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1、土力学与地基基础土力学与地基基础 Soil Mechanics and Foundation 教师: 张丹 电话.:Email : 第第3章章 地基土中的应力计算地基土中的应力计算 地基土中存在应力是地基产生变形的主要原因。地基土中存在应力是地基产生变形的主要原因。 自重应力自重应力: 建造建筑物之前，由于建造建筑物之前，由于土本身自重土本身自重，地基中已经存在应力，这种由土，地基中已经存在应力，这种由土 的自身重量在地基中产生的应力称为自重应力。的自身重量在地基中产生的应力称为自重应力。 附加应力附加应力: 当地基土承受当地基土承受建筑物荷载建筑物荷载时，地基原有的
2、应力状态发生了改变，地基时，地基原有的应力状态发生了改变，地基 中产生新的应力增量，增量部分称为附加应力。中产生新的应力增量，增量部分称为附加应力。 地基土中一点总应力为地基土中一点总应力为自重应力自重应力和和附加应力附加应力之和。之和。 附加应力附加应力才是引起地基产生新的变形、导致地基产生沉降的原因。才是引起地基产生新的变形、导致地基产生沉降的原因。 3.1 土层自重应力的计算土层自重应力的计算 1. 竖向自重应力竖向自重应力 对于均匀土（土中的重度对于均匀土（土中的重度），在地表以下深度），在地表以下深度 z 处的竖向自重应力：处的竖向自重应力： cz=z 2. 水平自重应力水平自重应力
3、 土中任意深度土中任意深度 z 处的水平自重应力：处的水平自重应力： cx=cy=K0cz（K0土的测压系数）土的测压系数） 土体水平自重应力与竖向自重应力成正比。土体水平自重应力与竖向自重应力成正比。 3. 地下水对自重应力的影响地下水对自重应力的影响 对于地下水位以下的土，由于受到水的浮力作用，土的重度减轻，计对于地下水位以下的土，由于受到水的浮力作用，土的重度减轻，计 算时采用土的有效重度算时采用土的有效重度=sat-w。 当水位下降时，原水位以下自重应力增加，自重应力增加会造成当水位下降时，原水位以下自重应力增加，自重应力增加会造成 地表大幅沉降；地表大幅沉降； e.g. 近年来华北东
4、部地区大范围地面沉降就是由于长期过量开采地近年来华北东部地区大范围地面沉降就是由于长期过量开采地 下水使地下水位下降造成的。下水使地下水位下降造成的。 当水位上升时，对设有地下室的建筑或地下建筑工程地基的防潮当水位上升时，对设有地下室的建筑或地下建筑工程地基的防潮 不利。不利。 4. 不透水层的影响不透水层的影响 由于不透水层中不存在水的浮力，作用在不透水层及层面以下的土的由于不透水层中不存在水的浮力，作用在不透水层及层面以下的土的 自重应力，应等于上覆自重应力，应等于上覆土土和和水水的总重。的总重。 e.g. 某地基土层剖面如图某地基土层剖面如图2-4所示，试计算各土层自重应力。所示，试计算
5、各土层自重应力。 填土底层、地下水位处、粉质黏土层底、淤泥层底、不透水层层面、钻孔底填土底层、地下水位处、粉质黏土层底、淤泥层底、不透水层层面、钻孔底 3.4 土的压缩性土的压缩性 沉降沉降：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竖直方向：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竖直方向 的位移。的位移。 土的压缩性土的压缩性：土在压力作用下体积缩小的特性。：土在压力作用下体积缩小的特性。 研究土压缩性的常用方法，通常有研究土压缩性的常用方法，通常有室内压缩试验（固结试验）室内压缩试验（固结试验）、现场原位测试现场原位测试。 土压缩性 的组成 固体土颗粒被压缩
6、 土中水及封闭气体被压缩 水和气体从孔隙中被挤出 水槽水槽 内环内环 环刀环刀 透水石透水石 试样试样 传压板传压板 百分表百分表 施加荷载，静置至变形稳定施加荷载，静置至变形稳定 逐级加大荷载逐级加大荷载 测定：测定： 轴向应力轴向应力 轴向变形轴向变形 P t 1 p 2 p S t 1 e 2 e 0 e 3 e 1 s 2 s 3 s e 试验结果：试验结果： 一、压缩试验和试验结果曲线一、压缩试验和试验结果曲线 二、压缩性指标二、压缩性指标 ，KPaKPa-1 -1或 或MPaMPa-1 -1 1、压缩系数：压缩系数： dp de a 实际工程中，往往用割线斜率表示：实际工程中，往往
