土的压缩性与地基沉降计算(最新)

1、,地基与基础工程 Soil Mechanics and Foundation Engineering,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.,如果在地基上修建建筑物，地基土内各点不仅要承受土体本身的自重应力，而且要承担由建筑物通过基础传递给地基的荷载产生的附加应力作用，这都将导致

2、地基土体的变形。 在附加应力作用下，地基土土体变形，从而将引起建筑物沉降。 为什么要研究沉降？ 基础的沉降量或者各部位的沉降差过大，那么将影响上部建筑物的正常使用，甚至会危及建筑物的安全。,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,土的特点 （碎散、三相）,沉降具有时间效应沉降速率,3.1 土的压缩性,土压缩的原因,固体土颗粒本身被压缩,土孔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

3、,土压缩变形主要是孔隙中水和空气被挤出，致使土孔隙体积减小而引起的。,2、固结与固结度,饱和土在荷载作用后的瞬间，孔隙中水承受了由荷载产生的全部压力，此压力称为孔隙水压力或超净水压力（u）。 孔隙水在超净水压力作用下被排出，同时使土粒骨架逐渐承受这部分压力，此压力称为有效应力（）。 在有效应力增加的过程中，土粒孔隙被压密，土的体积被压缩。所以土的固结过程就是超净水压力消散而转为有效应力的过程。,（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， =u而=0。随着时间的增长，u下降，而增长。当固结变相稳定时，

4、u=0而=，由此可见饱和土压密过程（固结）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st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01，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。,二、室内压缩试验与压缩性指标,侧限压缩试验,侧限压缩仪（固结仪）,固结容器： 环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等 加压设备：杠杆比例1:10 变形测量设备,支架,加压设备,

5、固结容器,变形测量,二、室内压缩试验与压缩性指标,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、压缩试验与e-p曲线,研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律,Vve0,Vs1,Vvei,Vs1,受荷后土样的高度变化: 设初始高度h0,受压后的高度hi,则hi=h0si, si为每级荷载作用下的变形量,土样体积在受压前后不变,其中,由于逐级（一般为6级）施加荷载在不同压力p作用下，可得到相应的孔隙比e，根据一一对应关系，以横座标表示压力，以纵座标表示孔隙比，绘制e-p曲线，称为压缩曲线,试验过

6、程中的两个基本条件:受压前后土粒体积不变和土样横 截面面积不变。,e0,pi,残余 变形,e-p曲线,压缩曲线的绘制方式,e - p曲线,弹性 变形,2、压缩性指标,（MPa-1）,1）、压缩系数：,一般取压缩曲线上M1M2两点切线的斜率值，称为土的压缩系数。,实际工程中，往往用割线斜率表示：,p1,p2,e1,e2,M1,M2,e0,e-p曲线,p,e,规范用p1100kPa、 p2200kPa对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性,根据压密定律：在竖向压力变化不大的范围内，孔隙比的 变化量与压力之间的变化量，二者之间的关系近似用一条 直线来代替。,2)、压缩模量Es：,土在完全侧限条件下竖向

7、应力与相应的应变增量的比值。,侧限压缩模量单位： Mpa， Kpa,e1-相当于压力p1的孔隙比： a-相当于压力p1增加至p2时的压缩系数,提示：在工程实际中，p1相当于地基土所受的自重应力，p2则相当于土自重与建筑物荷载在地基中产生的应力和。故（p2- p1）即是地基土所受到的附加应力z。,三.土压缩性的原位测试,现场载荷试验:是在工程现场通过千斤顶逐级对置于地基土上的载荷板施加荷载，观测记录沉降随时间的发展以及稳定时的沉降量s，将上述试验得到的各级荷载与相应的稳定沉降量绘制成p-s曲线，即获得了地基土载荷试验的结果。,地基土现场载荷试验图,反力梁,千斤顶,基准梁,荷载板,百分表,1承压板

8、 2千斤顶 3百分表 4平台 5支墩 6堆载,原位荷载试验装置,基准梁,支墩,承压板,荷载试验pS曲线,o,Pcr,Pu,P,S1,ar,b,c,s,1）荷载板周围的土有明显挤出； 2）荷载p增量很小，但沉降量s却急剧增大： 3）在某一荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准； 4）沉降量与承压板宽度或直径之比（s /b)0.06。,试验加荷标准应符合下列要求： 加荷等级应不小于8级，最带加荷量不应小于设计荷载的2倍； 每级加荷后，按间隔10、10、10、15、15min，以后为每30min读一次沉降量，沉降量0.1mm/h认为稳定可以加下一次荷载； 除第一次，其后每次加荷，对松软土1025k

