土力学土的压缩性与地基沉降计算PPT课件.ppt

第四章土的压缩性与地基沉降计算 基本内容在学习土的压缩性指标确定方法的基础上 掌握地基最终沉降量计算原理和地基固结问题的分析计算方法 学习要求 掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法 重点掌握地基最终沉降量计算方法 掌握固结理论及地基沉降与时间的关系 1 一 概述 如果在地基上修建建筑物 地基土内各点不仅要承受土体本身的自重应力 而且要承担由建筑物通过基础传递给地基的荷载产生的附加应力作用 这都将导致地基土体的变形 土体变形可分为 体积变形和形状变形 本章只讨论由正应力引起的体积变形 即由于外荷载导致地基内正应力增加 使得土体体积缩小 在附加应力作用下 地基土将产生体积缩小 从而引起建筑物基础的竖直方向的位移 或下沉 称为沉降 为什么研究沉降 基础的沉降量或者各部位的沉降差过大 那么将影响上部建筑物的正常使用 甚至会危及建筑物的安全 2 地基土层发生变形的主要因素 内因 土具有压缩性 外因 主要是建筑物荷载的作用 建筑物荷载作用 这是普遍存在的因素 地下水位大幅度下降 施工影响 基槽持力层土的结构扰动 振动影响 产生震沉 浸水下沉 如黄土湿陷 填土下沉 土体压缩性 土在压力 附加应力或自重应力 作用下体积缩小的特性 通常 均认为土体压缩完全是由于土中孔隙体积减小的结果 土的固结 土体在压力作用下其压缩量随时间增长的过程 3 沉降值的大小取决于地基土的压缩实质 4 土的压缩性主要有两个特点 土的压缩性主要是由于孔隙体积减少而引起的 由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘土来说需要时间 将土的压缩随时间增长的过程称为土的固结 在建筑物荷载作用下 地基土主要由于压缩而引起的竖直方向的位移称为沉降 研究建筑物沉降包含两方面的内容 绝对沉降量的大小 亦即最终沉降 沉降与时间的关系 主要介绍太沙基的一维固结理论 5 二 土的压缩性 土的压缩试验与压缩性指标土体的变形计算 需要取得土的压缩性指标 可以通过室内侧限压缩试验和现场原位试验得到 室内压缩试验亦称固结试验 是研究土压缩性最基本的方法 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 并绘制成P S曲线 即获得地基土载荷试验的结果 反映土的压缩性的指标主要有压缩系数 压缩模量 压缩指数和变形模量 体积压缩系数 土的压缩性的高低 常用压缩性指标定量表示 压缩性指标 通常由工程地质勘察取天然结构的原状土样进行 6 侧限压缩试验侧限压缩试验亦称固结试验 所谓侧限 就是使土样在竖向压力作用下只能发生竖向变形 而无侧向变形 室内压缩试验采用的试验装置为压缩仪 下图 试验时将切有土样的环刀置于刚性护环中 由于金属环刀及刚性护环的限制 使得土样在竖向压力作用下只能发生竖向变形 而无侧向变形 在土样上下放置的透水石是土样受压后排出孔隙水的两个界面 压缩过程中竖向压力通过刚性板施加给土样 土样产生的压缩量可通过百分表量测 常规压缩试验通过逐级加荷进行试验 常用的分级加荷量p为 100 200 300 400kPa 土的压缩是由于孔隙体积减小 所以土的变形常用孔隙比e表示 7 单向固结试验或侧限固结试验 8 单向固结试验或侧限固结试验 9 土的压缩变形常用孔隙比e的变化来表示 根据固结试验的结果可建立压力p与相应的稳定孔隙比的关系曲线 称为土的压缩曲线 压缩曲线可以按两种方式绘制 一种是按普通直角坐标绘制的e p曲线 常用 另一种是用半对数直角坐标绘制的e lgp曲线 10 要绘制e p曲线 就必须求出各级压力作用下的孔隙比 e 如何求e 看示意图 设试样的初始高度为H0 S为某级压力下土样高度变化 用百分表量测 cm 设土粒体积为VS 1 不变 压缩稳定后的孔隙体积为Vv1 根据土的孔隙比的定义 则受压前后土的孔隙体积分别为e0和ei Vv e0 Vv ei Vs 1 Vs 1 11 e p曲线确定压缩系数 