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1、第第 3 3 章章 地基的应力和变形地基的应力和变形 3.13.1 概述概述 建筑物的建造使地基土中原有的应力状态发生变化，从而引起地基变形，出现基础沉降。由于建筑物荷载 差异和地基不均匀等原因，基础各部分的沉降或多或少总是不均匀的，使得上部结构之中相应地产生额外 的应力和变形。基础不均匀沉降超过了一定的限度，将导致建筑物的开裂、歪斜甚至破坏，例如砖墙出现 裂缝、吊车轮子出现卡轨或滑轨、高耸构筑物倾斜、机器转轴偏斜以及与建筑物连接管道断裂等等。因此， 研究地基变形，对于保证建筑物的正常使用、经济和牢固，都具有很大的意义。地基的沉降，必须要从土的应力与应变的基本关系出发来研究。对于地基土的应力一
2、般要考虑基底附加应力、地基自重应力和地基附加应力。地基的变形是由地基的附加应力导致，变形都有一个由开始到稳定的过程。我们把地基稳定后的累计变形量称为最终沉降量。地基应力一般包括由土自重引起的自重应力和由建筑物引起的附加应力，这两种应力的产生条件不相同，计算方法也有很大差别。此外，以常规方法计算由建筑物引起的地基附加应力时，事先确定基础底面的压力分布是不可缺少的条件。从地基和基础相互作用的假设出发，来分析地基上梁或板的内力和变形，以便设计这类结构复杂的连续基础时，也要以本章的有关内容为前提。图图 3-13-1 土的应力土的应力- -应变关系应变关系曲线地基土的应力和变形的研究。根据土样的单轴压缩
3、试验资料表明，当应力很小时，土的应力-应变关系曲线就不是一根直线(图 3-1)，亦即土的变形具有明显的非线性特征。然而，考虑到一般建筑物荷载作用下地基中应力的变化范围(应力增量 )还不很大，如果用一条割线来近似地代替相应的曲线段，其误差可能不超过实用的允许范围。这样，就可以把土看成是一种线性变形体。天然地基中往往由成层土组成，还可能具有尖灭和透镜体等交错层理的构造，即使是同一厚层土其变形性质也随深度不同而变化。因此，地基土的非均质性是很显著的。目前在计算地基变形的方法上，首先把地基看成是均质的线性变形体，从而直接引用弹性力学公式来计算地基中的附加应力，然后利用某些简化假设来解决成层土地基的沉降
4、计算问题。地基土的变形都有一个由开始到稳定的过程，各种土随着荷载大小等条件的不同，其所需时间的差别很大，关于地基变形随时间而增长的过程是土力学中固结理论的研究内容。它是本章的一个重要组成部分。在工程实践中，往往需要确定施工期间和完工后某一时间的基础沉降量，以便控制施工速度，确定建筑物的使用措施，并要考虑建筑物有关部分之间的预留净空和连接方式，还必须考虑地基沉降与时间的关系。建筑物荷载使土中原有的应力状态发生变化，还可能引起地基的剪切破坏。有关土体的强度理论将在第四、五章中介绍。3.23.2 土中自重应力土中自重应力土是由土粒、水和气所组成的非连续介质。若把土体简化为连续体，而应用连续体力学(例
5、如弹性力学)来研究土中应力的分布时，应注意到，土中任意截面上都包括有骨架和孔隙的面积在内，所以在地基应力计算时都只考虑土中某单位面积上的平均应力。(a)(a)沿深度的分布沿深度的分布 (b)(b)任意水平面上的分布任意水平面上的分布图图 3-23-2 均质土中竖向自重应力均质土中竖向自重应力在计算土中自重应力时，假设天然地面是一个无限大的水平面，因而在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。如果地面下土质均匀，天然重度为 (kN/m)，则在天然地面下任意深度 z(m)处 a-a 水平面上的竖向自重应力CZ(kPa)，可取作用于该水平面上任一单位面积的土柱体自重 z1 计算(图 3-2)，即：CZ=
