土的压缩性与地基沉降.ppt

第四章土的压缩性和地基沉降计算 4 1概述 4 2土的压缩性 4 3地基最终沉降量 4 4建筑物沉降观测与地基容许变形 主要内容 土是一种散粒沉积物 具有压缩性 地基土层在建筑物的荷载作用下产生变形 建筑物基础亦随之沉降 尤其是当荷载差异较大 或地基土层软弱不均时 往往导致建筑物基础出现较大的不均匀沉降 以致建筑物某些部位开裂 倾斜 甚至倒塌 为了保证建筑物的安全和正常使用 本章讨论荷载作用下土体的变形 这是土力学的重要问题之一 在地基基础设计中 要求地基土的变形量不超过允许值 4 1概述 分析地基土层发生变形的主要因素 其内固是土具有压缩性 其外因主要是建筑物荷载的作用 因此 为了计算地基沉降 必须研究土的压缩性和上部荷载作用下地基中的应力分布情况 学习本章的目的 是根据地基土层剖面情况 各层土的物理力学性质和上部结构的荷载 计算地基的变形值 并控制它在容许范围之内 工程实例 问题 沉降2 2米 且左右两部分存在明显的沉降差 墨西哥某宫殿 地基 20多米厚的粘土 Kiss 由于沉降相互影响 两栋相邻的建筑物上部接触 基坑开挖 引起阳台裂缝 修建新建筑物 引起原有建筑物开裂 高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除 建筑物立面高差过大 建筑物过长 长高比7 6 1 4 2土的压缩性 土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性 压缩量的组成固体颗粒的压缩土中水的压缩空气的排出水的排出 占总压缩量的1 400不到 忽略不计 压缩量主要组成部分 说明 土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果 透水性好 水易于排出 压缩稳定很快完成 透水性差 水不易排出 压缩稳定需要很长一段时间 土的压缩性大 地基土产生压缩的原因 外因 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 相当于施加大面积荷载 h 施工影响 基槽持力层土的结构扰动 振动影响 产生震沉 温度变化影响 如冬季冰冻 春季融化 浸水下沉 如黄土湿陷 填土下沉 地基土产生压缩的原因 内因土是三相体 土体受外力引起的压缩包括三部分 固相矿物本身压缩 极小 物理学上有意义 对建筑工程来说无意义 土中液相水的压缩 在一般建筑工程荷载 100 600 Kpa作用下 很小 可忽略不计 土中孔隙的压缩 土中水与气体受压后从孔隙中挤出 使土的孔隙减小 土体的压缩变形主要是由于孔隙减小引起的 上述因素中 建筑物荷载作用是主要外因 通过土中孔隙的压缩这一内因发生实际效果 土的透水性强 压缩性低 沉降很快完成 土的透水性弱 压缩性高 达到沉降稳定所需时间十分漫长 土的固结 土体在压力作用下 压缩量随时间增长的过程 饱和土体一维固结理论在荷载作用下 土体中产生超静孔隙水压力 在排水条件下 随着时间发展 土体中水被排出 土体孔隙比减小 超静孔隙水压力逐步消散 土体中有效应力逐步增大 直至超孔隙水压力完全消散 这一过程称为固结 工程设计中 我们不但需要预估建筑物基础可能产生的最终沉降量 而且需要预估建筑物基础达到某一沉降量所需的时间 亦即需要知道沉降与时间的变化过程 目前均以饱和土体一维固结理论为研究基础 一维固结又称单向固结 土体在荷载作用下土中水的渗流和土体的变形仅发生在一个方向的固结问题 严格的一维固结问题只发生在室内有侧限的固结试验中 实际工程中并不存在 然而 当土层厚度比较均匀 其压缩土层厚度相对于均布外荷作用面较小时 可近似为一维固结问题 一维固结力学模型 土体中由孔隙水所传递的压力 有效应力 是指由土骨架所传递的压力 即颗粒间接触应力 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 