土力学地基的沉降计算黑白资料学习教案

1、土力学地基的沉降计算黑白土力学地基的沉降计算黑白(hibi)资料资料第一页，共60页。 仁寿县城体育馆附近的新开发楼盘泉倾天下(tinxi)11号楼，因土层受力不均衡，建筑物垂直度偏差超出规范范围，发生偏斜。开发商请来相关专家，采用千斤顶支撑楼房长达两个月。 1、为什么要研究(ynji)土的压缩性地基沉降（竖向位移）第1页/共60页第二页，共60页。建筑物的不均匀沉降(chnjing)墨西哥城第2页/共60页第三页，共60页。2m4mPalacio de las Bellas Artes,Mexico City墨西哥城(m x chn)艺术宫的下沉 墨西哥城下的土层为：表层为人工(rngng)

2、填土与砂夹卵石硬壳层，厚度5m，其下为火山灰形成的超高压缩性淤泥，天然孔隙比高达712，含水率150600%，层厚达数十米。该艺术宫沉降量高达4m，并造成邻近的公路下沉2m。2、如何得出土(ch t)的压缩量？理论计算、试验推出、实测第3页/共60页第四页，共60页。第一节 土的压缩性 compressibility指在压力(yl)作用下土的体积减小。 压缩性的原因(yunyn)： 土颗粒(kl)的压缩 孔隙气体或水的压缩： 孔隙的减小0对大多数土来说，被排出压缩性颗粒位置的调整伴随着孔隙气体及水的排出第4页/共60页第五页，共60页。1、压缩(y su)试验及压缩(y su)曲线获取规律推算

3、s和e刚性(n xn)护环加压活塞(husi)透水石环刀底座透水石土 样荷 载 压缩仪 oedometer 构造第5页/共60页第六页，共60页。0s01hhe111he011hse01001eeshe或1000(1)seeeh0e101 esh0h0p1e111 esh1h1ps压缩(y su)量计算公式压缩(y su)曲线e的变化(binhu)量001 eshAhAhes0011ep0e0p1e1p加一层第6页/共60页第七页，共60页。 压缩系数 coefficient of compressibility 01v10eeappep 1010eepp ddep ep0e0p1e1p 标准

4、(biozhn)压缩系数a1-20100kPap 1200kPap 2、压缩指标 (理论(lln)计算得Es) 0.1 0.5低压缩性中压缩性高压缩性11 2/MPaa较小时曲线近似直线，av为常数01ppp第7页/共60页第八页，共60页。 压缩(y su)模量 modulus of compressibility 完全侧限时，土的应力(yngl)与应变之比。0sv1VeEa2s2(1)1EE材料名称材料名称C20砼砼较硬粘土较硬粘土密实砂密实砂密实砾、石密实砾、石变形模量变形模量( (MPa) )260008155080100200 体积(tj)压缩系数： coefficient of v

5、olume compressibility 压缩系数、体积压缩系数、压缩模量、变形模量是否为常数？vv01+amepp压缩模量变形模量1s2ssEE侧向约束体应变比垂直压力Vpee110与体积比广义虎克定律P90-91压缩模量变形模量第8页/共60页第九页，共60页。01001eeShe0101zeeev01ape01v10eeapp0v1zepasEv1m0sv1 eEa证 明压缩(y su)模量无侧向变形0hsz定义(dngy)P96zzsEzzsE定义(dngy)P96第9页/共60页第十页，共60页。1()1()1()xxyzyyxzzzxyEEE 2s2(1)1EE 广义(gungy

6、)Hooke定律 P90 xzy证 明2s2(1)1EE变形(bin xng)模量三个方向变形(bin xng)0 xy1xyz2211zzzsEE压缩(y su)模量无侧向变形sE第10页/共60页第十一页，共60页。epelg p土样从地层(dcng)中取出cC1sC1cpcp前期固结压力preconsolidation pressurecC压缩指数compression indexsC膨胀指数swelling index3、应力历史(lsh)对粘性土压缩性的影响加载压缩(y su)卸载回弹重新加载半对数坐 标卸载回弹膨胀转折点上 曲下直线直线斜率回弹斜率历史曾受过的最大压力第11页/共6

