土的压缩性与地基沉降计算清楚明了

地基与基础工程SoilMechanicsandFoundationEngineering第三章土的压缩性与

地基沉降计算§3.1土的压缩性§3.2地基最终沉降量§3.3建筑物沉降观测与地基容许变形荷载作用下土体的压缩性;土的压缩试验和固结试验;地基最终沉降量的计算;土的变形与时间关系(一维固结理论)。主要内容:重点：土的压缩性和压缩性指标的确定;用分层总和法和规范法计算基础沉降的;了解固结原理和固结随时间变化的概念.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厚度均匀沉降（沉降量）不均匀沉降（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概述土的特点（碎散、三相）沉降具有时间效应－沉降速率工程实例问题：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多米厚的粘土美国双子大厦受外力撞击建筑物倾斜。§3.1土的压缩性土压缩的原因固体土颗粒本身被压缩土空隙中水及封闭气体被压缩水和气体从孔隙中被挤出土体在压力作用下体积减小的特性称为土的压缩性1、压缩性一、基本概念2、固结与固结度

作用于饱和土体内某截面上总的正应力s由两部分组成：一部分为孔隙水压力u，它沿着各个方向均匀作用于土颗粒上，其中由孔隙水自重引起的称为静水压力，由附加应力引起的称为超静孔隙水压力（孔隙水压力）；另一部分为有效应力σ’，它作用于土的骨架（土颗粒）上，其中由土粒自重引起的即为土的自重应力，由附加应力引起的称为附加有效应力。饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间存在如下关系：（1）任一平面上受到的总应力等于有效应力加孔隙水压力之和；（2）土的变形是有效应力引起的。固结：土的压缩随时间而增长的过程加荷瞬间，σ=u而σ’=0。随着时间的增长，u下降，而σ’增长。当固结变相稳定时，u=0而σ’=σ，由此可见饱和土压密过程实际上是孔隙水压力逐渐消散，有效压力增加的过程，则饱和土完全固结。固结度ut:土的固结过程中某一时间t的固结沉降量s1与固结稳定的最终沉降量s之比称为固结度ut。当t=0时，st=0，则ut=0，即固结完成0%当固结稳定时，st=s,则ut=1.0，即固结基本上达到100%完成。固结度的变化范围为0～1，它表示在某一荷载作用下经过t时间后土体所能达到的固结程度。水槽内环环刀透水石试样传压板百分表逐级施加荷载，至变形稳定测定：竖向压应力竖向变形试验结果：二、室内压缩试验与压缩性指标1、压缩试试验与e-p曲线研究土在在不同压压力作用用下，孔孔隙比变变化规律律Vv＝e0Vs＝1h0/(1+e0)h0V’v＝eiVs＝1hi/(1+e)phisi受荷后土土样的高高度变化化:设初始高高度h0,受压后的的高度hi,则hi=h0—si,si为每级荷荷载作用用下的变变形量土样体体积在在受压压前后后不变变其中由于逐逐级（（一般般为6级）施施加荷荷载在在不同同压力力p作用下下，可可得到到相应应的孔孔隙比比e，根据据一一一对应应关系系，以以横座座标表表示压压力，，以纵纵座标标表示示孔隙隙比，，绘制制e-p曲线，，称为为压缩缩曲线线．试验过过程中中的两两个基基本条条件:受压前前后土土粒体体积不不变和和土样样横截截面面面积不不变。。e0eppi压缩曲线再压缩曲线残余变形e-p曲线压缩曲曲线的的绘制制方式式e-p曲线e-lgp曲线

