【正文】 第 3章 土的變形性質(zhì)與地基沉降計(jì)算 地基土層在建筑物的荷載作用下產(chǎn)生變形，建筑物基礎(chǔ)亦隨之沉降，尤其是當(dāng)荷載差異較大、或地基土層軟弱不均時(shí)，往往導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)出現(xiàn)較大的不均勻沉降、以致建筑物某些部位開裂、傾斜，甚至倒塌。 為了保證建筑物的安全和正常使用，本章討論荷載作用下土體的變形，這是土力學(xué)的重要問(wèn)題之一。在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，要求地基土的變形量不超過(guò)允許值。 第 3章 土的變形性質(zhì)與地基沉降計(jì)算 分析地基土層發(fā)生變形的主要因素：其內(nèi)固是土具有壓縮性．其外因主要是建筑物荷載的作用。因此，為了計(jì)算地基沉降，必須研究土的壓縮性和上部荷載作用下地基中的應(yīng)力分布情況。 學(xué)習(xí)本章的目的，是根據(jù)地基土層剖面情況、各層土的物理力學(xué)性質(zhì)和上部結(jié)構(gòu)的荷載，計(jì)算地基的變形值，并控制它在容許范圍之內(nèi)。 第 3章 土的變形性質(zhì)與地基沉降計(jì)算 土的變形特征 有效應(yīng)力原理 側(cè)限條件下土的壓縮性 土的壓縮性原位測(cè)試 地基中的應(yīng)力分布 地基最終沉降量 應(yīng)力歷史對(duì)地基沉降的影響 地基沉降與時(shí)間的關(guān)系 建筑物沉降觀測(cè)與地基允許變形值 土的變形特征 基本概念 土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 ? 土的壓縮性大 外因 ① 建筑物荷載作用。這是普遍存在的因素。 ② 地下水位大幅度下降。相當(dāng)于施加大面積荷載 σ =(γ γ ’)h ③ 施工影響 ， 基槽持力層土的結(jié)構(gòu)擾動(dòng) . ④ 振動(dòng)影響，產(chǎn)生震沉。 ⑤ 溫度變化影響 ， 如冬季冰凍 ， 春季融化 ⑥ 浸水下沉，如黃土濕陷，填土下沉。 ? 地基土產(chǎn)生壓縮的原因 基本概念 內(nèi)因 土是三相體 ， 土體受外力引起的壓縮包括三部分 : ① 固相礦物本身壓縮 ， 極小 ， 物理學(xué)上有意義 ， 對(duì)建筑工程來(lái)說(shuō)無(wú)意義； ② 土中液相水的壓縮 ， 在一般建筑工程荷載 σ ＝ （ 100～ 600）Kpa作用下 ， 很小 ， 可忽略不計(jì)； ③ 土中孔隙的壓縮 ， 土中水與氣體受壓后從孔隙中擠出 ， 使土的孔隙減小 。 地基土產(chǎn)生壓縮的原因 土體的壓縮變形主要是由于孔隙減小引起的 。 上述因素中 ， 建筑物 荷載 作用是 主要外因 ， 通過(guò)土中 孔隙的壓縮 這一內(nèi)因發(fā)生實(shí)際效果 。 基本概念 ? 飽和土體壓縮過(guò)程 滲透固結(jié)過(guò)程 ? 蠕變的影響 土的變形特征 基本概念 土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 ? 土體中的應(yīng)力 應(yīng)力的基本概念 、材料的性質(zhì)、 水平土層中的自重應(yīng)力 、主應(yīng)力、莫爾圓 ? 土的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系及測(cè)定方法 單軸壓縮試驗(yàn)、側(cè)限壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn) 三維（空間）應(yīng)力狀態(tài) 二維 （空間）應(yīng)力狀態(tài) 側(cè)限應(yīng)力狀態(tài) 土力學(xué)中應(yīng)力符號(hào)規(guī)定 壓為正，拉為負(fù)，剪應(yīng)力以 逆時(shí)針為正。 ???????????zzyyxyij????000000???????????zzzxyyxzxyij??????0000???????????zzzyzxyzyyyzxzxyxyij??????????z ?z ?x ?y 圖 35 側(cè)限應(yīng)力狀態(tài) 地面 土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 ? 土體中的應(yīng)力 應(yīng)力的基本概念、材料的性質(zhì)、水平土層中的自重應(yīng)力、主應(yīng)力、莫爾圓 ? 