土的變形與地基沉降資料（70頁清楚明了）

1、李新樂土木建筑工程學(xué)院第四章土的變形性質(zhì)與地基沉降計(jì)算1土的壓縮性試驗(yàn)土的壓縮性指標(biāo)地基沉降計(jì)算本章主要內(nèi)容：24.1 概 述自重應(yīng)力壓縮趨于穩(wěn)定附加應(yīng)力導(dǎo)致地基土體變形體積變形由正應(yīng)力引起，會使土的體積縮小壓密，不會導(dǎo)致土體破壞形狀變形形狀變形主要由剪應(yīng)力引起，當(dāng)剪應(yīng)力超過一定限度時(shí)，土體將產(chǎn)生剪切破壞本章討論重點(diǎn)3一、土的壓縮壓縮(compression)： 土在壓力作用下，體積將縮小，這種現(xiàn)象稱為壓縮。土的壓縮性(compressibility)：是指土在壓力作用下體積縮小的特性。4.2 土的壓縮及壓縮指標(biāo)4壓縮量的組成：固體顆粒的壓縮土中水的壓縮空氣的排出水的排出占總壓縮量的1/400

2、不到，忽略不計(jì)壓縮量主要組成部分說明：土的壓縮被認(rèn)為只是由于孔隙體積減小的結(jié)果無粘性土粘性土透水性好，水易于排出壓縮穩(wěn)定很快完成透水性差，水不易排出壓縮穩(wěn)定需要很長一段時(shí)間5二、土的壓縮指標(biāo)為了研究土的壓縮特性，通常需要進(jìn)行試驗(yàn)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)(consolidation test)現(xiàn)場原位試驗(yàn)（荷載試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)）(in-site test)6側(cè)限壓縮試驗(yàn)亦稱固結(jié)試驗(yàn)。所謂側(cè)限，無側(cè)向變形。 室內(nèi)壓縮試驗(yàn)采用的試驗(yàn)裝置為壓縮儀(下圖)。土的壓縮是由于孔隙體積減小，所以土的變形常用孔隙比e表示。1.室內(nèi)壓縮試驗(yàn)側(cè)限壓縮試驗(yàn)7壓縮儀ELE公司8WG型系列單杠桿固結(jié)儀(南京土壤儀器廠) 9K0固結(jié)儀、

3、氣壓固結(jié)儀固結(jié)儀(南京土壤儀器廠) 10剛性護(hù)環(huán)加壓活塞透水石環(huán)刀底座透水石土樣荷載注意：土樣在豎直壓力作用下，由于環(huán)刀和剛性護(hù)環(huán)的限制，只產(chǎn)生豎向壓縮，不產(chǎn)生側(cè)向變形。壓縮儀示意圖11試驗(yàn)步驟:用環(huán)刀切取試樣。在進(jìn)水石頂部放一加壓上蓋，施加壓力。安裝一只百分表用來量測試樣的壓縮。12室內(nèi)壓縮試驗(yàn)過程模擬P113室內(nèi)壓縮試驗(yàn)過程模擬p214室內(nèi)壓縮試驗(yàn)過程模擬p3h可以測量高度的變化，如何轉(zhuǎn)變成孔隙比的變化?152.e-p曲線研究土在不同壓力作用下，孔隙比變化規(guī)律。Vve0Vs1h0/(1+e0)h0VveVs1h1/(1+e)ph1s假定條件：整個(gè)過程中土粒體積和底面積不變。p16VsoVv

4、oAVs1Vv1A h0 h1h加壓前 e0加壓后 e117一般地，18p1， p2， p3，h1， h2， h3，e1， e2， e3， .根據(jù)不同壓力p作用下，達(dá)到穩(wěn)定的孔隙比e，繪制e-p曲線，為壓縮曲線。19ee1e2p1p2pa稱為壓縮系數(shù)（coefficient of compression），單位1/KPa，或1/MPa203、室內(nèi)試驗(yàn)過程曲線室內(nèi)試驗(yàn)視頻214、壓縮系數(shù)a是表征土壓縮性的重要指標(biāo)之一ep曲線越陡， a就越大，土的壓縮性越高ep曲線越平緩， a就越小，土的壓縮性越低22說明：壓縮曲線不是直線，即使是同一種土，其壓縮系數(shù)也不是常量。工程上為了便于統(tǒng)一比較，習(xí)慣采用1

