地基最終沉降量計(jì)算方法及其最終影響.ppt

地基最終沉降量計(jì)算方法及其最終影響,概 述,自重應(yīng)力壓縮穩(wěn)定 附加應(yīng)力導(dǎo)致地基土體變形,體積變形,形狀變形,由正應(yīng)力引起，會(huì)使土的體積縮小壓密，不會(huì)導(dǎo)致土體破壞,形狀變形主要由剪應(yīng)力引起，當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)一定限度時(shí)， 土體將產(chǎn)生剪切破壞，此時(shí)的變形將不斷發(fā)展。通常在地 基中是不允許發(fā)生大范圍剪切破壞的。,本章討論重點(diǎn),概 述,沉降： 在附加應(yīng)力作用下，地基土產(chǎn)生體積縮小，從而引起建筑物基礎(chǔ)的豎直方向的位移（或下沉）稱為沉降 某些特殊性土由于含水量的變化也會(huì)引起體積變形，如濕陷性黃土地基，由于含水量增高會(huì)引起建筑物的附加下沉，稱濕陷沉降。相反在膨脹土地區(qū)，由于含水量的增高會(huì)引起地基的膨脹，甚至把建筑物頂裂。,概 述,除此之外某些大城市，如墨西哥、上海等由于大量開采地下水使地下水位普遍下降從而引起整個(gè)城市的普遍下沉。這可以用地下水位下降后地層的自重應(yīng)力增大來(lái)解釋。當(dāng)然，實(shí)際問(wèn)題也是很復(fù)雜的，還涉及工程地質(zhì)、水文地質(zhì)方面的問(wèn)題。,概 述,如果地基土各部分的豎向變形不相同，則在基礎(chǔ)的不同部位會(huì)產(chǎn)生沉降差，使建筑物基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降。 基礎(chǔ)的沉降量或沉降差(或不均勻沉降)過(guò)大不但會(huì)降低建筑物的使用價(jià)值，而且往往會(huì)造成建筑物的毀壞。,概 述,為了保證建筑物的安全和正常使用，我們必須預(yù)先對(duì)建筑物基礎(chǔ)可能產(chǎn)生的最大沉降量和沉降差進(jìn)行估算。如果建筑物基礎(chǔ)可能產(chǎn)生的最大沉降量和沉降差，在規(guī)定的允許范圍之內(nèi)，那么該建筑物的安全和正常使用一般是有保證的；否則，是沒(méi)有保證的。對(duì)后一種情況，我們必須采取相應(yīng)的工程措施以確保建筑物的安全和正常使用。,概 述,基礎(chǔ)沉降量或沉降差的大小首先與土的壓縮性有關(guān)，易于壓縮的土，基礎(chǔ)的沉降大，而不易壓縮的土，則基礎(chǔ)的沉降小。 基礎(chǔ)的沉降量與作用在基礎(chǔ)上的荷載性質(zhì)和大小有關(guān)。一般而言，荷載愈大，相應(yīng)的基礎(chǔ)沉降也愈大；而偏心或傾斜荷載所產(chǎn)生的沉降差要比中心荷載為大。 在這一章里，我們首先討論土的壓縮性；然后介紹目前工程中常用的沉降計(jì)算方法；最后介紹沉降與時(shí)間的關(guān)系。,土的壓縮特性 一、土的壓縮與固結(jié),壓縮： 土在壓力作用下，體積將縮小。這種現(xiàn)象稱為壓縮。 固結(jié)： 土的壓縮隨時(shí)間增長(zhǎng)的過(guò)程稱為固結(jié),一、土的壓縮與固結(jié),目前我們?cè)谘芯客恋膲嚎s性，均認(rèn)為土的壓縮完全是由于孔隙中水和氣體向外排出而引起的。,飽和砂土,透水性強(qiáng)，在壓力作用下，固結(jié)很快完成,飽和粘土,透水性弱，在壓力作用下，固結(jié)需要很長(zhǎng)時(shí)間完成,一、土的壓縮與固結(jié),瞬時(shí)沉降,主固結(jié)沉降,次固結(jié)沉降,一、土的壓縮與固結(jié),瞬時(shí)沉降指在加荷后立即發(fā)生的沉降 飽和粘土 在很短的時(shí)間內(nèi)，孔隙中的水來(lái)不及排出，加之土體中的土粒和水是不可壓縮的，因而瞬時(shí)沉降是在沒(méi)有體積變形的條件下發(fā)生的，它主要是由于土體的側(cè)向變形引起的 瞬時(shí)沉降一般不予考慮,一、土的壓縮與固結(jié),對(duì)于控制要求較高的建筑物，瞬時(shí)沉降可用彈性理論估算。對(duì)于飽和粘土在局部均布荷載作用下，地基的瞬時(shí)沉降可用下式計(jì)算,影響系數(shù)，表41,一、土的壓縮與固結(jié),瞬時(shí)沉降,主固結(jié)沉降,次固結(jié)沉降,一、土的壓縮與固結(jié),主固結(jié)與主固結(jié)沉降 在荷載作用下飽和土體中孔隙水的排除導(dǎo)致土體體積隨時(shí)間逐漸減小，有效應(yīng)力逐漸增加，這一過(guò)程稱為主固結(jié) 隨著時(shí)間的增加，孔隙水應(yīng)力逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸增加并最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，此時(shí)孔隙水應(yīng)力消散為零，主固結(jié)沉降完成，這一過(guò)程所產(chǎn)生的沉降為固結(jié)沉降。