24沉降量

Chapter2SettlementCalculation土的压缩性沉降计算方法2.4地基沉降量计算沉降计算的意义地基起着承受基础底面以上结构物荷重的重要作用。地基在外荷作用会产生压缩变形。不同的建筑物对地基变形均有一定的要求，若沉降超出了允许范围，必将影响其正常使用、甚至建筑物的破坏。地基基础设计时必须计算地基可能产生的沉降量。概念1.地基沉降量是指地基土在荷载作用下压缩变形达到固结稳定时的最大竖向变形量，或称最终沉降量。重点讨论地基最终沉降量的计算方法。2.压缩性的概念：天然土是由土颗粒、水、气组成的三相体，是一种多孔介质材料。在压力作用下，土骨架将发生变形、土中孔隙将减少、土的体积将缩小，土的这一特性称为土的压缩性。简言之，土在压力作用下体积缩小的特性即为土的压缩性。3.土的压缩特性及固结的概念：与金属等其它连续介质材料不同，土受压力作用后的压缩并非瞬间完成，而是随时间逐步发展并趋稳定的。土体压缩随时间发展的这一现象或过程称为固结。因此，土的压缩和固结是密不可分的，压缩是土固结行为的外在表现，而固结是土压缩的内在本质。如果说外荷载（附加应力）是引起地基变形的外因，那么土具有压缩性就是地基变形的根本内因。因此，研究土的压缩性是合理计算地基变形的前提，也是土力学中重要的研究课题之一。土具有变形特性荷载作用地基发生沉降荷载大小土的压缩特性地基厚度一致沉降（沉降量）差异沉降（沉降差）建筑物上部结构产生附加应力影响结构物的安全和正常使用概述土的特点（碎散、三相）沉降具有时间效应－沉降速率工程实例问题：沉降2.2米，且左右两部分存在明显的沉降差。墨西哥某宫殿地基：20多米厚的粘土Kiss由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触基坑开挖，引起阳台裂缝修建新建筑物：引起原有建筑物开裂高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除建筑物立面高差过大建筑物过长：长高比7.6:147m3915019419917587沉降曲线(mm)2.4.1土的压缩性及其参数2.4.2地基沉降计算的单向分层总和法2.4.3《规范》推荐沉降计算法基本内容2.4.4应力历史2.4.1土的压缩性及其参数CompressibilityofSoilandItsParameters土的压缩特性土体的压缩从宏观上看应是土颗粒、水、气三相压缩量以及从土体中排出的水、气量的总和。不过，试验研究表明，在一般压力（100~600kPa）作用下，土颗粒和水的压缩占土体总压缩量的比例很小以致完全可以忽略不计。故可认为土的压缩是土中孔隙体积的减少。对非饱和土：土的压缩就是土中部分孔隙气的压缩以及部分孔隙水和气的排出。对于饱和土：土的压缩就是土中部分孔隙水的排出。土的压缩特性从微观上看，土体受压力作用后，土颗粒在压缩过程中不断调整位置，重新排列压紧，直至达到新的平衡和稳定状态。土的压缩性指标有：压缩系数a或压缩指数Cc、压缩模量Es和变形模量E0。土压缩性指标可通过室内和现场试验来测定。试验条件与地基土的应力历史和实际受荷状态越接近，测得的指标就越可靠。一般用室内压缩试验测定土的压缩性指标。这种试验简便经济实用。特殊应力状态一维问题侧限压缩试验轴对称问题常规三轴试验压缩变形特性测试方法一般应力状态理论拓展、经验积累室内试验旁压试验原状土荷载试验室外试验试验目的：变形、强度特性静力触探试验标准贯入试验单向压缩试验是侧限条件下进行的。试验过程中土样只能在垂直向上压缩。受力条件比较符合土层受大面积均布荷载作用的情形。