土的变形性质及地基沉降计算.ppt

,上部结构荷载（外力）基底附加压力 地基土中产生附加应力 -地基变形（沉降）-基础随之位移上部结构内力重新分布-破坏 第四章 土的变形性质及地基沉降计算 1 土的压缩性 一.土的压缩变形特点 土的压缩性:在外力作用下土体积缩小的特性 土的压缩性的特点: 1.在工程压力作用下（100kpa-200kpa),土的体积缩小,是由于孔隙 体积减少而引起的 2.对于饱和土,土的压缩过程,是孔隙中的水在外力作用下排出,土 粒发生位移,相互挤密的过程 3.土的压缩,是一个缓慢的过程 渗透固结：在外力作用下，孔隙水随时间的迁移而逐步排出，同时 孔隙体积也随之缩小的过程,二.室内压缩试验及指标 (一)室内压缩试验 试验目的:了解土的孔隙比随压力变化的规律,评定土的压缩性大小 试验方法:侧限压缩试验 试验结果:任一压力pi下的孔隙比ei之间的关系,(二)压缩曲线及有关指标 1.压缩曲线(e-p曲线) 2.压缩系数 用曲线上某点的斜率来表示压缩性大小 a:压缩系数,MPa-1 压缩系数越大,压缩性越高.取压力 100kpa-200kpa对应的压缩系数a1-2作为 评价土的压缩性大小的指标 a1-20.1Mpa-1 低压缩性土 0.1Mpa-1a1-20.5Mpa-1 中压缩性土 a1-20.5Mpa-1 高压缩性土,2.压缩模量 压缩模量(Es):土在完全侧限的条件下,竖向应力增量与相应的应变 增量之比 Es不是常数,它随压力大小而变化 3.压缩指数 压缩指数(Cc):压缩曲线直线段斜率 Cc0.2 低压缩性土 0.4Cc0.2 中压缩性土 Cc0.4 高压缩性土,三.土的回弹曲线及弹性模量 采用室内无侧限压缩试验和室内三轴压缩试验，得到土的回弹 曲线.土的弹性模量为弹性变形阶段，土的应力与相应的应变增量 之比,四.现场载荷试验 (一）试验方法 通过承载板对地基土施加压力和测定承载板的沉降,得到压力和 沉降的关系曲线(p-s曲线),根据弹性理论公式反算土的变形模量,Pr:比例界限荷载（临塑荷载） P1/4:临界荷载 Pu:极限荷载,（二）土的变形模量(Eo) :泊松比，见p75表4.1 :沉降影响系数,刚性方形承压板取0.88,圆形承压板取0.79 s:p-s曲线直线段上任一点沉降量,如无直线段,对中高压缩性土,取 0.02b,对砂土和低压缩性土,取(0.01-0.015)b P: p-s曲线上对应于沉降s的压力值 （三）土的变形模量与压缩模量的关系 E0=Es ：取值见p75表4.1,2 地基最终沉降量计算 沉降：在建筑物荷载作用下，基底地基土主要由于压缩而引起的竖 直方向的位移。通常指基础底面的沉降 最终沉降：地基土达到完全固结时的沉降量 一.分层总和法 (一)基本假设 1.取基底中心点下地基附加应力来计算各土层的竖向压缩量,认为 基础的平均沉降量为各分层土竖向压缩量之和,即 2.计算各分层沉降量si时,假设地基土只有竖向发生压缩变形,没 有侧向变形,故可用室内侧限压缩试验成果进行计算,(二)计算原理 取基底中心点下截面积为A的小土柱进行分析,第i层土柱所受力为: 1.自重应力p1i,稳定后的孔隙比e1i 2.施加荷载后,总应力p2i为自重应力叠加附加应力pi, 即： p2i= p1i+pi 稳定后的孔隙比为e2i 这时第i层土柱在压力从p1i增大到p2i 时的压缩量si为： (三)计算步骤 1.地基土分层 由于成层土的压缩性不同,故成层土 的层面,地下水面是分层界面,在均质 土层中,分层厚度一般不宜大于0.4b或1-2m,2.计算各分层界面处土的自重应力,各层的平均自重应力 3.计算各分层界面处基底中心下竖向附加应力,各层平均附加应力 p2i= p1i+ pi 4.确定地基沉降计算深度Zn(应力比法) 一般取z0.2cz 深度处作为计算深度的限值.当Zn下部的土层 压缩性大于上部，则取z0.1cz 深度处 5.计算各层的压缩量si 6.计算总的沉降量s,二建筑地基基础设计规范方法 (一)计算方法 该方法是一种简化的分层总和法.这种方法按天然土层来分层, 并且在每一土层中取平均压缩模量和平均附加应力系数进行计算 令Ai=(ipo)zi,则 s= i:平均竖向附加应力系数,是l/b和z/b的函数.