地基最终沉降量计算方法及其最终影响

1、地基最终沉降量计算 方法及其最终影响概 述n自重应力压缩稳定n附加应力导致地基土体变形体积变形形状变形由正应力引起，会使土的体积缩小压密，不会导致土体破坏形状变形主要由剪应力引起，当剪应力超过一定限度时， 土体将产生剪切破坏，此时的变形将不断发展。通常在地 基中是不允许发生大范围剪切破坏的。本章讨论重点概 述n沉降：在附加应力作用下，地基土产生体积缩小 ，从而引起建筑物基础的竖直方向的位移（或 下沉）称为沉降n 某些特殊性土由于含水量的变化也会引起体 积变形，如湿陷性黄土地基，由于含水量增高 会引起建筑物的附加下沉，称湿陷沉降。相反 在膨胀土地区，由于含水量的增高会引起地基 的膨胀，甚至把建筑物顶裂。概 述n除此之外某些大城市，如墨西哥、上海 等由于大量开采地下水使地下水位普遍 下降从而引起整个城市的普遍下沉。这 可以用地下水位下降后地层的自重应力 增大来解释。当然，实际问题也是很复 杂的，还涉及工程地质、水文地质方面 的问题。概 述n如果地基土各部分的竖向变形不相同， 则在基础的不同部位会产生沉降差，使 建筑物基础发生不均匀沉降。n 基础的沉降量或沉降差(或不均匀沉降) 过大不但会降

2、低建筑物的使用价值，而 且往往会造成建筑物的毁坏。概 述n为了保证建筑物的安全和正常使用，我们 必须预先对建筑物基础可能产生的最大沉 降量和沉降差进行估算。如果建筑物基础 可能产生的最大沉降量和沉降差，在规定 的允许范围之内，那么该建筑物的安全和 正常使用一般是有保证的；否则，是没有 保证的。对后一种情况，我们必须采取相 应的工程措施以确保建筑物的安全和正常 使用。概 述n基础沉降量或沉降差的大小首先与土的压缩性有 关，易于压缩的土，基础的沉降大，而不易压缩 的土，则基础的沉降小。n基础的沉降量与作用在基础上的荷载性质和大小 有关。一般而言，荷载愈大，相应的基础沉降也 愈大；而偏心或倾斜荷载所产生的沉降差要比中 心荷载为大。n在这一章里，我们首先讨论土的压缩性；然后介 绍目前工程中常用的沉降计算方法；最后介绍沉 降与时间的关系。土的压缩特性 一、土的压缩与固结n压缩：土在压力作用下，体积将缩小。这种现 象称为压缩。n固结：土的压缩随时间增长的过程称为固结一、土的压缩与固结n目前我们在研究土的压缩性，均认为土 的压缩完全是由于孔隙中水和气体向外 排出而引起的。饱和砂土透水性强，在压力作用

3、下，固结很快完成饱和粘土透水性弱，在压力作用下，固结需要很长时间完成一、土的压缩与固结瞬时沉降主固结沉降次固结沉降一、土的压缩与固结n瞬时沉降指在加荷后立即发生的沉降n饱和粘土在很短的时间内，孔隙中的水来不及排 出，加之土体中的土粒和水是不可压缩 的，因而瞬时沉降是在没有体积变形的 条件下发生的，它主要是由于土体的侧 向变形引起的n瞬时沉降一般不予考虑一、土的压缩与固结n对于控制要求较高的 建筑物，瞬时沉降可 用弹性理论估算。对 于饱和粘土在局部均 布荷载作用下，地基 的瞬时沉降可用下式 计算影响系数，表41一、土的压缩与固结瞬时沉降主固结沉降次固结沉降一、土的压缩与固结n主固结与主固结沉降在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致土 体体积随时间逐渐减小，有效应力逐渐增加， 这一过程称为主固结随着时间的增加，孔隙水应力逐渐消散，有效 应力逐渐增加并最终达到一个稳定值，此时孔 隙水应力消散为零，主固结沉降完成，这一过 程所产生的沉降为固结沉降。一、土的压缩与固结瞬时沉降主固结沉降次固结沉降一、土的压缩与固结n次固结沉降土体在主固结成将完成之后有效应力不 变得情况下还会随时间的增长进一步产

