土力学相关知识（PDF,共39）

土力学相相关知识识土力学是是以传统统的工程程力学和和地质学学的知识识为基础础，研究究与土木木工程相相关的土土中应力力、变形形以及土土的强度度和稳定定性的应应用分支支。土与建筑筑物的关关系十分分密切。。归纳起起来，土土具有两两类工程程用途：：一是作作为建筑筑物的地地基，在在土层上上修建厂厂房、住住宅等，，由地基基来承受受建筑物物的荷载载；另一一类用土土作为建建筑材料料，来修修筑堤坝坝与路基基，也有有用来修修建房屋屋的。土力学相相关知识识项目一土土中应力力计算土在自身身重力、、建筑物物荷载、、交通荷荷载或其其他因素素的作用用下，均均可产生生土中应应力。注：土是是矿物或或者岩石石碎屑组组成的松松软集合合体，是是岩石经经过风化化、剥蚀蚀、搬运运沉积等等过程后后，形成成的各类类松散的的沉积物物。土中应力力将引起起土体或或基础的的变形，，使得建建筑物或或者构筑筑物产生生沉降、、倾斜或或者水平平位移。。土中应力力计算方方法以及及目的计算的方方法：主要采采用弹性性理论公公式，即即把地基基土视为为均匀的的、各向向同性的的半无限限弹性体体。虽然然与实际际土体情情况有差差别，但但计算结结果能满满足实际际工程的的要求。。计算的目目的:根据上部部荷载的的大小和和分布，，结合地地基土的的工程性性质，计计算附加加应力产产生的地地基变形形值并控控制在允允许范围围内，以以保证建建筑工程程的安全全。强度问题题变形问题题地基中的的应力状状态应力应变变关系自重应力力附加应力力基底压力力计算有效应力力原理建筑物修修建以后后，建筑筑物重量量等外荷荷载在地地基中引引起的应应力，所所谓的““附加””是指在在原来自自重应力力基础上上增加的的压力。。附加应力力是超出出自重应应力的那那部分应应力，附附加应力力使地基基土体产产生沉降降变形。。建筑物修修建以前前，地基基中由土土体本身身的有效效重量所所产生的的应力。。一般来说说，对于于天然沉沉积的土土层，经经过漫长长的地质质年代，，土体已已沉降稳稳定，所所以自重重应力不不会引起起土体的的变形，，但对尚尚未沉降降稳定的的新近沉沉积粘性性土、人人工填土土等欠固固结土，，自重应应力会引引起土体体的沉降降变形。。土力学相关知知识项目一土土中中应力计算土力学相关知知识项目一土土中中应力计算土的分散性影影响：土是三相组成成的分散体，，不是连续的的介质。土中中应力是通过过土颗粒间的的接触而传递递的。但是建建筑物的基础础面积尺寸远远远大于土颗颗粒尺寸。我我们研究的是是计算平面上上的平均应力力，不是颗粒粒间的接触集集中应力，故故可以忽略土土分散性的影影响，近似看看成连续体。。土的非均质性性和非理想弹弹性体的影响响：因为土在形形成过程中中具有各种种结构和构构造，呈现现不均匀性性。而土体体也不是理理性的弹性性体，它是是具有弹塑塑性或黏滞滞性的介质质。但在实实际工程中中土中应力力水平较低低，土体受受压时，应应力-应变的关系系接近于线线性关系。地基土可视视为半无限限体：地基土在水水平方向和和深度方向向相对于建建筑物基础础的尺寸而而言，可以以认为是无无限延伸的的。假定地基土土为半无限限体，即土土体的表面面尺寸和深深度都无限限大，则土土体中所有有竖直面和和水平面都都没有剪应应力的存在在，仅仅有有竖向的自自重应力和和水平方向向的侧向应应力。由此此可知，在在均匀土体体中，土中中某点的竖竖向自重应应力将只与与该点的深深度有关。。天然地面11zzσcz

σcz=

z

1、均质土的的自重应力力计算土体中任意意深度处的的竖向自重重应力等于于单位面积积上土柱的的有效重量量土力学相关关知识项目一土土中应力力计算说明：1.计算自重应应力时,采用天然重重度2.非均质土中中自重应力力沿深度呈呈折线分布布天然地面h1h2h33211h11h1+2h21h1+2h2+3h3土力学相关关知识项目一土土中应应力计算2、分层土的的自重应力力计算说明：1.地下水水位以上土土层采用天天然重度，，地下水位位以下土层层采用浮重重度2.非均质质土中自重重应力沿深深度呈折线线分布土力学相关关知识项目一土土中应应力计算3、有地下水水时分层土土的的自重重应力计算算天然地面h1h2h33