在任一时刻 有效应力 和孔隙水压力u之和始终等于饱和土体的总应力 饱和土体有效应力原理 孔隙水压力u是指外荷p在土孔隙水中所引起的超静水压力 有效应力原理 饱和土的压缩主要是由于土的外荷作用下孔隙水被挤出 以致孔隙体积减小所引起的饱和土孔隙中自由水的挤出速度 主要取决于土的渗透性和土的厚度渗透固结 与自由水的渗透速度有关的饱和土固结过程 1 整个渗流固结过程中u和 都是在随时间t而不断变化 渗流固结过程的实质就是土中两种不同应力形态的转化过程 2 超静孔隙水压力 是由外荷载引起 超出静水位以上的那部分孔隙水压力 它在固结过程中随时间不断变化 固结完成应等于零 饱和水土层中任意时刻的总孔隙水压力应是静孔隙水压力与超静孔隙水压力之和 3 侧限条件下t 0时 饱和土体的初始超静孔隙水压力u0数值上就等于施加的外荷载强度 总应力 固结的力学机理 有效应力原理 u 地基固结度 地基固结度 地基固结过程中任一时刻t的固结沉降量st与其最终固结沉降量s之比 当t 0时 则 即固结完成0 当固结稳定时 则 即固结基本上达到100 完成 固结度变化范围为0 1 它表示在某一荷载作用下经过t时间后土体所能达到的固结程度 压缩试验 研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法 亦称固结试验 三联固结仪 压缩试验试验室测定土的压缩性的主要装置为固结仪 在这种仪器中进行试验 由于试样不可能产生侧向变形 只有竖向压缩 于是 我们把这种条件下的压缩试验称为单向压缩试验或侧限压缩试验 土的压缩是由于孔隙体积的减小 所以土的变形常用孔隙比 表示 注意 土样在竖直压力作用下 由于环刀和刚性护环的限制 只产生竖向压缩 不产生侧向变形 压缩仪示意图 e p曲线 研究土在不同压力作用下 孔隙比变化规律 Vv e0 Vs 1 Vv e Vs 1 土样在压缩前后变形量为s 整个过程中土粒体积和底面积不变 土粒体积在受压前后不变 整理 根据不同压力p作用下 达到稳定的孔隙比e 绘制e p曲线 为压缩曲线 e0 p e e p曲线 压缩性指标 压缩性不同的土 曲线形状不同 曲线愈陡 说明在相同压力增量作用下 土的孔隙比减少得愈显著 土的压缩性愈高 根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标 1 压缩系数a2 压缩模量Es3 变形模量E0 曲线A压缩性 曲线B压缩性 1 压缩系数a 土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应力增量的比值 p1 p2 e1 e2 M1 M2 e0 e p曲线 p e 利用单位压力增量所引起得孔隙比改变表征土的压缩性高低 在压缩曲线中 实际采用割线斜率表示土的压缩性 规范 用p1 100kPa p2 200kPa对应的压缩系数a1 2评价土的压缩性 a1 2 0 1MPa 1低压缩性土0 1MPa 1 a1 2 0 5MPa 1中压缩性土a1 2 0 5MPa 1高压缩性土 2 压缩模量Es 土在侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值 或称为侧限模量 说明 土的压缩模量Es与土的的压缩系数a成反比 Es愈大 a愈小 土的压缩性愈低 3 变形模量E0 土在无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值 变形模量与压缩模量之间关系 其中 土的泊松比 一般0 0 5之间 土的载荷试验及变形模量 原位测试 原位测试 In SituTesting 在岩土体原有的位置上 在保持岩土的天然结构 天然含水量以及天然应力状态条件下测定岩土性质称为原位测试 土体原位测试 一般指的是在工程地质勘察现场 