3地基土的变形

第三章土的压缩性和地基沉降计算,3.1土的压缩性3.2地基最终沉降量3.3地基沉降观测,主要内容,土具有压缩性,荷载作用,地基发生沉降,荷载大小,土的压缩特性,地基厚度,均匀沉降（沉降量）,不均匀沉降（沉降差）,建筑物上部结构产生附加应力,影响结构物的安全和正常使用,概述,土的特点（碎散、三相）,沉降具有时间效应沉降速率,3.1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(why)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,思考:在砂土地基和软粘土地基中，建造同样的建筑物，施工期和使用期内哪些地基土建筑物的沉降量大？为什么？,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,有效应力的概念：通过土颗粒骨架传递的应力,孔隙水压力的概念：通过孔隙水来传递的压力,一、有效应力原理,有效应力原理,加在饱和土体任意点的总应力，应由土颗粒和孔隙水应力共同承担，即：,当地面以上水深h1发生升降变化时，可以引起土中总应力的变化，但是有效应力不会随水位的升降发生变化，同时土骨架也不会发生变形,研究土在侧向受限，只有竖向产生压缩变形下的压缩性大小及其特征的室内试验方法，亦称固结试验主要试验仪器：侧限压缩仪,三联固结仪,二、侧限压缩试验,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,1.压缩仪示意图,2.压缩试验原理,一固结土样，受荷前A，V0，H0，e0，土粒体积Vs0土样在任意一级荷载作用下达到稳定后的高度为，孔隙比ei，土粒体积不变，,压缩前且,压缩后且,得,3.e-p曲线（elgp曲线）,研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律,Vve0,Vs1,Vve,Vs1,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,土粒高度在受压前后不变,整理,其中,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,三、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4个压缩性指标,1.压缩系数a2.压缩指数(Cc)3.压缩模量Es4.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,规范用p1100kPa、p2200kPa对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性,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,a1-2和a有何区别？对某土而言，其a1-2和a都是常量，对否？为什么？,2.压缩指数(Cc),3.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,规范用p1100kPa、p2200kPa对应的压缩模量Es评价土的压缩性,Es1-24MPa高压缩性土4MPaEs1-215MPa中压缩性土Es1-215MPa低压缩性土,4.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00.5之间,三.土压缩性的原位测试,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。,地基土现场载荷试验图,反力梁,千斤顶,基准梁,荷载板,百分表,1承压板2千斤顶3百分表4平台5支墩6堆载,试验加荷标准应符合下列要求：加荷等级应不小于8级，最大加荷量不应小于设计荷载的2倍；每级加荷后，按间隔10、10、10、15、15min，以后为每30min读一次沉降量，沉降量0.1mm/h认为稳定可以加下一次荷载；除第一次，其后每次加荷，对松软土1025kPa，对坚硬土50kPa。凭观测累计荷载下的沉降量s，直到达到以下状况终止加载：,荷载试验pS曲线,o,Pcr,Pu,P,S1,ar,b,c,s,1）荷载板周围的土有明显挤出；2）荷载p增量很小，但沉降量s却急剧增大：3）在某一荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准；4）沉降量与承压板宽度或直径之比（s/b)0.06。,四、沉降分析中的若干问题,1.土的回弹与再压缩,a,d,b,1.土的卸荷回弹曲线不与原压缩曲线重合，说明土不是完全弹性体，其中有一部分为不能恢复的塑性变形2.土的再压缩曲线比原压缩曲线斜率要小得多，说明土经过压缩后，卸荷再压缩时，其压缩性明显降低,2.粘性土沉降的三个组成部分,1.sd瞬时沉降2.sc固结沉降3.ss次固结沉降,五、应力历史对土体压缩性的影响土的前期固结压力：是指土层在过去历史上曾经受过的最大有效固结压力，通常用Pc来表示。超固结比：OCRpc/po将土的前期固结压力与目前土层所承受的上覆土的自重压力po进行比较，可把天然土层分三种不同的固结状态。（1）OCR1，称正常固结土，是指目前土层的自重压力就是该地层在历史上所受过的最大固结压力。（2）OCR1，称超固结土，是指土层历史上曾受过的固结力，大于现有土的自重压力。使土层原有的密度超过现有的自重压力相对的密度，而形成超压状态。（3）OCR1，称欠固结土，即土层在自重压力下尚未完成固结。,在其它条件相同时超固结土的压缩变形量正常固结土的压缩量欠固结土的压缩量。,3.2地基最终沉降量计算,一、分层总和法,地基最终沉降量地基变形稳定后基础底面的最大竖向位移,1.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,2.