土力学基础知识二课件

土力学相关知识 项目四 土的压缩性,地基变形计算的目的，在于确定建筑物可能出现的最 大沉降量和沉降差，为建筑物设计或地基处理提供依据。 在工程计算中，首先关心的问题是建筑物的最终沉降 量（或地基最终沉降量），所谓地基最终沉降量是指在外荷 作用下地基土层被压缩达到稳定时基础底面的沉降量，常简 称地基变形量（或沉降量）。 地基产生变形是因为土体具有可压缩的性能。,一般地基的压缩变形，主要由建筑物荷重产生的附加 应力而引起。,一、基本概念 1.土的压缩性：地基土在压力作用下体积减小的特性。土体积缩小包括两个方面（1）土中水、气从孔隙中排出，使孔隙体积减小；（2）土颗粒本身、土中水及封闭在土中的气体被压缩，很小可忽略不计。 土体的压缩变形实际上是孔隙压缩、孔隙比变小所造成的。 在土的压缩过程中，假定土颗粒是不可压缩的，水是不可压缩的，只有孔隙可以压缩。 对饱和土而言，土的压缩主要是由孔隙中的水被挤出所致，压缩过程同排水过程一致。 2.固结：土的压缩随时间增长的过程称为固结。对于透水性大的无粘性土，其压缩过程在很短时间内就可以完成；而透水性小的粘性土，其压缩稳定所需的时间要比砂土长得多。,土力学相关知识 项目四 土的压缩性,e -logp曲线,二、压缩试验和压缩性指标 1.压缩试验和压缩曲线 （1）侧限压缩试验 （2）变形表达式（孔隙比计算） 假定：受压前后土粒体积不变、土样横截面面积不变。,压缩前,压缩后,土力学相关知识 项目四 土的压缩性,（3）绘制压缩曲线：压缩曲线是室内压缩实验的成果，它是土的孔隙比e与所受压力P的关系曲线。,e-p曲线,土力学相关知识 项目四 土的压缩性,2.压缩系数和压缩指数 e-p曲线愈陡，说明土的压缩性愈高。所以，曲线上任意一点的切线斜率a就表示了相应于压力作用下土的压缩性：,设压力由p1增至p2，相应的孔隙比由e1减小到e2，此时，土的压缩性可用割线M1M2的斜率表示：,土力学相关知识 项目四 土的压缩性,压缩系数：,a:土的压缩系数， p1：一般指土中自重应力 p2：自重应力加附加应力 e1：相应于p1下压缩稳定后的孔隙比 e2：相应于p2下压缩稳定后的孔隙比,土力学相关知识 项目四 土的压缩性,压缩性评价：,为了便于应用和比较，通常采用压力间隔由,增加到,所得的压缩系数,来评定土的压,缩性。,a1-20.1 MPa-1 属低压缩性土。 0.1a1-20.5 MPa-1 属中压缩性土。 a1-20.5 MPa-1 属高压缩性土。,土力学相关知识 项目四 土的压缩性,压缩指数：,曲线的后半段接近直线，其斜率称为压缩指数,越大，土的压缩性越高；,低压缩性土； 高压缩性土。,土力学相关知识 项目四 土的压缩性,3.压缩模量Es（侧限压缩模量）,所以：,土力学相关知识 项目四 土的压缩性,一、概念说明 1.地基最终沉降量：地基在建筑物荷载作用下，最后的稳定沉降量。 2.计算的目的：在于确定建筑物的最大沉降量、沉降差和倾斜，并控制在容许范围之内，以保证建筑物的安全和正常使用。 3.分层总和法和规范推荐法概述：分层总和法假设土层只有垂直单向压缩，侧向不能膨胀。规范推荐法根据建国以来多年实践经验，对分层总和法进行了修正。,土力学相关知识 项目五 地基最终沉降量的计算,二、分层总和法：是以无侧向变形条件下的压缩量公式为基础，在沉降计算深度范围内划分若干土层，计算各层的沉降量，然后求和。,1.假定 （1) 地基土是一个均匀、等向的半无限空间弹性体 （2) 地基土层受荷后不能发生侧向变形。 （3)基础沉降量根据基础中心点下土柱所受的附加应力z 进行计算。 （4)基础最终沉降量等于基础底面下某一深度范围内各土层压缩量的总和。 