依侧限压缩试验原理可知 土样压缩前后试样截面积A不变 土粒体积不变 即VS0 VS1 则有 4 2 12 常规试验中 一般按P 100kPa 200kPa 300kPa 400kPa四级加荷 测定各级压力下的稳定变形量S 然后由式 4 1 计算相应的孔隙比e 13 压缩指标反映土的压缩性的指标主要有压缩系数 压缩指数 压缩模量和变形模量 体积压缩系数 压缩系数 曲线上任意两点割线的斜率 可表示为 式中 负号表示随着压力P的增加 e逐渐减少 压缩性不同的土 其压缩曲线的形状是不一样的 曲线愈陡 说明随着压力的增加 土孔隙比的减小愈显著 因而土的压缩性愈高 工程上 自重应力P1增加到外荷作用土中应力P2 自重与附加应力之和 14 为了便于应用和比较 通常采用压力由P1 100kPa增加到P2 200kPa时所得的压缩系数a1 2来评定土的压缩性 工程中 为减少土的孔隙比 从而达到加固土体的目的 常采用砂桩挤密 重锤夯实 灌浆加固等方法 a1 2 0 1MPa 1时 低压缩性土0 1 a1 2 0 5MPa 1时 中压缩性土a1 2 0 5MPa 1时 高压缩性土 Cc 0 2时 低压缩性土Cc 0 4时 高压缩性土 15 压缩模量 土体在完全侧限的条件下 竖向应力增量与竖向应变增量的比值 Es 15MPa时 低压缩性土15 Es 4MPa时 中压缩性土Es 4MPa时 高压缩性土 16 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 将上述试验得到的各级荷载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 1 承压板2 千斤顶3 百分表4 平台5 支墩6 堆载地基土现场载荷试验图 17 三 基础最终沉降量计算 定义地基土层在建筑物荷载作用下 不断产生压缩 直至压缩稳定后地基表面的沉降量称为地基的最终沉降量 原因其外因主要是建筑物荷载在地基中产生附加应力 内因是土的碎散性 孔隙发生压缩变形 引起地基沉降 目的判断地基变形值是否超出允许的范围 以便在建筑物设计时 采取相应的工程措施 保证建筑物的正常使用 方法有关地基沉降量的方法很多 工业与民用建筑中常见的有分层总和法和 规范 法 还有弹性理论法和数值计算法 18 一 分层总和法 工程上计算地基的沉降时 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 这种方法称为分层总和法 基本假设 地基是均质 弹性 地基土不产生侧向变形 以基础中点沉降量代替基础沉降量 分层总和法的基本思路是 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 19 计算步骤1 确定沉降计算深度范围内的分层界面沉降计算分层面可按下述原则确定 第一 不同土层的分界面与地下水位面 第二 每一分层厚度不大于基础宽度的0 4倍 2 计算各分层界面处土的自重应力 计算各分层界面处基底中心下竖向附加应力 20 3 确定地基沉降计算深度 1 一般取附加应力与自重应力的比值为20 处 即处的深度作为沉降计算深度的下限 2 若在该深度以下为高压缩性土 软土 则应取附加应力与自重应力的比值为10 处 3 在沉降计算深度范围内存在基岩时 zn可取至基岩表面为止 一般土 软土 21 4 计算各分层沉降量Si5 最终变形量 查e p曲线 讨论 分层越细越准确吗 22 例4 1 某厂房柱下单独方形基础 已知基础底面积尺寸为4m 4m 埋深d 1 0m 地基为粉质粘土 地下水位距天然地面3 4m 上部荷重传至基础顶面F 1440kN 土的天然重度 16 0kN m 饱和重度 sat 18 2kN m 试分别用分层总和法计算基础最终沉降 已知fak 94kPa 23 实用计算步骤 分层 计算每一层的自重应力和附加应力 确定计算深度 计算每一层的平均自重应力 和平均附加应力 令 e2i 24 例题2 有一矩形基础放置在均质粘土层上 如图所示 