7、0页第十二页，共60页。elg pcp0p0p0p当前(dngqin)地表h0ph过去地表过去地表c0pp正常(zhngchng)固结土 normally consolidated clayc0pp欠固结( ji)土 under consolidated clayc0pp超固结土over consolidated clay超固结比 over consolidation ration P94c0pOCRp现存覆盖压力e0较大, 疏松e0较小, 密实原 压实后被冲刷掉可再固结第12页/共60页第十三页，共60页。cp/2/200.42e0e现场(xinchng)压缩曲线室内压缩(y su)曲线土样

8、不受扰动(rodng)影响cC4、前期固结压力的确定及现场压缩曲线的推求elg p正常固结卡萨格拉德Casagrande1936曲率最大切线水平线对角线与直线段交点A过交点作垂线以 作水平线0e不真实须校正第13页/共60页第十四页，共60页。sC/2/2现场压缩(y su)曲线00.42eelgp0e室内压缩曲线0pcpcC超固结( ji)第14页/共60页第十五页，共60页。0pelg p0ecC5、e-lgp 法计算土层(t cn)压缩量 P93正常(zhngchng)固结0pp ec00lg()lgeCppp0c0lgppeCp 001eshe c()p斜率(xil)在现存覆盖压力 基

9、础上增加0pp01001eeshe第15页/共60页第十六页，共60页。0pcpelgpsC0ecC超固结( ji) P941e2e1p2p11s0lgpeCp10()pppc22sc0clglgppeCCpp20()ppp001eshe 在现存覆盖压力 基础上增加0pp膨胀系数(png zhng xsh)压缩系数1cpp当2cpp当回复(huf)到历史加载超过目前的加载两种情况第16页/共60页第十七页，共60页。cpelg p0ecC欠固结( ji) P940pp 0cclgppeCp 001eshe 0p1e2e12eee 01cclgpeCp02c0lgppeCp在现存覆盖压力 基础上

10、增加0pp包括(boku)两部分：欠固结部分在 下继续固结0p 下固结后 下再固结0pp第17页/共60页第十八页，共60页。第二节 试验方法测定(cdng)土的变形模量确定(qudng)变形模量现场试验室内试验荷载试验旁压试验三轴试验P 95第18页/共60页第十九页，共60页。反压重物(zhn w)反力粱千斤顶百分表荷载(hzi)板基准(jzhn)粱现场荷载试验用得较多第19页/共60页第二十页，共60页。压力p沉降sapkp2014EpDS2012EpBS圆形压板(y bn)方形压板(y bn)直线(zhxin)弹性曲线塑性破坏荷载极限荷载直径边长选择弹性段p和s表4-6第20页/共60

11、页第二十一页，共60页。(2) 方法(fngf)二：(1) 方法(fngf)一：0zsh1. 查手册(shuc)第3章zzsE0sv1eEa2. 室内试验3. 现场试验01v10eeapp2014EpDS沉降计算总结01001eeshe正常固结土欠固结土超固结土 e-lgp e-p 室内试验第21页/共60页第二十二页，共60页。第三节 地基沉降计算(j sun)分层总和法zs1ds1、基本原理（1）基础(jch)中心处的沉降代表基础(jch)的沉降。（2）中心土柱完全侧限，其压缩(y su)量为 竖向沉降。 基本假设 沉降计算0dsss2s3s4snc0dhsn1iis 计算深度hc如何确定