6、z (3-1)CZ沿水平面均匀分布，且与 Z 成正比，即随深度按直线规律分布图 3-2(a)。地基中除有作用于水平面上的竖向自重应力外，在竖直面上还作用有水平向的侧向自重应力。由于CZ沿任一水平面上均匀地无限分布，所以地基土在自重作用下只能产生竖向变形，而不能有侧向变形和剪切变形。从这个条件出发，根据弹性力学，侧向自重应力cx和cy应与cz成正比，而剪应力均为零，即：czcycxK0(3-2)0zxyzxy(3-3)式中比例系数0K称为土的侧压力系数或静止土压力系数，其实测资料见3-6 中表 3-7。必须指出，只有通过土粒接触点传递的粒间应力，才能使土粒彼此挤紧，从而引起土体的变形，而且粒间应
7、力又是影响土体强度的一个重要因素，所以粒间应力又称为有效应力。因此，土中自重应力可定义为土自身有效重力在土体中引起的应力。土中竖向和侧向的自重应力一般均指有效自重应力。对地下水位以下土层必须以有效重度 代替天然重度 。为了简便起见，以后各章节中把常用的竖向有效自重应力cz，简称为自重应力，并改用符号c表示。图图 3-33-3 成层土中竖向自重应力沿深度的分布成层土中竖向自重应力沿深度的分布地基土往往是成层的，因而各层土具有不同的重度。如地下水位位于同一土层中，计算自重应力时，地下水位面也应作为分层的界面。如图 3-3 所示，天然地面下深度 z 范围内各层土的厚度自上而下分别为nihhhhKKK
8、K,21，计算出高度为 z 的土柱体中各层土重的总和后，可得到成层土自重应力计算公式： niiich1 (3-4)式中 c天然地下面任意深度 z 处的竖向有效自重应力，kPa；n深度 z 范围内的土层总数；ih第 i 层土的厚度，m；i第 i 层土的天然重度，对地下水位以下的土层取有效重度i，kN/m。在地下水位以下，如埋藏有不透水层(例如岩层或只含结合水的坚硬粘土层)，由于不透水层中不存在水的浮力，所以层面及层面以下的自重应力应按上覆土层的水土总重计算，如图 3-3 中虚线所示。自然界中的天然土层，一般形成至今已有很长的地质年代，它在自重作用下的变形早巳稳定。但对于近期沉积或堆积的土层，应考
9、虑它在自重应力作用下的变形。此外，地下水位的升降会引起土中自重应力的变化(图 3-4)。0-1- 2 2 线为原来自重应力的分布；线为原来自重应力的分布；0-10-1-2-2线为为地下水位变动后自重应力的分布线为为地下水位变动后自重应力的分布图图 3-43-4 地下水位升降对土中自重应力的影响地下水位升降对土中自重应力的影响例如在软土地区，常因大量抽取地下水，以致地下水位长期大幅度下降，使地基中原水位以下的有效自重应力增加图 3-4(a)，而造成地表大面积下沉的严重后果。至于地下水位的长时期上升图 3-4(b)，常发生在人工抬高蓄水水位地区(如筑坝蓄水)或工业用水大量渗入地下的地区，如果该地区
10、土层具有遇水后发生湿陷的性质，必须引起注意。【例题 3-1】某建筑场地的地质柱状图和土的有关指标列于例图 3-1 中。试计算地面下深度为2.5m，5m 和 9m 处的自重应力，并绘出分布图。例图例图 3-13-1【解】 本例天然地面下第一层粉土厚 6m，其中地下水位以上和以下的厚度分别为 3.6m 和 2.4m；第二层为粉质粘土层。依次计算 25m，36m、5m、6m、9m 各深度的土中竖向自重应力，计算过程及自重应力分布图一并列于例图 3-1 中3.33.3 基底压力基底压力( (接触应力接触应力) ) 建筑物荷载通过基础传递给地基，在基础底面与地基之间便产生了接触应力。它既是基础作用于地基
11、的基底压力，同时又是地基反作用于基础的基底反力。因此，在计算地基中的附加应力以及设计基础结构时，都必须研究基底压力的分布规律。基底压力分布是与基础的大小和刚度，作用于基础上荷载的大小和分布、地基土的力学性质以及基础的埋深等许多因素有关。关于这些因素的影响，将在第七章中详细讨论。根据弹性力学中圣维南原理，在地表下一定深度处，土中应力分布与基础底面上荷载分布的影响并不显著，而只决定于荷载合力的大小和作用点位置。因此，对于具有一定刚度以及尺寸较小的柱下单独基础和墙下条形基础等，其基底压力可近似地按直线分布的图形计算，即按下述材料力学公式进行简化计算。3.3.13.3.1 基底压力的简化计算基底压力的