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F 10000kN 地基土的重度为20kN m3 饱和重度21kN m3 土的压缩曲线如图 b 所示 若地下水位距基底2 5m 试求基础中心点的沉降量 25 解 1 由L B 10 5 2 10可知 属于空间问题 且为中心荷载 所以基底压力为基底净压力为 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2 5m 3 求各分层面的自重应力 注意 从地面算起 并绘分布曲线见图 a 26 4 求各分层面的竖向附加应力并绘分布曲线见图 a 该基础为矩形 属空间问题 故应用 角点法 求解 为此 通过中心点将基底划分为四块相等的计算面积 每块的长度L1 5m 宽度B1 2 5m 中心点正好在四块计算面积的公共角点上 该点下任意深度zi处的附加应力为任一分块在该点引起的附加应力的4倍 计算结果如下表所示 27 5 确定压缩层厚度 从计算结果可知 在第4点处有 z4 c4 0 195 0 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 各分层的平均自重应力和平均附加应力计算结果见下表 7 由图 b 根据p1i si和p2i si zi分别查取初始孔隙比和压缩稳定后的孔隙比 结果列于下表 28 8 计算地基的沉降量 分别计算各分层的沉降量 然后累加即得 29 对大量建筑物进行沉降观测 并与分层总和法计算相对比发现 中等强度地基 计算沉降量与实测沉降量相接近 软弱地基 计算沉降量小于实测沉降量 最多可相差40 坚实地基 计算沉降量远大于实测沉降量 最多竞相差5倍 建筑地基基础设计规范 所推荐的地基最终沉降量计算方法是另一种形式的分层总和法 它也采用侧限条件的压缩性指标 并运用了平均附加应力系数计算 还规定了地基沉降计算深度的标准以及提出了地基的沉降计算经验系数 使得计算成果接近于实测值 二 地基规范法 应力面积法 30 应力面积法一般按地基土的天然分层面划分计算土层 引入土层平均附加应力的概念 通过平均附加应力系数 将基底中心以下地基中zi 1 zi深度范围的附加应力按等面积原则化为相同深度范围内矩形分布时的分布应力大小 再按矩形分布应力情况计算土层的压缩量 各土层压缩量的总和即为地基的计算沉降量 31 为平均附加应力系数 查表 为从基底算至所求土层i的底面 顶面 1 基本计算公式的推导 32 即为基底中心点以下0 zi深度范围附加应力面积Ai 即为基底中心点以下0 zi 1深度范围附加应力面积Ai 1 33 2 地基受压层计算深度的确定计算深度Zn可按下述方法确定 1 对无相邻荷载的独立基础 基础宽度在1 30m范围内时 可按下列简化的经验公式确定沉降计算深度Zn 在计算深度范围内存在基岩时 取至基岩表面 当存在较厚的坚硬粘性土层 其孔隙比小于0 5 压缩模量大于50MPa 或存在较厚的密实砂卵石层 其压缩模量大于80MPa Zn可取至该层土表面 34 2 考虑相邻荷载的影响应满足下式要求 式中 sn 在深度zn处 向上取计算厚度为 z的计算变形值 z查P102表4 7 si 在深度zn范围内 第i层土的计算变形量 如确定的沉降计算深度下部仍有较软弱土层时 应继续往下计算 同样也应满足上式 35 3 沉降计算经验系数 s 规范 推荐的沉降计算公式 式中 s 沉降计算经验系数 应根据同类地区已有房屋和构筑物实测最终沉降量与计算沉降量对比确定 查书99表4 5 4 32 36 平均压缩模量的计算 37 比较 规范法 与 分层总和法 规范法采用了精确的 应力面积 的概念 因而可以划分较少的层数 一般可以按地基土的天然层面划分 使得计算工作得以简化 地基沉降计算深度的确定方法较分层总和法合理 提出了沉降计算经验系数 它综合反映了许多因素的影响 实质上是一种简化并经修正的分层总和法 38 例题3 由图 20所示的基础尺寸为2 5m 2 5m 柱轴向力设计值 562 5k 基础自重和覆土标准值G 250k 基础埋深d 2m 试用 