第3章土的变形性质及地基沉降计算教学文稿.ppt

第3章 土的变形性质与地基沉降计算地基土层在建筑物的荷载作用下产生变形，建筑物基础亦随之沉降，尤其是当荷载差异较大、或地基土层软弱不均时，往往导致建筑物基础出现较大的不均匀沉降、以致建筑物某些部位开裂、倾斜，甚至倒塌为了保证建筑物的安全和正常使用，本章讨论荷载作用下土体的变形，这是土力学的重要问题之一在地基基础设计中，要求地基土的变形量不超过允许值第3章 土的变形性质与地基沉降计算分析地基土层发生变形的主要因素：其内固是土具有压缩性其外因主要是建筑物荷载的作用因此，为了计算地基沉降，必须研究土的压缩性和上部荷载作用下地基中的应力分布情况学习本章的目的，是根据地基土层剖面情况、各层土的物理力学性质和上部结构的荷载，计算地基的变形值，并控制它在容许范围之内第3章 土的变形性质与地基沉降计算3.1土的变形特征3.2有效应力原理3.3侧限条件下土的压缩性3.4土的压缩性原位测试3.5地基中的应力分布3.6地基最终沉降量3.7应力历史对地基沉降的影响3.8地基沉降与时间的关系3.9建筑物沉降观测与地基允许变形值 土的压缩性大土的压缩性大外因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相当于施加大面积荷载=(-)h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 地基土产生压缩的原因地基土产生压缩的原因1、基本概念内因土是三相体，土体受外力引起的压缩包括三部分:固相矿物本身压缩，极小，物理学上有意义，对建筑工程来说无意义；土中液相水的压缩，在一般建筑工程荷载（100600）Kpa作用下，很小，可忽略不计；土中孔隙的压缩，土中水与气体受压后从孔隙中挤出，使土的孔隙减小地基土产生压缩的原因地基土产生压缩的原因土体的压缩变形主要是由于孔隙减小引起的上述因素中，建筑物荷载作用是主要外因，通过土中孔隙的压缩这一内因发生实际效果1、基本概念l饱和土体压缩过程渗透固结过程l蠕变的影响3.1 土的变形特征1、基本概念2、土的应力应变关系2、土的应力应变关系l土体中的应力应力的基本概念、材料的性质、水平土层中的自重应力、主应力、莫尔圆l土的应力与应变关系及测定方法单轴压缩试验、侧限压缩试验、直剪试验、三轴压缩试验1 1、三维（空间）应力状态、三维（空间）应力状态2 2、二维、二维（空间）应力状态（空间）应力状态3 3、侧限应力状态、侧限应力状态土力学中应力符号规定土力学中应力符号规定压为正，拉为负，剪应力以压为正，拉为负，剪应力以逆时针为正。

逆时针为正zzxy图图3-53-5侧限应力状态侧限应力状态地面地面2、土的应力应变关系l土体中的应力应力的基本概念、材料的性质、水平土层中的自重应力、主应力、莫尔圆l土的应力与应变关系及测定方法单轴压缩试验、侧限压缩试验、直剪试验、三轴压缩试验第3章 土的变形性质与地基沉降计算3.1土的变形特征3.2 有效应力原理3.3侧限条件下土的压缩性3.4土的压缩性原位测试3.5地基中的应力分布3.6地基最终沉降量3.7应力历史对地基沉降的影响3.8地基沉降与时间的关系3.9建筑物沉降观测与地基允许变形值3.2 有效应力原理1、土中两种应力试验l有两个完全相同的量筒，如下图所示，并在这两个量筒的底部分别放置一层性质完全相同的松散砂土l在甲量筒松砂顶面加若干钢球，使松砂承受的压力，此时可见松砂顶面下降，表明松砂发生压缩，亦即砂土的孔隙比e减小l乙量筒松砂顶面不加钢球，而是小心缓慢地注水，在砂面以上高h处正好使砂层表面也增加的压力，结果发现砂层顶面并不下降，l表明砂土未发生压缩，亦即砂土的孔隙比e不变这种情况类似于在量筒内放一块饱水的棉花，无论向量筒内倒多少水也不能使棉花发生压缩一样l上述甲、乙两个量筒底部松砂都作用了的压力，但产生了两种不同的效果，反映出土体中存在两种不同性质的应力：由钢球施加的应力，通过砂土的骨架传递，这种骨架应力称为有效应力，用来表示；由水施加的应力通过孔隙中水来传递称为孔隙水压力，用u来表示。

