地基土的變形

地基土的變形基本內(nèi)容：

這是本課程的重點(diǎn)。在學(xué)習(xí)土的壓縮性指標(biāo)確定方法的基礎(chǔ)上，掌握地基最終沉降量計(jì)算原理和地基固結(jié)問(wèn)題的分析計(jì)算方法。學(xué)習(xí)要求：

◆掌握土的壓縮性與壓縮性指標(biāo)確定方法；

◆掌握地基最終沉降量計(jì)算方法；

熟悉不同應(yīng)力歷史條件的沉降計(jì)算方法；

掌握太沙基一維固結(jié)理論；

掌握地基沉降隨時(shí)間變化規(guī)律。概述…1如果在地基上修建建筑物，地基土內(nèi)各點(diǎn)不僅要承受土體本身的自重應(yīng)力，而且要承擔(dān)由建筑物通過(guò)基礎(chǔ)傳遞給地基的荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用，這都將導(dǎo)致地基土體的變形。土體變形可分為：體積變形和形狀變形。本章只討論由正應(yīng)力引起的體積變形，即由于外荷載導(dǎo)致地基內(nèi)正應(yīng)力增加，使得土體體積縮小。在附加應(yīng)力作用下，地基土將產(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。

為什么研究沉降？基礎(chǔ)的沉降量或者各部位的沉降差過(guò)大，那么將影響上部建筑物的正常使用，甚至?xí)＜敖ㄖ锏陌踩?。概述?地基土層發(fā)生變形的主要因素內(nèi)因：土具有壓縮性外因：主要是建筑物荷載的作用建筑物荷載作用，這是普遍存在的因素地下水位大幅度下降施工影響，基槽持力層土的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)振動(dòng)影響，產(chǎn)生震沉溫度變化影響，如冬季冰凍，春季融化浸水下沉，如黃土濕陷，填土下沉固相礦物本身壓縮土中液相水的壓縮土中孔隙的壓縮在外力作用下，土顆粒重新排列，土體體積縮小的現(xiàn)象稱為壓縮。通常，均認(rèn)為土體壓縮完全是由于土中孔隙體積減小的結(jié)果。土的壓縮隨時(shí)間增長(zhǎng)的過(guò)程稱為土的固結(jié)。概述…3即在自重應(yīng)力或附加應(yīng)力作用下，地基土要產(chǎn)生附加變形，包括體積變形和形狀變形。對(duì)于土來(lái)說(shuō)，體積變形通常表現(xiàn)為體積縮小。我們把這種在外力作用下土體積縮小得特性稱為土的壓縮性。

土的壓縮性主要有兩個(gè)特點(diǎn)：

☆土的壓縮性主要是由于孔隙體積減少而引起的；

☆由于孔隙水的排出而引起的壓縮對(duì)于飽和粘土來(lái)說(shuō)需要時(shí)間，將土的壓縮隨時(shí)間增長(zhǎng)的過(guò)程稱為土的固結(jié)。

在建筑物荷載作用下，地基土主要由于壓縮而引起的豎直方向的位移稱為沉降。研究建筑物沉降包含兩方面的內(nèi)容：

☆絕對(duì)沉降量的大小，亦即最終沉降；

☆沉降與時(shí)間的關(guān)系，主要介紹太沙基的一維固結(jié)理論。土的壓縮性…1土的壓縮試驗(yàn)與壓縮性指標(biāo)土體的變形計(jì)算，需要取得土的壓縮性指標(biāo)，可以通過(guò)室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)得到。

