工程行業(yè)地基的應(yīng)力和沉降分析(ppt 62頁).ppt

1、基礎(chǔ)的應(yīng)力和沉降。 第1節(jié)概述第2節(jié)土壤中的重力應(yīng)力第3節(jié)基底壓力第4節(jié)基礎(chǔ)的附加應(yīng)力第5節(jié)基礎(chǔ)沉降的彈性力學(xué)公式第6節(jié)土壤的可壓縮性第7節(jié)基礎(chǔ)的最終沉降第8節(jié)應(yīng)力歷史對基礎(chǔ)沉降的影響第9節(jié)基礎(chǔ)最終沉降的計(jì)算概述第10節(jié)飽和土壤的有效應(yīng)力和滲透固結(jié)第11節(jié)基礎(chǔ)沉降發(fā)展的三個(gè)組成部分第1節(jié)概述， 重力應(yīng)力：地基來源于土壤本身?；讐毫Γ河山ㄖ锏暮奢d通過地基傳遞到地基而引起的地基底面和地基之間的接觸應(yīng)力。 附加應(yīng)力：基于建筑物荷載引起的原始應(yīng)力，土壤中應(yīng)力的增量。附加應(yīng)力引起地基土的變形(欠固結(jié)土，自重應(yīng)力也是變形的因素之一)，導(dǎo)致地基中各點(diǎn)的豎向和橫向位移。本章主要討論地基中的應(yīng)力和豎向位移(

2、沉降)。為了保證建筑物的安全和正常使用，必須將沉降和差異沉降(差異沉降)控制在一定的范圍內(nèi)，特別是對于軟土地基上的建筑物。沉降分析是土力學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科之一。沉降量主要取決于土體變形的原因和土體本身的特性。土體變形的主要原因是土體應(yīng)力狀態(tài)的變化(如地基荷載和地基附加應(yīng)力引起的地基應(yīng)力場的變化)。土本身的性質(zhì)主要是指土的壓縮性(或應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系)，即土在附加應(yīng)力作用下的效應(yīng)。土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系非常復(fù)雜，通常具有彈性、粘性和塑性、非線性和各向異性，并且還受應(yīng)力歷史的影響。地基土附加應(yīng)力的正確計(jì)算和地基土性質(zhì)的正確描述是提高沉降計(jì)算精度的兩個(gè)關(guān)鍵問題。經(jīng)典的沉降計(jì)算方法處理了上述兩個(gè)問題：在半無限空間中，

3、根據(jù)各向同性、均勻、線彈性和物理理論計(jì)算地基在荷載作用下的附加應(yīng)力場，根據(jù)一維壓縮試驗(yàn)測量土的壓縮性，用分層總和法計(jì)算沉降。顯然，沉降計(jì)算模型與地基沉降的真實(shí)特征之間存在許多差距。在第2節(jié)，土中的自重應(yīng)力，在荷載之前，地基中有一個(gè)初始應(yīng)力場。初始應(yīng)力場往往與土壤自重、地基土質(zhì)量歷史和地下水位有關(guān)。在工程應(yīng)用中，通常假定天然地基是一個(gè)水平的、均勻的、各向同性的半無限空間，土體界面是一個(gè)水平面。因此，在任何垂直面或水平面上都沒有剪應(yīng)力。地基中的初始應(yīng)力，即地基中任意點(diǎn)的自重應(yīng)力，只需用垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力來表示。天然地基下任意深度z處水平面上的垂直自重應(yīng)力為cz=z，垂直面上的水平自重應(yīng)力為cx=K

4、0 cz=K0 z K0，為靜側(cè)壓力系數(shù)。土壤中的垂直和側(cè)向自重應(yīng)力一般指有效自重應(yīng)力。在計(jì)算中，對于地下水位以下的土層，必須使用有效重量而不是自然重量。為簡單起見，豎向有效自重應(yīng)力cz通常簡稱自重應(yīng)力，用符號c表示。層狀地基中N層土底面自重應(yīng)力的計(jì)算公式如下：第3節(jié)基底壓力，建筑荷載通過地基傳遞到地基，地基底面與地基之間不可避免地會產(chǎn)生接觸應(yīng)力。地基壓力的分布與地基的尺寸和剛度、作用在地基上的荷載的大小和分布、地基土的力學(xué)性質(zhì)以及地基的埋深有關(guān)。根據(jù)圣維南原理，地基與底面之間的距離大于地下室主體的尺寸時(shí)，土中的應(yīng)力分布1.基礎(chǔ)壓力的簡化計(jì)算1。中心荷載下的基礎(chǔ)壓力2。偏心荷載下的基礎(chǔ)壓力2。