5、00kpa200kpa范圍的壓縮系數(shù)a1-2來衡量土的壓縮性的高低我國建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定： a1-2 0.1 MPa-1時(shí)，低壓縮性土 0.1a1-2 0.5MPa-1時(shí)，中壓縮性土 a1-2 0.5MPa-1時(shí)，高壓縮性土235、壓縮指數(shù)與回彈再壓縮指數(shù)在較高的壓力范圍內(nèi)，壓縮曲線近似為一直線。壓縮指數(shù)24Cc與土的壓縮性a的關(guān)系elgp曲線越陡， Cc就越大，土的壓縮性越高elgp曲線越平緩， Cc就越小，土的壓縮性越低a：隨所取的初始壓力及壓力增量的大小而異。Cc：在較高壓力范圍內(nèi)是常量，不隨壓力而變。25土體如果承受到比現(xiàn)在大的壓力，其壓縮性將降低，也就是說土的應(yīng)力歷史對壓縮性有

6、很大影響?；貜椫笖?shù)軟土地基加固266、其它壓縮性指標(biāo)體積壓縮系數(shù)mv（coefficient of volume compressibility） 單位應(yīng)力作用下單位體積的體積變化。初始孔隙比27固結(jié)系數(shù)Cv（cm2/s） 可根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果繪制試驗(yàn)壓縮量與時(shí)間平方根的關(guān)系曲線，測定土的固結(jié)系數(shù)，它是土的單向固結(jié)理論中表示固結(jié)速度的一個(gè)變形特性指標(biāo)。284.3 土的模量指標(biāo)壓縮模量Es:modulus of compression變形模量:modulus of deformation彈性模量:elastic modulus /Youngs modulus291、壓縮模量（ modulus of

7、 compression ） 土體在側(cè)限條件下，豎向附加壓應(yīng)力與豎向應(yīng)變之比(MPa)。 其大小反映了土體在單向壓縮條件下對壓縮變形的抵抗能力。要求掌握302、變形模量 表示土體在無側(cè)限條件下應(yīng)力應(yīng)變之比，相當(dāng)于理想彈性體的彈性模量。其大小反映了土體抵抗彈塑性變形的能力。31變形模量與壓縮模量關(guān)系32試驗(yàn)方法確定土的變形模量確定變形模量現(xiàn)場試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)荷載試驗(yàn)旁壓試驗(yàn)三軸試驗(yàn)荷載試驗(yàn)淺層平板荷載試驗(yàn)shallow plate loading test深層平板荷載試驗(yàn)Deep plate loading test33現(xiàn)場載荷試驗(yàn)是在工程現(xiàn)場通過千斤頂逐級對置于地基土上的載荷板施加荷載，觀測記錄沉

8、降隨時(shí)間的發(fā)展以及穩(wěn)定時(shí)的沉降量s，將上述試驗(yàn)得到的各級荷載與相應(yīng)的穩(wěn)定沉降量繪制成p-s曲線，即獲得了地基土載荷試驗(yàn)的結(jié)果。1承壓板 2千斤頂 3百分表 4平臺 5支墩 6堆載地基土現(xiàn)場載荷試驗(yàn)圖34反壓重物反力梁千斤頂基準(zhǔn)梁荷載板百分表35載荷試驗(yàn)觀測標(biāo)準(zhǔn)：每級加載后，按間隔10、10、10、15、15、30分鐘讀數(shù)，當(dāng)連續(xù)2個(gè)小時(shí)內(nèi)，每1個(gè)小時(shí)的沉降量小于0.1mm時(shí)，可加下一級荷載；當(dāng)出現(xiàn)承壓板周圍土有明顯的側(cè)向擠出或發(fā)生裂紋時(shí)、當(dāng)沉降s急劇增大時(shí)、當(dāng)某一級荷載24小時(shí)不能達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可終止加載；（此前一級荷載為極限荷載）s/b0.06可終止加載。363、彈性模量 定義：土體在無

9、側(cè)限條件下瞬時(shí)壓縮的應(yīng)力應(yīng)變模量。即初始切線模量。374.4 地基變形沉降settlement： 在附加應(yīng)力作用下，地基土產(chǎn)生體積縮小，從而引起建筑物基礎(chǔ)的豎直方向的位移（或下沉）稱為沉降。固結(jié)(consolidation)： 土體在壓力作用下，壓縮量隨時(shí)間增長的過程。38在外荷載作用下地基土層被壓縮達(dá)到穩(wěn)定時(shí)基礎(chǔ)底面的沉降量稱為地基最終沉降量地基各部分垂直變形量的差值稱為沉降差。如果地基土各部分的豎向變形不相同，則在基礎(chǔ)的不同部位會產(chǎn)生沉降差，使建筑物基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降。 394.5 地基變形的計(jì)算方法：一、彈性變形理論法二、分層總和法三、規(guī)范修正公式法重點(diǎn)掌握40一、彈性理論法 b-矩形荷