室內(nèi)壓縮試驗(yàn)亦稱固結(jié)試驗(yàn)，是研究土壓縮性最基本的方法。

現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)是在工程現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)千斤頂逐級(jí)對(duì)置于地基土上的載荷板施加荷載，觀測(cè)記錄沉降隨時(shí)間的發(fā)展以及穩(wěn)定時(shí)的沉降量s，并繪制成p-s曲線，即獲得地基土載荷試驗(yàn)的結(jié)果。反映土的壓縮性的指標(biāo)主要有壓縮系數(shù)、壓縮模量、壓縮指數(shù)和變形模量、體積壓縮系數(shù)。土的壓縮性的高低，常用壓縮性指標(biāo)定量表示，壓縮性指標(biāo)，通常由工程地質(zhì)勘察取天然結(jié)構(gòu)的原狀土樣進(jìn)行。側(cè)限壓縮試驗(yàn)側(cè)限壓縮試驗(yàn)亦稱固結(jié)試驗(yàn)。所謂側(cè)限，就是使土樣在豎向壓力作用下只能發(fā)生豎向變形，而無(wú)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)。試驗(yàn)時(shí)將切有土樣的環(huán)刀置于剛性護(hù)環(huán)中，由于金屬環(huán)刀及剛性護(hù)環(huán)的限制，使得土樣在豎向壓力作用下只能發(fā)生豎向變形，而無(wú)側(cè)向變形。在土樣上下放置的透水石是土樣受壓后排出孔隙水的兩個(gè)界面。壓縮過(guò)程中豎向壓力通過(guò)剛性板施加給土樣，土樣產(chǎn)生的壓縮量可通過(guò)百分表量測(cè)。常規(guī)壓縮試驗(yàn)通過(guò)逐級(jí)加荷進(jìn)行試驗(yàn)，常用的分級(jí)加荷量p為：50，100，200，300，400kPa。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。

側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力特點(diǎn):土的壓縮性…2土的壓縮性…3單向固結(jié)試驗(yàn)或側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)土的壓縮性…4單向固結(jié)試驗(yàn)或側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)土的壓縮變形常用孔隙比e的變化來(lái)表示。根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)的結(jié)果可建立壓力p與相應(yīng)的穩(wěn)定孔隙比的關(guān)系曲線，稱為土的壓縮曲線。壓縮曲線可以按兩種方式繪制，一種是按普通直角坐標(biāo)繪制的e~p曲線；另一種是用半對(duì)數(shù)直角坐標(biāo)繪制的e~lgp曲線。同一種土的孔隙比并不是固定不變的，所謂的穩(wěn)定也只是指附加應(yīng)力完全轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力而言的。土的壓縮性…5設(shè)土粒體積Vs=1,由三相圖(教材圖3-2)可得:施加壓力p前試件中的固體體積Vs:

e0為土的初始孔隙比施加p后

因此各級(jí)壓力p←→壓縮量s←→孔隙比e→e～p曲線(壓縮曲線)

土的壓縮性…6e-p曲線確定壓縮系數(shù)e-logp曲線確定壓縮指數(shù)土的壓縮性…7壓縮指標(biāo)反映土的壓縮性的指標(biāo)主要有壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、壓縮模量和變形模量、體積壓縮系數(shù)。

壓縮系數(shù)：曲線上任意兩點(diǎn)割線的斜率?？杀硎緸椋菏街?，負(fù)號(hào)表示隨著壓力p的增加，e逐漸減少。壓縮性不同的土，其壓縮曲線的形狀是不一樣的。曲線愈陡，說(shuō)明隨著壓力的增加，土孔隙比的減小愈顯著，因而土的壓縮性愈高。工程上，自重應(yīng)力p1增加到外荷作用土中應(yīng)力p2(自重與附加應(yīng)力之和)土的壓縮性…8

壓縮指數(shù)：土的固結(jié)試驗(yàn)的結(jié)果也可以繪在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，即坐標(biāo)橫軸p用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，而縱軸e用普通坐標(biāo)，由此得到的壓縮曲線稱為e~lgp曲線。在較高的壓力范圍內(nèi)，e~lgp曲線近似地為一直線，可用直線的坡度——壓縮指數(shù)Cc來(lái)表示土的壓縮性高低，即

Cc是無(wú)量綱系數(shù)，同壓縮系數(shù)a一樣，壓縮指數(shù)Cc值越大，土的壓縮性越高。雖然壓縮系數(shù)a和壓縮指數(shù)Cc都是反映土的壓縮性指標(biāo)，但兩者有所不同。前者隨所取的初始?jí)毫皦毫υ隽康拇笮《?，而后者在較高的壓力范圍內(nèi)卻是常量，不隨壓力而變。

土的壓縮性…9為了便于應(yīng)用和比較，通常采用壓力由p1＝100kPa增加到p2＝200kPa時(shí)所得的壓縮系數(shù)a1-2來(lái)評(píng)定土的壓縮性：

工程中，為減少土的孔隙比，從而達(dá)到加固土體的目的,常采用砂樁擠密、重錘夯實(shí)、灌漿加固等方法

a1-2

<0.1MPa-1時(shí)，低壓縮性土0.1≤a1-2

<0.5MPa-1時(shí)，中壓縮性土

a1-2≥0.5MPa-1時(shí)，高壓縮性土

Cc

<0.2時(shí)，低壓縮性土

Cc≥0.4時(shí)，高壓縮性土土的壓縮性…10壓縮模量：土體在完全側(cè)限的條件下，豎向應(yīng)力增量與豎向應(yīng)變?cè)隽康谋戎怠?/p>