9、Pa，对坚硬土50kPa。凭观测累计荷载下的沉降量s，直到达到以下状况终止加载：,地基最终沉降量：指地基在建筑物荷载作用下最后的稳定沉降量。计算地基最终沉降量的目的在于确定建筑物最大沉降量、沉降差和倾斜，并将其控制在允许范围内，以保证建筑物的安全和正常使用。 荷载取值：传至基础底面上的荷载效应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合，不应计入风荷载和地震作用。相应的限值应为地基变形永久值。 计算假定：地基中附加应力按均质地基考虑；地基受压后不发生侧向膨胀。,第三节 地基最终沉降量的计算,3.2 地基最终沉降量的计算,最终沉降量S：,t时地基最终沉降稳定以后的最大沉降量，不考虑沉降过程。,不可压

10、缩层,可压缩层,z=p,p,地基表面的竖向变形，称为地基沉降，或基础沉降。,分层总和法：将地基压缩层范围以内的土层划分成若干薄层，分别计算每一薄层土的变形量，最后总和起来，即得基础的沉降量。,一、分层总和法,计算地基最终沉降量的方法：目前一般采用分层总和法和建筑地基基础设计规范GB500072002推荐的方法，兹介绍如下：,1、基本假定和基本原理,一、地基最终沉降量分层总和法,（a）假设基底压力为线性分布 ，认为土质是均匀的 （b）采用基础中心点下附加应力为计算依据 （c）不考虑土的侧向变形，因压缩性指标是在侧限条件下测定的 （d）地基最终沉降量等于各层土沉降量之和：,si第i层土的沉降量,2

11、、计算公式：,最终沉降量：,各分层沉降量：,e1i由第i层的自重应力均值从土的压缩曲线上得到的相应孔隙比 e2i由第i层的自重应力均值与附加应力均值之和从土的压缩曲线上得到的相应孔隙比,Esi第i分层土的压缩模量； zi第i层土上下层面所受附加应力的平均值,3、计算步骤：,czi,zi,hi,(b)分别计算每分层界面处的自重应力和附加应力，并画出应力图形,(c)确定地基中压力层厚度zn。采用应力比:,(a)划分薄层hi,不同土层界面； 地下水位标高处； 每层厚度0.4b(基础宽度）；,(f) 计算地基最终沉降量，实际就是将各薄层土沉降量之和s=Si,(d)计算每薄层土沉降量Si, 一般土层：z

12、/cz 0.2； 软粘土层：z/cz 0.1 ；,zn,二、建筑地基基础设计规范方法,在总结大量实践经验的基础上，对分层总和法的计算结果，作必要的修正。建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）提出的一种计算方法简称“规范法”。,规范法的要点： (1)引入平均附加应力系数的概念 (2)引入一个沉降计算经验系数s则修正后的地基沉降量为：,一般情况：软粘土（应力集中）S偏小, s1 硬粘土（应力扩散）S偏大, s1,沉降计算经验系数,1.计算原理,设地基土层均质、压缩模量不随深度变化，则：,:深度Z范围内竖向附加应力面积A的等代值,:深度Z范围内竖向附加应力系数,，A应力面积,规范法地基沉降

13、计算简图：,2.地基沉降计算深度（地基压缩层厚度）,对于地基的计算深度，即地基压缩层厚度，可分两种情况：, 无相邻荷载的基础中点下: 式中b-基础宽度，适用于1m30m范围。, 有相邻荷载影响:,：在计算深度zn范围内，第i层土的变形值 ：在zn处向上取厚度z土层的计算变形值， z按规定确定。,计算层厚度 z值的选取：,表3-5,或,沉降计算经验系数s,为计算深度范围内压缩模量 的当量值（加权平均值）； Ai为第i层土的附加应力系数面积； fak地基承载力特征值 ； Esi基础底面下第i层土的压缩模量。,在计算地基变形时，应考虑相邻荷载的影响，其值可按应力叠加原理，采用角点法计算。,规范法计算

14、基础沉降量的步骤为：,（1） 计算基底附加应力；（2） 以天然土层作为分层面（即按Es分层）；（3） 确定压缩层厚度zn，采用变形比（4） 分别计算每层土的变形量（5） 计算基础总沉降量,【例3-2】试按规范推荐的方法计算图3-7所示基础的最终沉降量，并考虑基础的影响。已知基础和各承受相应于准永久组合的总荷载值Q=1134kN，基础底面尺寸bl=2m3m，基础埋置深度d=2m。其它条件参见图3-7。 【解】1）计算基底附加压力 基底处总压力 kN/ 基底处土的自重压力 kN/ 基底附加压力,2）计算压缩层范围内各土层压缩量 计算过程参见表3-6。 3）确定压缩层下限 在基底下4m深范围内土层的