5、額外的地基壓力在建筑建造之前，地基土中已經(jīng)存在自重應(yīng)力。天然土層在自重作用下的變形已經(jīng)結(jié)束，因此只有基礎(chǔ)的附加壓力才能引起基礎(chǔ)的附加應(yīng)力和變形?；A(chǔ)附加壓力是建筑施工后的基礎(chǔ)壓力與基礎(chǔ)標(biāo)高處的初始自重應(yīng)力之差。第四節(jié)基礎(chǔ)附加應(yīng)力是指在土中建筑荷載引起的原始應(yīng)力基礎(chǔ)上增加的應(yīng)力。該計(jì)算方法一般假定地基土在半無限空間內(nèi)是各向同性、均勻的線性彈性變形，并采用彈性力學(xué)中彈性半空間的理論解。1.豎向集中力作用下的地基附加應(yīng)力采用Boussinesq解，最常用的是豎向正應(yīng)力z和豎向位移w。如果地基中某一點(diǎn)與局部荷載的距離遠(yuǎn)大于局部荷載的荷載面大小，可以用集中力代替局部荷載，并采用Boussinesq解法。

6、2.矩形荷載和圓形荷載作用下基礎(chǔ)的附加應(yīng)力。對于均布矩形荷載，先用積分法計(jì)算矩形荷載面拐角處基礎(chǔ)的附加應(yīng)力，然后用拐角法計(jì)算矩形荷載作用下任意點(diǎn)的基礎(chǔ)附加應(yīng)力。2.用積分法計(jì)算三角形矩形荷載面角下地基的附加應(yīng)力。注意，b是沿三角形載荷分布方向的邊長。3.梯形分布矩形荷載的附加應(yīng)力系數(shù)是已知的，梯形分布矩形荷載作用下地基上任意點(diǎn)的附加應(yīng)力可用轉(zhuǎn)角法計(jì)算。4.均勻分布圓形荷載面中點(diǎn)以下任意深度的地基附加應(yīng)力可用積分法求得。3.線性荷載和條形荷載作用下的地基附加應(yīng)力是一個(gè)平面應(yīng)力問題。4.非均勻地基中的附加應(yīng)力1。變形模量隨深度增加(應(yīng)力集中)的地基。雙層地基A .上軟下硬(應(yīng)力集中)B .上硬下軟

7、(應(yīng)力擴(kuò)散)，第5節(jié)：地基沉降的彈性力學(xué)公式，柔性荷載下的地基沉降(Boussinesq解)，第6節(jié)：土壤壓縮性，土壤壓縮性：土壤體積在壓力下減小。在一般壓力下，與土壤的總壓縮量相比，土壤顆粒(土壤的固相)和水(土壤的液相)的壓縮量非常小，因此可以近似認(rèn)為土壤顆粒和水是不可壓縮的。土壤的壓縮源于土壤孔隙體積的減少(氣體壓縮、氣體排放和孔隙水排放)。飽和土壤由土壤顆粒和水組成。當(dāng)被壓縮時(shí)，隨著孔隙體積的減小，土壤中的孔隙水被排出。在荷載作用下，飽和土?xí)a(chǎn)生超孔隙水壓力。在排水條件下，隨著時(shí)間的發(fā)展，土壤中的水分排出，超孔隙水壓力逐漸消散，土壤中的有效應(yīng)力逐漸增加，直至超孔隙水壓力完全消散。這個(gè)過

8、程叫做整合。1.土壤壓縮曲線和壓縮指數(shù)1。土壤壓縮曲線是室內(nèi)土壤壓縮試驗(yàn)的結(jié)果，是土壤孔隙度與土壤壓力的關(guān)系曲線。壓縮曲線可以用兩種方式繪制，一種是ep曲線；一個(gè)是埃爾加曲線。2.土壤壓縮性指數(shù)(1)土壤壓縮性由ep曲線獲得。切線斜率的絕對值(理論上，它反映了在一定壓力下土壤的可壓縮性)。割線斜率的絕對值(實(shí)際上，它反映了一定壓力范圍內(nèi)土壤的可壓縮性)。為了便于應(yīng)用，通常采用壓力從P1=100千帕增加到p2=200千帕?xí)r獲得的壓縮系數(shù)a1-2。壓縮系數(shù)越大，土壤的壓縮性越高。(2)土的壓縮性指數(shù)Cc由埃爾加曲線得到。土壤的elgp曲線的后段接近一條直線，且直線斜率的絕對值。壓縮性指數(shù)越大，土壤