12、简化计算3.3.1.1 中心荷载下的基底压力中心荷载下的基础，其所受荷载的合力通过基底形心。 (a)(a)内墙或内柱基础；内墙或内柱基础；(b)(b) 外墙或外柱基础外墙或外柱基础图图 3-53-5 中心荷载下的基底压力分布中心荷载下的基底压力分布基底压力假定为均匀分布(图 3-5)，此时基底平均压力设计值(kPa)按下式计算： AGFp (3-5)式中 F作用在基础上的竖向力设计值，kN，G基础自重设计值及其上回填土重标准值的总重，kN，G=AdG其中G为基础及回填土之平均重度，一般取 20kNm，但在地下水位以下部分应扣去浮力为 10kNm，d为基础埋深，必须从设计地面或室内外平均设计地面
13、算起，m；A基底面积，m，对矩形基础lbA ，l和b分别为矩形基底的长度和宽度，m。对于荷载沿长度方向均匀分布的条形基础，则沿长度方向截取一单位长度的截条进行基底平均压力设计值 P(kPa)的计算，此时式(3-5)中 A 改为 b(m)，而 F 及 G 则为基础截条内的相应值(kNm)。3.3.1.2 偏心荷载下的基底压力对于单向偏心荷载下的矩形基础如图 3-6 所示。图图 3-63-6 单向偏心荷载下的矩形基底压力分布图单向偏心荷载下的矩形基底压力分布图设计时，通常基底长边方向取与偏心方向一致，此时两短边边缘最大压力设计值maxp与最小压力设计值minp(kPa)按材料力学短柱偏心受压公式计
14、算：WM lbGF pp minmax(3-6)式中 F、G、l、b符号意义同式(3-5)；M作用于矩形基底的力矩设计值，kNm；W基础底面的抵抗矩，32 ,6mblW 。把偏心荷载(如图中虚线所示)的偏心矩GFMe 引入式(3-6)得：)61 (minmax le lbGF pp (3-7)由上式可见，当el/6 时，按式(3-7)计算结果，距偏心荷载较远的基底边缘反力为负值，即0minp如图3-6(c)中虚线所示。由于基底与地基之间不能承受拉力，此时基底与地基局部脱开，而使基底压力重新分布。因此，根据偏心荷载应与基底反力相平衡的条件，荷载合力 F+G 应通过三角形反力分布图的形心见图 3-
15、6(c)中实线所示分布图形，由此可得基底边缘的最大压力maxp为：bkGF 3)(2pmax (3-8)式中k单向偏心荷载作用点至具有最大压力的基底边缘的距离，m。矩形基础在双向偏心荷载作用下，如基底最小压力maxp、minp、1p、2p(kPa)，可按下列公式计算(图 3-7)：图 3-7 矩形基础在双向偏心荷载下的基底压力分布图yyxxMM lbGF ppWWminmax (3-9)yyxxMM lbGF ppWW21 (3-10)式中 yxMM ,荷载合力分别对矩形基底yx,对称轴的力矩设计值，kNm；yxWW ,基础底面分别对yx,轴的抵抗拒，m。3.3.23.3.2 基底附加压力基底
16、附加压力 建筑物建造前，土中早已存在着自重应力。如果基础砌置在天然地面上，那未全部基底压力就是新增加于地基表面的基底附加压力。一般天然土层在自重作用下的变形早已结束，因此只有基底附加压力才能引起地基的附加应力和变形。实际上，一般浅基础总是埋置在天然地面下一定深度处，该处原有的自重应力由于开挖基坑而卸除。因此，由建筑物建造后的基底压力中扣除基底标高处原有的土中自重应力后，才是基底平面处新增加于地基的基底附加压力。图图 3-83-8 基底平均附加应力的计算基底平均附加应力的计算基底平均附加压力设计值0p值(kPa)按下式计算(图 3-8)：dpppc00(3-11)式中p基底平均压力设计值，kPa，c土中自重应力标准值，基底处c=d0，kPa;0基础底面标高以上天然土层的加权平均重度，0