,一、土的壓縮與固結(jié),瞬時(shí)沉降,主固結(jié)沉降,次固結(jié)沉降,一、土的壓縮與固結(jié),次固結(jié)沉降 土體在主固結(jié)成將完成之后有效應(yīng)力不變得情況下還會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)進(jìn)一步產(chǎn)生沉降，稱為次固結(jié)沉降 次固結(jié)沉降對(duì)某些土如軟粘土是比較重要的，對(duì)于堅(jiān)硬土或超固結(jié)土，這一分量相對(duì)較小。,土的壓縮特性 二、土的壓縮指標(biāo),為了研究土的壓縮特性，通常需要進(jìn)行試驗(yàn),室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)（荷載試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)）,室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)與壓縮曲線,室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)與壓縮曲線,用環(huán)刀切取扁園柱體，一般高2厘米，直徑應(yīng)于高度25倍，面積為30cm2或50 cm2,試樣連同環(huán)刀一起裝入護(hù)環(huán)內(nèi)，上下有透水石以便試樣在壓力作用下排水。 在進(jìn)水石頂部放一加壓上蓋，所加壓力通過(guò)加壓支架作用在上蓋，同時(shí)安裝一只百分表用來(lái)量測(cè)試樣的壓縮。 由于試樣不可能產(chǎn)生側(cè)向變形而只有豎向壓縮。于是，我們把這種條件下的壓縮試驗(yàn)稱為單向壓縮試驗(yàn)或側(cè)限壓縮試驗(yàn)。,室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)與壓縮曲線,假定試樣土粒本身體積不變，土的壓縮僅由于孔隙體積的減小，因此土的壓縮變形常用孔隙比e的變化來(lái)表示。 壓力p與相應(yīng)的穩(wěn)定孔隙比的關(guān)系曲線稱為壓縮曲線,e-p曲線,e-lgp曲線,室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)與壓縮曲線,a圖：壓力與加荷歷時(shí)關(guān)系 b圖：各級(jí)壓力下，試樣孔隙比隨時(shí)間的變化過(guò)程 壓縮快壓縮穩(wěn)定，穩(wěn)定的快慢和土的性質(zhì)有關(guān),壓縮系數(shù),用單位壓力增量所引起的孔隙比的改變，即壓縮曲線的割線坡度表征土的壓縮性的高低,壓縮系數(shù),壓縮系數(shù),av是表征土壓縮性的重要指標(biāo)之一,ep曲線越陡， av就越大，土的壓縮性越高,ep曲線越平緩， av就越小，土的壓縮性越低,壓縮系數(shù),壓縮曲線不是直線，即使是同一種土，其壓縮系數(shù)也不是常量。 工程上為了便于統(tǒng)一比較，習(xí)慣采100kpa200kpa范圍的壓縮系數(shù)來(lái)衡量土的壓縮性的高低,我國(guó)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,壓縮指數(shù)與回彈再壓縮指數(shù),在較高的壓力范圍內(nèi)，壓縮曲線近似為一直線，很明顯，該直線越陡，意味著土的壓縮性越高。,壓縮指數(shù),壓縮指數(shù)與回彈再壓縮指數(shù),Cc與土的壓縮性的關(guān)系,elgp曲線越陡， Cc就越大，土的壓縮性越高,elgp曲線越平緩， Cc就越小，土的壓縮性越低,壓縮指數(shù)與回彈再壓縮指數(shù),試樣回彈不是沿初始?jí)嚎s曲線，說(shuō)明土體的變形是由可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的塑性變形組成 回滯環(huán)非完全彈性 回彈和再壓縮曲線比初始曲線平緩，說(shuō)明在回彈和再壓縮范圍內(nèi)土的壓縮性降低 超過(guò)B點(diǎn)，再壓縮曲線趨于初始?jí)嚎s曲線的延長(zhǎng)線,壓縮指數(shù)與回彈再壓縮指數(shù),Cs=(0.10.2)Cc 土的壓縮性減小 土體如果承受到比現(xiàn)在大的壓力，其壓縮性將降低，也就是說(shuō)土的應(yīng)力歷史對(duì)壓縮性有很大影響,回彈指數(shù),軟土地基加固,其它壓縮性指標(biāo),體積壓縮系數(shù)mv 單位應(yīng)力作用下單位體積的體積變化,初始孔隙比,其它壓縮性指標(biāo),壓縮模量： 土體在無(wú)側(cè)向變形條件下，豎直應(yīng)力與豎向應(yīng)變之比。