建筑地基基础讲义4章.ppt

第四章 地基变形的计算,4.1 土的压缩性,一、基本概念 土的压缩性：在外力作用下，土颗粒重新排列，土体体积缩小的特性。 土粒和孔隙水的压缩量忽略不计，土的压缩完全是由于土中孔隙体积减小的结果。,固结：土的压缩随时间增长的过程。 沉降：在附加应力作用下，地基土产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）。,二、压缩与压缩曲线,固结试验:用环刀切取原状土样，放在压缩仪(固结仪)内，然后逐级加铅直压力p，并用百分表测量相应 稳定压缩量S，再 经过换算，求得相 应的孔隙比e。,设h0为土样初始高度，h为土样受压后的高度，S为压力p作用下土样压缩稳定后的压缩量，则h=h0-S。,根据土的孔隙比的定义，初始孔隙比为：,设土样的横断面积为A，于是V=h0A，把它代入上式，经简单变换后，得：,用某级压力p作用下的孔隙比e和稳定压缩量S表示土粒体积：,因为土样受压前后土粒体积和横断面面积不变，故：,解，得：,只要测出土样在各 级压力p作用下的稳定 压缩量S后，即可算出 相应的孔隙比e，从而 就可绘出压力和孔隙比 关系曲线，即压缩曲线。,压缩曲线,三、压缩系数和压缩模量 1.压缩系数a：单位压力增量所引起的孔隙比改变，即压缩曲线的割线的坡度。,式中：a称为压缩系数，以MPa-1计；1000为单位换算系数；e1，e2为p1，p2相对应的孔隙比。,压缩系数的确定,压缩系数愈大，土的压缩性就愈大。土的压缩系数并不是常数，随压力的改变而变化。 在计算地基沉降时，p1和p2应取实际应力，即p1取土的自重应力，p2取土的自重应力与附加应力之和。 在评价地基压缩性时，一般取P1=100kPa，P2=200kPa，并将相应的压缩系数记作 。,按 的大小将地基土的压缩性分为以下三类： 当 时，为高压缩性； 当 时，为中压缩性； 当 时，为低压缩性。,2.压缩模量ES：在压缩仪内完全侧限条件下，土的应力变化量 与其应变的变化量 的比。 定义式：,ES的大小反映了土体在单向压缩条件下对压缩变形的抵抗能力。,计算式：,式中：e1为地基土自重应力下的孔隙比； a为从土自重应力至土自重加附加应力 段的压缩系数。,评定土的压缩性时，用ES(1-2)：,ES(1-2)为p1=100KPa, p2=200KPa时的压缩模量,四、变形模量E0 变形模量：土体在无侧限条件下应力与应变之比值。 变形模量是在现场原位进行测得的，所以它能比较准确地反映土在天然状态下的压缩性。,现场载荷试验:是在工程现场通过千斤顶逐级对置于地基土上的载荷板施加荷载，观测记录沉降随时间的发展以及稳定时的沉降量s，将试验得到的各级荷载下的荷载板底面应力与相应的稳定沉降量绘制成p-s曲线，即获得了地基土载荷试验的结果。,荷载实验装置,土的极限状态： 荷载板周围的土有明显侧向挤出。 荷载p增加很小，但沉降量S却急剧增大。 在荷载不变的情况下，24小时内，沉降速率不能达到稳定标准。 （b为承压板宽度）。 满足四种情况之一时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。,由图可知：荷载板的沉降量随应力的增大而增加，当应力PPcr时，沉降量和应力近似地成正比。,当应力PPcr时，地基土可看成是直线变形体，可采用弹性力学公式计算土的变形模量：,式中：为沉降量系数；为泊松比；pcr为直线段终点所对应的应力；S1为pcr对应的沉降量；b为承压板宽度。,变形模量相当于理想弹性体的弹性模量，但是由于土体不是理想弹性体，故称为变形模量。变形模量的大小反映了土体抵抗弹塑性变形的能力。 五、变形模量与压缩模量之间的关系：,4-2 地基最终沉降量计算,地基最终沉降量：地基在建筑物荷载作用下，最终的稳定沉降量。 计算方法： 分层总和法 规范推荐法,一、分层总和法 1.概念：在地基可能产生压缩的土层深度内，按土的特性和应力状态的变化将地基分为若干（n）层，假定每一分层土质均匀且应力沿厚度均匀分布，然后对每一分层分别计算其压缩量Si，最后将各分层的压缩量总和起来，即得地基表面的最终沉降量S。 2.思路：将压缩层范围内地基分层，计算每一分层的压缩量，然后累加得总沉降量。,3.基本假定： （1）地基土受荷载后不能发生侧向变形； （2）按地基底面中心点下的附加应力计算土层的压缩量； （3）基础最终沉降量等于基础底面下压缩层范围内每个土层压缩量的总和（地基是弹性变形体）。,4.计算公式： 各分层沉降量：,（1）由公式（4-4）得：,e1i由第i层的自重应力均值从土的压缩曲线上得到的相应孔隙比 e2i由第i层的自重应力均值与附加应力均值之和从土的压缩曲线上得到的相应孔隙比,地基总沉降量：,此公式适合采用压缩曲线 计算。