土力学课件(6地基变形)

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1、,第六章 地基变形,6.1 概述,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,地基土厚度、结构,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,土的特点 （碎散、三相）,沉降具有时间效应沉降速率,第六章 地基变形,6.1 概述,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。左侧建筑物于1969年加固。,墨西哥某宫殿,左部：1709年；右部：1622年；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

2、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,第六章 地基变形,6.2 地基变形的弹性力学公式,自学,（详见P138-142）,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,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。,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，体积不变)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

3、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 ：瞬时沉降,Ss: 次固结沉降,Sc：主固结沉降,主固结沉降 最终沉降( t ; u=0; =) 最大沉降(基础中轴线上) 一维（单向）,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,基础最终沉降量的含义：,这样做的理由：,适用条件广 指标易取得 实践经验多,精度能满足要求 其它方法也有缺点,6.3.1 分层总和法计算最终沉降量,基本假定: （1）、土的压缩完全是由于孔隙体积减小导致骨架变形的结果，土粒本身的压缩可忽略不计； （2）、土层仅产生竖向压缩，而无侧向变形； （3）、土层均质且在土层厚度范围内，压力是均匀分布的

4、。,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,1、分层总和法单向压缩基本公式,p122(5-6b),6.3.1 分层总和法计算最终沉降量,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,由e-p或e-lgp曲线求得,1、分层总和法单向压缩基本公式,6.3.1 分层总和法计算最终沉降量,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,确定：,测定： e-p曲线或者e-lgp曲线,查定：,算定：,分层总和法基本思路,将压缩层范围内的地基分层，计算每一分层的压缩量，然后累加得总沉降量。,1、分层总和法单向压缩基本公式,6.3.1 分层总和法计算最终沉降量,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,1、分层总和法

5、单向压缩基本公式,6.3.1 分层总和法计算最终沉降量,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,计算步骤,(a)计算地基中自重应力分布,(b)基底附加压力p0,p0 = p - d,(c)确定地基中附加应力z分布,自重应力,附加应力,(d)确定计算深度zn, 一般土层：z=0.2 sz； 软粘土层：z=0.1 sz； 基岩或不可压缩土层。,沉降计算深度,sz从地面算起；,z从基底算起； z是由基底附加应力 p-d 引起的,1、分层总和法单向压缩基本公式,6.3.1 分层总和法计算最终沉降量,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,计算步骤,(a)计算原地基中自重应力分布,(b)基底附加压力

6、p0,(c)确定地基中附加应力z分布,(d)确定计算深度zn,(e)地基分层Hi,不同土层界面； 地下水位线； 每层厚度宜0.4B； z 变化明显的土层，适当取小。,(g) 各层沉降量叠加Si,(f)计算每层沉降量Si,szi,zi,Hi,P143【例题6-1】 自学,2、分层总和法规范修正公式,6.3.1 分层总和法计算最终沉降量,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,(建筑地基基础设计规范) (GB50007-2002),规范法的修正之处: (1)引入了地基平均附加应力系数 ; (2)按”地基变形”确定计算深度 zn; (3)引入沉降计算经验系数s，使计算结果更接近实际。,（1） 规范

7、法的计算公式,2、分层总和法规范修正公式,6.3.1 分层总和法计算最终沉降量,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,(6-14),2、分层总和法规范修正公式,6.3.1 分层总和法计算最终沉降量,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,式中：,注意:,是角点下的平均附加应力系数即是: L/b; z/b的函数。 （查表6-5和6-6）如果所求点不在角点下时，要用“角点法”。 对均布荷载长为“L”，短为”b“。 对三角形分布荷载，”b“为三角形分布荷载的一边。且i1是零荷载角点下，i2是最大荷载角点下。 对条形基础，查L/b=10的一列。,2、分层总和法规范修正公式,6.3.1 分层总和法

8、计算最终沉降量,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,（2）压缩层计算深度Zn的确定,（6-18）,（3）沉降计算经验系数s的确定,2、分层总和法规范修正公式,6.3.1 分层总和法计算最终沉降量,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,根据地区沉降经验确定 查表,P152【例题6-2】 自 学,第六章 地基变形,6.3 基础最终沉降量,6.3.2 应力历史法计算基础最终沉降量 6.3.3 斯肯普顿比伦法计算基础最终沉降量 6.3.4 讨论,6.4 路基的沉降和位移,自学,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,要回答的问题: 达到最终沉降所需的时间 经某一段时间的沉降量 达到某