规范法 计算地基的最终沉降量 39 解 基底附加压力 注意 设计值转化为标准值 确定沉降计算深度 计算各土层沉降量 确定沉降经验系数 计算最终沉降量作业 P134第5题 40 2019 12 28 41 正常固结土 超固结土 欠固结土的概念正常固结土在现有自重压力下完全固结 即现有自重压力等于先期固结压力的土 a图 超固结土是先期固结压力大于现有自重压力的土 Pc Po 说明土在历史上曾受过比现有自重压力大的固结压力 b图 欠固结土是在现有自重压力作用下尚未完全固结的土 c图 42 43 四 地基沉降与时间的关系 为了建筑物的安全与正常使用 对于一些重要或特殊的建筑物应在工程实践和分析研究中掌握沉降与时间关系的规律性 这是因为较快的沉降速率对于建筑物有较大的危害 例如 在第四纪一般粘性土地区 一般的四 五层以上的民用建筑物的允许沉降仅10cm左右 沉降超过此值就容易产生裂缝 而沿海软土地区 沉降的固结过程很慢 建筑物能够适应于地基的变形 因此 类似建筑物的允许沉降量可达20cm甚至更大 44 碎石土和砂土的压缩性小而渗透性大 在受荷后固结稳定所需的时间很短 可以认为在外荷载施加完毕时 其固结变形就已经基本完成 饱和粘性土与粉土地基在建筑物荷载作用下需要经过相当长时间才能达到最终沉降 例如厚的饱和软粘土层 其固结变形需要几年甚至几十年才能完成 因此 工程中一般只考虑粘性土和粉土的变形与时间的关系 45 了解地基沉降与时间的关系 以便安排施工顺序 控制施工速度及采取必要的建筑措施 以消除沉降可能带来的不利后果 要熟悉地基沉降与时间的关系 就须先了解有效应力原理和饱和土体渗透固结理论 46 建筑地基基础设计规范 建议一般多层建筑物在施工期间完成的最终沉降量 砂土 80 低压缩性土 50 80 中压缩性土 20 50 高压缩性土 5 20 47 在设计时不仅需计算基础的最终沉降 有时还需知道地基沉降与时间的关系 一 饱和土的渗流固结1 饱和土体受荷产生的渗流固结过程可概括为 1 土体空隙中自由水逐渐排出 2 土骨架受力被压缩 土体孔隙体积逐渐减小 3 由孔隙水承担的压力u 逐渐转移到土骨架上 成为有效应力 饱和土体的渗流固结过程是排水 压缩和压力转移 三者同时进行的过程 48 2 有效应力原理 u 用太沙基渗透固结模型很能说明问题 当t 0时 u 0当t 0时 u 0当t 时 u 0结论 u 饱和土的渗透固结过程就是孔隙水压力向有效力应力转化的过程 在渗透固结过程中 伴随着孔隙水压力逐渐消散 有效应力在逐渐增长 土的体积也就逐渐减小 强度随着提高 土的变形只取决于有效应力 49 五 砂土振动液化问题 1 砂土液化 是指饱和砂土或粉土在地震力作用下 砂土或粉土在受到强烈振动后 土粒处于悬浮状态 致使土体失去强度而造成地基失效的现象 50 2 砂土液化的形成机制砂土受振动时 每个颗粒都受到其值等于振动加速度与颗粒质量乘积的惯性力的反复作用 由于颗粒间没有内聚力或内聚力很小 在惯性力周期性反复作用下 各颗粒就都处于运动状态 它们之间必然产生相互错动并调整其相互位置 以便降低其总势能最终达到最稳定状态 如振动前砂体处于紧密排列状态 经震动后砂粒的排列和砂体的孔隙度不会有很大变化 如振动前砂土处于疏松排列状态 则每个颗粒都具有比紧密排列高得多的势能 在振动加速度的反复荷载作用下 必然逐步加密 以期最终成为最稳定的紧密状态 51 如果砂土位于地下水位以下的饱水带 此时要变密就必须排水 如砂的渗透性不良 排水不通畅 则前一周期的排水尚未完成 下一周期的孔隙度再减小又产生了 应排除的水不能排出 而水又是不可压缩的 所以孔隙水必然承受由孔隙度减小而产生的挤压力 于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力 前一个周期的剩余孔隙水压尚未消散 下一周期产生的新的剩余孔隙水压力又迭加上来 故随振动持续时间的增长 剩余孔隙水压会不断累积而增大 当达到总应力值时 有效正应力下降到0 颗粒悬浮在水中 砂土体即发生振动液化 完全丧失强度和承载能力 52 