4、生沉降，称为次固结沉降n次固结沉降对某些土如软粘土是比较重 要的，对于坚硬土或超固结土，这一分 量相对较小。土的压缩特性 二、土的压缩指标n为了研究土的压缩特性，通常需要进行 试验室内固结试验现场原位试验（荷载试验、旁压试验）室内固结试验与压缩曲线室内固结试验与压缩曲线n用环刀切取扁园柱体，一般高2厘 米，直径应于高度25倍，面积为 30cm2或50 cm2,试样连同环刀一起 装入护环内，上下有透水石以便试 样在压力作用下排水。n在进水石顶部放一加压上盖，所加 压力通过加压支架作用在上盖，同 时安装一只百分表用来量测试样的 压缩。n由于试样不可能产生侧向变形而只 有竖向压缩。于是，我们把这种条 件下的压缩试验称为单向压缩试验 或侧限压缩试验。室内固结试验与压缩曲线n假定试样土粒本身体 积不变，土的压缩仅 由于孔隙体积的减小 ，因此土的压缩变形 常用孔隙比e的变化 来表示。n压力p与相应的稳定 孔隙比的关系曲线称 为压缩曲线e-p曲线e-lgp曲线室内固结试验与压缩曲线na图：压力与加荷历 时关系nb图：各级压力下， 试样孔隙比随时间的 变化过程n压缩快压缩稳定 ，稳定的快慢和土的 性质

5、有关压缩系数n用单位压力增量所 引起的孔隙比的改 变，即压缩曲线的 割线坡度表征土的 压缩性的高低压缩系数压缩系数nav是表征土压缩性的重要指标之一ep曲线越陡， av就越大，土的压缩性越高ep曲线越平缓， av就越小，土的压缩性越低压缩系数n压缩曲线不是直线，即使是同一种土，其 压缩系数也不是常量。n工程上为了便于统一比较，习惯采 100kpa200kpa范围的压缩系数来衡量 土的压缩性的高低我国建筑地基基础设计规范规定压缩指数与回弹再压缩指数n在较高的压力范围内， 压缩曲线近似为一直线 ，很明显，该直线越陡 ，意味着土的压缩性越 高。压缩指数压缩指数与回弹再压缩指数nCc与土的压缩性的关系elgp曲线越陡， Cc就越大，土的压缩性越高elgp曲线越平缓， Cc就越小，土的压缩性越低压缩指数与回弹再压缩指数n试样回弹不是沿初始压 缩曲线，说明土体的变 形是由可恢复的弹性变 形和不可恢复的塑性变 形组成n回滞环非完全弹性n回弹和再压缩曲线比初 始曲线平缓，说明在回 弹和再压缩范围内土的 压缩性降低n超过B点，再压缩曲线趋 于初始压缩曲线的延长 线压缩指数与回弹再压缩指数nCs=(0.1

6、0.2)Cc土的压缩性减小n土体如果承受到比现 在大的压力，其压缩 性将降低，也就是说 土的应力历史对压缩 性有很大影响回弹指数软土地基加固其它压缩性指标n体积压缩系数mv单位应力作用下单位体积的体积变化初始孔隙比其它压缩性指标n压缩模量：土体在无侧向变形 条件下，竖直应力 与竖向应变之比。 其大小反映了土体 在单向压缩条件下 对压缩变形的抵抗 能力。其它压缩性指标n变形模量表示土体在无侧限条件下应力应变之比 ，相当于理想弹性体的弹性模量。n其大小反映了土体抵抗弹塑性变形的能 力n用于瞬时沉降的估算，可用室内三轴试 验或现场试验测定其它压缩性指标n广义虎克定律变形模量与压缩模量关系不同土类的变形模量经验值应力历史对粘性土压缩性的影响n应力历史：土体在历史上曾经受过的应力状态n固结应力能够使土体产生固结或压缩的应力自重应力附加应力固结应力新沉积的土或人工填土大多数天然土应力历史对粘性土压缩性的影响n前期固结应力土在历史上曾受到过的最大有效应力pcn现有有效应力n超固结比应力历史对粘性土压缩性的影响OCR1 超固结土OCR1 正常固结土OCR1 欠固结土现有有效应力是历史上曾经收到过的最大

7、有效应力应力历史对粘性土压缩性的影响应力历史对粘性土压缩性的影响n三种土层现有应力相同 ，但是它们的应力历史 不同。n压缩时从不同的位置开 始，逐渐压缩稳定n三种土应力增量相同， 但由于应力历史不同， 所以其压缩量不同。n应力历史对地基沉降产 生很大的影响3.7 地基最终沉降量计算- 单向压缩量公式无侧向变形条件下单向压缩量计算假设n分层总和法（1）土的压缩完全是由于孔隙体积减小 导致骨架变形的结果，土粒本身的压缩 可忽略不计；（2）土层仅产生竖向压缩，而无侧向 变形；（3）土层均质且在土层厚度范围内， 压力是均匀分布的。单向压缩量公式n试样高度Hn土粒的体积Vsn孔隙比e1孔隙体积：Vv=e1vs总体积：V1=Vv+Vs=(1+e1)Vs单向压缩量公式n压缩稳定后试样高度n孔隙比e2n孔隙体积e2Vs单向压缩量公式n压力增量作用所引起的单位体积土体体积 变化为单向压缩量公式n从以上两式可得无侧向变形条件下的土 层压缩量计算公式土层均一且应力沿高度均 匀分布假定下得到！天然地基通常由不同的土 层组成，而且地基中的自重应 力和引起地基变形的附加应力 均沿深度变化3.7.2 地基沉降计算的