该深度以下土层的压缩变形值小到可以忽略不计。,土力学相关知识 项目五 地基最终沉降量的计算,2.地基沉降计算深度 地基沉降计算深度的下限，一般取地基附加应力等于自重应力的20%处，即z=20%c ,但在该深度以下如有高压缩性土，则应继续向下计算至z=10%c 处；在沉降计算深度范围内存在基岩时， 可取至基岩表面为止。,3.计算方法及步骤 （1) 按比例尺绘出地基剖面图和基础剖面。 （2) 计算基底的附加应力和自重应力。 （3) 确定地基压缩层厚度。,土力学相关知识 项目五 地基最终沉降量的计算,（4) 计算分层 一般hi0.4b(b为基础宽度)。还需考虑下述条件： 1)地质剖面图中的不同土层，应为分层面。 2)地下水位，应为分层面。 3)基底附近附加应力变化大，分层厚度应小些，使各计算分层的附加应力分布可视为直线。 （5) 绘出自重应力和附加应力分布图。 （6) 计算各层压缩量及总沉降量。,土力学相关知识 项目五 地基最终沉降量的计算,（1）单向压缩量公式,4.沉降量计算公式,土力学相关知识 项目五 地基最终沉降量的计算,（2）分层总和法 1)分层计算的原因 土层性质不同； 精度要求。 2)公式,土力学相关知识 项目五 地基最终沉降量的计算,3) 压缩层厚度和分层标准,H控制标准：,一般粘土； 高压缩性土。,分层标准： 不同土层界面和地下水面；厚度取0.4b或1-2m。,土力学相关知识 项目五 地基最终沉降量的计算,【例题】以分层总和法求基础甲的最终沉降量。,解： 1）地基分层厚度为1m。 2）地基竖向自重应力计算 3）地基竖向附加应力计算 4）地基分层自重应力平均值和附加应力平均值计算,例题图,土力学相关知识 项目五 地基最终沉降量的计算,5）地基各分层土的孔隙比变化值的确定。按各分层的 及 值从土样4-1或土样4-2的压缩曲线查取孔隙比。 6）地基沉降计算深度的确定。一般按 的要求来确定沉降计算深度的下限，8m处满足要求。 7）地基各分层量计算。 8）计算最终沉降量。,例图,土力学相关知识 项目五 地基最终沉降量的计算,【例题】墙下条形基础宽度为2.0 m，传至地面的荷载为100 kNm，基础理置深度为1.2 m，地下水位在基底以下0.6 m，如图5-1所示，地基土的室内压缩试验试验e-p数据下表所示，用分层总和法求基础中点的沉降量。,土力学相关知识 项目五 地基最终沉降量的计算,地基土的室内压缩试验试验e-p数据,土力学相关知识 项目五 地基最终沉降量的计算,土力学相关知识 项目六 地基变形与时间的关系,地基的变形不是瞬时完成的，地基在建筑物荷载作用下要经过一定的时间才能完成土的压缩过程，达到最终沉降量。,在建筑物的工程设计中，不仅要知道地基的最终沉降量，有时候还需要知道基础的沉降随时间的变化过程，即沉降与时间的关系。,通常对于碎石土和砂性土地基，因其压缩性小及渗透性大，其固结稳定所需时间较短，一般在施工期间基础沉降即可完成或者基本完成。 而饱和粘性土的固结稳定需要的时间较长。一般建筑物的不同压缩性的地基，施工完成时的沉降占总沉降比值（固结度）：低压缩性土为50%-80%；中压缩性土为20%-50%；高压缩性土为5%-20%。,土力学相关知识 项目六 地基变形与时间的关系,饱和土是由土颗粒和孔隙水组成的两相体。当荷载作用在饱和土体时，这些荷载是由土颗粒和孔隙水共同承担的。我们把通过土粒接触点传递的粒间应力称为有效应力，通过孔隙水传递的应力称为孔隙水应力。,饱和土的压缩变形过程-即饱和土的渗透固结过程，我们可以借助力学模型来说明土的骨架和孔隙水分担外力的情况以及相互转移的过程。