第3章生命活动调的节(第13周自选作业).docVIP

第3章 地基的应力和变形§3.1 概述 地基的沉降，必须要从土的应力与应变的基本关系出发来研究。对于地基土的应力一般要考虑基底附加应力地基自重应力地基附加应力最终沉降量 从地基和基础相互作用的假设出发，来分析地基上梁或板的内力和变形，以便设计这类结构复杂的连续基础时，也要以本章的有关内容为前提。 图3-1 土的应力-应变关系曲线 地基土的应力和变形的研究。根据土样的单轴压缩试验资料表明，当应力很小时，土的应力-应变关系曲线就不是一根直线(图3-1)，亦即土的变形具有明显的非线性特征。然而，考虑到一般建筑物荷载作用下地基中应力的变化范围(应力增量Δσ)还不很大，如果用一条割线来近似地代替相应的曲线段，其误差可能不超过实用的允许范围。这样，就可以把土看成是一种线性变形体。天然地基中往往由成层土组成，还可能具有尖灭和透镜体等交错层理的构造，即使是同一厚层土其变形性质也随深度不同而变化。因此，地基土的非均质性是很显著的。目前在计算地基变形的方法上，首先把地基看成是均质的线性变形体，从而直接引用弹性力学公式来计算地基中的附加应力，然后利用某些简化假设来解决成层土地基的沉降计算问题。 地基土的变形都有一个由开始到稳定的过程，各种土随着荷载大小等条件的不同，其所需时间的差别很大，关于地基变形随时间而增长的过程是土力学中固结理论的研究内容。它是本章的一个重要组成部分。在工程实践中，往往需要确定施工期间和完工后某一时间的基础沉降量，以便控制施工速度，确定建筑物的使用措施，并要考虑建筑物有关部分之间的预留净空和连接方式，还必须考虑地基沉降与时间的关系。 §3.2 土中自重应力 土是由土粒、水和气所组成的非连续介质。若把土体简化为连续体，而应用连续体力学(例如弹性力学)来研究土中应力的分布时，应注意到，土中任意截面上都包括有骨架和孔隙的面积在内，所以在地基应力计算时都只考虑土中某单位面积上的平均应力。 (a)沿深度的分布 (b)任意水平面上的分布 图3-2 均质土中竖向自重应力 在计算土中自重应力时，假设天然地面是一个无限大的水平面，因而在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。如果地面下土质均匀，天然重度为γ(kN/m3)，则在天然地面下任意深度z(m)处a-a水平面上的竖向自重应力(kPa)，可取作用于该水平面上任一单位面积的土柱体自重γz×1计算(图3-2)， 即：=γz (3-1) 沿水平面均匀分布，且与Z成正比，即随深度按直线规律分布[图3-2(a)]。 地基中除有作用于水平面上的竖向自重应力外，在竖直面上还作用有水平向的侧向自重应力。由于沿任一水平面上均匀地无限分布，所以地基土在自重作用下只能产生竖向变形，而不能有侧向变形和剪切变形。从这个条件出发，根据弹性力学，侧向自重应力和应与成正比，而剪应力均为零，即： (3-2) (3-3) 式中比例系数称为土的侧压力系数或静止土压力系数，其实测资料见§3-6中表3-7。 必须指出，只有通过土粒接触点传递的粒间应力，才能使土粒彼此挤紧，从而引起土体的变形，而且粒间应力又是影响土体强度的一个重要因素，所以粒间应力又称为有效应力。因此，土中自重应力可定义为土自身有效重力在土体中引起的应力。土中竖向和侧向的自重应力一般均指有效自重应力。对地下水位以下土层必须以有效重度γ′代替天然重度γ。为了简便起见，以后各章节中把常用的竖向有效自重应力，简称为自重应力，并改用符号表示。 图3-3 成层土中竖向自重应力沿深度的分布 地基土往往是成层的，因而各层土具有不同的重度。如地下水位位于同一土层中，计算自重应力时，地下水位面也应作为分层的界面。如图3-3所示，天然地面下深度z范围内各层土的厚度自上而下分别为，计算出高度为z的土柱体中各层土重的总和后，可得到成层土自重应力计算公式： (3-4) 式中 —天然地下面任意深度z处的竖向有效自重应力，kPa； n—深度z范围内的土层总数； —第i层土的厚度，m； —第i层土的天然重度，对地下水位以下的土层取有效重度，kN/m3。 在地下水位以下，如埋藏有不透水层(例如岩层或只含结合水的坚硬粘土层)，由于不透水层中不存在水的浮力，所以层面及层面以下的自重应力应按上覆土层的水土总重计算，如图3-3中虚线所示。 自然界中的天然土层，一般形成至今已有很长的地质年代，它在自重作用下的变形早巳稳定。但对于近期沉积或堆积的土层，应考虑它在自重应力作用下的变形。 此外，地下水位的升降会引起土中自重应力的变化(图3-4)。 2线为原来自重应力的分布； 0-1＇-2＇线为为地下水位变动后自重应力的分布 图3-4 地下水位升降对土中自重应力的影响 例如在软土地区，常因大量抽取地下水，以致地下水位长期大幅度下降，使地基中原水位以下的有效自重应力增加[图3-4(a)]，而造成地表