回弹曲线弹性变形10010000.60.70.80.9eCc11Cee-lgp曲线2、压缩缩性指指标（MPa-1）1）、压缩系系数：：一般取取压缩曲曲线上上M1M2两点切切线的的斜率率值，，称为为土的的压缩缩系数数。实际工工程中中，往往往用用割线线斜率率表示示：土的类别a1-2(MPa-1)高压缩性土≥0.5中压缩性土0.1～0.5低压缩性土<0.1p1p2e1e2M1M2e0epe-p曲线△p△eβ《规范》用p1＝100kPa、p2＝200kPa对应的的压缩缩系数数a1-2评价土土的压压缩性性根据压压密定定律：：在竖竖向压压力变变化不不大的的范围围内，，孔隙隙比的的变化量量与压压力之之间的的变化化量，，二者者之间间的关关系近近似用用一条条直线来来代替替。2）、压缩指指数Cc：10010000.60.70.80.9eCc11Ce压缩指指数Ce回弹指指数（（再压压缩指指数））Ce<<Cc，一般般Ce≈0.1-0.2Cce-p曲线缺缺点：：不能反反映土土的应应力历历史特点：有一段段较长长的直直线段段指标：：3)、压缩模模量Es：土在完完全侧侧限条条件下下竖向向应力力与相相应的的应变变增量量的比比值。侧限压压缩模模量单单位：：Mpa，Kpae1-相当于于压力力p1的孔隙隙比：：a-相当于于压力力p1增加至至p2时的压压缩系系数土的类别ES(MPa-1)低压缩性土≥15中压缩性土4～15高压缩性土≤4三.土压缩缩性的的原位位测试试现场载载荷试试验:是在工工程现现场通通过千千斤顶顶逐级级对置置于地地基土土上的的载荷荷板施施加荷荷载，，观测测记录录沉降降随时时间的的发展展以及及稳定定时的的沉降降量s，将上述述试验验得到到的各各级荷荷载与与相应应的稳稳定沉沉降量量绘制制成p-s曲线，，即获获得了了地基基土载载荷试试验的的结果果。地基土现场场载荷试验验图反力梁千斤顶基准梁荷载板百分表1－承压板2－千斤顶3－百分表4－平台5－支墩6－堆载试验加荷标标准应符合合下列要求求：加荷等级应应不小于8级，最带加加荷量不应应小于设计计荷载的2倍；每级加荷后后，按间隔隔10、10、10、15、15min，以后为每每30min读一次沉降降量，沉降降量＜0.1mm/h认为稳定可可以加下一一次荷载；；除第一次，，其后每次次加荷，对对松软土10～25kPa，对坚硬土土50kPa。凭观测累累计荷载下下的沉降量量s，直到达到到以下状况况终止加载载：荷载试验p～S曲线oPcrPuPS1arbcs1）荷载板周周围的土有有明显基础础；2）荷载p增量很小，，但沉降量量s却急剧增大大：3）在某一荷荷载下，24h内沉降速率率不能达到到稳定标准准；4）沉降量与与承压板宽宽度或直径径之比（s/b)≥0.06。§3.2地基最终沉沉降量的计计算最终沉降量量S∞：t∞时地基最终终沉降稳定定以后的最最大沉降量量，不考虑虑沉降过程程。不可压缩层层可压缩层σz=pp地基表面的的竖向变形形，称为地地基沉降，，或基础沉沉降。1、基本假定定和基本原原理理论上不够够完备，缺缺乏统一理理论；单向压缩分分层总和法法是一个半半经验性方方法。