第2章土中应力计算(土力学与地基基础教案)

第2章土中应力计算一、知识点：2.1概述2.2土中自重应力2.3基底压力(接触应力)2.3.1基底压力的简化计算2.3.2基底附加压力2.4地基附加应力2.4.1竖向集中力下的地基附加应力2.4.2矩形基础下的地基附加应力2.4.3线荷载和条形荷载下的地基附加应力2.4.4非均质和各向异性地基中的附加应力2.5地基沉降的弹性力学公式二、考试内容：重点掌握内容1．自重应力在地基土中的分布规律，均匀土、分层土和有地下水位时土中自重应力的计算方法。2．基底接触压力的概念，基底附加压力的概念及计算方法。3．基底附加压力的概念，基底附加压力在地基土中的分布规律。应用角点法计算地基土中任意一点的竖向附加应力。三、本章内容：§2.1概述建筑物的建造使地基土中原有的应力状态发生变化，从而引起地基变形，出现基础沉降。由于建筑物荷载差异和地基不均匀等原因，基础各部分的沉降或多或少总是不均匀的，使得上部结构之中相应地产生额外的应力和变形。基础不均匀沉降超过了一定的限度，将导致建筑物的开裂、歪斜甚至破坏，例如砖墙出现裂缝、吊车轮子出现卡轨或滑轨、高耸构筑物倾斜、机器转轴偏斜以及与建筑物连接管道断裂等等。因此，研究地基变形，对于保证建筑物的正常使用、经济和牢固，都具有很大的意义。地基的沉降，必须要从土的应力与应变的基本关系出发来研究。对于地基土的应力一般要考虑基底附加应力、地基自重应力和地基附加应力。地基的变形是由地基的附加应力导致，变形都有一个由开始到稳定的过程。我们把地基稳定后的累计变形量称为最终沉降量。地基应力一般包括由土自重引起的自重应力和由建筑物引起的附加应力，这两种应力的产生条件不相同，计算方法也有很大差别。此外，以常规方法计算由建筑物引起的地基附加应力时，事先确定基础底面的压力分布是不可缺少的条件。从地基和基础相互作用的假设出发，来分析地基上梁或板的内力和变形，以便设计这类结构复杂的连续基础时，也要以本章的有关内容为前提。地基土的变形都有一个由开始到稳定的过程，各种土随着荷载大小等条件的不同，其所需时间的差别很大，关于地基变形随时间而增长的过程是土力学中固结理论的研究内容。它是本章的一个重要组成部分。在工程实践中，往往需要确定施工期间和完工后某一时间的基础沉降量，以便控制施工速度，确定建筑物的使用措施，并要考虑建筑物有关部分之间的预留净空和连接方式，还必须考虑地基沉降与时间的关系。§2.2土中自重应力土是由土粒、水和气所组成的非连续介质。若把土体简化为连续体，而应用连续体力学(例如弹性力学)来研究土中应力的分布时，应注意到，土中任意截面上都包括有骨架和孔隙的面积在内，所以在地基应力计算时都只考虑土中某单位面积上的平均应力。在计算土中自重应力时，假设天然地面是一个无限大的水平面，因而在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。如果地面下土质均匀，天然重度为γ(kN/m³)，则在天然地面下任意深度z(m)处a-a水平面上的竖向自重应力CZ(kPa)，可取作用于该水平面上任一单位面积的土柱体自重γz×1计算，即：CZ=γz(书33页2-1)CZ沿水平面均匀分布，且与Z成正比，即随深度按直线规律分布[书34页图2-1(a)]。地基中除有作用于水平面上的竖向自重应力外，在竖直面上还作用有水平向的侧向自重应力。由于CZ沿任一水平面上均匀地无限分布，所以地基土在自重作用下只能产生竖向变形，而不能有侧向变形和剪切变形。从这个条件出发，根据弹性力学，侧向自重应力cx和cy应与cz成正比，而剪应力均为零，即：czcycxK0(书34页2-3)0zxyzxy(书34页2-4)式中比例系数0K称为土的侧压力系数或静止土压力系数，见34页表2-1。必须指出，只有通过土粒接触点传递的粒间应力，才能使土粒彼此挤紧，从而引起土体的变形，而且粒间应力又是影响土体强度的一个重要因素，所以粒间应力又称为有效应力。