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1、地基土的变形,基本内容：这是本课程的重点。在学习土的压缩性指标确定方法的基础上，掌握地基最终沉降量计算原理和地基固结问题的分析计算方法。学习要求：掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法；掌握地基最终沉降量计算方法；熟悉不同应力历史条件的沉降计算方法；掌握太沙基一维固结理论；掌握地基沉降随时间变化规律。,概述1,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，这都将导致地基土体的变形。土体变形可分为：体积变形和形状变形。本章只讨论由正应力引起的体积变形，即由于外荷载导致地基内正应力增加，使得土体体积缩小。在附加应力作用下
2、，地基土将产生体积缩小，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或下沉）称为沉降。为什么研究沉降？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2,地基土层发生变形的主要因素,内因：土具有压缩性,外因：主要是建筑物荷载的作用,建筑物荷载作用，这是普遍存在的因素,地下水位大幅度下降,施工影响，基槽持力层土的结构扰动,振动影响，产生震沉,温度变化影响，如冬季冰冻，春季融化,浸水下沉，如黄土湿陷，填土下沉,固相矿物本身压缩,土中液相水的压缩,土中孔隙的压缩,在外力作用下，土颗粒重新排列，土体体积缩小的现象称为压缩。通常，均认为土体压缩完全是由于土中孔隙
3、体积减小的结果。土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。,概述3,即在自重应力或附加应力作用下，地基土要产生附加变形，包括体积变形和形状变形。对于土来说，体积变形通常表现为体积缩小。我们把这种在外力作用下土体积缩小得特性称为土的压缩性。土的压缩性主要有两个特点：土的压缩性主要是由于孔隙体积减少而引起的；由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘土来说需要时间，将土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。在建筑物荷载作用下，地基土主要由于压缩而引起的竖直方向的位移称为沉降。研究建筑物沉降包含两方面的内容：绝对沉降量的大小，亦即最终沉降；沉降与时间的关系，主要介绍太沙基的一维固结理论。,土的压缩性1,土的压
4、缩试验与压缩性指标 土体的变形计算，需要取得土的压缩性指标，可以通过室内侧限压缩试验和现场原位试验得到。室内压缩试验亦称固结试验，是研究土压缩性最基本的方法。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，并绘制成p-s曲线，即获得地基土载荷试验的结果。反映土的压缩性的指标主要有压缩系数、压缩模量、压缩指数和变形模量、体积压缩系数。土的压缩性的高低，常用压缩性指标定量表示，压缩性指标，通常由工程地质勘察取天然结构的原状土样进行。,侧限压缩试验 侧限压缩试验亦称固结试验。所谓侧限，就是使土样在竖向压力作用下只能发生竖向变形，而无
5、侧向变形。室内压缩试验采用的试验装置为压缩仪(下图)。试验时将切有土样的环刀置于刚性护环中，由于金属环刀及刚性护环的限制，使得土样在竖向压力作用下只能发生竖向变形，而无侧向变形。在土样上下放置的透水石是土样受压后排出孔隙水的两个界面。压缩过程中竖向压力通过刚性板施加给土样，土样产生的压缩量可通过百分表量测。常规压缩试验通过逐级加荷进行试验，常用的分级加荷量p为：50，100，200，300，400kPa。土的压缩是由于孔隙体积减小，所以土的变形常用孔隙比e表示。侧限应力状态应力特点:,土的压缩性2,土的压缩性3,单向固结试验或侧限固结试验,土的压缩性4,单向固结试验或侧限固结试验,土的压缩变形