12、是关键！？至变形很小、可忽略不计的深度。无侧向膨胀，直接利用压缩试验的结果。chP 100如何分层?各层 E 不同?z第22页/共60页第二十三页，共60页。细砂粘土粉质粘土0ppHHb自重应力zq附加应力z5zzq 计算深度hc影响(yngxing)范围P102第23页/共60页第二十四页，共60页。p土柱的侧限p外 侧无压力(yl)受力对称(duchn)有侧向(c xin)膨 胀无侧向膨 胀力不对称受力对称第24页/共60页第二十五页，共60页。2、计算(j sun)步骤：两步(1) 分层0.4ihb细砂粘土粉质粘土0ppH0ppH1234657890123465789(2) 计算基底净压

13、力(yl) （附加压力(yl)）Hb为什么要分层？为什么要采用(ciyng)基底净压力？ 应力随深度变化。 压缩性随深度变化（包括 同一土层）自重应力zq附加应力zAPp hc和分层计算各s及和第25页/共60页第二十六页，共60页。细砂粘土粉质粘土0ppH1234657890123465789Hb（3）计算原存应力(yngl) （自重应力(yngl)）自重应力zq附加应力z第 i 层ijjjzihHq1第 i 层上的某层（4）计算中心点以下的 附加应力 P83zi（5）确定压缩底层ziziq5第26页/共60页第二十七页，共60页。qzx 均匀满布荷载(hzi)作用下的均质土层是否需要分层？

14、自重应力zq附加应力zep只要(zhyo)压缩曲线不是直线就须分 层第27页/共60页第二十八页，共60页。为什么要采用基底净压力计算地基(dj)沉降？开挖(ki w)前开挖(ki w)H修建加载过程0Hpp地基应力zqzq()zHzq()zzqpH沉降忽略不计（卸载后）再加载地基沉降()zzqH()zzqpH 结 论 （1）在 p 的作用下，地基的变形可分为两个阶段：0H为卸载后再加载，所产生的沉降忽略不计；H p 土层的变形为地基沉降。 （2）基底荷载H p，地基中的应力状态由 qz qz+z(p- H )。卸 载再加载卸载zq应力场()zzqH( )zp(应力场复原)加载新加载新加载原覆

15、土沉降已完成第28页/共60页第二十九页，共60页。 确定压缩底层 (压缩层厚度(hud)hc)方法zz5iiq目标(mbio)：之下土层的变形可忽略不计。方法(fngf)： 附加应力控制：00.1zp缺点：不能直接反映土层性质变化对hc的影响。 附加应力及自重应力控制：或zz10iiq（软弱地基）铁路桥涵地基和基础设计规范缺点：不能直接反映土层性质变化对hc的影响。第29页/共60页第三十页，共60页。c/40zhSS 由底层(d cn)相对压缩量控制：建筑(jinzh)地基基础设计规范下部有软弱土层(t cn)时继续计算。 经验公式：c(2.50.4ln )hbb优点：能够反映出土层 变化

16、对hc的影响。 在hc范围内有基岩等不可压缩土时：算至其顶面。zch最底层沉降量总沉降量第30页/共60页第三十一页，共60页。（6）计算(j sun)每一层土的压缩量 方法1室内试验 利用ep压缩(y su)关系1211iiiiieeshe问题(wnt)1：如何确定e1i、e2i ?ziqz( -1)iqziz( -1)izz(1)z1()2iiiqqqzz(1)z1()2iiii-1iihi自重应力附加应力e1i初始状态自重应力e2i终止状态自重应力附加应力 （基底净压力产生）第31页/共60页第三十二页，共60页。ziqziziq问题(wnt)2：为何采用平均值 ?ep1ieziqziz

17、iq2ie同一层中的应力分布(fnb)不均匀。2ie1ie第32页/共60页第三十三页，共60页。 方法(fngf)2：利用 e-lgp 曲线室内试验正常(zhngchng)固结土c1lg1iziziiiizihqsCeq欠固结( ji)土ziziciqp1lg1iziziiciizihqsCeqziziciqp1(lglg)1iciziziisiciizicihpqsCCeqp超固结土e第33页/共60页第三十四页，共60页。 方法(fngf)3：利用压缩模量Es、变形模量E 理论方法(fngf)1211iiiiieeshe问题：对同一土层， Es、E是否(sh fu)为常数? 同一层中，将

