土力学与地基基础(地基土的变形).ppt

修建新建筑物 引起原有建筑物开裂 第四章地基变形 地基沉降与不均匀沉降的实例 高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除 建筑物立面高差过大 建筑物过长 地基沉降 一致沉降 沉降量 差异沉降 沉降差 导致结果 建筑物上部结构产生附加应力 引起上部结构开裂 影响结构物的安全和正常使用 土体的压缩性 以及荷载的作用 使得地基发生沉降 影响因素 荷载大小 土的压缩特性 地基厚度 一 土的压缩性 一 基本概念土的压缩性 土在压力作用下体积缩小的特性 土体压缩的组成部分 水和气体从孔隙中挤出水和封闭气体被压缩固体土颗粒被压缩压缩变形的快慢与土的渗透性有关 透水性大 其压缩过程在短时间内就可以结束 相反 透水性小 其压缩稳定所需的时间要长 可忽略不计 主要孔隙体积减小即e的减小 二 压缩试验及压缩性指标常用侧限条件的室内压缩试验来测定土的压缩性指标 1 压缩试验 在每级荷载作用下将土样压至稳定后 再加下一级荷载 根据每级荷载作用下的稳定变形量 si 计算孔隙比ei 从而绘制压缩曲线e p曲线 2 压缩曲线 为求土样压缩稳定后的孔隙比 利用受压前后土粒体积不变和土样横截面积不变的两个条件 得出受压后的孔隙比 只要测定土样在各级压力作用下的稳定压缩量后 就可按上式算出相应的孔隙比e 从而绘制土的压缩曲线 e p曲线 3 压缩性指标 1 压缩系数 a 定义 曲线上任意点的切线斜率 表示相应压力下土的压缩性 不同的土压缩系数不同 同一种土也不一样 a1 2常用作比较土的压缩性大小 在压缩曲线上 横座标取压力的常用对数取值 即采用半对数直角座标纸绘制成的曲线e lgp 2 压缩指数 Cc 曲线后半段接近直线 压缩指数取该直线段的斜率 压缩指数越大 压缩性越大 低压缩性土中压缩性土高压缩性土 3 压缩模量 侧限压缩模量 根据e p曲线 可以求算另一个压缩性指标 压缩模量 它的定义是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之比值 土的压缩模量可根据下式计算 亦称侧限压缩模量 以便与一般材料在无侧限条件下简单拉伸或压缩时的弹性模量相区别 高中低 三 静荷载试验现场原位试验 可用于测定承压板影响范围内土的承载力和变形模量 如图所示两种千斤顶型式的载荷架 其构造一般由加荷稳压装置 反力装置及观测装置三部分组成 步骤 选择场地 开挖试坑 铺设砂垫层 安装试验设备 加荷载 测读沉降量 再加下级荷载 直到稳定 试验终止 土明显侧向挤出 本级荷载沉降量大于前级的5倍 24小时沉降不能达到稳定 总沉降量与承压板直径之比超过0 06 试验结果 绘制荷载p与稳定沉降s的关系曲线 曲线一般分三个阶段 直线变形 局部剪切和破坏阶段 直线段终点对应的荷载为比例界限荷载 破坏阶段的起点为极限荷载 1 承载力确定一般地基承载力取接近于或稍超过比例界限值 若没有直线段 取s 0 01 0 015 d对应的荷载作为地基承载力 2 变形模量的确定通常根据p s曲线的直线变形阶段 求地基土的变形模量 其计算公式如下 如果不出现直线段 可取s 0 01 0 015 d所对应的荷载代入上式进行计算 E0与Es两者有如下关系 二 地基变形的类型 一 地基变形的特征1 沉降量定义 单独基础中心点的沉降量应用范围 单层排架 高层建筑 高耸结构2 沉降差定义 相邻单独基础沉降量的差值应用范围 框架 单层排架结构3 倾斜定义 单独基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值应用范围 高层建筑 高耸结构4 局部倾斜定义 砌体承重结构沿纵向6 10m内基础两点的沉降差与其距离的比值应用范围 砌体承重结构 二 地基变形允许值确定与各种因素有关 有关经验值可查表 三 地基基础设计1 设计等级 甲 乙 丙级2 设计应符合有关规定 均应满足承载力计算 甲 乙应进行地基变形验算 丙级建筑可不做变形验算 除特殊情况之外 稳定性验算 承受水平荷载 斜坡上 边坡附近建筑物以及基坑工程 抗浮验算 水位埋藏较浅 三 地基最终沉降量计算 简单介绍 按分层总和法计算基本思想在地基沉降计算深度范围内划分为若干分层计算各分层的压缩量 然后求其总和 