土力学第四章 土中应力计算ppt课件

1、土力学第四章第四章 土中应力计算土中应力计算 4.1土中自重应力 4.2基底压力计算 4.3地基中附加应力计算 4.4有效应力原理土体在自身重力、建筑物荷载、交通荷载或其他因素如地下水渗流、地震等作用下，均可产生土中应力。土中应力将引起土体或地基变形，使土工构筑物如路堤、土坝等或建筑物如房屋、桥梁、涵洞等产生沉降、倾斜以及水平位移。土体或地基的变形过大时，往往会影响路堤、房屋和桥梁等的正常使用。土中应力过大时，又会导致土体的强度破坏，使土工构筑物发生土坡失稳或使建筑物地基的承载力不足而发生失稳。地基建筑物修建以前，地基中由土建筑物修建以前，地基中由土体本身的有效重量所产生的应体本身的有效重量所

2、产生的应力。力。修建后，建筑物重量等修建后，建筑物重量等外荷载引起的基础底部外荷载引起的基础底部对地基的作用力。对地基的作用力。基底压力在地基基底压力在地基中引起的应力，中引起的应力，所谓的所谓的“附加附加是指在原来自重是指在原来自重应力基础上增加应力基础上增加的应力，建筑物的应力，建筑物沉降的主要原因沉降的主要原因影响土体变形和强影响土体变形和强度的度的“有效应力有效应力土体的自重应力外荷：基底压力地基中的附加应力有效应力原理 在荷载作用之前，地基中存在初始应力场。初始应力场常与土体自重、在荷载作用之前，地基中存在初始应力场。初始应力场常与土体自重、地基土地质历史以及地下水位有关。在工程应用

3、上，计算初始应力场时常地基土地质历史以及地下水位有关。在工程应用上，计算初始应力场时常假设天然地基为水平、均质、各向同性的半无限空间，土层界面为水平面。假设天然地基为水平、均质、各向同性的半无限空间，土层界面为水平面。于是在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。于是在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。4.1 土中自重应力计算yxozx y xy yz zx z 竖向：竖向： cz = cz = z z水平向：水平向： cx = cx = cy = K0 cy = K0 czcz剪应力：剪应力：xyxy yz yz zx zxcxczcy4.1 土中自重应力计算 地基中的初始应力，即地基中任一点

4、的自重应力，只需用竖向应力和水平向地基中的初始应力，即地基中任一点的自重应力，只需用竖向应力和水平向应力表示。天然地面下任意深度应力表示。天然地面下任意深度z z处水平面上的竖向自重应力为处水平面上的竖向自重应力为 czcz z z 竖直面上的水平向自重应力为竖直面上的水平向自重应力为 cxcxK0 K0 cz = K0 cz = K0 z z K0 K0 为静止侧压力系数。为静止侧压力系数。kPa）z czcz z z一、均质土中自重应力一、均质土中自重应力1 1221.ncznnihhhhi i 土中竖向和侧向的自重应力一般均指有效自重应力，计算时，对地下土中竖向和侧向的自重应力一般均指有

5、效自重应力，计算时，对地下水位以下土层必须以有效重度水位以下土层必须以有效重度 代替天然重度。为简便起见，常把竖代替天然重度。为简便起见，常把竖向有效自重应力向有效自重应力 czcz简称为自重应力。简称为自重应力。 若地基是由多层土所组成，设各层的厚度为若地基是由多层土所组成，设各层的厚度为h1h1、h2h2、hihi、hnhn，则，则地基中第地基中第n n层底面处的竖向土自重应力：层底面处的竖向土自重应力：二、成层土的自重应力计算二、成层土的自重应力计算1 H12 H22 H3zszsxsy地面地面地下水地下水sz1H12H22H3z说明：1.地下水位以上土层采用天然重度，地下水位以下土层采

6、用浮重度2.非均质土中自重应力沿深度呈折线分布 均质地基1 2 2 )(21 成层地基【例【例4.1】某地基土层情况及其物理性质指标如下图所示，试计算】某地基土层情况及其物理性质指标如下图所示，试计算 a、b、c三个点三个点处的自重应力，并画出应力分布图。处的自重应力，并画出应力分布图。【解】 首先确定各层土的重度。粗砂：在水下且透水，采用浮重度，有331(19.59.81)kN/ m9.69kN/ msatw( )0 ,0c aazm点：b点（上）：z=10m,该点位于粗砂层中，按透水情况考虑，有1(b)(9.69 10)kPa96.9kPach上例题分析例题分析b点（下）：z=10m,该点