因此，土中自重应力可定义为土自身有效重力在土体中引起的应力。土中竖向和侧向的自重应力一般均指有效自重应力。对地下水位以下土层必须以有效重度γ′代替天然重度γ。为了简便起见，以后各章节中把常用的竖向有效自重应力cz，简称为自重应力，并改用符号c表示。地基土往往是成层的，因而各层土具有不同的重度。如地下水位位于同一土层中，计算自重应力时，地下水位面也应作为分层的界面。如书34页图2-1（b）所示，天然地面下深度z范围内各层土的厚度自上而下分别为nihhhh,,,21，计算出高度为z的土柱体中各层土重的总和后，可得到成层土自重应力计算公式：niiich1(书34页2-2)式中c—天然地下面任意深度z处的竖向有效自重应力，kPa；n—深度z范围内的土层总数；ih—第i层土的厚度，m；i—第i层土的天然重度，对地下水位以下的土层取有效重度i'，kN/m³。在地下水位以下，如埋藏有不透水层(例如岩层或只含结合水的坚硬粘土层)，由于不透水层中不存在水的浮力，所以层面及层面以下的自重应力应按上覆土层的水土总重计算。自然界中的天然土层，一般形成至今已有很长的地质年代，它在自重作用下的变形早巳稳定。但对于近期沉积或堆积的土层，应考虑它在自重应力作用下的变形。此外，地下水位的升降会引起土中自重应力的变化(书35页图2-2)。例如在软土地区，常因大量抽取地下水，以致地下水位长期大幅度下降，使地基中原水位以下的有效自重应力增加[书35页图2-2(a)]，而造成地表大面积下沉的严重后果。至于地下水位的长时期上升[书35页图2-2(b)]，常发生在人工抬高蓄水水位地区(如筑坝蓄水)或工业用水大量渗入地下的地区，如果该地区土层具有遇水后发生湿陷的性质，必须引起注意。§2.3基底压力(接触应力)建筑物荷载通过基础传递给地基，在基础底面与地基之间便产生了接触应力。它既是基础作用于地基的基底压力，同时又是地基反作用于基础的基底反力。因此，在计算地基中的附加应力以及设计基础结构时，都必须研究基底压力的分布规律。基底压力分布是与基础的大小和刚度，作用于基础上荷载的大小和分布、地基土的力学性质以及基础的埋深等许多因素有关。根据弹性力学中圣维南原理，在地表下一定深度处，土中应力分布与基础底面上荷载分布的影响并不显著，而只决定于荷载合力的大小和作用点位置。因此，对于具有一定刚度以及尺寸较小的柱下单独基础和墙下条形基础等，其基底压力可近似地按直线分布的图形计算，即按下述材料力学公式进行简化计算。2.3.1基底压力的简化计算2.3.1.1中心荷载下的基底压力中心荷载下的基础，其所受荷载的合力通过基底形心。基底压力假定为均匀分布(书37页图3-5)，此时基底平均压力设计值(kPa)按下式计算：AGFp(书37页2-5)式中F—作用在基础上的竖向力设计值，kN，G—基础自重设计值及其上回填土重标准值的总重，kN，G=AdG其中G—为基础及回填土之平均重度，一般取20kN／m³，但在地下水位以下部分应扣去浮力为10kN／m³，d—为基础埋深，必须从设计地面或室内外平均设计地面算起，m；A—基底面积，m²，对矩形基础lbA，l和b分别为矩形基底的长度和宽度。对于荷载沿长度方向均匀分布的条形基础，则沿长度方向截取一单位长度的截条进行基底平均压力设计值P(kPa)的计算，此时式(2-5)中A改为b(m)，而F及G则为基础截条内的相应值(kN／m)。2.3.1.2偏心荷载下的基底压力对于单向偏心荷载下的矩形基础如37页图2-7所示。设计时，通常基底长边方向取与偏心方向一致，此时两短边边缘最大压力设计值maxp与最小压力设计值minp(kPa)按材料力学短柱偏心受压公式计算：WMlbGFppminmax(书37页2-6)式中F、G、l、b符号意义同式(2-5)；M—作用于矩形基底的力矩设计值，kN·m；W—基础底面的抵抗矩，32,6mblW。