9、一沉降量所需的时间,6.5.1 饱和土中的有效应力,基本概念：,粒间应力（interparticle stress）由骨架颗粒间接触点传递的应力。 有效应力（effective stress）指这种对土体的变形和强度变化有效的粒 间应力。 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。它不随时间而 变化。 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压力。,土,孔隙水,固体颗粒骨架,+,三相体系,对所受总应力，骨架和孔隙流体如何分担？,孔隙气体,+

10、,总应力,总应力由土骨架和孔隙流体共同承受,它们如何传递和相互转化？,它们对土的变形和强度有何影响？,受外荷载作用,Terzaghi （1923） 有效应力原理 固结理论,土力学成为独立的学科,孔隙流体,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.1 饱和土中的有效应力,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.1 饱和土中的有效应力,1. 有效应力原理,PS,PSV,a,a,PS,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,6-48a,1、饱和土体内任一平面上

11、受到的总应力可分为有效应力和孔隙水压力两部分，两者之间的关系总满足：,2、土的压缩变形和强度变化都只取决于有效应力的变化。,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.1 饱和土中的有效应力,1. 有效应力原理,Terzaghi有效应力原理要点,举例,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.1 饱和土中的有效应力,2. 土中水渗流时的土中有效应力,1. 自重应力情况,(1) 静水条件 地下水位,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

12、缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因。,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.1 饱和土中的有效应力,2. 土中水渗流时的土中有效应力,海洋土,(1)静水条件,wH1,wH1,=-u =wH1+satH2-wH =satH2-w(H-H1) =(sat-w)H2 =H2,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.1 饱和土中的有效应力,2. 土中水渗流时的土中有效应力,毛细饱和区,(1)静水条件,毛细饱和区,总应力,孔隙水压力,有效应力,+,-,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.1 饱和土中的有效应力,2. 土中水渗流时的土中有效应力

13、,H,h,砂层，承压水,粘土层 sat,H,h,砂层，排水,sat,(2) 稳定渗流条件,向上渗流,向下渗流,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.1 饱和土中的有效应力,2. 土中水渗流时的土中有效应力,(2) 稳定渗流条件,土水整体分析,A,向上渗流:,向下渗流:,渗流压密,渗透压力:,思考题：水位骤降后，原水位到现水位之间的饱和土层用什么容重？,取土骨架为隔离体,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,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.1 饱和土中的有效应力,2. 土中水渗流时的土中有效应力,(2)

14、 稳定渗流条件,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.1 饱和土中的有效应力,3. 饱和土固结时的土中有效应力,实践背景：大面积均布荷载,p,不透水岩层,饱和压缩层,z=p,p,侧限应力状态,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.1 饱和土中的有效应力,3. 饱和土固结时的土中有效应力,物理模型：,钢筒侧限条件，代表土体 弹簧土骨架，其刚度代表土的压缩性大小 水体完全饱和的孔隙水 带孔活塞排水顶面，无重量，无摩擦 活塞小孔渗透性大小,p,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.1 饱和土中的有效应力,3. 饱和土固结时的土中有效应力,p,p,

15、附加应力:z=p 超静孔压: u = 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,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.1 饱和土中的有效应力,3. 饱和土固结时的土中有效应力,思考：下图中u 、怎样变化？,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.2 一维固结理论,土层均匀且完全饱和； 土颗粒与水不可压缩； 变形是单向压缩（水的渗出和土层压缩是单向的）； 荷载均布且一次施加；假定z = const 渗流符合达西定律且渗透系数保持不变； 压缩系数a是常数； 土体变形完全是由土层中超静孔隙水压力消散引起的。,1.基本假定：,求解思路：,总应力已知,有效应力原理,超静孔隙水压力的时空分布,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.2 一维固结理论,2.建立方程：,第6章 地基变形,6.5 地基变形与时间的关系,6.5.2 一维固结理论,2.建立方程：,流入和流出单元土体的水量分别为:,流入,流出,已知单元体中孔隙体积Vw（cm3）的