9、的壓縮性越高。3.壓縮模量壓縮模量：如果測量出回彈穩(wěn)定后的孔隙率，就可以畫出孔隙率與壓力之間的關(guān)系曲線，即回彈曲線。由于回彈曲線與原始壓縮曲線不一致，說明土的壓縮變形由可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的塑性變形組成，其中塑性變形是主要的。如果逐步再加壓，可以測出不同載荷下再壓縮穩(wěn)定后土樣的孔隙比，并繪制再壓縮曲線。東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育，基礎(chǔ)工程，第7講，教師童曉東，第2講。土壤變形模量1。荷載試驗(yàn)測量土的變形模量E0根據(jù)荷載試驗(yàn)的觀測數(shù)據(jù)，繪制荷載與穩(wěn)定沉降的關(guān)系曲線(ps曲線)。曲線的起點(diǎn)往往接近直線，對應(yīng)于直線終點(diǎn)的荷載稱為地基的比例極限荷載。地基承載力的一般設(shè)計(jì)值接近或略超過該比值的限值，因此地基

10、變形通常處于線性變形階段，因此可以用彈性力學(xué)公式來反演地基土的變形模量。用載荷試驗(yàn)測量土的變形模量費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、昂貴，對深層土的試驗(yàn)結(jié)果可靠性差。現(xiàn)在，我們應(yīng)該重點(diǎn)發(fā)展快速測量變形模量的方法(旁壓試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)等)。)。變形模量和壓縮模量土的變形模量E0是無側(cè)限條件下土的應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變的比值。土的壓縮模量Es是完全約束條件下土的有效應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變的比值。靜側(cè)壓力系數(shù)K0與泊松比之間的關(guān)系可以從不允許側(cè)向膨脹的條件下得到。從垂直應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系和壓縮模量的定義，可以得到土的變形模量和壓縮模量之間轉(zhuǎn)換的理論關(guān)系式。第七節(jié)地基最終沉降在荷載作用下，地基土變形，地基沉降。地基沉降隨時(shí)間發(fā)展。本文主要介紹了

11、計(jì)算地基最終沉降的兩種方法：傳統(tǒng)的分層總和法和規(guī)范推薦的分層總和法。如果沉降計(jì)算的分層總和法中所用的土的壓縮性指數(shù)來自壓縮機(jī)的測量結(jié)果，則稱之為單向壓縮分層總和法。1.傳統(tǒng)的分層總和法采用分層總和法計(jì)算地基的最終沉降量，將壓縮層內(nèi)的土層分為N層，應(yīng)用彈性理論計(jì)算各層在荷載作用下的附加應(yīng)力，采用單向壓縮下的壓縮系數(shù)，分別計(jì)算各層的壓縮量，然后求和得到總沉降量。各子層收縮量的計(jì)算方法與薄壓縮層地基的沉降計(jì)算方法相同。單向分層總和法假設(shè)：1 .基礎(chǔ)附加壓力為局部柔性荷載，非均質(zhì)基礎(chǔ)引起的附加應(yīng)力分布可按均質(zhì)基礎(chǔ)計(jì)算；2.只需計(jì)算豎向附加應(yīng)力作用下土體壓縮變形引起的地基沉降，剪應(yīng)力可以忽略不計(jì)；3.土

12、層受壓時(shí)不會發(fā)生側(cè)向變形。由于上述假設(shè)，各層土處于單向壓縮狀態(tài)，在約束條件下得到的壓縮性指數(shù)應(yīng)用于計(jì)算各層的壓縮量。地基土的壓縮性隨著深度的增加而減小，局部荷載引起的附加應(yīng)力隨著深度的增加而減小，因此超過一定深度的土體變形對沉降的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。沉降過程中應(yīng)考慮土體變形的深度范圍內(nèi)的土層稱為基礎(chǔ)壓縮層，該深度稱為基礎(chǔ)沉降計(jì)算深度(基礎(chǔ)壓縮層厚度)?；A(chǔ)沉降計(jì)算深度的下限一般取在基礎(chǔ)附加應(yīng)力等于自重應(yīng)力的20%的地方，如果有較高的壓縮力計(jì)算地基最終沉降S的分層總和法公式如下：2 .規(guī)范推薦的分層總和法與傳統(tǒng)分層總和法相同：也采用單向壓縮下的壓縮性指標(biāo)；不同于傳統(tǒng)的分層總和法：1 .采用平均附加

