第4章土的压缩性计算.ppt

第4章 土的压缩性和地基沉降计算 4.1 概述 地基的沉降计算是土力学的重点内容之一，地基变形计算涉及到土体内的应力分布、土的应力应变关系、变形参数的选取、建筑物上部结构与基础共同作用等问题。 地基沉降其实就是地基土的压缩，虽说地基土产生压缩的原因较多，但可以归纳为内因与外因两大类 外因主要有： (1)建筑物荷载作用，这是普遍存在的因素； （2）地下水位大幅度下降，相当于施加大面积荷载； （3）施工影响，基槽持力层土的结构扰动； （4）振动影响，产生震沉； （5）温度变化影响，如冬季冻胀，春季融沉； （6）浸水下沉，如黄土湿陷，填土下沉 内因主要是土的三相压缩问题，包括 （1）固相矿物本身虽具压缩性，由于压缩量极小，对建筑工程来说可以忽略； （2）土中液相水的压缩，在一般工程荷载（100~600）kPa作用下，水的压缩也很小，亦可忽略不计； （3）土中孔隙的压缩，土中水与气体在荷载作用下从孔隙中挤出，使土的孔隙减小，这就构成了土的压缩。 上述诸多因素中，建筑物荷载作用是外因的主要因素，通过土中孔隙的压缩这一内因发生实际效果 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载作用下地基土层被压缩达到稳定时基础底面的沉降量，简称地基变形量或沉降量。 此外，地基的沉降是一个过程，完成沉降所需时间主要取决于土层的透水性和荷载的大小，深厚饱和软粘土上的建筑物的沉降往往需要几年、几十年或更长时间才能完成，这个过程又称为土体的固结。 4.2 土的压缩性和压缩性指标 土体的压缩与固结对土的工程性状有重要影响。 例如，随着土体压密，土的渗透性减小； 随着固结的发展，土体的有效应力不断增大，土的强度相应增加； 土体的压缩导致的地基沉降，对上部结构的使用与安全造成影响。 可见，研究土的压缩性具有重要的意义 4.2.1 土的压缩试验与压缩曲线 I:\教学\土力学09\土的压缩试验与压缩曲线.doc 4.2.2 压缩性指标 根据上述固结压缩试验中获得的压缩曲线，可以求得各类压缩性指标 I:\教学\土力学09\压缩性指标.doc 4.2.3 前期固结压力及确定 I:\教学\土力学09\前期固结压力及确定.doc 4.3 地基沉降量计算 地基沉降量计算通常指地基最终沉降量，即地基土在建筑物荷载作用下，变形完全稳定时基底中点处的最大竖向位移。 地基最终沉降的计算方法很多，本书仅介绍分层总和法和《规范》法 4.3.1 分层总和法 分层总和法是以无侧向变形条件下的压缩量公式为基础，将地基在变形计算深度范围内划分为若干薄层，计算每一薄层土的变形量，然后叠加，得到最终的地基沉降量。基本假设为： 1．土的压缩是孔隙体积减少的结果，固体颗粒及孔隙中的水不可压缩； 2．土体仅产生竖向压缩，而无侧向变形； 3．在分层厚度范围内，压力是均匀分布的 I:\教学\土力学09\分层总和法.doc 4.3.2 规范推荐方法 《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)提出的计算最终沉降量的方法，是基于分层总和法的思想，运用平均附加应力面积的概念，按天然土层界面以简化由于分层过多引起的繁琐计算，并结合大量工程实际中沉降量观测的统计分析，以经验系数ψs进行修正，求得地基的最终变形量 规范推荐方法.doc 4.4 有效应力原理 作用于饱和土体内某截面上总的正应力由两部分组成 一部分为孔隙水压力，它沿着各个方向均匀作用于土颗粒上，其中由孔隙水自重引起的称为静水压力，由附加应力引起的称为超静孔隙水压力（通常简称为孔隙水压力）； 另一部分为有效应力，它作用于土的骨架（土颗粒）上，其中由土粒自重引起的即为土的自重应力，由附加应力引起的称为附加有效应力。 饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间存在如下关系： (4-19) 上式称为饱和土的有效应力公式，加上有效应力在土中的作用，可以进一步表述成如下的有效应力原理： （1）饱和土体内任一平面上受到的总应力等于有效应力加孔隙水压力之和； （2）土的强度的变化和变形只取决于土中有效应力的变化 4.5 一维固结理论 前面介绍的方法确定的地基沉降量，是指地基土在建筑荷载作用下达到压缩稳定后的沉降量，因而称为地基的最终沉降量。 然而，在工程实践中，常常需要预估建筑物竣工及一段时间后的沉降量和达到某一沉降量所需要的时间，为基础解决地基沉降与时间的关系，太沙基提出了饱和土体一维渗流固结理论 太沙基做了如下基本假设： 1、土层是均质的，含水饱和的； 2、在固结过程中，土粒和孔隙水是不可压缩的； 3、土层仅在竖向产生排水固结（相当于有侧限条件）； 4、土层的渗透系数k和压缩系数a为常数； 5、土层的压缩速率取决于自由水的