2

1

水位面1h1

1h1+

2h2

1h1+

2h2+3h3

gg土力学相关关知识项目一土土中应应力计算当计算地下下水位以下下土的自重重应力时，，应根据土土的性质确定是否需需要考虑水水的浮力作用。通常认为水水下的砂性性土是应该该考虑浮力力作用的。。粘性土则视视其物理状状态而定：：若水下的粘粘性土其液液性指数IL＞1，则土处于于流塑(液态)状态，土颗粒之间间存在着大大量自由水水，可认为为土体受到水浮力力作用；若IL≤0，则土处于于坚硬(固态)状态，土中自由水水受到土颗颗粒间结合合水膜的阻阻碍不能传传递静水压压力，故认认为土体不受水的浮浮力作用；；若0＜IL＜1，土处于塑性状态，，土颗粒是否否受到水的的浮力作用用就较难肯肯定，在工程实践践中一般均均按土体受受到水浮力力作用来考考虑。若地下水位位以下的土土受到水的的浮力作用用，则水下下部分土的的重度按有有效重度r′计算，其计计算方法同同分层土体体情况。4、当土体中中存在隔水水层时,隔水层面以以下任意点点土的自重重应力按下下式计算:说明：1.隔水层层以上土层层的自重应应力计算方方法不变.2.隔水层层以下土层层的自重应应力突然增增加,其增加值等等于隔水层层面上的静静水压力.土力学相关关知识项目一土土中应应力计算天然地面z侧向向土土压压力力系系数数土力力学学相相关关知知识识项目目一一土土中中应应力力计计算算5、土土中中水水平平自自重重应应力力的的计计算算【例例】】一地地基基由由多多层层土土组组成成，，地地质质剖剖面面如如下下图图所所示示，，试试计计算算并并绘绘制制自自重重应应力力σcz沿深深度度的的分分布布图图土力力学学相相关关知知识识项目一土土中应力力计算土力学相相关知识识项目一土土中应力力计算57.0kPa80.1kPa103.1kPa150.1kPa194.1kPa基底压力力：基础底面面传递给给地基表表面的压压力，也也称基底接触触压力。基底压力力附加应力力地基沉降降变形地基反力力基础结构构的外荷荷载上部结构构的自重重及各种种荷载都都是通过过基础传传到地基基中的。。影响因素素计算方法法分布规律律上部结构构基础地基建筑物设设计暂不考虑虑上部结结构的影影响，使使问题得得以简化化；用荷载代代替上部部结构。。土力学相相关知识识项目二基基底压力力与基底底附加压压力基础底面面压力的的影响因因素基底压力力基础条件件刚度形状大小埋深大小方向分布土类密度土层结构构等荷载条件件地基条件件土力学学相关关知识识项目二二基基底压压力与与基底底附加加压力力抗弯刚刚度EI=∞→→M≠0；反证法法:假设基基底压压力与与荷载载分布布相同同，则则地基基变形形与柔柔性基基础情情况必必然一一致；；分布:中间小小,两端无无穷大大。一、基基础底底面压压力分分布规规律2、弹性性地基基，绝绝对刚刚性基基础基础抗弯刚刚度EI=0→M=0；基础变形能能完全适应应地基表面面的变形;基础上下压压力分布必必须完全相相同，若不不同将会产产生弯矩。。条形基础，，竖直均布布荷载1、弹性基础础，完全柔柔性基础土力学相关关知识项目二基基底压压力与基底底附加压力力—荷载较小—荷载较大砂性土地基基粘性土地基基—接近弹性解解—马鞍型—抛物线型—倒钟型3、弹塑性地地基，有限限刚性基础础土力学相关关知识项目二基基底压压力与基底底附加压力力根据圣维南南原理，基基底压力的的具体分布布形式对地地基应力计计算的影响响仅局限于于一定深度度范围；超超出此范围围以后，地地基中附加加应力的分分布将与基基底压力的的分布关系系不大，而而只取决于于荷载的大大小、方向向和合力的的位置。二、基底底压力的的简化计算算基底压力力的分布布形式十十分复杂杂简化计算算方法：：假定基底压力力按直线分布布的材料料力学方方法基础尺寸寸较小荷载不是是很大土力学相相关知识识项目二基基底压力力与基底底附加压压力中心荷载载作用下下的基底底压力计计算若是条形形基础，，F,G取单位长长度基底底面积计计算G=GAd取室内外外平均埋埋深计算算土力学相相关知识识项目二基基底压力力与基底底附加压压力F+G