Es的倒數(shù)成為土的體積壓縮系數(shù)mv，它表示單位壓應(yīng)力變化引起的單位體積變化(MPa-1)。

Es

>15MPa時(shí)，低壓縮性土15≥Es

>4MPa時(shí)，中壓縮性土

Es<4MPa時(shí)，高壓縮性土土的壓縮性…11回彈曲線和再壓縮曲線壓縮曲線特征：

卸荷時(shí)，試樣bc回彈，可見(jiàn)土體的變形是由可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的塑性變形兩部份組成。

回彈曲線和再壓線曲線構(gòu)成一迴滯環(huán)，土體不是完全彈性體；

回彈和再壓縮曲線比壓縮曲線平緩得多。

再加荷時(shí)的壓力超過(guò)b點(diǎn)，再壓縮曲線就趨于初始?jí)嚎s曲線的延長(zhǎng)線。土體變形機(jī)理非常復(fù)雜，不是理想的彈塑性體，而是具有彈、粘、塑性。土的壓縮性…12現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)是在工程現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)千斤頂逐級(jí)對(duì)置于地基土上的載荷板施加荷載，觀測(cè)記錄沉降隨時(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(jí)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(tái)5－支墩6－堆載地基土現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)圖土的壓縮性…13土的變形模量：土體在無(wú)側(cè)向約束條件下，豎向應(yīng)力與豎向應(yīng)變的比值。豎向應(yīng)變中包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，稱之為變形模量。

變形模量與壓縮模量之間的關(guān)系:變形模量可以由現(xiàn)場(chǎng)靜荷載試驗(yàn)或旁壓試驗(yàn)測(cè)定。為沉降影響系數(shù)。分別證明如下土的壓縮性…14布辛奈斯克解z=0，即地基表面沉降值局部荷載p0(,)作用下M(x,y)點(diǎn)的沉降s均布荷載土的壓縮性…15壓縮模量定義豎向應(yīng)變?nèi)蚴芰η闆r下的應(yīng)變側(cè)限條件下，的應(yīng)變比較即得