土的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系及測(cè)定方法 單軸壓縮試驗(yàn)、側(cè)限壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn) 第 3章 土的變形性質(zhì)與地基沉降計(jì)算 土的變形特征 有效應(yīng)力原理 側(cè)限條件下土的壓縮性 土的壓縮性原位測(cè)試 地基中的應(yīng)力分布 地基最終沉降量 應(yīng)力歷史對(duì)地基沉降的影響 地基沉降與時(shí)間的關(guān)系 建筑物沉降觀測(cè)與地基允許變形值 有效應(yīng)力原理 土中兩種應(yīng)力試驗(yàn) ? 有兩個(gè)完全相同的量筒，如下圖所示，并在這兩個(gè)量筒的底部分別放置一層性質(zhì)完全相同的松散砂土。 ? 在甲量筒松砂頂面加若干鋼球，使 松砂承受 σ的壓力，此時(shí)可見松砂頂 面下降，表明松砂發(fā)生壓縮，亦即 砂土的孔隙比 e減小。 ? 乙量筒松砂頂面不加鋼球，而是小 心緩慢地注水，在砂面以上高 h處正好使砂層表面也增加 σ的壓力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)砂層頂面并不下降， ? 表明砂土未發(fā)生壓縮，亦即砂土的孔隙比 e不變。這種情況類似于在量筒內(nèi)放一塊飽水的棉花，無(wú)論向量筒內(nèi)倒多少水也不能使棉花發(fā)生壓縮一樣。 ? 上述甲、乙兩個(gè)量筒底部松砂都作用了 σ的壓力，但產(chǎn)生了兩種不同的效果，反映出土體中存在兩種不同性質(zhì)的應(yīng)力：①由鋼球施加的應(yīng)力，通過(guò)砂土的骨架傳遞，這種骨架應(yīng)力稱為有效應(yīng)力，用 σ`來(lái)表示；②由水施加的應(yīng)力通過(guò)孔隙中水來(lái)傳遞稱為孔隙水壓力，用 u來(lái)表示。這種孔隙水壓力不能使土層發(fā)生壓縮變形。 有效應(yīng)力原理 ? 在土體中某點(diǎn)截取一水平截 面，其面積為 A，截面上作 用應(yīng)力 σ，為總應(yīng)力。 ? aa截面是沿著土顆粒間 接觸面截取的曲線狀截面， 在此截面上，土顆粒接觸面 間作用的法向應(yīng)力為 σ ，各土顆粒之間接觸面積之和 為 As；孔隙內(nèi)的水壓力為 u，面積為 Aw；氣體壓力為 ua，其相應(yīng)的面積為 Aa。 ? 豎直方向平衡條件為： ? 對(duì)于飽和土體， Aa =0，則上式變?yōu)? ? 則 ? 由于顆粒間的接觸面積 As很小，根據(jù)畢肖普 (Bishop)及伊爾定 (Eldin)等人的研究結(jié)果，一般 As /A≤。因此， 1 As /A ≈1。故上式變?yōu)? ? 上式中 σs As的是土顆粒間的接觸壓力 ? σs As/A是土顆粒之間接觸壓力的平均值，即為有效應(yīng)力 ，則上式變?yōu)? ? 上式即為有效應(yīng)力原理，它說(shuō)明飽和土體承受的總應(yīng)力 為有效應(yīng)力和孔隙水壓力之和。 ? 有效應(yīng)力為 ： ? 有效應(yīng)力公式的形式很簡(jiǎn)單，卻具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)已知土體中某一點(diǎn)所受的總應(yīng)力，并測(cè)得該點(diǎn)的孔隙水壓力時(shí)，就可以利用上式計(jì)算出該點(diǎn)的有效應(yīng)力 。 39。??u??? ＝39。u?? 39。??39。?? 有效應(yīng)力 在土力學(xué)中是一個(gè)最有實(shí)際意義的量，它將引起土顆粒的位移，使孔隙體積縮小，土體發(fā)生壓縮變形，同時(shí)，有效應(yīng)力有大小直接影響土的抗剪強(qiáng)度。因此，只有通過(guò)有效應(yīng)力分析，才能準(zhǔn)確地確定土工建筑物或建筑地基的變形與安全度。 第 3章 土的變形性質(zhì)與地基沉降計(jì)算 土的變形特征 有效應(yīng)力原理 側(cè)限條件下土的壓縮性 土的壓縮性原位測(cè)試 地基中的應(yīng)力分布 地基最終沉降量 應(yīng)力歷史對(duì)地基沉降的影響 地基沉降與時(shí)間的關(guān)系 建筑物沉降觀測(cè)與地基允許變形值 側(cè)限條件下土的壓縮性 側(cè)限壓縮試驗(yàn) 側(cè)限壓縮性指標(biāo) 土層側(cè)限壓縮變形量 側(cè)限壓縮試驗(yàn) ? 側(cè)限條件 指?jìng)?cè)向限制不能變形，只有豎向單向壓縮的條件。 ? 當(dāng)自然界廣闊土層上作用著大面積均布荷載時(shí)，地基土的變形條件近似為側(cè)限條件。 ? 常用壓縮性指標(biāo)描述土的壓縮性高低。