一、地基最最终沉降量量分层总和和法（a）假设基底压压力为线性性分布，，认为土质质是均匀的的（b）采用基础础中心点下下附加应力力为计算依依据（c）不考虑土土的侧向变变形，因压压缩性指标标是在侧限限条件下测测定的（d）地基最终沉沉降量等于于各层土沉沉降量之和和：si第i层土的沉降降量2、计算公式式：最终沉降量量：各分层沉降降量：e1i———由第i层的自重应应力均值从从土的压缩缩曲线上得得到的相应应孔隙比e2i———由第i层的自重应力力均值与附加加应力均值之之和从土的压压缩曲线上得得到的相应孔孔隙比Esi———第i分层土的压缩缩模量；σzi———第i层土上下层面面所受附加应应力的平均值值3、计算步骤：：d地面基底pp0d自重应力附加应力压缩层下限(沉降计算深度）szizihi(b)分别计算每分分层界面处的的自重应力和和附加应力，，并画出应力力图形(c)确定地基中压压力层厚度zn。采用应力比:(a)划分薄层hi①不同土层界面面；②地下水位标高高处；③每层厚度≤0.4b(基础宽度）；(f)计算地基最终终沉降量，实际就是将各各薄层土沉降降量之和s=Si(d)计算每薄层土土沉降量Si①一般土层：σz/σsz≤0.2；②软粘土层：σz/σsz≤0.1；zn二、《建筑地基基础础设计规范》方法在总结大量实实践经验的基基础上，对分分层总和法的的计算结果，，作必要的修修正。《建筑地基基础础设计规范》（GB50007-2002）提出的一种种计算方法——简称“规范法法”。《规范》法的要点：(1)引入平均附加加应力系数的的概念(2)引入一个沉降降计算经验系系数ψs则修正后的地地基沉降量为为：一般情况：软软粘土（应力集中））S偏小,Ψs>1硬粘土（应力扩散））S偏大,Ψs<1沉降计算经验验系数1.计算原理设地基土层均均质、压缩模模量不随深度度变化，则：:深度Z范围内竖向附附加应力面积积A的等代值:深度Z范围内竖向附附加应力系数数,，A—应力面积《规范法》地基沉降计算算简图：2.地基沉降计算算深度（地基基压缩层厚度度）对于地基的计计算深度，即即地基压缩层层厚度，可分分两种情况：：⑵无相邻荷载的的基础中点下下:式中b-基础宽度，适适用于1m～30m范围。⑴有相邻荷载影影响:或：在计算深度度zn范围内，第i层土的变形值值：在zn处向上取厚度度△z土层的计算变变形值，△△z按规定确定。。计算层厚度△△z值的选取：表3-5在计算算地基基变形形时，，应考考虑相相邻荷荷载的的影响响，其其值可可按应应力叠叠加原原理，，采用用角点点法计计算。。规范法法计算算基础础沉降降量的的步骤骤为：：（1）计计算基基底附附加应应力；；（（2）以以天然然土层层作为为分层层面（（即按按Es分层））；（（3）确确定压压缩层层厚度度zn，采用用变形形比（（4）分分别计计算每每层土土的变变形量量（（5）计计算算基础础总沉沉降量量【例】试按规规范推推荐的的方法法计算算图所示基基础Ⅰ的最终终沉降降量，，并考考虑基础Ⅱ的影响响。已已知基基础Ⅰ和Ⅱ各承受相相应于于准永永久组组合的的总荷荷载值值Q=1134KN，基础础底面面尺寸寸b×l=2m×3m,基础埋埋置身身度d=2m。其他条条件见见图。。【解答】⑴、计算基基底压压力基底处处总压压力基底处处土的的自重重压力力⑵、计算压压缩层层范围围内各各土层层压缩缩量计算过过程见见图表表zi