这种孔隙水压力不能使土层发生压缩变形2、有效应力原理l在土体中某点截取一水平截面，其面积为A，截面上作用应力，为总应力la-a截面是沿着土颗粒间接触面截取的曲线状截面，在此截面上，土颗粒接触面间作用的法向应力为 ，各土颗粒之间接触面积之和为As；孔隙内的水压力为u，面积为Aw；气体压力为ua，其相应的面积为Aal竖直方向平衡条件为：l对于饱和土体，Aa=0，则上式变为l则l由于颗粒间的接触面积As很小，根据毕肖普(Bishop)及伊尔定(Eldin)等人的研究结果，一般As/A0.03因此，1-As/A1故上式变为l上式中sAs的是土颗粒间的接触压力lsAs/A是土颗粒之间接触压力的平均值，即为有效应力，则上式变为l上式即为有效应力原理，它说明饱和土体承受的总应力为有效应力和孔隙水压力之和l有效应力为：l有效应力公式的形式很简单，却具有重要的工程应用价值当已知土体中某一点所受的总应力，并测得该点的孔隙水压力时，就可以利用上式计算出该点的有效应力l有效应力在土力学中是一个最有实际意义的量，它将引起土颗粒的位移，使孔隙体积缩小，土体发生压缩变形，同时，有效应力有大小直接影响土的抗剪强度因此，只有通过有效应力分析，才能准确地确定土工建筑物或建筑地基的变形与安全度。

第3章 土的变形性质与地基沉降计算3.1土的变形特征3.2有效应力原理3.3 侧限条件下土的压缩性3.4土的压缩性原位测试3.5地基中的应力分布3.6地基最终沉降量3.7应力历史对地基沉降的影响3.8地基沉降与时间的关系3.9建筑物沉降观测与地基允许变形值3.3 侧限条件下土的压缩性1、侧限压缩试验2、侧限压缩性指标3、土层侧限压缩变形量1、侧限压缩试验l侧限条件-指侧向限制不能变形，只有竖向单向压缩的条件l当自然界广阔土层上作用着大面积均布荷载时，地基土的变形条件近似为侧限条件l常用压缩性指标描述土的压缩性高低进行侧限压缩试验测定，简称为压缩试验，又称固结试验压缩试验(1)试验仪器 侧限压缩仪（亦称固结仪）(2)试验方法：侧限压缩试验v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的关系曲线试验过程和结果分析：v土样制备和装样；v分级施压，给出竖向变形与时间关系；土样变形稳定后（土样变形稳定后（时间很长，约为时间很长，约为24h24h），），v给出压缩变形量与荷载关系曲线；土的压缩曲线土的压缩曲线压缩曲线（e-p曲线）压缩曲线（e-lgp曲线）压缩性曲线的形状与土样的成分、结构、状态及受力历史等有关。

压缩性不同的土，其e-p曲线的形状不同曲线愈陡，说明压力增加时孔隙比减小得多，土易变形，压缩性愈高土的压缩、回弹、再压缩曲线例如基坑开挖引起的坑底回弹！3.3 侧限条件下土的压缩性1、侧限压缩试验2、侧限压缩性指标3、土层侧限压缩变形量压缩定律：在压力范围不大时，孔隙比的减小值与压力的增加值成正比压缩性指标压缩系数是表征土压缩性大小的主要指标1.压缩系数umv与a的单位相同，a表示单位压应力变化引起的孔隙比变化，mv表示单位压应力变化引起的单位体积变化0.10.5高压缩性中压缩性低压缩性* *为了便于比较，通常采用压力段由为了便于比较，通常采用压力段由p p1 1=100kPa =100kPa 增加到增加到p p2 2=200kPa =200kPa 时的压缩系时的压缩系数数a a1-21-2来评定土的压缩性如下：来评定土的压缩性如下：压缩指数粘性土的Cc值一般在0.11.0之间低压缩性土；中压缩性土高压缩性土压缩模量（侧限压缩模量）压缩模量指土在侧限压缩条件下竖向附加压应力与应变增量之比，单位为MPa压缩模量（侧限压缩模量）l根据压缩模量ES评价土的压缩性ES4MPa高压缩性土4MPaES15MPa低压缩性土单向压缩试验的各种参数的关系指标指标amvEsa1mv(1+e0)(1+e0)/Esmva/(1+e0)11/EsEs(1+e0)/a1/mv1一维压缩性及其指标3.3 侧限条件下土的压缩性1、侧限压缩试验2、侧限压缩性指标3、土层侧限压缩变形量3、土层侧限压缩变形量第3章 土的变形性质与地基沉降计算3.1土的变形特征3.2有效应力原理3.3侧限条件下土的压缩性3.4 土的压缩性原位测试3.5地基中的应力分布3.6地基最终沉降量3.7应力历史对地基沉降的影响3.8地基沉降与时间的关系3.9建筑物沉降观测与地基允许变形值3.4 土的压缩性原位测试上述侧限压缩试验比较简便，是目前测定土的压缩性的常用方法。