7、位于黏土层中，按不透水情况考虑，有1(b)+(96.910 13)kPa226.9kPawwchh下cz15m,点：该点位于黏土层中，有(c)22(b)(226.919.3 5)kPa323.4kPacch下三、地下水位升降时土中自重应力三、地下水位升降时土中自重应力【解】 土层中的自重应力计算过程和结果如下所示。 （1地下水位下降前： 00cz115.70.57.85czkPa27.85180.516.85czkPa316.8518 10340.85czkPa440.85+ 16.710787.75czkPa上487.751037187.75czkPa下例题分析例题分析 （2当地下水位下降至

8、淤泥层顶面时： 17.85czkPa216.85czkPa316.8518370.85czkPa470.85+ 16.7107117.75czkPa上4117.75 10 7187.75czkPa下 土的自重应力分布如图所示。由图可见，降低地下水位，会使地基中的自重应力增加，从而使地基产生附加沉降变形。 一、基本概念一、基本概念 建筑物荷载通过基础传递给地基，在基础底面与地基之间必然产生建筑物荷载通过基础传递给地基，在基础底面与地基之间必然产生接触应力。基底压力分布与基础的大小和刚度、作用于基础上荷载的大小接触应力。基底压力分布与基础的大小和刚度、作用于基础上荷载的大小和分布、地基土的力学性质

9、以及基础的埋深等因素有关。和分布、地基土的力学性质以及基础的埋深等因素有关。（1 1基底接触压力的产生基底接触压力的产生 建筑物荷重建筑物荷重 根底根底 地基地基在地基与基础的接触面在地基与基础的接触面( (持力层顶面上持力层顶面上产生的压力地基作用于基础底面的反力）产生的压力地基作用于基础底面的反力） 根据圣维南原理，基础下与其底面距离大于基底尺寸的土中应力分布主根据圣维南原理，基础下与其底面距离大于基底尺寸的土中应力分布主要取决于荷载合力的大小和作用点位置，基本上不受基底压力分布形式的影要取决于荷载合力的大小和作用点位置，基本上不受基底压力分布形式的影响。响。（2 2影响基底压力的因素：影

10、响基底压力的因素： 1 1地基与基础的相对刚度有关；地基与基础的相对刚度有关； 2 2基础的刚度、平面形状、尺寸大小、埋置深度有关；基础的刚度、平面形状、尺寸大小、埋置深度有关； 3 3作用在基础上的荷载性质、大小和分布情况有关；作用在基础上的荷载性质、大小和分布情况有关； 4 4地基土的性质有关。地基土的性质有关。3.2 基底压力 （1 1柔性基础。基底压力大小、分布状况与上部荷载的大小、分布状柔性基础。基底压力大小、分布状况与上部荷载的大小、分布状况相同。况相同。二、基底压力的分布规律二、基底压力的分布规律基础按刚度分为：（基础按刚度分为：（1 1柔性基础抗弯曲变形能力为柔性基础抗弯曲变形

11、能力为0 0） （2 2刚性基础抗弯曲变形能力为刚性基础抗弯曲变形能力为） （3 3有限刚性基础弹性地基上梁板分析方法）有限刚性基础弹性地基上梁板分析方法）（a理想柔性基础； （b路堤下的基底压力上部结构上部结构根底根底地基地基建建筑筑物物设设计计例如：砂土地基例如：砂土地基 黏性土地基黏性土地基（2 2刚性基础。基底压力大小、分布状况与上部荷载的大小、分布状况刚性基础。基底压力大小、分布状况与上部荷载的大小、分布状况不相同。不相同。 荷载较小 荷载较大砂性土地基粘性土地基 接近弹性解 马鞍型 抛物线型 倒钟型AGFpblA1、中心荷载下的基底压力、中心荷载下的基底压力GGAdP 基底平均压力

