第五章地基变形.ppt

1、第五章 地基变形,第一节 概 述 第二节 基础最终沉降量计算 第三节 地基变形与时间的关系,主要内容,第一节 概 述,土具有压缩性,荷载作用,地基发生沉降和位移变形,一致沉降 （沉降量）,差异沉降 （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 建筑物开裂、歪斜、破坏等,高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除,修建新建筑物：引起原有建筑物开裂,最终沉降量S：,地基最终沉降稳定以后的最大沉降量（t时），不考虑沉降过程。,不可压缩层,可压缩层,z=p,p,第二节 地基的最终沉降量计算,H,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

2、，地基土不产生侧向变形，可采用侧限条件下的压缩性指标,取基底中心轴线下分布 的地基附加应力进行地基 沉降计算，可弥补采用侧 限条件下的压缩性指标计 算记过偏小的缺点 以基底中点的沉降代表 基础的平均沉降,2.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（H0.5b）。,第二节 地基的最终沉降量计算,一、分层总和法单项压缩基本公式,侧限条件,z=p,p,e1,一、分层总和法单项压缩基本公式,1 单一土层一维压缩问题,e1根据薄土层顶、底面处自重 应力的平均值 ，即原有土中的p1， 从ep曲线上得到响应的孔隙比 e2根据

3、薄土层顶、底面处自重 应力的平均值 与附加应力的平均值 之和P2，从ep曲线上得到相应的孔隙比,e1i根据第i层顶、底面处自重应力的平均值，即原有土中的p1i， 从ep曲线上得到相应的孔隙比 e2i根据第i层顶、底面处自重应力的平均值 与附加应力的平均值之和P2i， 从ep曲线上得到 相应的孔隙比 ai、Esi、mvi：第i层土压缩系数、压缩模量、体积压缩系数,si第i分层土的压缩量 第i分层土的压缩应变 Hi第i分层土的厚度,2.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,第二节 地基的最终沉降量计算,一、分层总和法单项压缩基本

4、公式,3.单向压缩分层总和法计算步骤,1.绘制基础中心点下地基中自重应力和附加应力分布曲线 2.确定地基沉降计算深度 3.确定沉降计算深度范围内的分层界面 4.计算各分层沉降量 5.计算基础最终沉降量,第二节 地基的最终沉降量计算,一、分层总和法单项压缩基本公式,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=K p0,引入平均附加应力系数,因此附加应

5、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

6、表得到,地基最终沉降量修正公式,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=0.2c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层面 2.每层厚度hi 0.4b,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=0.1c处，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,3.单向压缩分层总和法计算步骤,4、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

7、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。试分分层总和法计算基础最终沉降（已知fk=94kPa）,一、分层总和法单项压缩基本公式,【解答】,A.分层总和法计算,1.计算分层厚度,每层厚度hi 0.4b=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

8、=2m， z=4acp0,ac由表确定,6.确定沉降计算深度zn,根据z = 0.2c的确定原则，由计算结果，取zn=7.2m,7.最终沉降计算,根据e-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,5.列表计算各层沉降量si,根据计算表所示z=0.6m, sn =0.9mm 0.025 si =55.6mm,满足规范要求, ,6.沉降修正系数j s,7.基础最终沉降量,s= ys s =61.2mm,正常固结土,利用 e-lgp曲线计算,二、应力历史法计算基础最终沉降量,超固结土,用e-lgp曲线计算,二、应力历史法计算基础最终沉降量,1、粘土地基的沉降量

9、计算,研究表明：粘性土地基在基底压力作用下的沉降量S由三种不同的原因引起：,次固结沉降 Ss 主固结沉降完成以后，在有效应力不变条件下，由于土骨架的蠕变特性引起的变形。这种变形的速率与孔压消散的速率无关，取决于土的蠕变性质，既包括剪应变，又包括体应变。一般都小于总沉降的10%,初始沉降(瞬时沉降) Sd 有限范围的外荷载作用下地基由于发生侧向位移(即剪切变形)引起的。,主固结沉降(渗流固结沉降) Sc 由于超孔隙水压力逐渐向有效应力转化而发生的土渗透固结变形引起的。 是地基变形的主要部分。,t,S,Si ：初始瞬时沉降,Ss: 次固结沉降,Sc：主固结沉降,三、斯肯普敦-比伦法计算基础最终沉降