10、載的寬度或圓形荷載的直徑(m) p-地基表面均布荷載kpa E0-地基土的變形模量Mpa41分層總和法概述 工程計(jì)算地基的沉降時(shí)，在地基可能產(chǎn)生壓縮的土層深度內(nèi)，按土的特性和和應(yīng)力狀態(tài)的變化將地基分為若干層，假定每一層土質(zhì)均勻且應(yīng)力沿厚度均勻分布，然后對每一土層分別計(jì)算其壓縮量，最后將各分層的壓縮量總和起來，即得地基表面的最終沉降量。多深合適呢？二、分層總和法應(yīng)力比法layerwise summation method重點(diǎn)掌握421）地基土為一均勻、等向的半無限空間彈性體，簡稱均質(zhì)彈性體。2）地基土的變形條件為側(cè)限條件，采用的指標(biāo)為完全側(cè)限條件下的壓縮性指標(biāo)。3）采用基底中心點(diǎn)下的附加應(yīng)力計(jì)算

11、地基的變形量。分層總和法幾點(diǎn)假設(shè)：掌握43分層總和法簡介壓縮層的概念及確定 工程中通常是按照附加豎向應(yīng)力與自重應(yīng)力之比確定壓縮層的厚度。 一般粘土軟粘土44分層總和法基本思路將壓縮層范圍內(nèi)的地基分層，計(jì)算每一分層的壓縮量，然后累加得總沉降量。由e-p或e-lgp曲線求得e-p曲線法e-lgp曲線法45分層總和法的步驟：1.根據(jù)建筑物基礎(chǔ)的形狀，選擇沉降計(jì)算點(diǎn)的位置求出基底壓力和基底附加壓力。2.將地基分層。原則： 1）不同土層的分界面與地下水位面為天然層面 2）每層厚度hi 0.4b3.計(jì)算地基中土的自重應(yīng)力分布4.計(jì)算地基中豎向附加應(yīng)力分布5.繪制基礎(chǔ)中心點(diǎn)下地基中自重應(yīng)力和附加應(yīng)力分布曲線

12、6.按算術(shù)平均求各分層平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力 467.確定基礎(chǔ)沉降計(jì)算深度 一般土取附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值為20處，即z=0.2c處的深度作為沉降計(jì)算深度的下限8.計(jì)算各分層沉降量 根據(jù)自重應(yīng)力、附加應(yīng)力曲線、e-p壓縮曲線計(jì)算任一分層沉降量 對于軟土，應(yīng)該取z=0.1c處，若沉降深度范圍內(nèi)存在基巖時(shí)，計(jì)算至基巖表面為止9.計(jì)算基礎(chǔ)最終沉降量d地基沉降計(jì)算深度c線z線47【例1】某廠房柱下單獨(dú)方形基礎(chǔ)，已知基礎(chǔ)底面積尺寸為4m4m，埋深d1.0m，地基為粉質(zhì)粘土，地下水位距天然地面3.4m。上部荷重傳至基礎(chǔ)頂面F1440kN,土的天然重度16.0kN/m,飽和重度 sat17.2kN/m

13、，有關(guān)計(jì)算資料如下圖。試分別用分層總和法和規(guī)范法計(jì)算基礎(chǔ)最終沉降（已知fk=94kPa）2.4md=1mb=4mF=1440kN501002003000.900.920.940.96e48【解答】A.分層總和法計(jì)算1.計(jì)算分層厚度每層厚度hi 0.4b=1.6m，地下水位以上分兩層，各1.2m，地下水位以下按1.6m分層2.計(jì)算地基土的自重應(yīng)力自重應(yīng)力從天然地面起算，z的取值從基底面起算z(m)c(kPa)01.22.44.05.67.21635.254.465.977.489.03.計(jì)算基底壓力4.計(jì)算基底附加壓力2.4md=1mF=1440kNb=4m自重應(yīng)力曲線附加應(yīng)力曲線495.計(jì)算基