但由于试样尺寸小，取原状土时难免扰动天然结构，尤其遇到地基土为粉、细砂，取原状土样很困难时；或当工程重要，规模较大，为进行更准确的沉降分析，可在工地进行现场载荷试验，测得土的压力与沉降关系曲线，推算土的侧限压缩模量还可以进行旁压试验土的载荷试验土的压缩性指标除从室内压缩试验得到外，也可通过现场原位测试得到如在浅层土中进行静载荷试验可以得到变形模量；在现场进行旁压试验或触探试验都可以间接确定土的模量原位测试l原位测试（In-Situ Testing ）：在岩土体原有的位置上，在保持岩土的天然结构、天然含水量以及天然应力状态条件下测定岩土性质称为原位测试l土体原位测试：一般指的是在工程地质勘察现场，在不扰动或基本不扰动土层的情况下对土层进行测试，以获得所测土层的物理力学性质指标及划分土层一种土工勘察技术土的压缩性原位测试 原位测试方法适用于：l地基土为粉、细砂、软土，取原状土样困难l国家一级工程、规模大或建筑物对沉降有严格要求的工程 原位测试方法包括：载荷试验、静力触探试验、旁压试验等土的载荷试验及变形模量l载荷试验l变形模量指土在无侧限条件下附加压应力与压缩应变之比载荷试验示意图反压重物反力梁千斤顶基准梁荷载板百分表载荷试验观测标准：a.每级加载后，按间隔10、10、10、15、15、30分钟读数，当连续2个小时内，每1个小时的沉降量小于0.1mm时，可加下一级荷载；b. 当出现承压板周围土有明显的侧向挤出或发生裂纹时、当沉降s急剧增大时、当某一级荷载24小时不能达到稳定标准时，即可终止加载；（此前一级荷载为极限荷载）c.s/b0.06可终止加载。

加荷及观测标准l第一条，加荷等级不少于8级，第一级荷载取试验坑底面处的自重应力；其后每级荷载增量p，对较松软土取10kPa25kPa，对较密实的土取50kPa；最大加载值pmax不应小于地基承载力设计值的2倍，并应尽量接近预估的地基极限荷载pul第二条，每加一级荷载后，按时间间隔10min，10min，10min，15min，15min及以后每隔30min读一次沉降，如果连续两个小时内，每小时的沉降量小于0.1mm，则认为变形已经稳定，可施加荷载到下一级 破坏标准l达到下列情况之一时，认为土已达到极限状态，即地基土破坏，应终止加载包括：（1）承载板周围的土明显侧向挤出（砂土）或发生裂缝（粘性土和粉土）；（2）沉降S急剧增大，p-s曲线出现陡降阶段；（3）在某级荷载下，24h内沉降速率应不能达到稳定标准；（4）沉降量s0.08b（b为承压板宽度或直径）1）以压力为依据Ps曲线上的两个特征点l比例极限P0(临塑荷载Pcr)：P-s曲线上第一直线段的终点对应的荷载，可以作为砂土、超固结粘土、砾石土的承载力l极限承载力PU：P-s曲线上的第二个拐点对应的荷载2.地基的承载力可用下述方法确定确定地基的容许承载力RlR= Pcr lR= PU /F，安全系数F=23（2）以相对沉降量为依据l对于中、高压缩性土，地基受压破坏形式为局部剪切破坏或冲剪破坏，P-s曲线无明显拐点。

l这时用P-s曲线上沉降量s与承压板的宽度B之比为0.02所对应的压力为地基容许承载力l对砂土和新近沉积的粘性土则采用s/B=0.01-0.015所对应的压力变形模量E0、压缩模量Es的关系x=y=K0z变形模量压缩模量无侧限条件完全侧限条件换算关系表3.1K。