在不扰动或基本不扰动土层的情况下对土层进行测试 以获得所测土层的物理力学性质指标及划分土层一种土工勘察技术 载荷试验示意图 反压重物 反力梁 千斤顶 基准梁 荷载板 百分表 载荷试验观测标准 每级加载后 按间隔10 10 10 15 15 30分钟读数 当连续2个小时内 每1个小时的沉降量小于0 1mm时 可加下一级荷载 当出现承压板周围土有明显的侧向挤出或发生裂纹时 当沉降s急剧增大时 当某一级荷载24小时不能达到稳定标准时 即可终止加载 此前一级荷载为极限荷载 s b 0 06可终止加载 加荷及观测标准第一条 加荷等级不少于8级 第一级荷载取试验坑底面处的自重应力 其后每级荷载增量 p 对较松软土取10kPa 25kPa 对较密实的土取50kPa 最大加载值pmax不应小于地基承载力设计值的2倍 并应尽量接近预估的地基极限荷载pu 第二条 每加一级荷载后 按时间间隔10min 10min 10min 15min 15min及以后每隔30min读一次沉降 如果连续两个小时内 每小时的沉降量小于0 1mm 则认为变形已经稳定 可施加荷载到下一级 破坏标准达到下列情况之一时 认为土已达到极限状态 即地基土破坏 应终止加载 包括 1 承载板周围的土明显侧向挤出 砂土 或发生裂缝 粘性土和粉土 2 沉降S急剧增大 p s曲线出现陡降阶段 3 在某级荷载下 24h内沉降速率应不能达到稳定标准 4 沉降量s 0 08b b为承压板宽度或直径 4 3地基最终沉降量计算 地基变形在其表面形成的垂直变形量称为建筑物的沉降量 在外荷载作用下地基土层被压缩达到稳定时基础底面的沉降量称为地基最终沉降量 分层总和法规范法 分层总和法 计算建筑物基础中心下的地基变形量 假设这时土层只在垂直方向发生压缩变形 而不发生侧向变形 属于一维压缩问题 因而在求得地基中的垂直应力后 可利用室内压缩试验曲线成果 计算地基变形量 分层总和法就是采用土层一维压缩变形量的基本计算公式 利用室内压缩曲线成果 分别计算基础中心点下地基中各分土层的压缩变形量 最后将各分土层的压缩变形量总和起来 分层总和法 基本假设地基是均质 各向同性的半无限线性变形体 可按弹性理论计算土中应力 在压力作用下 地基土不产生侧向变形 可采用侧限条件下的压缩性指标 采用基底中心点下的附加应力计算地基的变形量 3 定义 先将地基土分为若干土层 各土层厚度分别为h1 h2 h3 hn 计算每层土的压缩量s1 s2 s3 sn 然后累计起来 即为总的地基沉降量s P1 自重应力 P2 自重应力 附加应力 计算原理 计算原理 S 1 1 1 1 1 2 1 n i i s z s z S E H S a E H e a S H e e e S 地基总变形量 的关系 与 根据 根据压缩定律 s s 分层总和法计算步骤 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 ei土的压缩应变 按比例尺绘出地基剖面图和基础剖面图计算基地的附加应力和自重应力 确定地基分层 1 不同土层的分界面与地下水位面为天然层面2 每层厚度hi 0 4b 确定基础沉降计算深度 一般 z 0 2 c 计算并绘出自重应力和附加应力分布图 各分层的分界应标明应力值 计算各分层沉降量 根据自重应力 附加应力曲线 e p压缩曲线计算任一分层沉降量 软土 z 0 1 c 若沉降深度范围内存在基岩时 计算至基岩表面为止 计算基础最终沉降量 计算步骤 地基沉降计算中的有关问题 1 分层总和法在计算中假定不符合实际情况假定地基无侧向变形 计算结果偏小计算采用基础中心点下土的附加应力和沉降 计算结果偏大两者在一定程度上相互抵消误差 但精确误差难以估计 2 分层总和法中附加应力计算应考虑土体在自重作用下的固结程度 未完全固结的土应考虑由于固结引起的沉降量相邻荷载对沉降量有较大的影响 在附加应力计算中应考虑相邻荷载的作用 