14、礎(chǔ)中點(diǎn)下地基中附加應(yīng)力用角點(diǎn)法計(jì)算，過基底中點(diǎn)將荷載面四等分，計(jì)算邊長l=b=2m， z=4Kcp0,Kc由表確定z(m)z/bKcz(kPa)c(kPa)z /czn (m)01.22.44.05.67.200.61.22.02.83.60.25000.22290.15160.08400.05020.032694.083.857.031.618.912.31635.254.465.977.489.00.240.147.26.確定沉降計(jì)算深度zn根據(jù)z = 0.2c的確定原則，由計(jì)算結(jié)果，取zn=7.2m7.最終沉降計(jì)算根據(jù)e-曲線，計(jì)算各層的沉降量50z(m)z(kPa)01.22.44.0

15、5.67.294.083.857.031.618.912.31635.254.465.977.489.0c(kPa)h(m)1.21.21.61.61.6c(kPa)25.644.860.271.783.2z(kPa)88.970.444.325.315.6z+ c(kPa)114.5115.2104.597.098.8e10.9700.9600.9540.9480.944e20.9370.9360.9400.9420.940e1i- e2i1+ e1i0.01680.01220.00720.00310.0021si(mm)20.214.611.55.03.4按分層總和法求得基礎(chǔ)最終沉降量為s

16、=si =54.7mm51三、規(guī)范法由建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500072002）提出分層總和法的另一種形式。沿用分層總和法的假設(shè)，并引入平均附加應(yīng)力系數(shù) 和地基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ys基底某點(diǎn)下至任意深度z范圍內(nèi)的附加應(yīng)力(分布圖)面積A與基底附加應(yīng)力和地基深度的乘積p0z的比值.52均質(zhì)地基土，在側(cè)限條件下，壓縮模量Es不隨深度而變，從基底至深度z的壓縮量為附加應(yīng)力面積深度z范圍內(nèi)的附加應(yīng)力面積附加應(yīng)力通式z=K p0代入引入平均附加應(yīng)力系數(shù)因此附加應(yīng)力面積表示為因此53利用附加應(yīng)力面積A的等代值計(jì)算地基任意深度范圍內(nèi)的沉降量，因此第i層沉降量為地基最終沉降量：zi-1地基沉降計(jì)算深度znz

17、izzi-1534612b12345612aip0ai-1p0p0p0第n層第i層ziAiAi-1541）地基沉降計(jì)算深度zn應(yīng)該滿足的條件 當(dāng)確定沉降計(jì)算深度下有軟弱土層時(shí)，尚應(yīng)向下繼續(xù)計(jì)算，直至軟弱土層中所取規(guī)定厚度的計(jì)算沉降量也滿足上式，若計(jì)算深度范圍內(nèi)存在基巖，zn可取至基巖表面為止 當(dāng)無相鄰荷載影響，基礎(chǔ)寬度在130m范圍內(nèi)，基礎(chǔ)中點(diǎn)的地基沉降計(jì)算深度可以按簡化公式計(jì)算2）計(jì)算深度范圍內(nèi)分層厚度基礎(chǔ)寬度(m)22 b44b 88 b151530z0.30.60.81.01.21.555 為了提高計(jì)算精度，地基沉降量乘以一個(gè)沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ys，可以查有關(guān)系數(shù)表得到地基最終沉降量修正公

18、式56例1 規(guī)范法計(jì)算過程1. c 、z分布及p0計(jì)算值見分層總和法計(jì)算過程2. 確定沉降計(jì)算深度zn=b(2.50.4lnb)=7.8m3. 確定各層Esi4. 根據(jù)計(jì)算尺寸，查表得到平均附加應(yīng)力系數(shù)575.列表計(jì)算各層沉降量siz(m)01.22.44.05.67.200.61.22.02.83.6152925771615381617429e20.9370.9360.9400.9420.94054.77.8l/bz/b3.9aaz(m)0.25000.24230.21490.17460.14330.12050.113600.29080.51580.69840.80250.867608861aizi- ai-1zi-1(m)0.29080.22500.18260.10410.06510.0185Esi(kPa)7448s(mm)20.714.711.24.83.30.9s(mm)55.6根據(jù)計(jì)算表所示z=0.6m, sn =0.9mm 0.025 si =1.39mm滿足規(guī)范要求 6.沉降修正系數(shù)j s 根據(jù)Es =6.0MPa， fk=p0 ，查表得到y(tǒng)s =1.17.基礎(chǔ)最終沉降量 s= ys s =61.2mm5