其大小反映了土體在單向壓縮條件下對(duì)壓縮變形的抵抗能力。,其它壓縮性指標(biāo),變形模量 表示土體在無(wú)側(cè)限條件下應(yīng)力應(yīng)變之比，相當(dāng)于理想彈性體的彈性模量。 其大小反映了土體抵抗彈塑性變形的能力 用于瞬時(shí)沉降的估算，可用室內(nèi)三軸試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定,其它壓縮性指標(biāo),廣義虎克定律,變形模量與壓縮模量關(guān)系,不同土類的變形模量經(jīng)驗(yàn)值,應(yīng)力歷史對(duì)粘性土壓縮性的影響,應(yīng)力歷史： 土體在歷史上曾經(jīng)受過(guò)的應(yīng)力狀態(tài) 固結(jié)應(yīng)力 能夠使土體產(chǎn)生固結(jié)或壓縮的應(yīng)力,自重應(yīng)力,附加應(yīng)力,固結(jié)應(yīng)力,新沉積的土或人工填土,大多數(shù)天然土,應(yīng)力歷史對(duì)粘性土壓縮性的影響,前期固結(jié)應(yīng)力 土在歷史上曾受到過(guò)的最大有效應(yīng)力pc 現(xiàn)有有效應(yīng)力 超固結(jié)比,應(yīng)力歷史對(duì)粘性土壓縮性的影響,OCR1 超固結(jié)土,OCR1 正常固結(jié)土,OCR1 欠固結(jié)土,現(xiàn)有有效應(yīng)力是歷史上曾經(jīng)收到過(guò)的最大有效應(yīng)力,應(yīng)力歷史對(duì)粘性土壓縮性的影響,應(yīng)力歷史對(duì)粘性土壓縮性的影響,三種土層現(xiàn)有應(yīng)力相同，但是它們的應(yīng)力歷史不同。 壓縮時(shí)從不同的位置開始，逐漸壓縮穩(wěn)定 三種土應(yīng)力增量相同，但由于應(yīng)力歷史不同，所以其壓縮量不同。 應(yīng)力歷史對(duì)地基沉降產(chǎn)生很大的影響,3.7 地基最終沉降量計(jì)算- 單向壓縮量公式 無(wú)側(cè)向變形條件下單向壓縮量計(jì)算假設(shè),分層總和法 （1）土的壓縮完全是由于孔隙體積減小導(dǎo)致骨架變形的結(jié)果，土粒本身的壓縮可忽略不計(jì)； （2）土層僅產(chǎn)生豎向壓縮，而無(wú)側(cè)向變形； （3）土層均質(zhì)且在土層厚度范圍內(nèi)，壓力是均勻分布的。,單向壓縮量公式,試樣高度H 土粒的體積Vs 孔隙比e1,孔隙體積：Vv=e1vs,總體積：V1=Vv+Vs=(1+e1)Vs,單向壓縮量公式,壓縮穩(wěn)定后試樣高度 孔隙比e2 孔隙體積e2Vs,單向壓縮量公式,壓力增量作用所引起的單位體積土體體積變化為,單向壓縮量公式,從以上兩式可得無(wú)側(cè)向變形條件下的土層壓縮量計(jì)算公式,土層均一且應(yīng)力沿高度均勻分布假定下得到！ 天然地基通常由不同的土層組成，而且地基中的自重應(yīng)力和引起地基變形的附加應(yīng)力均沿深度變化,3.7.2 地基沉降計(jì)算的e-p曲線法 -分層總和法簡(jiǎn)介,分層總和法 工程計(jì)算地基的沉降時(shí)，在地基可能產(chǎn)生壓縮的土層深度內(nèi)，按土的特性和和應(yīng)力狀態(tài)的變化將地基分為若干層，假定每一層土質(zhì)均勻且應(yīng)力沿厚度均勻分布，然后對(duì)每一土層分別計(jì)算其壓縮量，最后將各分層的壓縮量總和起來(lái)，即得地基表面的最終沉降量,多深合適呢？,分層總和法簡(jiǎn)介,壓縮層的概念及確定 水利工程中通常是按照附加豎向應(yīng)力與自重應(yīng)力之比確定壓縮層的厚度,一般粘土,軟粘土,分層總和法基本思路,將壓縮層范圍內(nèi)的地基分層，計(jì)算每一分層的壓縮量，然后累加得總沉降量。,由e-p或e-lgp曲線求得,e-p曲線法,e-lgp曲線法,用e-p曲線法計(jì)算地基的最終沉降量,根據(jù)建筑物基礎(chǔ)的形狀，結(jié)合地基中土層性狀，選擇沉降計(jì)算點(diǎn)的位置，再按作用在基礎(chǔ)上荷載的性質(zhì)（中心、偏心或傾斜等情況），求出基底壓力的大小和分布 將地基分層。在分層時(shí)天然土層的交界面和地下水位應(yīng)為分層面，同時(shí)在同一分類土層中，各分層的厚度不宜過(guò)大。 