3 土的压缩性 和地基沉降计算土具有压缩性土具有压缩性（内因）（内因）基础荷载基础荷载（外因）（外因）地基变形地基变形基础沉降基础沉降沉降过大沉降过大不均匀沉降不均匀沉降地基变形设计要求地基变形设计要求：控制基础沉降：控制基础沉降建筑物地基容许变形值。建筑物地基容许变形值。问题的提出：问题的提出：影响沉降大小的因素影响沉降大小的因素o外因：建筑物荷载的大小和分布；外因：建筑物荷载的大小和分布；o内因：地基土层的类型、分布、各土层厚内因：地基土层的类型、分布、各土层厚度及其压缩性；度及其压缩性；不均匀沉降原因分析与危害不均匀沉降原因分析与危害o原因：（原因：（1）建筑物荷载分布不均匀；）建筑物荷载分布不均匀； （2）地基土层压缩性不同。）地基土层压缩性不同。o危害：引起超静定结构内部产生附加应力，危害：引起超静定结构内部产生附加应力，影响建筑物的安全和正常使用。影响建筑物的安全和正常使用。学习本章的目的：学习本章的目的：o根据地基土层剖面情况，各层土的物理力学根据地基土层剖面情况，各层土的物理力学性质和上部荷载，计算地基的变形值，并控性质和上部荷载，计算地基的变形值，并控制其在容许范围之内。制其在容许范围之内。o研究地基土变形特性：研究地基土变形特性： 压缩、固结、渗流、蠕变。压缩、固结、渗流、蠕变。3.1 3.1 土的压缩性土的压缩性o土的压缩性：土的压缩性：土在压力作用下体积土在压力作用下体积缩小的特性。缩小的特性。o引起土体压缩的原因：引起土体压缩的原因：内因：内因：1 1）土粒的压缩；土粒的压缩；2 2）土中水的压缩；）土中水的压缩； 3 3）土中空气的压缩；）土中空气的压缩； 4 4）空气及水从孔隙中被排出。）空气及水从孔隙中被排出。 外因：基础荷载的作用。外因：基础荷载的作用。饱和土的压缩性原理o饱和土的压缩主要是由于外荷载作用下孔隙水被挤出，以致孔隙减小所致的。o饱和土的压缩量孔隙体积的减小量压缩、固结、渗流、蠕变压缩、固结、渗流、蠕变o压缩：压力作用下，土体体积缩小。压缩：压力作用下，土体体积缩小。o固结：压力作用下，土体压缩量随时间增长。固结：压力作用下，土体压缩量随时间增长。o渗流：压力作用下，孔隙水分在土体中流动渗流：压力作用下，孔隙水分在土体中流动与排出。与排出。o蠕变：压力不变，变形随时间持续增长。蠕变：压力不变，变形随时间持续增长。o渗透固结：与自由水的渗透速度有关的饱和渗透固结：与自由水的渗透速度有关的饱和土固结过程。土固结过程。压缩试验：压缩试验：o压缩试验（固结试验）：研究土的压缩性大小及其压缩试验（固结试验）：研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法。包括单轴压缩试验、侧限压特征的室内试验方法。包括单轴压缩试验、侧限压缩试验及三轴压缩试验。缩试验及三轴压缩试验。o侧限压缩试验：土样在压力作用下只能在铅直方向产侧限压缩试验：土样在压力作用下只能在铅直方向产生压缩，而不能产生侧向的变形。生压缩，而不能产生侧向的变形。o侧限压缩试验的适用范围：压缩土层厚度较小。侧限压缩试验的适用范围：压缩土层厚度较小。o侧限压缩试验目的：确定土在各级压力作用下孔隙比侧限压缩试验目的：确定土在各级压力作用下孔隙比的变化，绘制压缩曲线，确定相关压缩性指标。的变化，绘制压缩曲线，确定相关压缩性指标。侧限压缩试验装置侧限压缩试验装置试验过程中：试验过程中：（1）Vs不变；不变；（2）A不变。不变。压缩曲线（压缩曲线（e-p曲线）曲线）压缩系数：压缩曲线上任一点压缩系数：压缩曲线上任一点的切线斜率。的切线斜率。o定义式：定义式：o土的压缩性评价：土的压缩性评价：侧限压缩模量：土在完全侧限条件侧限压缩模量：土在完全侧限条件下的竖向附加压应力与相应的应变下的竖向附加压应力与相应的应变增量的比值。