8、e-p曲线法-分层总和法简介n分层总和法工程计算地基的沉 降时，在地基可能产生 压缩的土层深度内，按 土的特性和和应力状态 的变化将地基分为若干 层，假定每一层土质均 匀且应力沿厚度均匀分 布，然后对每一土层分 别计算其压缩量，最后 将各分层的压缩量总和 起来，即得地基表面的 最终沉降量多深合适呢 ？分层总和法简介n压缩层的概念及确定水利工程中通常是按 照附加竖向应力与自 重应力之比确定压缩 层的厚度一般粘土软粘土分层总和法基本思路n将压缩层范围内的地基分层，计算每一分层的 压缩量，然后累加得总沉降量。由e-p或e-lgp曲线求得e-p曲线法e-lgp曲线法用e-p曲线法计算地基的最终沉降量n根据建筑物基础的形状，结合地基中土层性状，选择 沉降计算点的位置，再按作用在基础上荷载的性质（ 中心、偏心或倾斜等情况），求出基底压力的大小和 分布n将地基分层。在分层时天然土层的交界面和地下水位 应为分层面，同时在同一分类土层中，各分层的厚度 不宜过大。n计算地基中土的自重应力分布n计算地基中竖向附加应力分布n按算术平均求各分层平均自重应力和平均附加应力n求出第i层的压缩量n将每层的压缩量累加，

9、得到地基的总沉降量地基分层n对于水工建筑物，每层的厚度可以控制在2 4m，或Hi0.4b，b为基础宽度。对每一分层 可以认为压力是均匀分布的。计算地基中土的自重应力分布n求出计算点垂 线上各分层层 面处的竖向自 重应力，并绘 出它的分布曲 线 计算地基中竖向附加应力分布n求出计算点垂线上各 分层层面处的竖向附 加应力，并绘出它的 分布曲线n确定压缩层厚厚n当基础有埋置深度， 应采用基底净压力去 计算地基中的附加应 力平均自重应力和平均附加应力求出第i层的压缩量地基的总沉降量3.8应力历史对地基沉降的影响- 地基沉 降计算的e-lgp曲线法概述n由于应力历史对粘土的压缩性具有较大 的影响，而钻探取样获得土样经过扰动 或应力释放，在实验室内得到的压缩曲 线已经不能代表地基中现场压缩曲线， 所以压缩曲线的起始段实际上是一条再 压缩曲线。因此必须对室内固结试验所 得的压缩曲线进行修正，得到符合原位 土体压缩性的现场压缩曲线，由此计算 得到的地基沉降才会更符合实际。概述n利用elgp曲线可以推出现场压缩曲线， 从而进行更为准确的沉降计算n现场曲线可以很直观地反应出先期固结 应力，从而清晰地考虑地基的应力历史 对沉降的影响n现场压缩曲线是由直线或折线组成，通 过Cc或Cs两个压缩性指标即可计算，使 用方便现场压缩曲线的推求要考虑不同应力历史对土层压缩性的影响：n判断土层属于正常固结土、超固结土还是欠固 结土（确定土层的前期固结应力和现有有效应 力）n推求能够反应土体的真实压缩特性的现场压缩 曲线现场压缩曲线的推求起始平 缓曲率最大点 接近前期固结应力曲线急剧变陡， 近乎直线向下延伸交于C点，0.42e扰动剧烈 压缩曲线越低 曲率越小B点在A点的右下 方前期固结应力的确定前期固结应力的确定ep(lg)A132B前期固结应力Pc现场压缩曲线的推求正常固结土超固结土现场压缩曲线的推求p(lg)A132B前期固结应力Pce0eD0.42e0C现场压缩曲线现场压缩曲线的推求A132B前期固结应力PcE Fee00.42e0CD Dp0p(lg)现场压缩曲线 现场再压缩曲 线3.8.2 e-lgp曲线法计算地基最终沉降ne-lgp曲线法计算地基沉降与e-p曲线法相

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