進(jìn)行側(cè)限壓縮試驗(yàn)測(cè)定，簡(jiǎn)稱為壓縮試驗(yàn)，又稱固結(jié)試驗(yàn)。 壓縮試驗(yàn) (1)試驗(yàn)儀器 側(cè)限壓縮儀（亦稱固結(jié)儀） (2)試驗(yàn)方法：側(cè)限壓縮試驗(yàn) ? ?? ?iiwsehGeehheeehhehehAVs??????????????????111 111000001011101100???其中：不變，受壓前后?壓縮曲線 是室內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)的成果，它是土的孔隙比 e與所受壓力 P的關(guān)系曲線。 AehVs001 ??試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析： ?土樣制備和裝樣； ?分級(jí)施壓 ， 給出豎向變形與時(shí)間關(guān)系； 土樣變形穩(wěn)定后（ 時(shí)間很長(zhǎng) ， 約為 24h） ， ?給出壓縮變形量與荷載關(guān)系曲線； 土的壓縮曲線 土的壓縮曲線 壓縮曲線（ ep曲線） 壓縮曲線（ elgp曲線） ?壓縮性曲線的形狀與土樣的成分、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及受力歷史等有關(guān)。 ?壓縮性不同的土，其 ep曲線的形狀不同。曲線愈陡，說(shuō)明壓力增加時(shí)孔隙比減小得多，土易變形，壓縮性愈高。 土的壓縮、回彈、再壓縮曲線 例如基坑開挖引起的坑底回彈！ 側(cè)限條件下土的壓縮性 側(cè)限壓縮試驗(yàn) 側(cè)限壓縮性指標(biāo) 土層側(cè)限壓縮變形量 壓縮穩(wěn)定后的孔隙比；相應(yīng)于壓縮穩(wěn)定后的孔隙比；相應(yīng)于；加應(yīng)力之和應(yīng)力與附相當(dāng)于某深度處的自重；應(yīng)力相當(dāng)于某深度處的自重；單位為稱為壓縮系數(shù)式中壓縮系數(shù)作用下的壓縮性。就表示了相應(yīng)于壓力點(diǎn)切線斜率曲線上任一22112111221: : ][ : ][: M P a : pepek Papk Papappeedpdeapape????壓縮定律 ：在壓力范圍不大時(shí)，孔隙比的減小值與壓力的增加值成正比。 壓縮性指標(biāo) 壓縮系數(shù)是表征土壓縮性大小的主要指標(biāo) 1 1eamv ??體積壓縮系數(shù)? mv與 a的單位相同， a表示單位壓應(yīng)力變化引起的孔隙比變化， mv表示單位壓應(yīng)力變化引起的單位體積變化。 高壓縮性 121 / ?? M Paa中壓縮性 低壓縮性 *為了便于比較，通常采用壓力段由p1=100kPa 增加到 p2=200kPa 時(shí)的壓縮系數(shù) a12來(lái)評(píng)定土的壓縮性如下： 土的壓縮性越大。越大，壓縮指數(shù)曲線后段直線段的斜率ccCppeeC lglgl o g pe 1221?壓縮指數(shù) 粘性土的 Cc值一般在 — ?cC低壓縮性土； 中壓縮性土 高壓縮性土。 ?cC ?? cC壓縮模量（側(cè)限壓縮模量） 壓縮模量 指土在側(cè)限壓縮條件下豎向附加壓應(yīng)力與應(yīng)變?cè)隽恐龋瑔挝粸?MPa。 11111111121aeHHpEpaepeaHeeHeeeHs????????????????????壓縮模量（側(cè)限壓縮模量） ? 根據(jù)壓縮模量 ES評(píng)價(jià)土的壓縮性 ES4MPa 高壓縮性土 4MPa ESMPa 中壓縮性土 ES15MPa 低壓縮性土 單向壓縮試驗(yàn)的各種參數(shù)的關(guān)系 指標(biāo) 指標(biāo) a mv Es a 1 mv(1+e0) (1+e0)/Es mv a/(1+e0) 1 1/Es Es (1+e0)/a 1/mv 1 一維壓縮性及其指標(biāo) 側(cè)限條件下土的壓縮性 側(cè)限壓縮試驗(yàn) 側(cè)限壓縮性指標(biāo) 土層側(cè)限壓縮變形量 土層側(cè)限壓縮變形量 139。139。139。221 hEhEhhhss????????????1139。1heh ????????11211heeeh ?????第 3章 土的變形性質(zhì)與地基沉降計(jì)算 土的變形特征 有效應(yīng)力原理 側(cè)限條件下土的壓縮性 土的壓縮性原位測(cè)試 地基中的應(yīng)力分布 地基最終沉降量 應(yīng)力歷史對(duì)地基沉降的影響 地基沉降與時(shí)間的關(guān)系 建筑物沉降觀測(cè)與地基允許變形值