12、，基底平均压力，kPa；F 上部结构传至基础底面的竖向力设上部结构传至基础底面的竖向力设 计值，计值， kN；G 基础与基础上部回填土的重，基础与基础上部回填土的重，kN； 基础与基础上部回填土的加权平均基础与基础上部回填土的加权平均重度，重度，kN/cm3。G三、基底压力的简化计算三、基底压力的简化计算GGAdF+G eelbpmaxpminWMAGFppminmax作用于基础底面形心上的力矩M=(F+G)e 基础底面的抵抗矩；矩形截面W=bl2/6 leblGFpp61minmax2、偏心荷载下的基底压力、偏心荷载下的基底压力leblGFpp61minmax讨论：讨论：当e0，基底压力呈梯

13、形分布 当e=l/6时，pmax0，pmin=0，基底压力呈三角形分布 当el/6时，pmax0，pmin0，基底出现拉应力，基底压力重分布 pmaxpminel/6pmaxpminE1成层成层均匀均匀3变形模量随深度增大的影响变形模量随深度增大的影响 地基土的另一种非均质性表现为变形模量地基土的另一种非均质性表现为变形模量 随深度逐渐增大，在砂土地随深度逐渐增大，在砂土地基中尤为常见。这是一种连续非均质现象，是由土体在沉积过程中的受力条基中尤为常见。这是一种连续非均质现象，是由土体在沉积过程中的受力条件所决定的。件所决定的。4各向异性的影响各向异性的影响 天然沉积土因沉积条件和应力状态而常常

14、形成土体具有各向异性的特征。天然沉积土因沉积条件和应力状态而常常形成土体具有各向异性的特征。例如层状结构的页片黏土，在垂直方向和水平方向的变形模量就不相同，土例如层状结构的页片黏土，在垂直方向和水平方向的变形模量就不相同，土体的各向异性也会影响到该土层中的附加应力分布。体的各向异性也会影响到该土层中的附加应力分布。 （2硬土层覆盖于软土层上BHE1硬层硬层 E2E1成层成层均匀均匀H硬层硬层E1E2E1B成层成层均匀均匀轴线附近应力扩散，z减小,地基沉降也相应减小， 应力扩散程度与土层刚度比有关 随H/B的增大，应力扩散增强 太沙基K. Terzaghi早在1923年就提出了有效应力原理的基本

15、概念，阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力-应变关系上的重大区别，从而使土力学成为一门独立学科的重要标志。1. 三个基本概念:A 有效应力effective stress）是由颗粒间接触点传递的应力，会使土的颗粒产生位移，引起土体的变形和强度的变化的应力，用表示。一、有效应力基本原理一、有效应力基本原理4.4 有效应力原理 B 孔隙水压力pore water pressure由孔隙水传递的应力，它不能直接引起土体的变形和强度变化，又称为中性压力，在固结过程中不随时间而变化，用u表示。C 超静孔隙水压力excess pore water pressure由外荷引起的超出静水位以上的那部分孔隙水

16、压力。它在固结过程中不断变化，固结终了时应等于零，用u表示。2.有效应力原理 作用于饱和土体内某截面上总的正应力由两部分组成：一部分为孔隙水压力u，另一部分为有效应力，饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间存在如下关系：u外荷载外荷载 总应力总应力 AaaPsv接触点接触点PsA A：AwAw：AsAs：土单元的断面积土单元的断面积颗粒接触点的面积颗粒接触点的面积孔隙水的断面积孔隙水的断面积wsvAuPA wSAAA uAAAPwsv 有效应力有效应力 1它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到等向压力，不会使土颗粒移动，它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到等向压力，不会使土颗粒移动，导致孔

17、隙体积发生变化。由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身压缩变导致孔隙体积发生变化。由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身压缩变形极小形极小水不能承受剪应力，对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献水不能承受剪应力，对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献因而孔隙水压力对变形强度没有直接影响，称为中性应力因而孔隙水压力对变形强度没有直接影响，称为中性应力孔隙水压力的作用讨论：讨论：海底与土粒间的接触压力海底与土粒间的接触压力哪一种情况下大？哪一种情况下大？1mz=u=0.01MPa104mz=u=100MPa是土体发生变形的原因：颗粒间克是土体发生变形的原因：颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动以及在接触服摩擦相对滑移