假定条件假定地基土压缩时不允许侧向变形 膨胀 即采用侧限条件下的压缩性指标 计算地基沉降量 采用基底中心点下的附加应力进行计算 定义 地基在建筑物附加荷载作用下变形稳定后的沉降量 沉降量计算 分层确定 分层厚度一般取0 4b 此外 土层界面和地下水面也是分层面 沉降计算深度确定 地基沉降计算深度的下限 一般取地基附加应力等于自重应力的20 处 对软弱土取10 计算步骤 1 地基竖向自重应力的计算及自重应力曲线绘制 2 计算基础底面中心点下各分层界面处的附加应力并绘制附加应力曲线 3 确定地基沉降计算深度Zn 地基压缩层深度 地基沉降计算深度的下限 一般取地基附加应力等于自重应力的20 处 对软弱土取10 4 确定地基土的分层 分层厚度一般取0 4b 此外 土层界面和地下水面也是分层面 5 计算地基各分层的沉降量 6 计算地基最终沉降量 四 地基沉降与时间的关系 一 饱和土的有效应力原理总应力由土骨架和孔隙水共同承受 有效应力是通过土粒承受和传递的粒间应力 土的强度一般只取决于有效应力 渗透固结过程 加压的瞬间 渗透过程中当固结变形完全稳定时 则u 0因此 只要土中孔隙水压力还存在 就意味着土的渗透固结变形尚未完成 在渗透固结的任一时刻 附加应力由有效应力和孔隙水压力共同承担 换句话说 饱和土的固结就是孔隙水压力的消散和有效应力相应增长的过程 五 建筑物沉降观测 一 沉降观测的意义 二 需进行观测的建筑物 三 沉降观测方法与步骤1 仪器与精度精密水准仪 铟钢尺 级水准测量2 水准基点的设置稳定可靠 靠近观测点但在压力影响范围之外 不少于3个3 观测点的设置全面反映建筑物变形并结合地质情况确定 测点间距为8 12米 不少于6个4 观测次数与时间施工期间 浇注第一层后 埋设观测点 进行初次观测 以后每盖一层观测一次直至封顶 工业建筑根据不同荷载分次观测 不应少于4次 竣工后 第一年2 3月一次 以后4 6月观测一次 直到变形稳定为止 沉降速率0 01 0 04mm d 一 土的抗剪强度 土的抗剪强度 指土体抵抗剪切破坏的极限能力 数值上等于剪切破坏时滑动面上的剪应力 土体的破坏通常都是剪切破坏 土体破坏过程 如果土体内某一部分的剪应力达到土的抗剪强度 在该部分就开始出现剪切破坏 随着荷载的增加 剪切破坏的范围逐渐扩大 最终在土体中形成连续的滑动面 地基发生整体剪切破坏而丧失稳定性 以下是滑坡和地基破坏示意图 第五章土的抗剪强度和地基承载力 平移滑动 各种类型的滑坡 崩塌 旋转滑动 流滑 地基的破坏 剪切破坏判断准则 莫尔 库伦破坏准则 抗剪强度的影响因素 土的性质 应力状态 仪器种类试验方法 二 土的极限平衡条件极限平衡状态 剪应力 土的抗剪强度极限平衡条件 平衡状态时应力状态与抗剪强度指标间的关系式 一 莫尔库伦破坏理论 粘性土 c 土的粘结力 土的内摩擦角 无粘性土 f 土的抗剪强度 tg 摩擦强度 正比于法向压力 c 粘结强度 与所受压力无关 1 库仑公式 能保持土坡稳定的极限坡角 抗剪强度指标 土的抗剪强度不仅与土的性质有关 还与试验条件 仪器种类和应力状态等因素有关 抗剪强度不是常数 根据有效应力原理 土体内的剪应力是由土的骨架承担 只有有效应力的变化才能引起强度的变化 因此 土的抗剪强度应修改为 无粘性土有效应力抗剪强度公式粘性土有效应力抗剪强度公式 有效抗剪强度指标 对于同一种土 理论上与试验方法无关 接近于常数 C 抗剪强度指标 对于同一种土 在相同试验条件下为常数 2 莫尔破坏包线莫尔 Mohr 提出 当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点就发生破坏 并提出在破坏面上的剪应力与法向应力存在函数关系 即 3 莫尔 库伦破坏理论应力变化不大 包线可用库伦公式 f c tg 表示 如虚线所示 由库伦公式作为抗剪强度公式 根据剪应力是否达到抗剪强度作为破坏标准的理论就称为莫尔 库伦破坏理论 A B C 包线下方 稳定状态 f 莫尔库伦破坏理论判别的不足 须预先确定破坏面的位置 算出破坏面上的剪应力和正应力 根据剪应力与抗剪强度的关系判定 实际上很难确定发生破坏的平面 也就无法判别土的状态 二 莫尔 库伦破坏准则1 土体中任一点的应力状态在土体中取一单元微体 大主应力 1 小主应力 3 求与大主应力作用面成任意角度 