13、應(yīng)力系數(shù)；2.規(guī)定了地基沉降計(jì)算深度的標(biāo)準(zhǔn)，并考慮了地基尺寸因素，比應(yīng)力比法更合理；3.提出了地基沉降計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，使計(jì)算結(jié)果接近實(shí)測值。地基沉降的計(jì)算深度是第n個(gè)子層的底部深度zn，確定zn的標(biāo)準(zhǔn)方法稱為變形比法。根據(jù)規(guī)范，基礎(chǔ)沉降計(jì)算值s應(yīng)乘以沉降計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)s，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)s應(yīng)根據(jù)區(qū)域沉降觀測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)確定。第8節(jié)應(yīng)力歷史對基礎(chǔ)沉降的影響，1。沉積土層的應(yīng)力歷史自然土層在歷史上承受的最大垂直有效固結(jié)壓力，包括自重壓力和其他荷載，稱為早期固結(jié)壓力，通常用pc表示。通常，地基中土的預(yù)固結(jié)壓力與現(xiàn)有覆蓋層壓力之比被定義為超固結(jié)比OCR。根據(jù)光學(xué)字符識別，可以劃分不同的土壤固結(jié)狀態(tài)。OCR，1超

14、固結(jié)狀態(tài)，=1正常固結(jié)狀態(tài)，1欠固結(jié)狀態(tài)。通過修改室內(nèi)壓縮曲線，可以得到原始壓縮曲線，從而確定土的壓縮性指標(biāo)。在地基沉降計(jì)算中常用的分層總和法中，只要根據(jù)原始壓縮曲線確定土的壓縮指數(shù)，就可以考慮應(yīng)力歷史對地基沉降的影響。正常固結(jié)狀態(tài)下土的原始elgp曲線為直線(壓縮指數(shù)為cc)；超固結(jié)土的原始elgp曲線由兩條斜率不同的直線組成(壓縮指數(shù)分別為Ce和cc)；欠固結(jié)土的原始elgp曲線是一條直線(壓縮指數(shù)為Cc)。第9節(jié)基礎(chǔ)最終沉降計(jì)算總結(jié)。首先，各種分層總和法的共同假設(shè)是，非均質(zhì)地基在荷載作用下的附加應(yīng)力分布可以用均質(zhì)彈性半空間的理論解代替。分層總和法利用均勻彈性半空間的應(yīng)力來計(jì)算非均勻地基的

15、變形，這在理論上是明顯不相容的。然而，實(shí)踐表明，地基沉降計(jì)算的精度更直接地取決于方法本身能否反映地基的分層和非均質(zhì)性，能否考慮土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性，而應(yīng)力計(jì)算精度的影響排在第二位。第10節(jié)飽和土壤的有效應(yīng)力和滲透固結(jié)；1.飽和土壤中的有效應(yīng)力；2.太沙基的一維固結(jié)理論；土壤固結(jié)是土力學(xué)中最基本的課題之一。土壤固結(jié)過程有兩個(gè)特點(diǎn)：1 .隨著土壤中水分的排出，土壤的孔隙比減小，土壤被壓縮，體積減?。?.隨著超孔隙水壓力的消散，有效應(yīng)力逐漸增大，土的抗剪強(qiáng)度提高。固結(jié)過程的這兩個(gè)特點(diǎn)在工程中經(jīng)常使用，采用排水固結(jié)法對軟土地基進(jìn)行處理，以減少工后沉降，提高地基承載力。固結(jié)模型：彈簧代表土壤顆粒的骨架，水代表孔隙水，活塞上的小孔代表土壤的滲透性和排水條件(孔的大小代表滲透性的強(qiáng)度)。一維固結(jié)理論研究的是土體的固結(jié)問題，其中水的流動和土體的變形只在荷載作用下沿一個(gè)方向發(fā)生。一維固結(jié)理論的基本假設(shè)：1 .土壤是均勻的、各向同性的和完全飽和的；2.土壤顆粒和孔隙水是不可壓縮的；3.土層的壓縮和土壤中水的滲透都是一維的。4.水在土壤中的滲流遵循達(dá)西定律；5.在滲透固結(jié)中，滲透層理論上，根據(jù)孔隙水壓力的解，可以得到相應(yīng)有效應(yīng)力的大小和分布，進(jìn)而計(jì)算出地基在任意時(shí)刻的沉降量。但是解決這個(gè)問題不方便。因此，引入了固結(jié)度的概念來簡化問題。固結(jié)度是指在一定固結(jié)應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定時(shí)間t后，土體的