地基土的变形.ppt

地基土的变形 基本内容 这是本课程的重点 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 掌握地基最终沉降量计算方法 熟悉不同应力历史条件的沉降计算方法 掌握太沙基一维固结理论 掌握地基沉降随时间变化规律 规范 法 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 平均附加应力系数的物理意义 分层总和法中地基附加应力按均质地基计算 即地基土的压缩模量Es不随深度而变化 从基底至地基任意深度z范围内的压缩量为 附加应力面积 式中 深度z范围内的竖向平均附加应力系数 基础最终沉降量计算 1 成层地基中第i分层的沉降量的计算公式 地基最终沉降量计算公式 地基沉降计算深度zn 建筑地基基础设计规范 规定zn应满足下列条件 包括考虑相邻荷载的影响 由计算深度向上取厚度为Dz的土层压缩量无相邻荷载影响 基础中点的地基沉降计算深度也可按下列经验公式计算 沉降计算经验系数 见教材p52表3 3 规范p28表5 3 5 基础最终沉降量计算 2 见图 或沉降计算公式推导式中 A 作用于土层厚度范围内的附加应力面积 p 作用于土层厚度范围内的平均附加应力 采用上式时 由附加应力面积A求沉降 该法又称规范法 基础最终沉降量计算 3 体积压缩系数 基础最终沉降量计算 4 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 地基沉降的分层总和法的基本用意是为了解决地基的成层性和非均质性所带来的计算上的困难 分层总和法以均质弹性半空间的应力来计算非均质地基的变形的做法 在理论上显然不协调 其所引起的计算误差也还没有得到理论和实验的充分验证 分层总和法最为适用于土体的单向压缩变形计算 因为K0条件下的土体只有体积变形 所以计算所得的是地基最终固结沉降 通常粗略地把单向压缩分层总和法的计算结果看成是地基最终沉降 而不考虑地基瞬时沉降 传统的和规范推荐的两种单向压缩分层总和法 就计算方法而言并无太大差别 规范法的重要特点引入了沉降计算经验系数 以校正计算值与实测值的偏差 地基沉降计算深度用于确定地基沉降有影响的土层范围 保证满足沉降计算的精度要求 基础最终沉降量计算 5 特殊情况 薄压缩层地基当基础底面以下可压缩土层的厚度小于或等于基底宽度的1 2时 图 由于基底摩阻力和岩层层面摩阻力对可压缩土层的约束作用 基底中心点下的附加应力几乎不扩散 即 土层压缩时只有竖向变形而侧向变形很小 故根据侧限压缩条件 地基的最终变形为 基础最终沉降量计算 6 地基附加应力 基底附加压力 地下水位下降地下水位长时间下降会导致土的自重应力增大 新增加的这部分自重应力可视为附加应力 在原水位与新水位之间 呈三角形分布 在新水位以下 为一常量 在此作用下 地基将产生新的压缩变形 可用下式计算原地下水位下某一土层的压缩量 或在各土层的压缩量求出后 求其总和即为地面的下沉量 基础最终沉降量计算 7 大面积地面堆载最常见的地面堆载形式是大面积地面填土 设填土厚度为h 重度为g 则作用于天然地面上的堆土荷载为p0 gh 在天然地面以下 堆土荷载产生附加应力sz p0 在填土层本身 sz呈三角形分布 由sz所产生的地基变形可按下式计算 但必须注意 计算自重应力时应从天然地面起算 基础最终沉降量计算 7 地基瞬时沉降和次固结沉降地基沉降的组成在荷载作用下 地基土体发生变形 地面产生沉降 按土体变形机理总沉降s可以分成三部分 初始沉降sd 固结沉降sc和次固结沉降ss 可用下式表示 s sd sc ss 初始沉降 瞬时沉降 sd地基加载后瞬时发生的沉降 在靠近基础边缘应力集中部位 地基中会有剪应变产生 对于饱和或接近饱和的粘性土 加载瞬间土中水来不及排出 在不排水和恒体积状况下 剪应变引起的侧向变形 