增量的比值。o定义式：定义式：o侧限压缩模量与压缩系数的关系：侧限压缩模量与压缩系数的关系：变形模量：土在侧向自由变形条件变形模量：土在侧向自由变形条件下竖向压应力与竖向总应变之比。下竖向压应力与竖向总应变之比。o物理意义：与材料力学中杨氏弹性模量相同。物理意义：与材料力学中杨氏弹性模量相同。o变形模量与侧限压缩模量的关系：变形模量与侧限压缩模量的关系：o变形模量一般通过现场静载荷试验测定。变形模量一般通过现场静载荷试验测定。3.2 3.2 地基最终沉降量计地基最终沉降量计算算o地基最终沉降量：地基最终沉降量：指地基土层在荷指地基土层在荷载作用下，达到压缩稳定时地基表载作用下，达到压缩稳定时地基表面的沉降量。面的沉降量。 o基础沉降：基础沉降：指地基土层在荷载作用指地基土层在荷载作用下，达到压缩稳定时基础底面的沉下，达到压缩稳定时基础底面的沉降量。降量。引起地基沉降的原因：引起地基沉降的原因：o内因：地基土具有压缩性；内因：地基土具有压缩性；o外因：建筑物荷载在地基中产生的附加外因：建筑物荷载在地基中产生的附加应力引起地基发生压缩变形。应力引起地基发生压缩变形。计算地基最终沉降量的目的：计算地基最终沉降量的目的：o确定建筑物的最大沉降量、沉降差、确定建筑物的最大沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜，并判断其是否超倾斜和局部倾斜，并判断其是否超出容许的范围，以便进行地基变形出容许的范围，以便进行地基变形设计。设计。计算方法：计算方法：o（1）分层综合法；）分层综合法；o（2）规范法。）规范法。分层综合法分层综合法o基本假设：基本假设：（1） 地基是均质、各向同性的半无限线性地基是均质、各向同性的半无限线性变形体：地基附加应力可按弹性理论计算；变形体：地基附加应力可按弹性理论计算；（2）在压力作用下，）在压力作用下， 地基土只发生垂直单地基土只发生垂直单向压缩，不产生侧向变形：可采用侧限压缩向压缩，不产生侧向变形：可采用侧限压缩指标。指标。单一压缩土层的沉降计算：单一压缩土层的沉降计算：单向压缩分层综合法单向压缩分层综合法分层综合法计算步骤分层综合法计算步骤o计算基底中心点下各点地基附加应力（每计算基底中心点下各点地基附加应力（每0.4B深度深度计算一点）并绘于基础中心点右侧；计算一点）并绘于基础中心点右侧；o按比例绘制地基土层分布剖面图和基础剖面图；按比例绘制地基土层分布剖面图和基础剖面图；o计算地基自重应力，并按比例绘于基础中心线左侧；计算地基自重应力，并按比例绘于基础中心线左侧；o计算基底压力（中心荷载或偏心荷载作用）；计算基底压力（中心荷载或偏心荷载作用）；o计算基底附加压力；计算基底附加压力；o计算地基（基础）最终沉降量（叠加）。计算地基（基础）最终沉降量（叠加）。o计算各分层土的压缩量；计算各分层土的压缩量；o地基分层界面确定原则：地基分层界面确定原则：（1）不同土层分界面；）不同土层分界面；（2）地下水位面；）地下水位面； （3）0.4B；（4）基底附近分层薄些。）基底附近分层薄些。o确定地基沉降计算深度；确定地基沉降计算深度；分层总和法评价：分层总和法评价：o采用侧限条件下的压缩性指标，以沉降计算深度范采用侧限条件下的压缩性指标，以沉降计算深度范围内的分层计算加以总和。围内的分层计算加以总和。o基础沉降量按基础中心点下地基附加应力计算，基础沉降量按基础中心点下地基附加应力计算，以弥补压缩性指标偏小的不足。以弥补压缩性指标偏小的不足。o地基沉降量等于受压层范围内各土层压缩量的总和：地基沉降量等于受压层范围内各土层压缩量的总和：存在一个沉降计算深度。存在一个沉降计算深度。o优点：物理意义明确。