10、量,四、单向分层总和法的评价,可计算成层地基； 可计算不同形状基础（条、矩、圆）不同分布的基底压力； 参数的试验测定方法简单； 已经积累了几十年应用的经验，适当修正。,（1）基本假定：,（2）优 点：,（a）假设基底压力为线性分布 （b）附加应力用弹性理论计算 （c）只发生单向沉降：侧限应力状态 （d）只计算固结沉降，不计瞬时沉降和次固结沉降 （e）整个地基的最终沉降量为各层沉降量之和,西方 可判定原状土压缩曲线 区分不同固结状态 计算结果偏大,相差比较大 修正靠经验,（3）精度：,（4）e-p曲线与e-lgp曲线的对比：,原苏联 无法确定现场土压缩曲线 不区分不同固结状态 计算结果偏小,e-

11、,e-lg,均需修正,四、单向分层总和法的评价,静水压力：已知总应力为自重应力时，饱和土中的空隙水压力称为静水压力，不产生变形； 超静水压力：已知总应力为附加应力时，饱和土中开始全部由孔隙水压力传递附加应力，此空隙水压力称为超静水压力，其消散后，有效应力增长，出现体积变形。,一、有效应力原理,总应力由土骨架和孔隙流体共同承受,第三节 地基变形与时间的关系,1.1 饱和土中的应力形态,Fi,FSV,a,a,1.有效应力原理的基本概念,Fi,A：,Aw：,As：,土单元的断面积,颗粒接触点的面积,孔隙水的断面积,a-a断面通过土颗粒的接触点,有效应力,a-a断面竖向力平衡：,u：孔隙水压力,一、有

12、效应力原理,（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分 和u，并且,（2）土的变形与强度都只取决于有效应力,有效应力,总应力已知或易知,孔隙水压测定或算定,通常,1.有效应力原理的基本概念,饱和土中任意点的总应力等于有效应力加上空隙水压力， 即称为饱和土的有效应力原理,一、有效应力原理,2.土中水渗流时的土中有效应力,2.1 静水条件只是自重应力情况,地下水位下降引起 增大的部分,=-u,u=wH2,u=wH2,=-u =H1+satH2-wH2 =H1+(sat-w)H2 =H1+H2,地下水位下降会引起增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因。,取土骨架为隔离体,

13、A,向上渗流:,向下渗流:,自重应力:,渗透力:,渗透力产生的应力:,渗透力产生有效应力,2.2 有渗流发生的情况,2.土中水渗流时的土中有效应力,?,3. 饱和土固结的土中有效应力附加应力情况,几种简单的情形：,外荷载,附加应力z,土骨架：有效应力,(2) 轴对称三维应力状态,(1) 侧限应力状态,孔隙水：孔隙水压力,超静孔隙水压力,3.1 侧限应力状态及一维渗流固结,物理模型：,钢筒侧限条件 弹簧土骨架 水体孔隙水 带孔活塞排水顶面 活塞小孔渗透性大小,初始状态,边界条件,渗透固结过程,p,一般方程,3. 饱和土固结的土中有效应力附加应力情况,p,p,附加应力:z=p 超静孔压: u =

14、z=p 有效应力:z=0,渗透固结过程,附加应力:z=p 超静孔压: u 0,附加应力:z=p 超静孔压: u =0 有效应力:z=p,3.1 侧限应力状态及一维渗流固结,3. 饱和土固结的土中有效应力附加应力情况,不排水条件下相当于t=0时刻:,渗透固结过程,u,随时间在变化,任意时间t，任意点满足,产生超静孔隙水压力,只要土中超空隙水压力存在，就意味着土的渗透固结 没有完成，即饱和土的固结过程就是就是空隙水压力 的消散和有效应力相应增长的过程,3.1 侧限应力状态及一维渗流固结,3. 饱和土固结的土中有效应力附加应力情况,重点： 一维渗流固结,沉降与时间之间的关系：饱和土层的渗流固结,固结沉降的速度 ？ 固结沉降的程度 ？,问题：,二、一维固结理论饱和土体的渗流固结理论,不可压缩层,可压缩层,p,土体任意 时间的变形,实践背景：大面积均布荷载，载荷面积远大于可压缩土层厚度,p,不透水岩层,饱和压缩层,z=p,p,侧限应力状态,1.一维渗流固结