计算原理分层总和法是将地基压缩层范围内的土层分为若干薄层，根据压缩试验得到的e-p或e-lgp曲线计算每一层的变形量，然后求和作为地基土压缩的最终沉降量,可压缩土层,土层竖向应力由p1增加到p2，引起孔隙比从e1减小到e2，竖向应力增量为p,由于,所以,3.单一压缩土层的沉降计算在一定均匀厚度土层上施加连续均布荷载，竖向应力增加，孔隙比相应减小，土层产生压缩变形，没有侧向变形。,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,4.单向压缩分层总和法分别计算基础中心点下地基中各个分层土的压缩变形量si,基础的平均沉降量s等于si的总和,绘制基础中心点下地基中自重应力和附加应力分布曲线,确定基础沉降计算深度,一般取附加应力与自重应力的比值为20处，即z=0.2cz处的深度作为沉降计算深度的下限,确定地基分层,1.不同土层的分界面与地下水位面为天然分层面2.每层厚度hi0.4b；基底面积很大时，分层厚度hi0.25b,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,对于软土，应该取z=0.1cz处,计算基础最终沉降量,5.单向压缩分层总和法计算步骤,分层总和法的优缺点,（1）优点：适用于各种成层土和各种荷载的沉降量计算；压缩指标a,Es等易确定。（2）缺点：作了许多假设，与实际情况不符，侧限条件，基底压力计算有一定误差；室内试验指标也有一定误差；计算工作量大；利用该法计算结果，对坚实地基，其结果偏大，对软弱地基，其结果偏小。,二、规范法,由建筑地基基础设计规范（GB500072002）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,地基沉降计算深度zn应该满足的条件,zi、zi-1基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离(m),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130m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,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,在计算地基变形时，应考虑相邻荷载的影响，其值可按应力叠加原理，采用角点法计算。,规范法计算基础沉降量的步骤为：,（1）计算基底附加应力；（2）以天然土层作为分层面（即按Es分层）；（3）确定压缩层厚度zn，采用变形比（4）分别计算每层土的变形量（5）计算基础总沉降量,三、例题分析,【例】某厂房柱下单独方形基础，已知基础底面积尺寸为4m4m，埋深d1.0m，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F1440kN,土的天然重度16.0kN/m,饱和重度sat17.2kN/m，有关计算资料如下图。试分别用分层总和法和规范法计算基础最终沉降（已知fk=94kPa）,【解答】,A.分层总和法计算,1.计算分层厚度,每层厚度hi0.4b=1.6m，地下水位以上分两层，各1.2m，地下水位以下按1.6m分层,2.计算地基土的自重应力,自重应力从天然地面起算，z的取值从基底面起算,3.计算基底压力,4.计算基底附加压力,自重应力曲线,附加应力曲线,5.计算基础中点下地基中附加应力,用角点法计算，过基底中点将荷载面四等分，计算边长l=b=2m，z=4Kcp0,Kc由表确定,6.确定沉降计算深度zn,根据z=0.2cz的确定原则，由计算结果，取zn=7.2m,7.最终沉降计算,根据e-p曲线，计算各层的沉降量,按分层总和法求得基础最终沉降量为s=si=54.7mm,B.规范法计算,1.cz、z分布及p0计算值见分层总和法计算过程,2.确定沉降计算深度,zn=b(2.50.4lnb)=7.8m,3.确定各层Esi,4.根据计算尺寸，查表得到平均附加应力系数,5.列表计算各层沉降量si,根据计算表所示z=0.6m,sn=0.9mm0.025si=55.6mm,满足规范要求,6.沉降修正系数ys,7.基础最终沉降量,s=yss=61.2mm,一、建筑物沉降观测,3.3建筑物沉降观测与地基容许变形值,（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。,能够及时发现建筑物变形并防止有害变形的扩大。保证建筑物的正常使用和经济安全。,一.目的,二.必要性,建筑地基基础设计规范规定，五种条件下建筑物应在施工期间及使用期间进行沉降观测。,收集资料，制定沉降观测计划。,（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。,三.沉降观测工作的内容,1.准备工作,2.水准基点的设置,3.观测点的设置,（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。,沉降观测采用精密水准仪，观测精度为0.01。,民用建筑每增高一层观测一次；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；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）,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。等速沉降：导致地基丧失稳定的危险。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。,5.仪器与精度,4.观测次数和时间,5.观测资料的整理,墙角沉降监测点作法,变形缝两侧沉降监测点作法,建筑物地基变形的特征，可分为沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜4种。1.沉降量(mm)定义:特指基础中心的沉降差，以mm为单位；作用: