地基變形允許值課件

1、 3.1土的室內(nèi)壓縮試驗 地基土假定為連續(xù)、勻質(zhì)、各向同性的半無限彈性體，當建筑的荷載作用于某一局部的地基土上時，該部分土要發(fā)生豎向壓縮變形，但由于周圍土的限制作用而不發(fā)生水平膨脹變形。故為了測定土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及壓縮性指標以便于變形計算，為了更好地符合實際土變形特點，采取從室外取得未經(jīng)擾動的天然結(jié)構(gòu)土樣，進行模擬土實際變形的有側(cè)限的壓縮試驗即室內(nèi)試驗（圖3.1）。有時也稱“固結(jié)試驗”，因為在土力學中習慣上把土的壓縮過程稱為“固結(jié)”。3地基的變形 3.1土的室內(nèi)壓縮試驗3地基的變形 其試驗方法是：用環(huán)刀切取天然土樣，放入圓筒形壓縮容器內(nèi)，土樣上下各墊一塊透水石，使土樣壓縮后的水可自由排出。在土

2、樣上逐級加荷（p=50kPa、100kPa、200kPa、400kPa），每次待壓縮穩(wěn)定后測其相應(yīng)壓縮變形值S。由于室內(nèi)壓縮試驗主要用于黏性土，特別是含水飽和的黏性土，因水被擠出的速度較慢，壓縮過程所需的時間就相當長，需幾年甚至幾十年才能壓縮穩(wěn)定。3地基的變形 其試驗方法是：用環(huán)刀切取天然土樣，放入3地基的變形圖3.1壓縮試驗3地基的變形圖3.1壓縮試驗 3.1.1土的固結(jié)與固結(jié)度 土體被壓縮的過程稱為固結(jié)。飽和土是由固體顆粒構(gòu)成的骨架以及充滿孔隙的水組成。因此，土中的應(yīng)力有兩種形態(tài)： （1） 土粒與土粒之間在接觸點上的壓力即有效應(yīng)力； （2） 孔隙內(nèi)水所受的壓力即孔隙水壓力u。當加荷瞬間附加

3、應(yīng)力z（因土粒骨架還未來得及變形）全由孔隙水來承擔，此時水壓力稱為超靜水壓力?？紫端诔o水壓力作用下逐漸被排出，因此一部分壓力由骨架承擔。最后，逐漸由有效應(yīng)力完全替代靜水壓力。3地基的變形 3.1.1土的固結(jié)與固結(jié)度3地基的變形3地基的變形3地基的變形 3.1.2土的壓縮性指標 3.1.2.1土的壓縮曲線 土的壓縮量是由孔隙體積來表明的，而顆粒的體積Vs不變，因而間接地用孔隙比e來衡量。e隨外荷壓力增大而減小，而e-p關(guān)系可由側(cè)限壓縮試驗確定。圖3.2側(cè)限壓縮土樣孔隙比變化3地基的變形 3.1.2土的壓縮性指標圖3.2側(cè)限壓縮土 圖3.2表示壓縮試驗中土體孔隙比的變化，設(shè)原狀土樣的高度為H0

4、，土粒體積Vs=1，孔隙體積Vv=e0，受壓后的土樣高度為H=H0-S，土粒體積不變Vs=1 ，孔隙體積壓縮為Vv=e，假設(shè)受壓面積A不變，則有： 受壓前體積為1+e0=H0A 受壓后體積為1+e=HA 由于以上兩式面積A相等，得 故孔隙比 （ 3.5）3地基的變形 圖3.2表示壓縮試驗中土體孔隙比的變化，設(shè)原 上式中e0可由基本指標求得，只要測出各級壓力作用下的穩(wěn)定壓縮量S后，便可算得e。以橫坐標為p，縱坐標為e，可繪出e-p壓縮曲線（圖3.3）。圖3.3壓縮曲線3地基的變形 上式中e0可由基本指標求得，只要測出各級 3.1.2.2壓縮系數(shù) 在如圖3.3所示的壓縮曲線中，當兩點間壓力（p1表

5、示土自重應(yīng)力，p2表示土自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和）變化范圍不大時，兩點間的曲線段可由兩點間的連線代替，而連線與水平軸夾角正切值越大，說明土的壓縮性高，反之說明土的壓縮性低。將e1-e2與p2-p1的比值定義為壓縮系數(shù)a(MPa-1 )：3地基的變形 3.1.2.2壓縮系數(shù) 在如圖3.3 因一般多層建筑物地基的應(yīng)力范圍p=100200kPa，故一般取p1=100kPa，p2=200kPa，求壓縮系數(shù)a12來評定土的壓縮性。a120.1MPa-1時，為低壓縮性土；0.1MPa-1a120.5MPa-1時，為中壓縮性土；a120.5MPa-1時，為高壓縮性土。 3.1.2.3壓縮模量Es和變形模量E0

6、 1壓縮模量 在有側(cè)限條件下壓縮時，壓應(yīng)力變化量與相應(yīng)的壓應(yīng)變變化量之比值，稱為壓縮模量Es。3地基的變形 因一般多層建筑物地基的應(yīng)力范圍p=13地基的變形3地基的變形 2變形模量 土的壓縮性指標除了由室內(nèi)壓縮試驗測定外，還可以通過野外靜荷載試驗確定。變形模量E0是指土在無側(cè)限條件下受壓時，壓應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變之比值。物理意義和壓縮模量一樣，只不過變形模量是在無側(cè)限條件下由現(xiàn)場靜荷載試驗確定，而壓縮模量是在有側(cè)限條件下由室內(nèi)壓縮試驗確定。3.2地基變形的計算 地基土在外荷載作用下將發(fā)生變形，地基表面將隨之產(chǎn)生下沉，建筑基礎(chǔ)沉降。地基土達到變形穩(wěn)定時的最終變形量，稱為基礎(chǔ)的最終沉降量。目前常用的計算

7、沉降的方法有：分層總和法、建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范推薦的方法。3地基的變形 2變形模量 土的壓縮性指標除了由 3.2.1分層總和法 分層總和法即是將基礎(chǔ)底面以下壓縮層范圍內(nèi)地基土分成若干層，然后計算每層的變形量，最后將所有層變形量加起來即是地基的總變形量（如圖3.4）。具體分成以下幾步： 1分層分層的原則是以0.4b（b為基底短邊長度）為分層厚度，同時必須將土的自然分層處和地下水位處作為分層界線。由于附加應(yīng)力在基底下沿深度方向的分布圖線是曲線漸減的，故分層厚度越小，其計算精度越高。3地基的變形 3.2.1分層總和法 分層總和圖3.4分層總和法計算圖3地基的變形圖3.4分層總和法計算圖3地基的變形

8、2計算基底中心以下各層界面上的自重應(yīng)力cz和附加應(yīng)力z，按同一比例畫出cz和z的分布圖形。 3確定受力層范圍從理論上講，在無限深度處仍有微小的附加應(yīng)力，仍能引起地基變形，但當深度增加到一定程度時，附加應(yīng)力已很小，它所引起的壓縮變形可以忽略不計。因此，在實際工程計算中，可以采用基底以下某一深度zn作為基礎(chǔ)沉降的計算深度，即受力層范圍。一般土以附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值0.2或軟弱土為0.1的點上面的深度范圍作為地基受力層范圍。3地基的變形 2計算基底中心以下各層界面上的自重應(yīng)3地基的變形3地基的變形 3.2.2建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范法 規(guī)范法采用了“應(yīng)力面積”的概念（圖3.5），因而可以按地基土的天

9、然層面劃分，不像分層總和法的分層數(shù)、計算量大而繁；提出了經(jīng)驗系數(shù)s，使沉降計算更接近于實際；對于壓縮層厚度zn也提出了新的概念和計算方法。它實質(zhì)上是一種簡化并經(jīng)修正的分層總和法。3地基的變形 3.2.2建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范法 圖3.5規(guī)范法計算圖3地基的變形圖3.5規(guī)范法計算圖3地基的變形3地基的變形3地基的變形3地基的變形3地基的變形3地基的變形3地基的變形3地基的變形3地基的變形3地基的變形3地基的變形3地基的變形3地基的變形 如確定的計算深度下部仍有較軟土層時，應(yīng)繼續(xù)計算。當無相鄰荷載影響，基礎(chǔ)寬度在130m范圍內(nèi)時，基礎(chǔ)中點的地基變形計算深度也可按下列簡化公式計算： （3.15） 式中

10、b基礎(chǔ)寬度（m），在計算深度范圍內(nèi)存在基巖時，zn可取至基巖表面。 3.2.3地基變形允許值 建筑物的地基變形特征可分為沉降量、沉降差、傾斜、局部傾斜。建筑物的地基變形計算值不應(yīng)大于地基允許值。3地基的變形 如確定的計算深度下部仍有較軟土層時，應(yīng)繼 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB 500072011）對建筑物的地基變形允許值作出了規(guī)定，見表3.4。3地基的變形 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB 500073地基的變形3地基的變形 【例3.1】柱荷載F=1190kN，基礎(chǔ)埋深d=1.5m，基礎(chǔ)底面尺寸lb=4m2m；地基土層如圖3.6所示，試用規(guī)范法計算基礎(chǔ)沉降量。圖3.6 例3.1附圖3地基的變形 【例

11、3.1】柱荷載F=1190kN，基礎(chǔ)埋深3地基的變形3地基的變形3地基的變形3地基的變形 3.3飽和軟土地基的沉降與時間關(guān)系 前面已介紹了地基最終沉降量的計算問題。實際地基變形不是瞬時完成的，施工期間只是完成地基變形的一部分，而對于有些地基土而言，大量的變形是在使用過程中完成的，并且相當長的時間里隨著時間的推移變形逐漸增大。對于一些重要的、特殊的建筑，除需進行沉降計算和沉降觀測外，還要求掌握沉降與時間關(guān)系的規(guī)律性，目的在于設(shè)計預留建筑物有關(guān)部分的凈空、連接方法和施工順序。尤其對易發(fā)生裂縫、傾斜等事故的建筑物更需了解沉降與時間的關(guān)系，便于進行事故預防及處理。3地基的變形 3.3飽和軟土地基的沉降

12、與時間關(guān)系3地基的變形 3.3.1飽和土固結(jié)理論基本概念 飽和土是由固體顆粒構(gòu)成的骨架以及充滿孔隙的水組成。因此，土中的應(yīng)力有兩種形態(tài)： （1） 土粒與土粒在接觸點上的壓力； （2） 孔隙內(nèi)水所承受的壓力，稱為孔隙水壓力u。由于土粒間壓力引起骨架的變形以及影響土的抗剪強度，所以土粒之間接觸壓力稱為有效應(yīng)力。通過對排水條件較好的土體進行壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)在固結(jié)的過程中有如下的特點：3地基的變形 3.3.1飽和土固結(jié)理論基本概念3地基的變形 設(shè)外界施荷的壓力為p，則在任何時間有如下關(guān)系：3地基的變形 設(shè)外界施荷的壓力為p，則在任何時間有如下關(guān)系：3地基的變 3.3.2單向固結(jié)微分方程的建立 取一個厚為

13、2H的飽和黏土層進行壓縮試驗，讓其頂面和底面均為砂層（即透水邊界）。取黏土層底面作為原點，z軸向上，故得頂面、底面的坐標為z=0及z=2H。在地表面的大面積均布荷載p作用下，黏土層的附加應(yīng)力處處等于p（注意：這種受荷條件，與室內(nèi)壓縮試驗條件完全相同）。 根據(jù)土體的孔隙體積與排出水的體積相等的條件得微分方程:3地基的變形 3.3.2單向固結(jié)微分方程的建立 33地基的變形3地基的變形 3.3.3單向固結(jié)微分方程的解 根據(jù)初始條件和邊界條件對微分方程求解得不同時間不同位置上的孔隙水壓力表達式為圖3.7單向固結(jié)的情況3地基的變形 3.3.3單向固結(jié)微分方程的解 根3地基的變形3地基的變形 對于前面公式

14、推導的上下面應(yīng)力和排水情況如圖3.7 圖3.9。圖3.8單向固結(jié)的情況-1和情況-23地基的變形 對于前面公式推導的上下面應(yīng)力和排水情況如圖3.9單向固結(jié)的情況0-1和情況0-23地基的變形圖3.9單向固結(jié)的情況0-1和情況0-23地基的變形 根據(jù)圖3.7圖3.9的情況結(jié)合公式（3.17）制出表3.6。3地基的變形 根據(jù)圖3.7圖3.9的情況結(jié)合公式（3.17）制 從表3.6看出，當排水條件及其他條件相同時，達到某一規(guī)定的固結(jié)度，例如U=0.8的時間取決于時間因數(shù)TV。因此兩個土層的滲徑H1、H2與它們的固結(jié)時間t1、t2之間存在著如下的關(guān)系： 這個關(guān)系說明，當其他條件相同時，按照理論計算達到

15、同樣的固結(jié)度的時間與H2成正比。對于大面積荷載，因從兩個方向排水路徑減半，且單、雙向時均取a=p1/p2=1，若是局部荷載作用視實際的a=p1/p2值而定。3地基的變形 從表3.6看出，當排水條件及其他條件相同 【例3.2】有一飽和黏土層，厚度為10m，在大面積荷載p0=1200kN/m2作用下。設(shè)該土層的初始孔隙比e0=1.0，壓縮系數(shù)a=310-5m2/kN，滲透系數(shù)K=0.018m/a。對黏土層在單面及雙面排水條件下分別求：（1） 加荷一年時的沉降量;（2） 沉降量達14cm所需時間。3地基的變形 【例3.2】有一飽和黏土層，厚度為10m，3地基的變形3地基的變形3地基的變形3地基的變形

16、3.4建筑物的沉降觀測 3.4.1建筑物沉降觀測的意義 前面介紹了地基變形的計算方法，但由于地基土的復雜性，致使理論計算值與實際值并不完全符合。為了保證建筑物的使用安全，對建筑物進行沉降觀測是非常必要的，尤其對重要建筑物及建造在軟弱地基上的建筑物，不但要在建筑設(shè)計時充分考慮地基的變形控制，而且要在施工期間與竣工后使用期間進行系統(tǒng)的沉降觀測。建筑物的沉降觀測對建筑物的安全使用具有重要意義。3地基的變形3.4建筑物的沉降觀測3地基的變形 1沉降觀測能夠驗證建筑工程設(shè)計與沉降計算的正確性。如果沉降觀測時發(fā)現(xiàn)沉降計算偏差過大，必須及時對原設(shè)計進行必要修改，以便設(shè)計與實際相符。 2沉降觀測能夠判別施工質(zhì)

17、量的好壞。如果設(shè)計時所采用相關(guān)數(shù)據(jù)指標與設(shè)計方法都是正確的，那么施工期間的變形情況必然是和施工質(zhì)量相聯(lián)系的，因此可以根據(jù)沉降觀測來進行質(zhì)量判別與控制。3地基的變形 1沉降觀測能夠驗證建筑工程設(shè)計與沉降計 3 一旦發(fā)生事故后，建筑物的沉降觀測可以作為分析事故原因和加固處理的依據(jù)。沉降觀測對一級建筑物，高層建筑，重要的、新型的或有代表性的建筑物，體形復雜、形式特殊或構(gòu)造上、使用上對不均勻沉降有嚴格限制的建筑物，尤其具有重要意義。 3.4.2沉降觀測方法與步驟 1儀器與精度3地基的變形 3 一旦發(fā)生事故后，建筑物的沉降觀測可 沉降觀測工具宜采用精密水平儀和鋼卷尺，對每一觀測對象宜固定測量工具和監(jiān)測人

18、員，觀測前應(yīng)嚴格校驗儀器。測量精度宜采用級水準測量，視線長度宜為2030m，視線高度不宜低于0.3m，水準測量應(yīng)采用閉合法。 2水準基點的設(shè)置 以保證水準基點穩(wěn)定可靠為原則，宜設(shè)置在基巖上或壓縮性較低的土層上。水準基點的位置應(yīng)靠近觀測點并在建筑物產(chǎn)生壓力影響的范圍以外，不受行人車輛碰撞的地點。在一個觀測區(qū)內(nèi)水準基點不應(yīng)少于3個。3地基的變形 沉降觀測工具宜采用精密水平儀和鋼卷尺，對每一觀測對 3觀測點的設(shè)置 觀測點的布置應(yīng)能全面反映建筑物的變形并結(jié)合地質(zhì)情況確定，如建筑物4個角點、沉降縫兩側(cè)、高低層交界處、地基土軟硬交界兩側(cè)等，數(shù)量不少于6個點。 4觀測次數(shù)與時間 要求前密后稀。民用建筑每建完一層（包括地下部分）應(yīng)觀測一次；工業(yè)建筑按不同荷載階段分次觀測，施工期間觀測不應(yīng)少于4次。建筑物竣工后的觀測：第一年不少于35次，第二年不少于2次，以后每年1次，直到下沉穩(wěn)定為止。穩(wěn)定標準半年沉降S2mm。特殊情況，如基坑較深時，可考慮開挖后的回彈觀測。3地基的變形 3觀測點的設(shè)置 觀測點的布置應(yīng)能全本章小結(jié) 地基的變形計算是土力學的基本內(nèi)容之一，也是建筑工程設(shè)計計算的基本內(nèi)