6、常用孔隙比e的变化来表示。根据固结试验的结果可建立压力p与相应的稳定孔隙比的关系曲线，称为土的压缩曲线。压缩曲线可以按两种方式绘制，一种是按普通直角坐标绘制的ep曲线；另一种是用半对数直角坐标绘制的elgp曲线。同一种土的孔隙比并不是固定不变的，所谓的稳定也只是指附加应力完全转化为有效应力而言的。,土的压缩性5,设土粒体积Vs=1,由三相图(教材图3-2)可得:施加压力p前试件中的固体体积Vs:e0为土的初始孔隙比施加p后因此各级压力p压缩量s孔隙比eep曲线(压缩曲线),土的压缩性6,e-p 曲线确定压缩系数,e-logp曲线确定压缩指数,土的压缩性7,压缩指标 反映土的压缩性的指标主要有压
7、缩系数、压缩指数、压缩模量和变形模量、体积压缩系数。压缩系数：曲线上任意两点割线的斜率。可表示为：式中，负号表示随着压力p的增加，e逐渐减少。压缩性不同的土，其压缩曲线的形状是不一样的。曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高。工程上，自重应力p1增加到外荷作用土中应力p2(自重与附加应力之和),土的压缩性8,压缩指数：土的固结试验的结果也可以绘在半对数坐标上，即坐标横轴p用对数坐标，而纵轴e用普通坐标，由此得到的压缩曲线称为elgp曲线。在较高的压力范围内，elgp曲线近似地为一直线，可用直线的坡度 压缩指数Cc来表示土的压缩性高低，即 Cc是无量纲系数，同压缩
8、系数a一样，压缩指数Cc值越大，土的压缩性越高。虽然压缩系数a 和压缩指数Cc都是反映土的压缩性指标，但两者有所不同。前者随所取的初始压力及压力增量的大小而异，而后者在较高的压力范围内却是常量，不随压力而变。,土的压缩性9,为了便于应用和比较，通常采用压力由p1100kPa增加到p2 200kPa时所得的压缩系数a1-2来评定土的压缩性：工程中，为减少土的孔隙比，从而达到加固土体的目的,常采用砂桩挤密、重锤夯实、灌浆加固等方法,a1-2 0.1 MPa-1时，低压缩性土 0.1a1-2 0.5MPa-1时，中压缩性土 a1-2 0.5MPa-1时，高压缩性土,Cc 0.2时，低压缩性土 Cc0
9、.4时，高压缩性土,土的压缩性10,压缩模量：土体在完全侧限的条件下，竖向应力增量与竖向应变增量的比值。Es的倒数成为土的体积压缩系数mv，它表示单位压应力变化引起的单位体积变化(MPa-1)。,Es 15 MPa时，低压缩性土 15Es 4MPa时，中压缩性土 Es4MPa时，高压缩性土,土的压缩性11,回弹曲线和再压缩曲线压缩曲线特征：卸荷时，试样bc回弹，可见土体的变形是由可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形两部份组成。回弹曲线和再压线曲线构成一迴滞环，土体不是完全弹性体；回弹和再压缩曲线比压缩曲线平缓得多。再加荷时的压力超过b点，再压缩曲线就趋于初始压缩曲线的延长线。土体变形机理非常复
10、杂，不是理想的弹塑性体，而是具有弹、粘、塑性。,土的压缩性12,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。1承压板 2千斤顶 3百分表 4平台 5支墩 6堆载地基土现场载荷试验图,土的压缩性13,土的变形模量：土体在无侧向约束条件下，竖向应力与竖向应变的比值。竖向应变中包括弹性应变和塑性应变，称之为变形模量。变形模量与压缩模量之间的关系:变形模量可以由现场静荷载试验或旁压试验测定。为沉降影响系数。分别证明如下,土的压缩性14,布辛奈