面上的正应力和剪应力 方程的解可用莫尔应力圆表示 莫尔圆就可以表示土体中一点的应力状态 莫尔圆圆周上各点的座标就表示该点在相应平面上的正应力和剪应力 2 土的极限平衡条件 1 莫尔圆与抗剪强度线间的关系 根据极限应力圆与抗剪强度包线之间的几何关系 可建立极限平衡条件 2 极限平衡条件的建立 由三角形ARD可知 由三角函数关系 经化简后得粘性土极限平衡条件如下 无粘性土 c 0 极限平衡条件 破坏角 3 破坏判断方法 方法一 3为常数 计算在 3作用下极限平衡时所需的 1f 判别对象 土体微小单元 一点 1 3 C 已知 要判断在已知应力作用下土体的状态 1 1f破坏状态 3 3f稳定状态 3 3f极限平衡状态 3 3f破坏状态 方法二 1为常数 计算在 1作用下极限平衡时所需的 3f 三 抗剪强度指标的确定 一 直接剪切试验 抗剪强度指标的确定 该直线与横轴的夹角为内摩擦角 在纵轴上的截距为粘聚力c 曲线峰值点即为相应法向应力作用下的抗剪强度 绘制抗剪强度线 抗剪强度曲线 按剪切速率不同 分为以下三种 1 快剪2 固结快剪3 固结慢剪 应变控制式三轴仪 周围压力系统 轴向加压系统 孔隙水压力量测系统组成 二 三轴压缩试验 试验过程 先加周围压力 3 然后施加轴向力 1 1 3 增大 1直到破坏 分别做围压 为100kPa 200kPa 300kPa的三轴试验 得到破坏时相应的 1绘制三个破坏状态的摩尔应力圆 画出它们的公切线 抗剪强度包线 得到强度指标c与 固结不排水试验 CU试验 不固结不排水试验 UU试验 抗剪强度线为水平线 cd d ccu cu cu u 固结排水试验 CD试验 试验类型 适于排水不良的土 优点和缺点 优点 1应力状态明确 模拟了土实际受力状态 2排水条件清楚 可控制 3破坏面不是人为固定的 缺点 设备相对复杂 现场无法试验 说明 3 0即为无侧限压缩试验 三 无侧限压缩试验 特殊的三轴试验 只施加竖向压力 3 0 直至破坏 破坏时的轴向压应力qu称为无侧限抗压强度 由 饱和粘性土 进行不固结不排水试验 其破坏包线近于一条水平线 原位试验 适应于测定软粘土的不排水强度指标 先钻孔到指定的土层 插入十字形的探头 通过施加的最大扭矩计算土的抗剪强度 四 十字板剪切试验 五 地基的临塑荷载和极限荷载 一 地基破坏的类型 有三个阶段 有明显隆起 连续滑动面 急剧下沉或倾斜 无明显三个阶段 滑动面终止在地基内部 微微隆起 不倒塌或倾斜 曲线 垂直剪切破坏 没有隆起 反而下沉 过大沉降不倾斜 a点 临塑荷载 Pcr b点 极限荷载 Pu 二 地基的临塑荷载 Pcr 根据塑性变形时的极限平衡条件可得 若相应的荷载为临塑荷载 中心荷载 偏心荷载 称为临界荷载 三 地基的极限荷载 Pu 1 普朗特尔 瑞斯纳极限承载力公式 其中 2 太沙基承载力理论计算公式 式中 承载力系数 需查图实线确定 式中 承载力系数 需查图虚线确定 适于局部剪切破坏 适于整体剪切破坏 练习题 有一矩形基础 l 4m b 2 5m d 1 6m 19kN m3 c 17kPa 20 经查表得到N 3 5 Nc 15 Nq 6 5试按太沙基公式求地基极限承载力 思路 逆向 普朗特尔 瑞斯纳公式 太沙基公式 圆形基础 方形基础 条形基础 计算同样宽度的条形基础Pu1 计算同样宽度的方形基础Pu2 矩形基础 b l 0 625 条形基础 b l 0 方形基础 b l 1 Pu1 Pu2 内插求Pu 求Pu 相同条件下 五 地基承载力的确定 一 地基承载力确定方法 1 荷载试验确定 Pu 2Pcr 取Pu 2作为fakPu 2Pcr 取Pcr作为fak 高压缩性土 p s曲线无明显转折点 取曲线上荷载板的沉降量s 0 010 0 015 b所对应的荷载作为fak fak 低压缩性土 p s曲线有明显三个阶段 影响地基承载力的因素 土的物理力学性质 堆积年代及成因 地下水 建筑物性质 建筑物基础宽度与埋深 可用临界荷载P1 4为基础的理论公式计算地基承载力特征值 2 按理论公式计算 3 用静力触探法确定 4 建筑经验 适于荷载不大的中小型工程 二 地基承载力特征值的修正 b 3m或d 0 5m 由荷载试验 原位测试和经验值等方法确定的fak应进行修正 注意b d的取值 适用于荷载偏心距e 0 033b时