力为（kPa）水平基底压力为（kPa）基底压力及基底附加压力分布如图28（b）所示。3、计算各分层面处的自重应力基底处（0）（kPa）地下水位处（）（kPa）基底以下8m处（）（kPa）基底以下11.5m处（）（kPa）,中密砂层顶面处（）（kPa）自重应力分布如图28（b）所示。,（kPa）,4、各分层面处的附加应力计算以基础中心点为例，将竖向基底附加压力分为均布荷载、三角形荷载和水平荷载，各荷载在地基中引起的附加应力计算见表10，附加应力分布见图28（）。,5、确定压缩层计算深度当深度Z=15m处，附加应力kPakPa，故压缩层计算深度可取15m。6、计算各土层自重应力与附加应力的平均值第一层自重应力平均值与附加应力平均值为：,同理计算其它各土层的应力平均值，见表11。,按上述同样方法可以计算出点1和点3的沉降量分别为4.3cm和7.2cm。,表11基础中心点的沉降量计算,由建筑地基基础设计规范（GB500072002）提出分层总和法的另一种形式沿用分层总和法的假设，并引入平均附加应力系数和地基沉降计算经验系数,附加应力面积,深度z范围内的附加应力面积,附加应力通式z=Kp0,引入平均附加应力系数,因此附加应力面积表示为,因此,8.5.2规范法计算地基沉降量,地基沉降计算深度zn,zi-1,第n层,第i层,Ai,Ai-1,沉降计算深度zn应该满足,当确定沉降计算深度下有软弱土层时，尚应向下继续计算，直至软弱土层中所取规定厚度的计算沉降量也满足上式，若计算深度范围内存在基岩，zn可取至基岩表面为止,当无相邻荷载影响，基础宽度在130m范围内，基础中点的地基沉降计算深度可以按简化公式计算,地基最终沉降量修正公式,地基沉降计算中的有关问题,1.分层总和法在计算中假定不符合实际情况假定地基无侧向变形计算结果偏小采用基础中心点下土的附加应力和沉降计算结果偏大,2.分层总和法中附加应力计算应考虑:土体在自重作用下的固结程度、相邻荷载的作用,3.基础埋置较深时，应考虑开挖基坑时地基土的回弹，建筑物施工时又产生地基土再压缩的情况,回弹再压缩影响的变形量,计算深度取至基坑底面以下5m，当基坑底面在地下水位以下时取10m,8.6地基变形与时间的关系,地基的变形不是瞬时完成的，地基在建筑物荷载作用下要经过相当长的时间才能达到最终沉降量。在工程设计中，除了要知道地基最终沉降量外，往往还需要知道沉降随时间的变化过程即沉降与时间的关系。,8.6.1饱和土的有效应力原理,饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间存在如下关系：,1、饱和土体渗流固结过程,2、两种应力在深度上随时间的分布,3、不同排水条件下一维渗流固结过程,单面排水,双面排水,8.6.2土的单向固结理论太沙基一维固结理论适用条件：荷载面积远大于压缩土层的厚度，地基中孔隙水主要沿竖向渗流。单向固结微分方程及其解答1、基本假定：（1）土中水的渗流只沿竖向发生，服从达西定律；（2）土的渗透系数和压缩系数为常数；（3）土颗粒和土中水都是不可压缩的；（4）土是完全饱和的均质、各向同性体；（5）外荷是一次瞬时施加。,2、公式单向固结微分方程式中为土的竖向固结系数，k渗透系数a压缩系数、e天然孔隙比,单元体的渗流条件单元体的变形条件单元体的渗流连续条件,边界条件,3、固结度（1）定义：,（2）计算公式（地基中附加应力上下均匀分布）平均固结度Uz,当压缩应力分布与排水条件都相同时，达到同一固结度所需时间之比等于排水距离H的平方之比。,地基沉降与时间关系计算步骤（1）计算地基最终沉降量；（2）计算地基附加应力沿深度的分布；（3）计算土层的竖向固结系数和时间因子；（4）求解地基固结过程中某一时刻t沉降量。,复习思考题1、何谓自重应力与附加应力，它们沿深度的分布有什么特点？2、在基底压力不变的前提下，增加基础埋深对附加应力分布有什么影响？3、何谓地基压力与基底附加压力？影响基底压力分布的主要因素有哪些？4、如何计算中心及偏心荷载作用下的基底压力？5、何谓附加应力的扩散和积聚现象？6、土体在压力作用下体积变小产生压缩的主要原因是什么？7、比较土的压缩系数、压缩模量、压缩指数的区别、单位和相互关系？8、什么是孔隙水压力和有效应力？在固结过程中，两者是怎样转的？9、分层总和法的基本假定是什么？10、用分层总和法计算最终沉降量时，为何分层厚度不可太大？而基础宽度愈大分层厚度又可愈大？,