(m)基础Ⅰ基础Ⅱ对基础Ⅰ的影响ain=l/bm=l/baⅠin=l/bm=l/baⅡi01.501.0003.32.0002.01.520.75761.30.00420.76074.01.540.50852.70.01420.52273.71.53.70.53652.50.01300.5495zi

(m)aizi(m)aizi-ai-1zi-1(m)Esi(kPa)△si=p0(aizi-ai-1zi-1)

/Esi(mm)∑△sI(mm)△sn/∑△si002.01.5221.522829.129.14.02.0910.569108.737.83.72.0330.058100.880.023⑶、确定压压缩层层下限限在基底底下4m深范围围内土土层的的总变变形量量，，在处处以上上（（基础础宽度度b=2m，查表表3-5得））厚土土层变变形值值。。故所取取沉降降计算算深度度满满足足规范范要求求。⑷、确定沉沉降计计算经经验系系数压缩层层范围围内土土层压压缩模模量的的平均均值查表3-3得ψs=0.9。⑸、计算基基础最最终沉沉降量量三、土土的沉沉降与与时间间的关关系●饱饱和粘粘性土土地基基在建建筑物物荷载载作用用下要要经过过相当当长时时间才才能达达到最最终沉沉降，，不是是瞬时时完成成的。。为了了建筑筑物的的安全全与正正常使使用，，对于于一些些重要要或特特殊的的建筑筑物应应在工工程实实践和和分析析研究究中掌掌握沉沉降与与时间间关系系的规规律性性，这这是因因为较较快的的沉降降速率率对于于建筑筑物有有较大大的危危害。。例如如，在在第四四纪一一般粘粘性土土地区区，一一般的的四、、五层层以上上的民民用建建筑物物的允允许沉沉降仅仅10cm左右，，沉降降超过过此值值就容容易产产生裂裂缝；；而沿沿海软软土地地区，，沉降降的固固结过过程很很慢，，建筑筑物能能够适适应于于地基基的变变形。。因此此，类类似建建筑物物的允允许沉沉降量量可达达20cm甚至至更更大大。。●碎碎石石土土和和砂砂土土的的压压缩缩性性小小而而渗渗透透性性大大，，在在受受荷荷后后固固结结稳稳定定所所需需的的时时间间很很短短，，可可以以认认为为在在外外荷荷载载施施加加完完毕毕时时，，其其固固结结变变形形就就已已经经基基本本完完成成。。饱饱和和粘粘性性土土与与粉粉土土地地基基在在建建筑筑物物荷荷载载作作用用下下需需要要经经过过相相当当长长时时间间才才能能达达到到最最终终沉沉降降，，例例如如厚厚的的饱饱和和软软粘粘土土层层，，其其固固结结变变形形需需要要几几年年甚甚至至几几十十年年才才能能完完成成。。因因此此，，工工程程中中一一般般只只考考虑虑粘粘性性土土和和粉粉土土的的变变形形与与时时间间的的关关系系。。一、、建建筑筑物物沉沉降降观观测测3.3建筑筑物物沉沉降降观观测测与与地地基基容容许许变变形形值值（1）验验证证工工程程设设计计与与沉沉降降计计算算的的正正确确性性；；（2）判判别别建建筑筑物物施施工工的的质质量量；；（3）发发生生事事故故后后作作为为分分析析事事故故原原因因和和加加固固处处理理依依据据。。能够够及及时时发发现现建建筑筑物物变变形形并并防防止止有有害害变变形形的的扩扩大大。。（1）埋设地点点要靠近近观测对对象，但但必须在在建筑物物所产生生的压力力影响范范围以外外。（2）在一个观观测区内内，水准准基点≥≥3个，埋置置深度应应与建筑筑物基础础的埋深深相应。。（1）根据建筑筑物的平平面形状状，结构构特点和和工程地地质条件件考虑布布置观测测点。（2）一般设置置在四周周的角点点、转角角处、纵纵横墙的的中点、、沉降缝缝和新老老建筑物物的连接处。。（3）数量一般般不小于于6点，间距距一般为为6～12米。1.目的2.必要性3.水准基点点的设置置4.观测点的的设置沉降观测测采用精精密水准准仪，观观测精度度为0.01㎜。民用建筑筑每增高高一层观观测一次次；工业建筑筑在不同同荷载阶阶段分别别进行观观测，施施工期间间不应少少于4次；竣工后第第一年不不少于3～5次；第二年不不少于2次；以后每年年一次，，直到稳稳定。（（稳定标标准为半半年沉降降量不超超过2㎜）减速沉降降（沉降降速率减减少到0.05㎜/d以下时））：认为为沉降趋趋于稳定定。等速沉降降：导致致地基丧丧失稳定定的危险险。加速沉降降：表示示地基已已丧失失稳定，，应及时时采取措措施，防防止发生生事故。。5.仪器与精精度6.观测次数数和时间间7.观测资料料的整理理建筑物地地基变形形的特征征，可分分为沉降降量、