砂土发生液化后 在超孔隙水压力作用下 孔隙水自下向上运动 如果砂土层上部无渗透性更弱的盖层 地下水即大面积地漫溢于地表 如果砂土层上有渗透性更弱的粘性土覆盖 当超孔隙水压力超过盖层强度 则地下水携带砂粒冲破盖层或沿盖层已有裂缝喷出地表 即产生所谓的 喷水冒砂 现象 地基砂土液化可导致建筑物大量沉陷或不均匀沉陷 甚至倾倒 造成极大危害 地震 爆破 机械振动等均能引起砂土液化 其中尤以地震为广 危害最大 53 3 影响砂土液化的主要因素饱和砂土或粉土液化除了地震的振动特性外 还取决于土的自身状态 1 饱和的粉土和粉砂 即要有水 且无良好的排水条件 2 土要足够松散 即砂土或粉土的密实度不好 3 土承受的静载大小 主要取决于可液化土层的埋深大小 埋深大 土层所受正压力加大 有利于提高抗液化能力 此外 土颗粒大小 土中粘粒含量的大小 级配情况等也影响到土的抗液化能力 在地震区 一般应避免用未经加固处理的可液化土层作天然地基的持力层 54 4 防止砂土液化的处理方法1 挖换挖去上部已液化土层 并用非液化土回填防止下部砂层的液化破坏 当液化土层较浅时 可考虑全部挖除 液化土层较深时 可考虑部分挖去 2 加密通过增加砂土的相对密实度以降低其液化 是一种被广泛采用的方法 对于饱和砂土的加密常采用直接振密法 碎石桩法 砂石桩法 爆炸振密法 强夯法等 3 排水利用排水使砂土地基含水量下降 地震时土体超孔隙水压力的累积受到限制 降低其液化势 目前工程界有两种排水方法 降低地下水位法 砾石排水桩法 55 4 上覆压重利用在土体上覆加压时不易液化的特点 通常在砂土地基表面覆盖一层由非液化土组成的压重盖层 来抑制其下土体的液化 5 围封用板桩 砾石桩 地下连续墙等手段将结构物地基四周包围起来 限制砂土液化时发生侧移 使地基的剪切变形受到约束 避免大的沉陷导致建筑物破坏 使用围封处理措施时 板桩必须有足够的深度 以穿越可液化砂层为宜 否则围封措施起不到应有的作用 如果在采用围封措施的同时再布置一些砾石排水桩 则可大大提高其抗液化效果 56 6 桩基础将桩身穿过液化土层 打入可靠的非液化土层 以桩尖支撑作用和桩体对桩周土的限制来抑制土体液化变形 实际震害调查表明 桩间土仍会发生液化破坏 桩基破坏显著 因此液化场地桩基的破坏过程 地震作用下桩间土液化过程以及桩基加固的设计计算方法等仍是需要研究的课题 57 5 砂土液化的可能性判别液化两步判别 初步判别 标准贯入试验判断凡经初步判别划分为不液化或不考虑液化影响 可不进行第二步判别 1 初步判别当符合下列条件之一时 可初步判别为不液化或不考虑液化影响 地质年代 粘粒含量 符合下列三式之一 58 2 的液化判别方法当地面下20m深度范围土的实测标准贯入锤击数N63 5小于按下式确定的临界值Ncr时 则应判为液化土 否则为不液化土 59 3 地基的液化等级划分 例4 4 60 六 太沙基一维渗流固结理论 1 基本假定 土层是均匀的 完全饱和的 土粒和水是不可压缩的 水的渗出和水的压缩只沿竖向发生 是一维的 土中水的渗流服从达西定律 在渗透固结中 土的渗透系数k和压缩系数a保持不变 外荷一次瞬时施加 61 2 单向固结公式式中 Cv 固结系数 m2 年e 渗透固结前土的孔隙比 rw 水的重度 10kN m3 a 土的压缩系数 kPa 1k 土的渗透系数 m 年 提示 土质相同但厚度不同的土 Cv仍然相同 62 式中Tv 时间因数 H 待固结土层的排水最长距离 m 当土层为单排水时 H等于土层厚度 当土层为上下双面排水时 H为土层厚度的一半 t 固结时间 年 63 3 固结度Ut 地基固结过程中任一时刻t的固结沉降量Sct与其最终固结沉降Sc之比 固结度Ut仅为时间因数Tv的函数 当土的指标k e a和土层厚度H已知时 针对某一具体的排水条件和边界条件 即可求得Ut t关系 64 65 Ut与Tv的关系 Ut与Tv的关系 Ut f Tv 根据 透水面应力 不透水面应力 查119页表4 10 66 三 5种实际情况下地基中应力分布图 情况1 适用于地基土在其自重作用下已固结完成 荷载面积