均布矩形荷载角点 下的i见p83表4.5,(二)确定沉降计算深度zn(变形比法) sn:自试算深度往上z厚度范围的压缩量. z取值见p84表4.6 (三)沉降计算经验系数s 为了提高计算准确度,计算得到的沉降量s需进行修正: s:根据地区沉降观测资料及经验确定,或查表p82表4.4,例题:柱荷载F=1190kn,基础埋深d=1.5m,基础底面尺寸Lb=42m2, 地基土层如图示,试用应力面积法计算粉质粘土层的沉降量 解:1)求基底附加压力po G=rGAd=20421.5=240 kpa po=p-rod=179-19.51.5=150kpa 2)粉质粘土层的最总沉降量,三.弹性力学方法 (一)点荷载作用下地表的沉降 r:p作用点与地表沉降点距离 E:估算瞬时沉降,采用弹性模量;估算最终沉降,采用变形模量 :泊松比 (二)绝对柔性基础沉降 对于柔性基础,基底附加压力与作用于基础上的荷载分布完全一 致,因此,对于作用在一定面积上的荷载引起的基础底面沉降s(x,y), 可以把荷载分布面积划分为若干个微单元,微单元上作用的荷载视 为点荷载,则整个面积上荷载引起的沉降s(x,y),可以通过各点荷载 作用下地表沉降的解进行叠加或积分求的,1.矩形面积上作用均布荷载时,地基沉降计算 (1)矩形面积上作用均布荷载时,角点沉降sc (2)矩形面积上作用均布荷载时,基础中点下的沉降so (3)矩形面积上作用均布荷载时,基底面积A范围内各点沉降的平均 值sm c(o,m):角点(中点,平均)沉降影响系数,是l/b的函数,见p86表4.8 2.圆形面积上作用均布荷载时,基础下的沉降 可得到基础圆心点,周边点和基底平均沉降,(三)绝对刚性基础沉降 基础变形特点:基底保持平面 基底附加压力分布:基底附加压力的合力应等于上部结构传至基础 的荷载,即: 1.中心荷载作用下,地基各点的沉降相等 (1)圆形基础,基础沉降 (2)矩形基础,基础沉降,2.偏心荷载作用下,基础产生沉降和倾斜 基础形心处的沉降（即平均沉降）按上式计算，则基础倾斜角为： (1)圆形基础 (2)矩形基础 :基础倾斜角 F:基底竖向偏心荷载合力 e:偏心矩 b:偏心方向的矩形基底边长 或圆形基底直径 K:矩形基础倾斜系数,见图 四.最终沉降量计算方法讨论,3 地基变形与时间的关系 一.饱和土的渗透固结 饱和土的有效应力原理: =+ 总应力（）:外荷载产生的应力 有效应力（）:作用于土的固相颗粒上的应力 孔隙水压力（）:作用于土孔隙水上的应力 饱和土的渗透固结 1.t=0时,= 外荷载施加瞬间,外荷载完全由孔隙水承担,此时,只有形状改变 2.t=t1时, =+ 在孔隙水压力作用下,孔隙水被逐渐排出,孔隙水压力逐渐消散,有 效应力逐渐增大,土颗粒在有效应力作用下,逐渐位移,孔隙被压密 3.t=时, = 当水不受孔隙水压力作用时,外荷载完全由土颗粒承担,此时,达 到最大压缩变形量,二.太沙基一维固结理论 (一)基本假定 1.土中水的渗流只沿竖向发生,而且渗流服从达西定律,渗透系数k 为常数 2.土的压缩变形仅是孔隙体积减少的结果 3.土是完全饱和的,土的体积压缩量同孔隙中排出的水量相等,(二)建立固结微分方程 Cv:土的竖向固结系数,单位 mm2/s或m2/y (三)求解固结微分方程 初始条件:开始固结时附加应力的分布情况 边界条件:可压缩土层顶底面透水、隔水性能 1.土层单面排水,起始孔隙水压力沿深度为线性分布,Tv:时间因素 2.土层双面排水,起始孔隙水压力沿深度为线性分布 (四)固结度 1.固结度(Ut):地基在任意时间t的沉降量st与最终沉降量s的比值 2.固结度计算 起始孔隙水压力沿深度线性分布情况下,对于:,(1)单面排水 (2)双面排水 3.固结度应用 已知固结度大小,可作-Ut-Tv之间的关系曲线图(或表格),见 P94图4.30,通过相互关系,可进行: (1)计算任意时刻t的沉降量st (2)计算达到一定沉降量st时,所需要的时间t,三.饱和粘性土地基沉降的三个阶段 饱和粘性土地基最终沉降量从理论上分析,可由三部分组成 S=Sd+Sc+Ss (一)瞬时沉降Sd 在施加荷载后瞬时发生的.在很短时间内,孔隙水来不及排出,此 时,没有体积变化,只有形状变形,表现为剪应变引起的地基土侧向 挤出 在分层总和法和规范法中,没有考虑这部分变形;弹性理论公式 法,可以计算这部分变形 (二)固结沉降Sc 为孔隙水排出,体积缩小发生的体积变形,是粘性土地基沉降的 最主要组成部分 (三)次固结沉降Ss 为孔隙水压力消散后,在有效应力基