地基基础--土的压缩性和地基沉降计算.ppt

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,外因：建筑物荷载的大小和分布；,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,原因：（1）建筑物荷载分布不均匀； （2）地基土层压缩性不同。,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：,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。,研究地基土变形特性： 压缩、固结、渗流、蠕变。,3.1 土的压缩性,土的压缩性：土在压力作用下体积缩小的特性。,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,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。,饱和土的压缩量孔隙体积的减小量,压缩、固结、渗流、蠕变,压缩：压力作用下，土体体积缩小。,固结：压力作用下，土体压缩量随时间增长。,渗流：压力作用下，孔隙水分在土体中流动与排出。,蠕变：压力不变，变形随时间持续增长。,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：,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。,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。,侧限压缩试验的适用范围：压缩土层厚度较小。,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。,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。,定义式：,土的压缩性评价：,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。,定义式：,侧限压缩模量与压缩系数的关系：,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。,物理意义：与材料力学中杨氏弹性模量相同。,变形模量与侧限压缩模量的关系：,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,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。,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：,内因：地基土具有压缩性；,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：,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：,（1）分层综合法；,（2）规范法。,分层综合法,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：,单向压缩分层综合法,分层综合法计算步骤,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；,按比例绘制地基土层分布剖面图和基础剖面图；,计算地基自重应力，并按比例绘于基础中心线左侧；,计算基底压力（中心荷载或偏心荷载作用）；,计算基底附加压力；,计算地基（基础）最终沉降量（叠加）。,计算各分层土的压缩量；,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。,确定地基沉降计算深度；,分层总和法评价：,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。,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。,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。,优点：物理意义明确。,不足：对坚硬地基偏大，对软弱地基偏小。,规范法,计算第i层土压缩量公式：,平均附加应力系数：,地基最终沉降量计算公式,沉降计算深度的确定,对独立基础：,当存在相邻荷载影响时：,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,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。,固结沉降：孔压消散，应力转移，引起土骨架变形。,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。,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。,正常固结土,超固结土,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,碎石土、砂土：透水性强，压缩性低，沉降完成历时短。,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：,有效应力原理基本概念,有效应力：通过土粒接触点传递的粒间应力。,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。,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：,（1）饱和土变形和强度是由有效应力控制的；,（2）土中任一点的有效应力等于总应力减去孔隙水压力。,饱和土一维固结理论,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,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：,解析解,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。,定义式：,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。,基本表达式：,地基固结度的计算：,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,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：,收集资料和编写计划,水准基点的设置（不少于3个）,观测点的设置（不宜少于6个）,水准测量,观测资料的整理,地基的变形特征,沉降量：指基础中心的沉降量。,沉降差：指相邻两个基础沉降量之差。,倾斜：指单独基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离之比。,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：,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。,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