土的類型變形模量(kPa)土的類型變形模量(kPa)泥炭100~500松砂10000~20000塑性粘土500~4000密實(shí)砂50000~80000硬塑粘土4000~8000密實(shí)砂礫石100000~200000較硬粘土8000~15000土的壓縮性…16基礎(chǔ)最終香沉降量計(jì)支算…1定義地基土主層在建造筑物荷鄉(xiāng)豐載作用喉下，不恥斷產(chǎn)生紋壓縮，匯直至壓取縮穩(wěn)定架后地基表面的沉喘降量稱為宣地基的最跟終沉降量饞。原因其外因局主要是廚建筑物桑荷載在睜地基中蓮產(chǎn)生附稅加應(yīng)力源；內(nèi)因邪是土的詞碎散性，孔隙完發(fā)生壓恰縮變形桿，引起努地基沉束降。目的判斷地基扒變形值是顛否超出允冷許的范圍雹，以便在早建筑物設(shè)予計(jì)時(shí)，采饒取相應(yīng)的工程飛措施，?；@證建筑物僵的正常使寸用。方法有關(guān)地俗基沉降榮量的方嶼法很多葉，工業(yè)你與民用觸建筑中產(chǎn)常見(jiàn)的尺有分層總拾和法和《規(guī)炭范》法籍，還有水彈性理興論法和似數(shù)值計(jì)丹算法。分層總員和法簡(jiǎn)票介工程上計(jì)徹算地基的跳沉降時(shí)，汗在地基可森能產(chǎn)生壓祥縮的土層擠深度內(nèi)，價(jià)按土的特性和地應(yīng)力狀態(tài)算的變化將戲地基分為射若干(n相)層，假鬼定每一分然層土質(zhì)均丑勻且應(yīng)力沿碧厚度均掀勻分布描，然后呼對(duì)每一饞分層分輩別計(jì)算飾其壓縮軟量si，最后份將各分層的壓呈縮量總綁和起來(lái)曾，即得卻地基表頂面的最軍終沉降年量s，這種暢方法稱母為分層伏總和法。分層總和籠法的基本痰思路是：援將壓縮層范圍霸內(nèi)地基悅分層，團(tuán)計(jì)算每摩一分層站的壓縮量，珍然后累淚加得總純沉降量弱。分層總辨和法有畫(huà)兩種基膨本方法鮮：e~p曲線法和e～質(zhì)lgp嗓曲線法飄?；A(chǔ)最封終沉降憑量計(jì)算…2基礎(chǔ)最終從沉降量計(jì)繡算…3計(jì)算原酒理一般取基驚底中心點(diǎn)差下地基附珍加應(yīng)力來(lái)拜計(jì)算各分碌層土的豎籍向壓縮量牙，認(rèn)為基礎(chǔ)的笛平均沉降間量s為各分稠層上豎班向壓縮澡量Dsi之和，即幾點(diǎn)假設(shè)地基土剝?yōu)橐痪鶆虻?、等向的半無(wú)限比空間彈性體；究計(jì)算部位妙為基礎(chǔ)中述心點(diǎn)O下土柱師所受附加翻應(yīng)力sz進(jìn)行計(jì)飄算；地向基土的科變形條蝕件為側(cè)限條伴件；計(jì)算深度因鏟工程上附顫加應(yīng)力擴(kuò)怖散隨深度峰而減少，趁計(jì)算到某絹一深度（梨受壓層）即可。分層總煩和法是嚇目前最夢(mèng)常用的天地基沉齡降計(jì)算椒方法計(jì)算步驟1、繪制跪基礎(chǔ)中心要下地基的說(shuō)自重應(yīng)力捎、附加應(yīng)鍵力分布曲絨線，求2、確定瓦沉降計(jì)算墾深度（壓獲縮下限深箱度）如壓縮躬下限下杜部還有盼更軟的欲土層，則計(jì)算至嶄該土層底重面為止；如壓縮訊層內(nèi)部旅有基巖悶，則受譽(yù)壓層深度計(jì)懷算至新床鮮巖土妹為為止；3、分宗層厚度貫的確定，天然土罪層交界面及地下水染面為特定群的分界面銜。一般土軟衛(wèi)土基礎(chǔ)最殃終沉降幅量計(jì)算呀…4基礎(chǔ)最著終沉降源量計(jì)算掀…54、計(jì)絹算分層霉沉降量si5、最終絞變形量查e～嘴p曲線計(jì)算中的汗幾個(gè)問(wèn)題1、有席相鄰荷逮載作用玻時(shí)，應(yīng)招將相臨但荷載引女起的附糕加應(yīng)力蜓疊加到倚基礎(chǔ)自往身引起的附加進(jìn)應(yīng)力中孩去；2、有引相鄰荷掉載時(shí)，尾我國(guó)《蘆建筑地體基基礎(chǔ)負(fù)設(shè)計(jì)規(guī)脈范》規(guī)稀定采用遭下式確膽定沉降計(jì)算深度薪：式中，擦—由計(jì)焦算深度沉向上取反厚度為瞇的土層饑沉降計(jì)導(dǎo)算值；s—計(jì)算倡深度范果圍內(nèi)各盾個(gè)分層些土的沉老降計(jì)算棋值的總矛和。具體應(yīng)用閉時(shí)采用試卵算法，先間假定一個(gè)差沉降計(jì)算徑深度zn基礎(chǔ)最終描沉降量計(jì)石算…6【例題瞇】有一胳矩形基濫礎(chǔ)放置頌在均質(zhì)使粘土層仍上，如陽(yáng)圖所示漸?；A(chǔ)冰長(zhǎng)度L惹=10冷m，寬掃度B=是5m，虜埋置深生度D=嚷1.5刪m，其益上作用步著中心濫荷載P勸=10栗000任kN。戒地基土片的重度初為20呆kN/誦m3，飽和柄重度2型1kN/m夜3，土的壓球縮曲線彈如圖（驅(qū)b）所峰示。若料地下水怎位距基顏底2.醫(yī)5m，眼試求基殲礎(chǔ)中心殘點(diǎn)的沉徒降量。例題…1【解】媽（1）級(jí)由L/欣B=1禍0/5亞=2<少10可吧知，屬匆于空間銜問(wèn)題，紛且為中碌心荷載腫，所以配基底壓覺(jué)力為基底凈弓壓力為（2）萌因?yàn)槭遣⒕|(zhì)土拜，且地然下水位雄在基底裝以下2夾.5m練處，取賊分層厚察度2.童5m（3）鼓求各分液層面的卵