,水-弹簧-活塞力学模型,p,p,附加应力:z=p 超静孔压: u = z=p 有效应力:z=0,附加应力:z=p 超静孔压: u 0,附加应力:z=p 超静孔压: u =0 有效应力:z=p,土力学相关知识 项目六 地基变形与时间的关系,土力学相关知识 项目六 地基变形与时间的关系,饱和土的压缩主要是由于土的外荷作用下孔隙水被挤出，以致孔隙体积减小所引起的。 饱和土孔隙中自由水的挤出速度，主要取决于土的渗透性和土的厚度。 孔隙水压力u是指外荷p在土孔隙水中所引起的超静水压力。,模型演示得到： 饱和土的渗透固结过程就是孔隙水压力向有效力应力转化的过程，在任一时刻，有效应力和孔隙水压力u之和始终等于饱和土体的总应力,土体中由孔隙水所传递的压力,饱和土体有效应力原理,土力学相关知识 项目六 地基变形与时间的关系,一、一维固结理论,有效应力原理,u0起始孔隙水压力,在可压缩层厚度为H的饱和土层上面施加无限均布荷载p，土中附加应力沿深度均匀分布，土层只在竖直方向发生渗透和变形.这种条件相当于荷载分布面积很广，靠近地表的薄层粘性土的渗流固结情况。,1.土层是均质的、完全饱和的 2.土的压缩完全由孔隙体积减小引起，土体和水不可压缩 3.土的压缩和排水仅在竖直方向发生 4.土中水的渗流服从达西定律 5.在渗透固结过程中，土的渗透系数k和压缩系数a视为常数 6.外荷一次性施加,该理论计算简便，并能符合工程实践要求。,一维理论计算假定,u0=p,微分方程及解析解,根据水流连续性原理、达西定律和有效应力原理，建立饱和粘性土单向渗透固结微分方程,cv土的固结系数，m2/年,渗透固结前土的孔隙比,其中：k土的渗透系数，m/年,土力学相关知识 项目六 地基变形与时间的关系,求解分析,固结微分方程,t=0，0zH 时，uz 0t，z0时， u/ z=0 0t ，zH时，u0 t=，0zH时，u0,边界条件,采用分离变量法，求得单向渗透固结微分方程的特解为,式中：TV表示时间因素,m正奇整数1，3，5； H待固结土层最长排水距离(m)，单面排水土层取土层厚度，双面排水土层取土层厚度一半,土力学相关知识 项目六 地基变形与时间的关系,有了孔隙水应力随时间和深度变化的函数解，我们可以据此求得地基在任意时间的固结沉降。一般我们要用到地基的固结度这个指标。地基的固结度是指地基固结的程度，是地基在一定压力下，经某段时间产生的变形量St与地基最终变形量S的比值。,土力学相关知识 项目六 地基变形与时间的关系,我们可以根据饱和粘性土中附加应力为不同分布情况下的固结度和时间因数之间的关系曲线来求出一段时间的沉降量或者地基达到某一沉降量所需要的时间。,二、建筑物沉降观测,观测工作主要内容,1、收集资料和编写计划 2、水准基点设置 3、观测点的设置 4、水准测量 5、观测资料的整理,反映地基的实际变形以及地基变形对建筑物的影响程度 根据沉降观测资料验证地基设计方案的正确性，地基事故的处理方式以及检查施工的质量 沉降计算值与实测值的比较，判断现行沉降计算方法的准确性，并发展新的更符合实际的沉降计算方法,土力学相关知识 项目六 地基变形与时间的关系,地基的容许变形值,地基变形按其变形特征划分 1、沉降量一般指基础中点的沉降量 2、沉降差相邻两基础的沉降量之差 3、倾斜基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离之比 4、局部倾斜承重砌体沿纵墙610m内基础两点的沉降差与其距 离之比,地基容许变形值的确定方法,1.理论分析方法,2.经验统计法,实践证明：由于地基不均匀、荷载差异很大或者体形复杂等因素引起的地基变形，对于砌体承重结构基础应由局部倾斜控制；对框架结构和单层排架基础应由相邻两柱基的沉降差控制；对多层或者高层建筑结构基础和高耸结构基础应由倾斜值来控制。,