从而造成瞬时沉降 固结沉降sc饱和与接近饱和的粘性土在荷载作用下 随着超静孔隙水压力的消散 土中孔隙水的排出 土骨架产生变形所造成的沉降 固结压密 固结沉降速率取决于孔隙水的排出速率 次固结沉降ss主固结过程 超静孔隙水压力消散过程结束后 在有效应力不变的情况下 土的骨架仍随时间继续发生变形 这种变形的速率已与孔隙水排出的 粘性土地基的变形特征 1 速率无关 土的体积变化速率 而是取决于土骨架本身的蠕变性质 次固结沉降既包括剪应变 也包括体积变化 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 以便预留建筑物净空 选择连接方法和施工顺序 粘性土地基的变形特征 2 几个概念 应力历史是土体在历史上曾经受到过的应力状态 固结应力是指能够使土体产生固结或压缩的应力 前期固结应力pc 土在应力历史上 固结过程中 所受到的最大有效应力 超固结比OCR 前期固结应力与现有的自重应力之比 即OCR pc p1 就地基土而言 能够使土体产生固结或压缩的应力主要有两种 土的自重应力 外荷在地基内部引起的附加应力 应力历史 1 沉积土层分类 正常固结土 OCR 1 土层历史上经受的最大压力为现有覆盖土的自重应力 超固结土 OCR 1 OCR愈大 土受到超固结作用愈强 其它条件相同 压缩性愈低 欠固结土 OCR 1 土在自重作用下还没有完全固结 土的固结应力末全部转化为有效应力 即尚有一部分由孔隙水所承担 即pc p1 如人工填土或新近沉积粘性土 欠固结土在自重作用下引起地面沉降 应力历史对地基沉降的影响在a b c 后图 三个土层现有地面以下同一深度z处 土的现有应力虽然相同 但是由于它们经历的应力历史不同 因而在压缩曲线上处于不同的位置 应力历史 2 应力历史 3 正常固结 超固结 欠固结这三种状态不是固定不变的 随着外界条件的变化可以从一种状态转化成另一种状态 此外 当地下水位发生前所来有的下降后 也会使土处于欠固结状态 对于正常固结土 它在沉积过程中巳从e0开始在自重应力作用下沿现场压缩曲线至a点固结稳定 对于超固结土 它曾在自重应力作用下沿现场压缩曲线至b点 后因上部土层冲蚀 现巳回弹稳定在b 点 对于欠固结土 由于在自重应力作用下还未完全固结 目前它处于现场压缩曲线上的c点 若对三种土再施加相同的固结应力 p 那么 正常固结和欠固结土将分别由a和c点沿现场压缩曲线至d点固结稳定 而超固结土 则由b 点沿现场再压缩曲线至d点固结稳定 显然 三者的压缩量是不同的 其中欠固结土最大 超固结土最小 而正常固结土居中 应力历史 4 前期固结压力的确定 Casagrande 1936 确定先期固结压力步骤 1 从e lgp曲线上找出曲率半径最小的点A 过A点作水平线A1和切线A2 2 作 lA2的平分线A3 与e lgp曲线中直线段的延长线相交于B点 3 B点所对应的有效应力就是先期固结压力pc 注意采用这种经验作图法 对取土质量要求较高 绘制e lgp曲线时要选用适当的比例尺 否则 有时很难找到一个突变的A点 因此 结果可能不可靠 另外还有CC法和S法 感兴趣的同学可以在一些土力学方面书籍中找到 应力历史 5 卡萨格兰德作图法 C法 试样的前期固结压力一旦确定 就可通过它与试样现有自重应力pl的比较 来判定它是正常固结的 超固结的 还是欠固结的 然后 再依据室内压缩曲线的特征 来推求现场压缩曲线 现场压缩曲线是指室内压缩试验e lgp曲线经修正后得出的符合原始土体孔隙比与有效应力的关系曲线 若pc p1 则试样是正常固结的 它的原始压缩曲线推求 假定取样过程中试样体积不变 即试样的初始孔隙比e0就是它的原位孔隙比 由e0和pc值 在e lgp坐标上定出b点 此即试样在原始压缩的起点 然后从纵轴坐标0 42e0处作一水平线交室内压缩曲线于c点 连接bc即为所求的原始压缩曲线 应力历史 