7、用割线斜率表示： 12 21 pp ee p e tga e 0100200 300400 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 e p(kPa) 压缩曲线上任一点的切线斜率压缩曲线上任一点的切线斜率a的值，称为土的压缩系数。的值，称为土的压缩系数。 土的类别土的类别a1-2 (MPa-1) 高压缩性土高压缩性土大于等于大于等于0.5 中压缩性土中压缩性土0.1-0.5 低压缩性土低压缩性土小于小于 0.1 土的压缩性 z 2 2、压缩模量、压缩模量 土体在完全侧限情况下土体在完全侧限情况下, ,竖向附加应力竖向附加应力 与竖向应变增量与竖向应变增量 之比为之比为 压缩模量压缩模量: : z
8、 z a e d d E z z s 1 1 低压缩性土低压缩性土 中压缩性土中压缩性土 高压缩性土高压缩性土 15 s EMPa 4 15 s EMPa 4 s EMPa 1 1 z s z de E da 3.5 地基最终沉降量计算地基最终沉降量计算 地基最终沉降量地基最终沉降量：地基土在建筑物荷载作用下，变形完全稳定时基底处：地基土在建筑物荷载作用下，变形完全稳定时基底处 的最大竖向位移。的最大竖向位移。 确定地基最终沉降量的目的：确定地基最终沉降量的目的： 确定建筑物最大沉降量；确定建筑物最大沉降量； 求沉降差：相邻独立基础沉降量之差；求沉降差：相邻独立基础沉降量之差； 确定建筑物的倾
9、斜以及局部倾斜；确定建筑物的倾斜以及局部倾斜； 判断沉降是否超过容许值，以便为建筑物设计值采取相应的措施提供依据，判断沉降是否超过容许值，以便为建筑物设计值采取相应的措施提供依据， 保证建筑物的安全。保证建筑物的安全。 例题：例题： 3.6 地基变形与时间的关系地基变形与时间的关系 1、固结的概念、固结的概念 固结固结：土体在外力作用下，压缩变形随时间增长的过程。：土体在外力作用下，压缩变形随时间增长的过程。 土体完成压缩过程所需的时间与土的土体完成压缩过程所需的时间与土的渗透性渗透性有关。有关。 无粘性土无粘性土 透水性好，水易于排出透水性好，水易于排出 压缩稳定很快完成压缩稳定很快完成 透
10、水性差透水性差，水不易排出水不易排出 压缩稳定需要很长一段时间压缩稳定需要很长一段时间粘性土粘性土 3.6 地基变形与时间的关系地基变形与时间的关系 一、土的渗透性一、土的渗透性 渗流：渗流：水透过孔隙流动。水透过孔隙流动。 渗透性：渗透性：土具有让水等液体通过的性质。土具有让水等液体通过的性质。 二、土的有效应力原理二、土的有效应力原理 饱和土体所受的饱和土体所受的总应力总应力等于等于有效应力有效应力和和孔隙水压力孔隙水压力之和。之和。 u 三、渗透固结沉降与时间关系三、渗透固结沉降与时间关系 固结固结：土体在外力作用下，压缩变形随时间增长的过程。：土体在外力作用下，压缩变形随时间增长的过程
11、。 土体完成压缩过程所需的时间与土的土体完成压缩过程所需的时间与土的渗透性渗透性有关。有关。 2、与固结有关的施工方法、与固结有关的施工方法 慢速加荷法慢速加荷法 如果工期紧，需要缩短固结时间，可采用：如果工期紧，需要缩短固结时间，可采用： （1）砂井排水砂井排水：在地基土中，做很多集水井，即砂井，可以大大加快：在地基土中，做很多集水井，即砂井，可以大大加快 排水速度。排水速度。 将砂灌入织袋放进孔内形成井，袋装砂井用作挤密土层，排出地将砂灌入织袋放进孔内形成井，袋装砂井用作挤密土层，排出地 下水，从而使土壤固结和土层挤密，以提高土壤的承载力。下水，从而使土壤固结和土层挤密，以提高土壤的承载力。 （2）超载预压法超载预压法：先堆置比建筑物荷载大的堆土，待固结完成后卸：先堆置比建筑物荷载大的堆土，待固结完成后卸 载。载。 3、关于计算方面的问题：由于排水固结，地基在某一时间的沉降量；、关于计算方面的问题：由于排水固结，地基在某一时间的沉降量； 地基到达某一沉降量所需时间。地基到达某一沉降量所需时间。 根据根据“先期固结应力先期固结应力”与与“现在所受的固结应力现在所受的固结应力”之比，将土层分为：之比，将土层分为： 正常固结土正常固结土 土层先期固结压力土层先期固结压力=现有覆盖土的自重应力。现有覆盖土的自重应力。 超固结土超固结土 土层先期固结压力土层先期固结压力
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