把偏心荷载(如图中虚线所示)的偏心矩GFMe引入式(2-6)得：)61(minmaxlelbGFpp由上式可见，当el/6时，基底压力分布图呈梯形[图2-7(a)]；当e=l/6时，则呈三角形[图2-7(b)]；当el/6时，按上式计算结果，距偏心荷载较远的基底边缘反力为负值，即0minp[如图2-7(c)中虚线所示]。由于基底与地基之间不能承受拉力，此时基底与地基局部脱开，而使基底压力重新分布。因此，根据偏心荷载应与基底反力相平衡的条件，荷载合力F+G应通过三角形反力分布图的形心[见图2-7(c)中实线所示分布图形]，由此可得基底边缘的最大压力maxp为：bkGF3)(2pmax(书38页2-7)式中k—单向偏心荷载作用点至具有最大压力的基底边缘的距离，m。2.3.2基底附加压力建筑物建造前，土中早已存在着自重应力。如果基础砌置在天然地面上，那未全部基底压力就是新增加于地基表面的基底附加压力。一般天然土层在自重作用下的变形早已结束，因此只有基底附加压力才能引起地基的附加应力和变形。实际上，一般浅基础总是埋置在天然地面下一定深度处，该处原有的自重应力由于开挖基坑而卸除。因此，由建筑物建造后的基底压力中扣除基底标高处原有的土中自重应力后，才是基底平面处新增加于地基的基底附加压力。基底平均附加压力设计值0p值(kPa)按下式计算(书38页图2-8)：dpppc00(书38页2-8)式中p—基底平均压力设计值，kPa，c—土中自重应力标准值，基底处c=d0，kPa;0—基础底面标高以上天然土层的加权平均重度，0=()2211hh／)(21hh，kN／m³，其中地下水位下的重度取有效重度，d—基础埋深，必须从天然地面算起，对于新填土场地则应从老天然地面起算，21hhd,m。有了基底附加压力，即可把它作为作用在弹性半空间表面上的局部荷载，由此根据弹性力学求算地基中的附加应力。实际上，基底附加压力一般作用在地表下一定深度(指浅基础的埋深)处，因此，假设它作用在半空间表面上，而运用弹性力学解答所得的结果只是近似的，不过，对于一般浅基础来说，这种假设所造成的误差可以忽略不计。§2.4地基附加应力地基附加应力是指建筑物荷重在土体中引起的附加于原有应力之上的应力。为了说明附加应力分布特点，我们可将构成地基的土颗粒看作是无数个直径相同的小圆球，如书39页图2-9所示。设沿垂直面方向作用一线荷载Q=1，由图中可见，第二层两个小球各受1/2的力；第三层共有三个小球受力，最右边的小球受力大小和左边的小球受的力相同，即承受第二层右边小球一半的力等于1/4，中间的小球因为它同时承受第二层两个小球传给它1/4的力，所以它受力为2*1/4=1/2。第四层和以下几层小球所受力的大小，已经标注在小球上。为了表示清楚附加应力在地基中的分布规律，已将最下边一层小球受力大小按比例画在图上。通过上面的分析，我们知道土中附加应力分布特点是：1、地面下同一深度的水平面上的附加应力不同，沿力的作用线上的附加应力最大，向两边则逐渐减小。2、距地面愈深，应力分布范围愈大，在同一铅直线上的附加应力不同，愈深则愈小。计算地基附加应力，一般假定地基土是各向同性的、均质的线性变形体，而且在深度和水平方向上都是无限延伸的，即把地基看成是均质的线性变形半空间，这就可以直接采用弹性力学中关于弹性半空间的理论解答。本节主要介绍竖向集中力下地基附加应力的布辛奈斯克解及矩形基础均布荷载、矩形基础三角形荷载、圆形基础均布荷载、条形基础均布荷载四种基础荷载组合的地基附加应力计算方法。计算地基附加应力时，都把基底压力看成是柔性荷载，而不考虑基础刚度的影响。按照弹性力学，地基附加应力计算分为空间问题和平面问题两类。本节先介绍属于空间问题的集中力、矩形荷载和圆形荷载作用下的解答，然后介绍属于平面问题的线荷载和条形荷载作用下的解答，最后，再概要介绍一些非均质地基附加应力的弹性力学解答。2.4.1竖向集中力下的地基附加应力2.4.1.1布辛奈斯克解在弹性半空间表面上作用一个竖向集中力时，半空间内任意点处所引起的应