18、、滚动以及在接触点处由于应力过大而破碎均与点处由于应力过大而破碎均与有有关关是土体强度的成因：土的凝聚力和是土体强度的成因：土的凝聚力和粒间摩擦力均与粒间摩擦力均与有关有关有效应力的作用sat H1H1H2H2地面地面地下水位地下水位 总应力：单位土柱总应力：单位土柱和水柱的总重量和水柱的总重量 = H1+ satH2 孔隙水压力：净水压强孔隙水压力：净水压强u = wH2 有效应力：有效应力： = -u = H1+( sat- w)H2 = H1+ H2 =-u=-uu=u= wH2wH2u=u= wH2wH2 H1H12sat1HH A（-)二、饱和土的孔隙压力和有效应力二、饱和土的孔隙压

19、力和有效应力1 1、静水位条件下自重应力和基底压力、静水位条件下自重应力和基底压力2sat1HH H1H1地面地面A地下水位地下水位自重应力情况自重应力情况n 静水条件：水位下降静水条件：水位下降 总应力：总应力： = H1+ satH 2 孔隙水压力：孔隙水压力： u = wH 2 有效应力：有效应力： = -u 地下水位下降会引起地下水位下降会引起 增大，土会产生压缩，增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因沉降的一个主要原因sat H1H1H H 2 2u=u= wHwH 2 2 =-u=-u(-)u=u= wHwH 2 2地下水位下降引地下水位下降

20、引起起 增大的部分增大的部分地下水位下降时自重应力和基底压力地下水位下降时自重应力和基底压力sat H H1 1H H2 2 =-u=-u地面地面 总应力：单位土柱总应力：单位土柱和水柱的总重量和水柱的总重量A = H1+ satH 孔隙水压力：净水压强孔隙水压力：净水压强u = wH2 有效应力：有效应力： = -u = H1+ satHc+ H2毛细饱毛细饱和区和区u=u= wH2wH2(+)(-)u=-u=- wHcwHcHcHcH Hu=u= wH2wH2(+)(-) H1H1HHsat1 H1+H1+ satHcsatHc2 2、毛细水上升时土中有效自重应力的计算、毛细水上升时土中有

21、效自重应力的计算【例【例4.7】 某土层剖面，地下水位及其相应的容重如图某土层剖面，地下水位及其相应的容重如图a所示。试求：（所示。试求：（1垂直方向总应力、孔隙水压力和有效应力沿深度垂直方向总应力、孔隙水压力和有效应力沿深度z方向的分布；（方向的分布；（2若砂层中若砂层中地下水位以上地下水位以上1m范围内为毛细饱和区时，垂直方向总应力、孔隙水压力和有效范围内为毛细饱和区时，垂直方向总应力、孔隙水压力和有效应力将如何分布？应力将如何分布？【解】【解】 （1地下水位以上无毛细饱和区时，地下水位以上无毛细饱和区时， 的分布值如下表。的分布值如下表。u、 、 沿深度的分布如图(b)中实线所示。u、

22、、（2当地下水位以上1m内为毛细饱和区时， 值如下表所示。u、 、 沿深度的分布如图(b)中虚线所示。u、 、Hh砂层排水）砂层排水） satsat向下渗流向下渗流Hh砂层砂层( (承压水承压水) )粘土层粘土层 satsat向上渗流向上渗流3 3、稳定渗流条件下自重应力情况、稳定渗流条件下自重应力情况n 稳定渗流条件：向上渗流稳定渗流条件：向上渗流AHh砂层砂层( (承压水承压水) ) satsat向上渗流向上渗流土水整体分土水整体分析析hHw 总应力：单位土柱总应力：单位土柱和水柱的总重量和水柱的总重量 = satH 孔隙水压力：净水压强孔隙水压力：净水压强u = w(H+ h) 有效应力：有效应力： = -u = satH- wH- w h = H - w h渗透压力，向上渗流使得有效应力减小渗透压力，向上渗流使得有效应力减小n 稳定渗流条件：向下渗流稳定渗流条件：向下渗流A土水整体分土水整体分析析hHw 总应