11、斯克解,z=0，即地基表面沉降值,局部荷载p0(,)作用下M(x,y)点的沉降s,均布荷载,土的压缩性15,压缩模量定义,竖向应变,三向受力情况下的应变,侧限条件下，的应变,比较 即得,土的压缩性16,基础最终沉降量计算1,定义 地基土层在建筑物荷载作用下，不断产生压缩，直至压缩稳定后地基表面的沉降量称为地基的最终沉降量。原因 其外因主要是建筑物荷载在地基中产生附加应力；内因是土的碎散性，孔隙发生压缩变形，引起地基沉降。目的 判断地基变形值是否超出允许的范围，以便在建筑物设计时，采取相应的工程措施，保证建筑物的正常使用。方法 有关地基沉降量的方法很多，工业与民用建筑中常见的有分层总和法和规范法
12、，还有弹性理论法和数值计算法。,分层总和法简介 工程上计算地基的沉降时，在地基可能产生压缩的土层深度内，按土的特性和应力状态的变化将地基分为若干(n)层，假定每一分层土质均匀且应力沿厚度均匀分布，然后对每一分层分别计算其压缩量si，最后将各分层的压缩量总和起来，即得地基表面的最终沉降量s，这种方法称为分层总和法。分层总和法的基本思路是：将压缩层范围内地基分层，计算每一分层的压缩量，然后累加得总沉降量。分层总和法有两种基本方法：ep曲线法和elgp曲线法。,基础最终沉降量计算2,基础最终沉降量计算3,计算原理 一般取基底中心点下地基附加应力来计算各分层土的竖向压缩量，认为基础的平均沉降量s为各分
13、层上竖向压缩量Dsi之和，即 几点假设 地基土为一均匀的、等向的半无限空间弹性体；计算部位为基础中心点O下土柱所受附加应力sz进行计算；地基土的变形条件为侧限条件；计算深度因工程上附加应力扩散随深度而减少，计算到某一深度（受压层）即可。分层总和法是目前最常用的地基沉降计算方法,计算步骤1、绘制基础中心下地基的自重应力、附加应力分布曲线，求2、确定沉降计算深度（压缩下限深度）如压缩下限下部还有更软的土层，则计算至该土层底面为止；如压缩层内部有基岩，则受压层深度计算至新鲜岩土为为止；3、分层厚度的确定，天然土层交界面及地下水面为特定的分界面。,一般土,软 土,基础最终沉降量计算4,基础最终沉降量计
14、算5,4、计算分层沉降量si5、最终变形量,查ep曲线,计算中的几个问题1、有相邻荷载作用时，应将相临荷载引起的附加应力叠加到基础自身引起的附加应力中去；2、有相邻荷载时，我国建筑地基基础设计规范规定采用下式确定沉降计算深度：式中，由计算深度向上取厚度为 的土层沉降计算值；s计算深度范围内各个分层土的沉降计算值的总和。具体应用时采用试算法，先假定一个沉降计算深度zn,基础最终沉降量计算6,【例题】有一矩形基础放置在均质粘土层上，如图所示。基础长度L=10m，宽度B=5m，埋置深度D=1.5m，其上作用着中心荷载P=10000kN。地基土的重度为20kN/m3，饱和重度21kN/m3，土的压缩曲
15、线如图（b）所示。若地下水位距基底2.5m，试求基础中心点的沉降量。,例题1,【解】（1）由L/B=10/5=210可知，属于空间问题，且为中心荷载，所以基底压力为 基底净压力为（2）因为是均质土，且地下水位在基底以下2.5m处，取分层厚度2.5m（3）求各分层面的自重应力（注意：从地面算起）并绘分布曲线见图（a）,例题2,（4）求各分层面的竖向附加应力并绘分布曲线见图(a)。该基础为矩形，属空间问题，故应用“角点法”求解。为此，通过中心点将基底划分为四块相等的计算面积，每块的长度L1=5m，宽度B1=2.5m。中心点正好在四块计算面积的公共角点上，该点下任意深度zi处的附加应力为任一分块在该点引起的附加应力的4倍，计算结果如下表所示。,例题3,（5）确定压缩层厚度。从计算结果可知，在第4点处有z4/c40.1950.2，所以，取压缩层厚度为10m。（6）计算各分层的平均自重应力和平均附加应力。各分层的平均自重应力和平均附加应力计算结果见下表。（7）由图(b)根据p1i=si和p2i=si+zi分别查取初始孔隙比和压缩稳定后的孔隙比，结果列于下表。,例题4,（8）计算地基的沉降量。分别计算各分层的沉降量，然后累加即得,例题5,小结,