18、Es、E作为常数，只是一种简化算法。实际上，深度不同，应力(yngl)状态就不同，Es、E也随之而变。v11iziiiahesziiihE2s2(1)1EE22(1)1iziiiiishEziiiihEi 利用压缩模量EssziiiishE 利用变形模量EziiiiishEep第34页/共60页第三十五页，共60页。（7）计算(j sun)总沉降量1niiss第35页/共60页第三十六页，共60页。0ppHHbzi-1izi-1zihidz( )ddzisizzsE1diiziizss dz1( )diizzsizzzE0( )k z p10( )diizsi zpk zzE1000( )(

19、)iizzsipk z dzk z dzE101100( )/( )/iizziiiisipzk z dz zzk z dz zE第四节 建筑(jinzh)地基基础设计规范第36页/共60页第三十七页，共60页。011()iiiisipzzE0( )/iziik z dzz0111()nisiiiisipszzE沉降经验修正(xizhng)系数经验或压缩(y su)层内平均压缩(y su)模量 P105 表4-7（1）中等(zhngdng)强度地基ss计实（2）软弱地基（3）坚实地基ss计实ss计实P106 表4-8第37页/共60页第三十八页，共60页。b第五节 沉降(chnjing)差和倾

20、斜沉降差：同一建筑(jinzh)中两相邻基 础沉降量的差。倾 斜：同一基础(jch)两端沉降量 之差与其距离之比。AsBsc1c2ABtanssb倾斜度AB0s分层总和法计算第38页/共60页第三十九页，共60页。偏心(pinxn)荷载不均匀(jnyn)地层假 设A02tanssc+两端(lin dun)沉降B01tanssc基 岩相对沉降量,有侧向膨胀 P110如何求两端沉降？SSSBABA分层总和法计算第39页/共60页第四十页，共60页。 相邻(xin ln)基础沉降影响 两座建筑物同时(tngsh)修建时本建筑产生的附加应力对方建筑产生的附加应力 建筑物在对方地基中产生附加(fji)应

21、力，且较近一端下的附加(fji)应力较大，较远一端较小，两建筑物向内倾斜。第40页/共60页第四十一页，共60页。 在旧建筑(jinzh)旁修新建筑(jinzh)旧建筑(jinzh)新建筑(jinzh)本建筑产生的附加应力对方建筑产生的附加应力本建筑产生的自重应力 对新建筑，旧建筑在其地基中产生的附加应力相当于原存压力，对新建筑沉降的影响不大（因旧已完成沉降）。 对旧建筑，在较近的一端，新建筑在其下产生的附加应力较大，而较远一端较小，故旧建筑向新建筑倾斜。例：成都两楼接近第41页/共60页第四十二页，共60页。第六节 饱和(boh)粘土的渗透固结理论固结：consolidation，原意(yu

22、ny)即为压缩。 饱和粘土(zhn t)： 在土粒静水或缓慢流水环境中沉积，并经化学作用形成的粘性土或粉土，通常称为软土。st砂 土饱和粘土特 点：孔隙比大(e1)，含水量高(wwL)。Mexico City clay：e =712，w =150600%。工程特性：压缩性高，强度低，渗透性差。地基沉降持续时间长原 因：孔隙水的排出土发生压缩。孔隙水压消散抗剪强度提高。渗透固结问题：为什么透性差的土其变形完成所需的时间长？搞清沉降时间 例：高铁路基第42页/共60页第四十三页，共60页。 MIT 校园10号建筑物及其沉降曲线 该建筑在1915年建成后的10年中，一直以较大的速率沉降，并引起相当大