6 若pc p1 则试样是超固结的 由于超固结土由前期固结压力pc减至现有有效应力p1期间曾在原位经历了回弹 因此 当超固结土后来受到外荷引起的附加应力 p时 它开始将沿着原始再压缩曲线压缩 如果 p较大 超过 pc p1 它才会沿原始压缩曲线压缩 超固结土原始压缩曲线推求 1 先作b1点 其横 纵坐标分别为试样现场自重应力p1和现场孔隙比e0 2 过b1点作一直线 其斜率等于室内回弹曲线与再压缩曲线的平均斜率 该直线与通过B点垂线 其横坐标相应于先期固结压力值 交于b点 b1b就作为原始再压缩曲线 其斜率为回弹指数Ce 3 作c点 由室内压缩曲线上孔隙比等0 42e0处确定 4 连接bc直线 即得原始压缩曲线的直线段 取其斜率作为压缩指标Cc 应力历史 7 若pc p1 则试样是欠固结的 由于自重作用下的压缩尚未稳定 实质上属于正常固结土一类 它的现场压缩曲线的推求方法完全与正常固结土一样 应力历史 8 用e lgp曲线法计算地基最终沉降 1 选择沉降计算断面和计算点 确定基底压力 2 将地基分层 3 计算地基中各分层面的自重应力及土层平均自重应力 4 计算地基中各分层面的竖向附加应力及土层平均附加应力 5 用卡萨格兰德的方法 根据室内压缩曲线确定前期固结应力 判定土层是属于正常固结土 超固结土或欠固结土 推求现场压缩曲线 6 对正常固结土 超固结土和欠固结土分别用不同的方法求各分层的压缩量 然后 将各分层的压缩量累加得总沉降量 应力历史 9 考虑应力历史的影响地基沉降计算 正常固结土的沉降计算设图为某地基第i分层由室内压缩试验曲线推得的现场压缩曲线 当第i分层在平均应力增量 即平均附加应力 pi作用下达到完全固结时 其孔隙比的改变量应为 应力历史 10 欠固结土的沉降计算欠固结土的沉降不仅仅包括地基受附加应力所引起沉降 而且还包括地基土在自重作用下尚未固结的那部分沉降 图为欠固结土第i分层的现场压缩曲线 由土的自重应力继续固结引起的孔隙比改变和新增固结应力 即附加应力 所引起的孔比改变之和为 应力历史 11 超固结土的沉降计算对于情况 第i分层的土层在 pi作用下 孔隙比将先沿着现场再压缩曲线减小了 再沿着现场压缩曲线DC减小 如图所示 其中孔隙比的总改变量为 应力历史 12 超固结土的沉降计算对于情况 第i分层的土层在 pi作用下 孔隙比的改变将只沿着现场再压缩曲线减小 如图所示 其改变量为 应力历史 13 例 有一仓库面积为12 5 12 5m 堆荷为100kPa 地基剖面见图a 从粘土层中心部位取样做室内压缩试验得到压缩曲线如图b所示 土样的初始孔隙比e0 0 67 试求仓库中心处的沉降量 砂土压缩量不计 例题 1 解 1 确定沉降计算点及基底压力 沉降计算点为基础中心点 基底压力为 2 分层 砂土层及粘土层下的基岩的沉降量不计 故只需将粘土分层 取 3 计算自重应力并绘分布曲线 粘土层顶面的自重应力为粘土层中心处的自重应力为粘土层底面的自重应力为 例题 2 则两粘土层的平均自重应力分别为90 140kPa 自重应力分布如图a所示 4 求地基中的附加应力并绘分布曲线 该基础属空间问题 求得粘土层中各分层的附加应力szi 并标在图a上 由此得Dp1 67kPa Dp2 44kPa 5 确定前期固结应力 推求现场压缩曲线 画出室内压缩曲线如图b所示 用卡萨格兰德的方法得到粘土层的前期固结压力pc 115kPa 步骤 3 中已求得粘土层中心处的自重应力p0 115kPa 可见pc p0 所以该粘土层为正常固结土 由e0与前期固结应力得交点D D点即为现场压缩曲线的起点 再由0 42e0 0 28 在室内压缩曲线上得交点C 作D点和C点的连线 即为要求的现场压缩曲线 如图b所示 从压缩曲线上可读得C点的横坐标为630kPa 所以现场压缩指数为 例题 3 6 计算沉降量一般说来 对不同分层 如果土质相同 则取Cci相等 如果