計(jì)算地基中土的自重應(yīng)力分布 計(jì)算地基中豎向附加應(yīng)力分布 按算術(shù)平均求各分層平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力 求出第i層的壓縮量 將每層的壓縮量累加，得到地基的總沉降量,地基分層,對(duì)于水工建筑物，每層的厚度可以控制在24m，或Hi0.4b，b為基礎(chǔ)寬度。對(duì)每一分層可以認(rèn)為壓力是均勻分布的。,計(jì)算地基中土的自重應(yīng)力分布,求出計(jì)算點(diǎn)垂線上各分層層面處的豎向自重應(yīng)力，并繪出它的分布曲線,計(jì)算地基中豎向附加應(yīng)力分布,求出計(jì)算點(diǎn)垂線上各分層層面處的豎向附加應(yīng)力，并繪出它的分布曲線 確定壓縮層厚厚 當(dāng)基礎(chǔ)有埋置深度，應(yīng)采用基底凈壓力去計(jì)算地基中的附加應(yīng)力,平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力,求出第i層的壓縮量,地基的總沉降量,3.8應(yīng)力歷史對(duì)地基沉降的影響- 地基沉 降計(jì)算的e-lgp曲線法概述,由于應(yīng)力歷史對(duì)粘土的壓縮性具有較大的影響，而鉆探取樣獲得土樣經(jīng)過(guò)擾動(dòng)或應(yīng)力釋放，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)得到的壓縮曲線已經(jīng)不能代表地基中現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線，所以壓縮曲線的起始段實(shí)際上是一條再壓縮曲線。因此必須對(duì)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)所得的壓縮曲線進(jìn)行修正，得到符合原位土體壓縮性的現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線，由此計(jì)算得到的地基沉降才會(huì)更符合實(shí)際。,概述,利用elgp曲線可以推出現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線，從而進(jìn)行更為準(zhǔn)確的沉降計(jì)算 現(xiàn)場(chǎng)曲線可以很直觀地反應(yīng)出先期固結(jié)應(yīng)力，從而清晰地考慮地基的應(yīng)力歷史對(duì)沉降的影響 現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線是由直線或折線組成，通過(guò)Cc或Cs兩個(gè)壓縮性指標(biāo)即可計(jì)算，使用方便,現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線的推求,要考慮不同應(yīng)力歷史對(duì)土層壓縮性的影響： 判斷土層屬于正常固結(jié)土、超固結(jié)土還是欠固結(jié)土（確定土層的前期固結(jié)應(yīng)力和現(xiàn)有有效應(yīng)力） 推求能夠反應(yīng)土體的真實(shí)壓縮特性的現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線,現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線的推求,起始平緩,曲率最大點(diǎn) 接近前期固結(jié)應(yīng)力,曲線急劇變陡， 近乎直線向下延伸,交于C點(diǎn)，0.42e,擾動(dòng)劇烈 壓縮曲線越低 曲率越小,B點(diǎn)在A點(diǎn)的右下方,前期固結(jié)應(yīng)力的確定,前期固結(jié)應(yīng)力的確定,e,p(lg),A,1,3,2,B,前期固結(jié)應(yīng)力Pc,現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線的推求,正常固結(jié)土,超固結(jié)土,現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線的推求,p(lg),A,1,3,2,B,前期固結(jié)應(yīng)力Pc,e0,e,D,0.42e0,C,現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線,現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線的推求,A,1,3,2,B,前期固結(jié)應(yīng)力Pc,E,F,e,e0,0.42e0,C,D,D,p0,p(lg),現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線,現(xiàn)場(chǎng)再壓縮曲線,3.8.2 e-lgp曲線法計(jì)算地基最終沉降,e-lgp曲線法計(jì)算地基沉降與e-p曲線法相似，都是以無(wú)側(cè)向變形條件下壓縮量的基本公式和分層總和法為前提。 