eelbpmaxpmin作用于基础底底面形心上的的力矩M=(F+G)∙e基础底面的抵抵抗矩；矩形截面W=bl2/6偏心荷载作用用下的基底压压力计算土力学相关知知识项目二基基底压力与与基底附加压压力讨论：当e<l/6时，pmax，pmin>0，基底压压力呈呈梯形形分布布当e=l/6时，pmax>0，pmin=0，基底压压力呈呈三角角形分分布当e>l/6时，pmax>0，pmin<0，基底出出现拉拉应力力，基基底压压力重重分布布pmaxpmine<l/6pmaxpmin=0e=l/6e>l/6pmaxpmin<0pmaxpmin=0基底压力重分布土力力学学相相关关知知识识项目目二二基基底底压压力力与与基基底底附附加加压压力力基底底压压力力重重分分布布偏心心荷荷载载作作用用在在基基底底压压力力分分布布图图形形的的形形心心上上土力力学学相相关关知知识识项目目二二基基底底压压力力与与基基底底附附加加压压力力基底底附附加加压压力力：：作用用于于地地基基表表面面，，由由于于建建造造建建筑筑物物而而新增增加加的压压力力称称为为基基底底附附加加压压力力，，即即导导致致地地基基中中产产生生附附加加应应力力的的那那部部分分基基底底压压力力FFd实际情况基底附加加压力在在数值上上等于基基底压力力扣除基基底标高高处原有有土体的的自重应应力三、基底底附加压压力计算算土力学相相关知识识项目二基基底压力力与基底底附加压压力dpp00g-=当基底压压力呈梯梯形分布布时，基基底附加加压力基底附加加压力自重应力力土力学相相关知识识项目二基基底压力力与基底底附加压压力在总荷载载不变的的情况下下，基础础埋深越越大，基基底附加加应力越越小，从从而地基基中的附附加应力力越小，，有利于于减小基基础沉降降。故高高层建筑筑常用箱箱型基础础或地下下室、半半地下室室。即减减小基础础自重，，又增加加埋深，，减小基基底附加加压力，，从而减减小基础础沉降。。水面粗砂r=19KN/m3rsat=19.5KN/m3黏土r=19.３KN/m3rsat=19.４KN/m3W=20%,WL=55%,WP=24%bca练习题：：计算如图图所示水水下地基基土中的的自重应应力分布布水面粗砂r=19KN/m3rsat=19.5KN/m3黏土r=19.３KN/m3rsat=19.４KN/m3W=20%,WL=55%,WP=24%bc76KPa176KPa253.2KPaa土力学相相关知识识项目三地地基中的的附加应应力地基附加加应力是是指由外外荷载（（新增建建筑物荷荷载）在在地基中中引起的的土中应应力；是是引起地地基变形形和破坏坏的主要要原因。。计算时的的基本假假定是：：地基土是各向向同性的、均均质的线性变变形体，在深深度和水平方方向是无限延延伸的；采用的计算方方法是根据弹弹性理论推导导的；基础的刚度为为零。一、竖直集中中力作用下的的附加应力计计算yzxoPMxyzrRβM’α土力学相关知知识项目三地地基中的附附加应力查竖向集中力力作用下附加加应力系数表表集中力作用下下的应力分布系数数yzxoPMxyzrRβM’α土力学相关知知识项目三地地基中的附附加应力特点1.P作用线上，，r=0,z=0,σz→∞，z→∞，σz→02.在某一水平平面上，r=0,最大;r↑↑，a减小，σz减小3.在r>0的竖直线上上，z=0,σz=0；随z↑，σz先增加后减减小4.σz等值线－其其空间曲面面形状如泡泡状称为应应力泡PP0.1P0.05P0.02P0.01P土力学相关关知识项目三地地基中中的附加应应力工程应用当基础底面面形状不规规则或荷载载，分布较较复杂时，，可将基底底分为若干干个小面积积，把小面面积上的荷荷载当成集集中力，然然后利用上上述计算附附加应力公公式，进行行叠加，可可求出附加加应力总和和。如果小面积积的最大边边长小于计计算应力深深度的1/3时，用此法法所得的应应力值与正正确应力之之相比，误误差不超过过5%。MiriPiz土力学相关关知识项目三地地基中中的附加应应力在多个相邻邻荷载作用用下，使地地基中附加加应力逐渐渐积聚，称称为附加应应力的积聚聚现象。因因为附加应应力的扩散散和积聚作作用，相邻邻基础将互互相影响，，引起基础础附加沉降降，如新建建建筑物可可能使得相相邻的旧建建筑物产生生裂缝和倾倾斜，这在在软土地基基上尤为明明显和突出出。二、、矩形形面面积积竖竖直直均均布布荷荷载载作作用用下下的的附附加加应应力力计计算算1.角点下的垂直直附加应力矩形竖直向均均布荷载角点点下的应力分分布系数查附加应力系系数表-建筑桩基技术术规范p0Mm=L/B,n=z/B土力学相关知知识项目三地地基中的附附加应力土力学相关知知识项目三地地基中的附附加应力土力学相关知知识项目三地地基中的附附加应力2.任意点的垂直直附加应力——角点法a.矩形面积内b.矩形面积外两种情况：叠加原理角点下垂直附附加应力的计算公公式地基中任意点点的附加应力力角点法土力学相关知知识