优点：物理意义明确。o不足：对坚硬地基偏大，对软弱地基偏小。不足：对坚硬地基偏大，对软弱地基偏小。规范法规范法o计算第计算第i层土压缩量公式：层土压缩量公式：o平均附加应力系数：平均附加应力系数：地基最终沉降量计算公式地基最终沉降量计算公式沉降计算深度的确定沉降计算深度的确定o对独立基础：对独立基础：o当存在相邻荷载影响时：当存在相邻荷载影响时：规范法评价：规范法评价：（1） 是另一种形式的分层综合法；是另一种形式的分层综合法；（2） 引入平均附加应力系数；引入平均附加应力系数；（3） 引入地基沉降计算经验系数。引入地基沉降计算经验系数。沉降分析中的若干问题沉降分析中的若干问题土的回弹与再压缩土的回弹与再压缩（1）土不为完全弹性体）土不为完全弹性体（2）土经压缩后压缩性）土经压缩后压缩性 降低。降低。粘性土沉降组成粘性土沉降组成o瞬时沉降：加载瞬时地基发生的沉降。地基瞬时沉降：加载瞬时地基发生的沉降。地基土只发生剪切变形，没有体积变形。土只发生剪切变形，没有体积变形。o固结沉降：孔压消散，应力转移，引起土骨固结沉降：孔压消散，应力转移，引起土骨架变形。架变形。o次固结沉降：有效应力不变，土骨架随时间次固结沉降：有效应力不变，土骨架随时间继续发生变形。继续发生变形。土的应力历史：土体在历史土的应力历史：土体在历史上曾经受到过的应力状态。上曾经受到过的应力状态。o先期固结压力：先期固结压力： 土在其生成历史土在其生成历史中曾受过的最大中曾受过的最大有效固结压力。有效固结压力。o正常固结土正常固结土o超固结土超固结土o欠固结土欠固结土土层应力历史的描述：土层应力历史的描述：3.3 3.3 地基沉降与时间的关地基沉降与时间的关系系o碎石土、砂土：透水性强，压缩性低，碎石土、砂土：透水性强，压缩性低，沉降完成历时短。沉降完成历时短。o饱和粘性土：渗透性小，压缩性高，固饱和粘性土：渗透性小，压缩性高，固结过程历时长。结过程历时长。土的渗透性（渗流）土的渗透性（渗流）达西定律（法，达西定律（法，1856）：）： 渗流速度与水力梯度的一次方成正比。渗流速度与水力梯度的一次方成正比。砂土：砂土：粘性土：粘性土：有效应力原理基本概念有效应力原理基本概念o有效应力：通过土粒接触点传递的粒间应力。有效应力：通过土粒接触点传递的粒间应力。o孔隙水压力：土中孔隙水传递的压应力，也称孔隙水压力：土中孔隙水传递的压应力，也称超静孔隙水压力。超静孔隙水压力。o饱和土的渗透固结过程：孔隙水压力向有效应饱和土的渗透固结过程：孔隙水压力向有效应力转化的过程。孔隙水压力逐渐消散，有效应力转化的过程。孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐增长，土的体积逐渐减小，强度随之提力逐渐增长，土的体积逐渐减小，强度随之提高。高。饱和土渗透固结力学模型弹簧模型饱和土渗透固结力学模型弹簧模型有效应力原理的主要内容：有效应力原理的主要内容：o（1）饱和土变形和强度是由有效应力控制的；）饱和土变形和强度是由有效应力控制的；o（2）土中任一点的有效应力等于总应力减去孔）土中任一点的有效应力等于总应力减去孔隙水压力。隙水压力。饱和土一维固结理论饱和土一维固结理论o基本假定：基本假定：（1）土层是均质的、完全饱和的；）土层是均质的、完全饱和的；（2）土粒和水是不可压缩的；）土粒和水是不可压缩的；（3）水的渗出和土的压缩只沿竖向发生；）水的渗出和土的压缩只沿竖向发生；（4）土中水的渗流服从达西定律；）土中水的渗流服从达西定律；（5）在渗透固结中，土的渗透系数和压缩系数保持）在渗透固结中，土的渗透系数和压缩系数保持不变；不变；（6）外荷一次施加。）外荷一次施加。