不同之處 （1）e由現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線求得 （2）初始孔隙比用e0 （3）對(duì)不同應(yīng)力歷史的土層，用不同的方法計(jì)算e,e-lgp曲線法計(jì)算地基最終沉降的步驟,選擇沉降計(jì)算斷面和計(jì)算點(diǎn)，確定基底壓力 將地基分層 計(jì)算地基中各分層面的自重應(yīng)力及土層平均自重應(yīng)力 計(jì)算地基中各分層面的附加應(yīng)力及土層平均附加應(yīng)力 用casagrande法根據(jù)室內(nèi)壓縮曲線確定前期固結(jié)應(yīng)力，判斷土層所處的狀態(tài)；推求現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線 根據(jù)土層所處的狀態(tài)，分別用不同的方法求各分層的壓縮量 將各分層沉降量總和 得到累加的總沉降量,正常固結(jié)土的沉降量計(jì)算,超固結(jié)土的沉降計(jì)算,針對(duì)壓力增量的大小不同分為兩種情況,超固結(jié)土的沉降計(jì)算,超固結(jié)土的沉降計(jì)算,欠固結(jié)土的沉降計(jì)算,欠固結(jié)土的沉降不僅僅包括受附加應(yīng)力所引起的沉降，而且還包括地基土在自重作用下尚未固結(jié)的那部分沉降； 對(duì)于欠固結(jié)土來(lái)說(shuō)，即使沒(méi)有外荷載作用，該土層仍然會(huì)產(chǎn)生壓縮量,欠固結(jié)土的沉降計(jì)算,3.9 土的(單向)滲透固結(jié)理論-地 基沉降與時(shí)間的關(guān)系,土體在外荷作用下的壓縮過(guò)程與時(shí)間有關(guān) 工程設(shè)計(jì)中，我們不但需要預(yù)估建筑物基礎(chǔ)可能發(fā)生的最終沉降量，而且還常常需要預(yù)估建筑物基礎(chǔ)達(dá)到某一沉降量所需的時(shí)間或者預(yù)估建筑物完工后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間可能產(chǎn)生的沉降量,單向固結(jié)模型,如果孔隙水只在沿一個(gè)方向排出，土的壓縮也只是在一個(gè)方向發(fā)生（一般指豎直方向），這種固結(jié)稱為單向固結(jié)。 單向固結(jié)模型說(shuō)明了土體固結(jié)的力學(xué)機(jī)理,單向固結(jié)模型,單向固結(jié)模型,在某一壓力下，飽和土的固結(jié)過(guò)程就是土體中各點(diǎn)的超孔隙水應(yīng)力不斷消散、附加有效應(yīng)力相應(yīng)增加的過(guò)程，或者說(shuō)是孔隙水應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為附加有效應(yīng)力的過(guò)程 在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，任一時(shí)刻任一深度上的應(yīng)力始終遵循有效應(yīng)力原理 求解地基沉降與時(shí)間關(guān)系的問(wèn)題，實(shí)際上就變成求解在附加應(yīng)力作用下，地基中各點(diǎn)的超孔隙水應(yīng)力隨時(shí)間變化的問(wèn)題,Terzaghi單向固結(jié)理論,土是均質(zhì)、各向同性且飽和的 土粒和孔隙水是不可壓縮的，土的壓縮完全由孔隙體積的減小引起 土的壓縮和固結(jié)僅在豎直方向發(fā)生 孔隙水的外排符合達(dá)西定律，土的固結(jié)快慢決定于它的滲透速度 在整個(gè)固結(jié)過(guò)程中，土的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)視為常數(shù) 地面上作用著連續(xù)均布荷載并且是一次施加的,Terzaghi單向固結(jié)理論,Terzaghi單向固結(jié)理論,時(shí)間dt內(nèi)流入與流出該單元的水量之差,單元體體積的減小可根據(jù)式（413）表示為：,