15、总变形量 37.8m，在 z=4m处以上 z=0.3m （基础宽度b=2m,查表3-6得z=0.3m）厚土层变形值 0.88mm。,0.025 0.02537.8=0.944,故所取沉降计算深度 zn=4m满足规范要求。,fak=153kN/,Es3=15Mpa 粉质粘土,【例3-2】附图（单位：）,2000,6000,Es2=10Mpa 粉土,Es1=8Mpa 粘土,=18kN/m3,Q=1134kN,2000,2000,2000,3000,2000,2000,= 8.46MPa,查表3-4得,5）计算基础最终沉降量,4）确定沉降计算经验系数 压缩层范围内土层压缩模量的平均值,三、地基沉降与

16、时间的关系,一般建筑物在施工期间完成的沉降量： 砂土可认为其最终沉降量已完成80以上； 低压缩性粘性土已完成最终沉降量的5080； 中压缩性土可以认为已完成2050； 高压缩性土可以认为已完成520。 工程实践中： 计算地基最终沉降量； 根据沉降与时间的关系（主要考虑粘性土），以便 预留建筑物有关部分之间的净空，合理选择连接 方法和施工顺序。,一、建筑物沉降观测,3.3 建筑物沉降观测与地基容许变形值,（1）验证工程设计与沉降计算的正确性； （2）判别建筑物施工的质量； （3）发生事故后作为分析事故原因和加固处理依据。,能够及时发现建筑物变形并防止有害变形的扩大。,1.目的,2.必要性,3.3

17、 建筑物沉降观测与地基容许变形值,（1）埋设地点要靠近观测对象，但必须在建筑物所产生的压力影响范围以外。 （2）在一个观测区内，水准基点3个，埋置深度应与建筑物基础的埋深相应。,（1）根据建筑物的平面形状，结构特点和工程地质条件考虑布置观测点。 （2）一般设置在四周的角点、转角处、纵横墙的中点、沉降缝和新老建筑物的连接处。 （3）数量一般不小于6点，间距一般为812米。,3.水准基点的设置,4.观测点的设置,沉降观测采用精密水准仪，观测精度为0.01。,从浇捣基础后立即开始，民用建筑每增高一层观测一次，施工期间的观测不应少于4次； 工业建筑在不同荷载阶段分别进行观测，施工期间不应少于4次； 竣

18、工后第一年不少于35次； 第二年不少于2次； 以后每年一次，直到稳定。（稳定标准为半年沉降量不超过2）,减速沉降（沉降速率减少到0.05/d以下时）：认为沉降趋于稳定。 等速沉降：导致地基丧失稳定的危险。 加速沉降：表示地基 已丧失稳定，应及时采取措施，防止发生事故。,5.仪器与精度,6.观测次数和时间,7.观测资料的整理,建筑物地基变形的特征，可分为沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜4种。 1.沉降量(mm) 定义:特指单独基础中心的沉降差，以mm为单位； 作用:若沉降量过大，势必影响建筑物的正常使用。,（一）地基变形分类,二、地基允许变形值,2.沉降差(mm) 定义:指同一建筑物中相邻两个基础

19、沉降的差值； 作用:若沉降差过大，建筑物将发生裂缝、倾斜和破坏。,3.倾斜（） 定义:指独立基础在倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值，以表示。 作用:若建筑物倾斜过大，将影响正常使用，遇台风或强烈地震时危及建筑物整体稳定，甚至倾覆。,4.局部倾斜（） 定义:指砖石砌体承重结构，沿纵向6m10m内基础两点的沉降差与其距离的比值，以表示。 作用:若建筑物局部倾斜过大，往往使砖石砌体承受弯矩而拉裂。,图38 基础沉降量,图39 基础沉降差,图311 墙身局部倾斜,图310 基础倾斜,s,倾斜=,l,s,局部倾斜=,l=610m,（二）地基变形允许值,一般建筑物的地基允许变形值可按表3-7规定采用。,1.本表数值为建筑物地基实际最终变形允许值； 2.有括号者仅适用于中压缩性土； 3.l为相邻柱基的中心距离（mm）； Hg为自室外地面起算的建筑物高度（m）。,注：,【例3-3】某独立柱基础如下图示，基础底面尺寸b