,（2）将公式（4-2）和（4-3b）再代入由（1） 得到的公式得：,Esi第i分层土的压缩模量； 第i层土上下层面所受附加应力的平均值,地基总沉降量：,此公式适合采用压缩模量计算。,5.分层总和法计算步骤： （1）求出基底压力的大小和分布； 根据建筑物基础的形状，结合地基中土层性状，选择沉降计算点的位置；再按作用在基础上荷载的性质（中心、偏心）计算。 （2）将地基分层。2-4m, =0.4b, 土层交界面，地下水位； （3）计算地基中的自重应力分布，从地面；,（4）计算地基中竖向附加应力分布。 （5）确定地基中压力层厚度zn （6）按算术平均求各分层平均自重应力和平均附加应力。(注意：也可以直接计算各土层中点处的自重应力及附加应力) （7）求压缩量。（注意：不同土层要用不同的压缩曲线）,【例题】有一矩形基础放置在均质粘土层上，如图412（a）所示。基础长度L=10m，宽度B=5m，埋置深度D=1.5m，其上作用着中心荷载P=10000kN。地基土的天然湿重度为20kN/m3，土的压缩曲线如图（b）所示。地下水位距基底2.5m，试求基础中心点的沉降量。,【解】（1）中心荷载下基底压力为: 基底附加应力为: p0=p-d=200-20 1.5170kPa （2）因为是均质土，且地下水位在基底以下2.5m处，取分层厚度Hi=2.5m。,p=P/(LB)=10000/(105)200kPa,（3）求各分层面的自重应力（注意：从地面算起）并绘分布曲线. cz0=d=201.5=30kPa cz1=cz0 +H1=30+202.5=80kPa cz2= cz1 +H2=80+(21-9.8)2.5=108kPa cz3=cz2 +H3=108+(21-9.8)2.5=136kPa cz4=cz3 +H4=136+(21-9.8)2.5=164kPa cz5=cz4 +H5=164+(21-9.8)2.5=192kPa,（4）求各分层面的竖向附加应力并绘分布曲线。计算结果如下表所示。,（5）确定压缩层厚度。从计算结果可知，在第4点处有z4/ cz40.1950.2，所以，取压缩层厚度为10m。 （6）计算各分层的平均自重应力和平均附加应力。,（7）根据p1i为第i层的平均自重应力，p2i为第i层的平均自重应力与平均附加应力之和，由压缩曲线查取初始孔隙比和压缩稳定后的孔隙比。,（8）计算地基的沉降量。计算各分层的沉降量，然后累加即得,二、规范推荐方法 地基最终沉降量的计算公式如下：,式中 S理论计算的地基沉降量： 沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定或查表。,规范法计算步骤: （1）计算基底附加应力； （2）将地基土按压缩性分层（以天然土层作为分层面）； （3）计算各分层的压缩量； （4）确定压缩层厚度； （5）计算基础总沉降量。,为在计算深度范围内，第i层土的计算沉降量值； 为由计算深度向上取厚度为 的土层的计算沉降值。,三、地基压缩层厚度的确定 压缩层：地基受荷载变形的范围。 1.规范法 （1）无相邻荷载影响：,（2）有相邻荷载影响：,2.附加应力与自重应力比值法,四、地基沉降与时间关系的估算 地基土的性质、状态不同，达到最终沉降量所需要的时间不同，在建筑物施工期间完成的沉降量也不一样。 沉降与时间的关系必须考虑。 理论值与实际出入较大经验公式。,一、目的 1.验证工程设计与沉降计算的正确性； 2.判别建筑物施工的质量； 3.发生事故后作为分析事故原因和加固处理依据。,4-3 建筑物的沉降观测,二、必要性 能够及时发现建筑物变形并防止有害变形的扩大 三、水准基点的设置 1.埋设地点要靠近观测对象，但必须在建筑物所产生的压力影响范围以外。 2.在一个观测区内，水准基点3个，埋置深度应与建筑物基础的埋深相应。,四、观测点的设置 1.根据建筑物的平面形状，结构特点和工程地质条件考虑布置观测点。 2.一般设置在四周的角点、转角处、纵横墙的中点、沉降缝和新老建筑物的连接处。 3.数量一般不小于6点，间距一般为612米。五、仪器与精度 沉降观测采用精密水准仪，观测精度为0.01。,五、观测次数和时间 1.民用建筑每增高一层观测一次； 2.工业建筑在不同荷载阶段分别进行观测，施工期间不应少于4次； 3.竣工后第一年不少于35次；第二年不少于2次；以后每年一次，直到稳定。（稳定标准为半年沉降量不超过2）,六、观测资料的整理 1.减速沉降（沉降速率减少到0.05/d以下 时）：认为沉降趋于稳定。 2.等速沉降：导致地基丧失稳定的危险。 3.加速沉降：表示地基已丧失稳定，应及时 采取措施，防止发生事故。,1.沉降量(mm) 定义:基础中心的沉降差； 应用:单层排架结构柱基 和高耸结构基础,（一）地基变形分类,七、地基允许变形值,2.沉降差(mm) 定义:同一建筑物中相邻两个基础沉降的差值