饱和土一维固结微分方程饱和土一维固结微分方程o固结过程中固结过程中Vs不变，根据水流连续性原理、不变，根据水流连续性原理、达西定律和有效应力原理，建立以下固结达西定律和有效应力原理，建立以下固结微分方程：微分方程：解析解解析解地基固结度：地基在固结过程中任地基固结度：地基在固结过程中任一时刻的固结沉降量与其最终固结一时刻的固结沉降量与其最终固结沉降量之比。沉降量之比。o定义式：定义式：地基固结度表达了土体孔隙水地基固结度表达了土体孔隙水压力向有效应力转化过程的完压力向有效应力转化过程的完成程度。成程度。o基本表达式：基本表达式：地基固结度的计算：对同一地基，若单面排水改为双面排水，要达到相同的固结度，所需历时减少为原来的1/4。仅在竖直方向发生渗流和变形仅在竖直方向发生渗流和变形一维渗透固结理论曲线一维渗透固结理论曲线3.4 建筑物沉降观测与建筑物沉降观测与 地基容许变形值地基容许变形值o建筑物沉降观测的意义：建筑物沉降观测的意义：（1）验证地基基础设计、分析地基事故、判）验证地基基础设计、分析地基事故、判别施工质量。别施工质量。（2）确定地基容许变形值。）确定地基容许变形值。（3）发展沉降计算方法。）发展沉降计算方法。沉降观测的主要内容：沉降观测的主要内容：o收集资料和编写计划收集资料和编写计划o水准基点的设置（不少于水准基点的设置（不少于3个）个）o观测点的设置（不宜少于观测点的设置（不宜少于6个）个）o水准测量水准测量o观测资料的整理观测资料的整理地基的变形特征地基的变形特征o沉降量沉降量：指基础中心的沉降量。：指基础中心的沉降量。o沉降差沉降差：指相邻两个基础沉降量之差。：指相邻两个基础沉降量之差。o倾斜倾斜：指单独基础倾斜方向两端点的沉降差与其：指单独基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离之比。距离之比。o局部倾斜局部倾斜：指承重砌体沿纵墙：指承重砌体沿纵墙610m长度内基础长度内基础两点的沉降差与其距离之比。两点的沉降差与其距离之比。地基容许变形值的确定：地基容许变形值的确定：o理论分析法：进行地基、基础及上部结构相互作用理论分析法：进行地基、基础及上部结构相互作用的理论分析，计算上部结构中由于地基差异沉降可的理论分析，计算上部结构中由于地基差异沉降可能引起的次应力或拉应力，然后在保证其不超过结能引起的次应力或拉应力，然后在保证其不超过结构承受能力的前提下，综合考虑其他方面要求，确构承受能力的前提下，综合考虑其他方面要求，确定地基容许变形值。定地基容许变形值。o经验统计法：对大量的各类已建建筑物进行经验统计法：对大量的各类已建建筑物进行沉降观测和使用状况的调查，然后结合地基沉降观测和使用状况的调查，然后结合地基地质类型，加以归纳整理，提出各种容许变地质类型，加以归纳整理，提出各种容许变形值。形值。（1）砌体承重）砌体承重结构以局部倾斜结构以局部倾斜控制；控制；（2）框架及单）框架及单层排架结构以沉层排架结构以沉降差控制；降差控制；（3）多层、高）多层、高层及高耸结构以层及高耸结构以倾斜控制；倾斜控制；（4）任何结构）任何结构均应控制沉降值。均应控制沉降值。思考题思考题o为什么可以说土的压缩变形实际上是土的孔为什么可以说土的压缩变形实际上是土的孔隙体积的减小？隙体积的减小？o说明土的各压缩性指标的意义和确定方法。说明土的各压缩性指标的意义和确定方法。o何谓孔隙水压力？何谓有效应力？简述有效应何谓孔隙水压力？何谓有效应力？简述有效应力原理的主要内容。力原理的主要内容。o地基变形特征有哪些？在地基变形设计中，不同结地基变形特征有哪些？在地基变形设计中，不同结构形式建筑，应采用哪些变形特征进行控制？构形式建筑，应采用哪些变形特征进行控制？习题习题o习题习题1o习题习题2o习题习题3