3 当建筑物基础埋置较深时 应考虑开挖基坑时地基土的回弹 建筑物施工时又产生地基土再压缩的情况 建筑沉降观测与计算结果对比 坚硬地基 分层总和法计算的沉降量比实测值显著偏大软弱地基 计算值比实测值显著偏小原因 分层总和法的假定条件与实际不符取土样与实验环节上的影响没考虑地基基础与上部结构的共同作用 经统计引入沉降计算经验系数 s 规范 推荐法 规范法与传统的分层总和法相同之处 也采用单向压缩条件下的压缩性指标 与传统的分层总和法不同之处 1 不按0 4b分层 基本上每天然土层就当作一层来计算 省去了分层总和法中压缩性指标随深度变化的麻烦 2 采用平均附加应力系数 使烦琐的计算表格化 简单化 3 规定了地基沉降计算深度的标准 考虑了基础大小这一因素 比应力比法更为合理 4 提出了地基的沉降计算经验系数 使得计算结果接近于实测值 规范 法 由 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 提出分层总和法的另一种形式沿用分层总和法的假设 并引入平均附加应力系数和地基沉降计算经验系数 均质地基土 在侧限条件下 压缩模量Es不随深度而变 从基底至深度z的压缩量为 附加应力面积 深度z范围内的附加应力面积 附加应力通式 z Kp0 引入平均附加应力系数 因此附加应力面积表示为 因此 利用附加应力面积A的等代值计算地基任意深度范围内的沉降量 因此第i层沉降量为 根据分层总和法基本原理可得成层地基最终沉降量的基本公式 第n层 第i层 Ai Ai 1 为了提高计算精度 地基沉降量乘以一个沉降计算经验系数ys 可以查有关系数表得到 地基最终沉降量修正公式 zi zi 1 基础底面至第i层土 第i 1层土底面的距离 m 地基沉降计算深度zn应该满足的条件 当确定沉降计算深度下有软弱土层时 尚应向下继续计算 直至软弱土层中所取规定厚度的计算沉降量也满足上式 若计算深度范围内存在基岩 zn可取至基岩表面为止 当无相邻荷载影响 基础宽度在1 30m范围内 基础中点的地基沉降计算深度可以按简化公式计算 计算方法及步骤1 计算基底的附加应力2 将地基土按压缩性分层3 列表计算分层的压缩量4 确定沉降深度5 计算 查表确定经验修正系数6 计算最终沉降量 4 4建筑物沉降观测与地基容许变形值 一 建筑物沉降观测 反映地基的实际变形以及地基变形对建筑物的影响程度根据沉降观测资料验证地基设计方案的正确性 地基事故的处理方式以及检查施工的质量沉降计算值与实测值的比较 判断现行沉降计算方法的准确性 并发展新的更符合实际的沉降计算方法 观测工作主要内容 1 收集资料和编写计划2 水准基点设置3 观测点的设置4 水准测量5 观测资料的整理 1 沉降量 mm 定义 沉降量特指基础中心的沉降量 作用 若沉降量过大 势必影响建筑物的正常使用 单层排架结构柱基 特别是多跨的 考虑有关部分之间的净空连接方法及施工顺序时用沉降量控制 2 沉降差 mm 定义 指同一建筑物中 相邻两个基础沉降量的差值 作用 如建筑物中相邻两个基础的沉降差过大 会使相应的上部结构产生额外应力 超过限度时 建筑物将发生裂缝 倾斜甚至破坏 由于地基软硬不均匀 荷载大小差异 体型复杂等因素 引起地基变形不同 对于框架结构单层排架结构 设计时应由相邻柱基的沉降差控制 3 倾斜 定义 特指独立基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值 以 表示 作用 若建筑物倾斜过大 将影响正常使用 遇台风或强烈地震时危及建筑物整体稳定 甚至倾覆 对于多层或高层建筑和烟囱 水堰水塔 高炉等高耸结构 应以倾斜值作为控制指标 4 局部倾斜 定义 指砖石砌体承重结构 沿纵向6m 10m内基础两点的沉降差与其距离的比值 以 表示 作用 若建筑物的局部倾斜过大 往往使砖石砌体承受弯矩而拉裂 对于砌体承重结构设计 应由局部