23、的惊慌(jnghung)。Terzaghi于1925年首次到美国后，通过检查和分析，正确地预测出其沉降速率将逐渐减小。第43页/共60页第四十四页，共60页。1、 Terzaghi一维（单向）固结( ji)理论 固结( ji)模型和固结( ji)过程结 论 ： 随着固结过程的进行： 孔隙水压逐渐(zhjin)消散，最终至0。 有效应力逐渐(zhjin)增大，最终与总应力相等。 变形随固结过程逐渐(zhjin)增大，最终达到稳定。 第44页/共60页第四十五页，共60页。 一维固结( ji)方程基本(jbn)假设：（1）粘土(zhn t)层均质、饱和。（2）土粒和水不可压缩。（3）水的渗透和土的

24、压缩只沿竖向发生。 （一维固结）（4）渗透服从 Darcy 定律，且 k 保持不变。（5）压缩系数av保持不变。（6）外荷载一次瞬时施加。第45页/共60页第四十六页，共60页。puppu0tup00t 0 up 0pt0u p孔 隙孔隙水土骨架总应力(yngl)p时 间应力或沉降孔隙(kngx)水压u有效应力位 移u孔隙(kngx)水压 pore water pressure超静水压Excess hydrostatic pressure有效应力effective stress活塞排水孔容器弹簧和水反力承担uP加压后第46页/共60页第四十七页，共60页。pzzdz11wudhdzz砂砂饱和(

25、boh)粘土HH一维固结( ji)理论分析先分析超静水压 u水的反力 u 为时间 t 和位置 z 的函数，即tzuu,横截面wuh孔隙(kngx)水压加压后的叫法wuh第47页/共60页第四十八页，共60页。dz1vvdzzvd(d ) 11dvvQvzvzzz 1ddwuhzzwd1dhuizz22wkudQdzz 单元体内(t ni)水量的变化dQ由Darcy定律(dngl)问题(wnt)：为什么可以取单位面 积，而不需取为dxdy?一维固结问题目标：建立以孔隙水压u为未知量的固结方程。流入水量流出水量流速1A?kiv wuhLhizukvw第48页/共60页第四十九页，共60页。1dz1

26、edze11dze 单元体体积(tj)的变化 dV()()11edzdVdzetete1vvauudVdzmdzettvdead vdea d ( , )( , )( , )z tz tu z tdduvdea du11edzet土粒高度(god)保持不变由均匀满布荷载产生的附加应力沿深度不变两边(lingbin)微分pdzeeVee111颗粒体积不变单位时间孔隙体积仅为孔隙变小第49页/共60页第五十页，共60页。 由dQ=dV 建立(jinl)固结方程22wkudQdzzvudVmdzt22vuuCzt固结( ji)系数(m2/年，cm2/年)coefficient of consolid

27、ation 初始条件0( , )tu z tp 边界条件0( , )0zu z t2( , )0zHu z t双面排水时土单元始终处于饱和状态，孔隙体积变化(binhu)等于水体积变化(binhu) 固结方程0(1)vvwvwkekCamH 为粘土厚度的一半0( , )0zu z t/0z Huz单面排水时H 为粘土的厚度第50页/共60页第五十一页，共60页。2012sin()exp()VmMzupM TMH2VVc tTH(21)2Mm时间(shjin)因数 time factor无量(wling)纲量 H的确定(qudng)双面排水时，取粘土层厚度的一半。单面排水时，取粘土层的厚度。 饱和粘土层中孔隙水压力深度第51页/共60页第五十二页，共60页。zp砂砂饱和粘土HHu2012sin()exp()VmMzupM TMHpuu0t t 0t p第52页/共60页第五十三页，共60页。zp砂基岩饱和粘土Hupu0t t 0t 单面排水时的孔隙水压力(yl)分布第53页/共60页第五十四页，共60页。2、固结( ji)度及饱和粘土地基的沉降过程 （1）固结( ji)度 percent consolidation,degree of consolidation 一点(y