侧限压缩试验固结容器：环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等加压设备：杠杆比例1:10变形测量设备1、侧限压缩仪（固结仪）支架加压设备固结容器变形测量2.4.1.1压缩试验及其参数水槽内环环刀透水石试样传压板百分表测定：轴向应力轴向变形侧限压缩试验2、试验方法⑴压缩试验与压缩曲线模拟试验h∆h•施加荷载，静置至变形稳定，逐级加大荷载，测定在各级荷载p下土样压缩稳定后的压缩量，并换算出土的孔隙比e。•加荷等级：50,100,200,300,400kPa•方法：慢速法一级荷载24h;快速法每级荷载1~2h，最后一级荷载24h，试验结果须校正。M1M2p2p1pe2e1e△e△pp2p1lgpe2ee1(a)(b)M1M2△e△p据试验结果，绘制单向压缩曲线土样在试验中处于单向（一维）压缩状态试验结果：P1s1e1e0PtestP2s2e2P3s3e3a'(kP)01002003004000.60.70.80.91.0ei00i0ee(1e)S/H压缩曲线压缩曲线（孔隙比e为纵坐标，压力p为横坐标），也就是土的孔隙比e与有效应力的关系曲线，有两种：e-p曲线：采用普通直角坐标绘制（如图（ａ））。e-logp曲线：采用半对数（指常用对数）坐标绘制（如图（b））。大量的试验研究表明：土的e-logp曲线后半段接近直线。'z(a)e-p曲线(b)e-logp曲线压缩曲线不同压力增量引起的孔隙比变化量不同。当压力增量△p不大时，M1M2曲线的斜率可近似用割线斜率来代替，其斜率为pe~appeepe1221tanM1M2p2p1pe2e1e△e△pp2p1lgpe2ee1(a)(b)M1M2△e△pa——土的压缩系数，kPa-1⑵压缩系数与压缩指数压缩系数的物理意义：压缩系数(a)表示单位压力增量所引起孔隙比的变化。a越大，曲线越陡，土的压缩性就越高；反之，土的压缩性就越低。土力学中常将压缩系数a1-2值作为判断土压缩性高低的一个重要指标。注意：•对于同一种土，a并不是常数，而是随初始压力和压力增量的不同而改变的。•工程实用上常以p1=100kPa至p2=200kPa压力区间所对应的a1-2来评价土的压缩性。《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中规定：a1-20.1MPa-1低压缩性土0.1≤a1-20.5MPa-1中压缩性土a1-2≥0.5MPa-1高压缩性土压缩曲线:e-lgp曲线的特点在相当大的压力范围内呈直线变化。直线段的斜率，称为土的压缩指数Cc，即112211lglglgpΔpΔeppeeCcM1M2p2p1pe2e1e△e△pp2p1lgpe2ee1(a)(b)M1M2△e△p特点1：有一段较长的直线段压缩指数越大，则土的压缩性越高。一般认为，当土的CC值大于0.4，属高压缩性；小于0.2，则属低压缩性'(lg)e特点2：起始状态不同，但压缩曲线最终趋近于同一条直线e-lgσ'曲线0.1110p(100kPa)1.00.80.60.4ee00.42e0扰动增加原状样重塑样e-lgσ'曲线特点3：扰动越大，压缩曲线越接近于直线推断：原状土的原位压缩曲线为直线原状土的原位再压缩曲线也是直线Cc与a有所不同，Cc在很大压力范围内是常数。在相同压力变化范围内，两者之间存在下列关系1c1lgpΔpΔpCa1c1lgpΔpΔeCpea压缩系数a和压缩指数CC的区别：a是变数且有量纲，而CC是无量纲常数。土的压缩模量是指土在侧限条件下受压时竖向附加应力与相应的压缩应变之比值，常用Es表示，单位是kPa。aeeeeppεσEzzs11211211⑶压缩模量与压缩系数一样，可据Es评价地基土的压缩性，Es越小，则表示土的压缩性越高；反之，土的压缩性越低。zea'(kP)01002003004000.60.70.80.91.0ezszEe1e1固体颗粒孔隙z1e1e土的变形模量除土的压缩系数、压缩指数、压缩模量、体积压缩系数外，表征土的压缩性的指标还有土的变形模量E0，其定义是土在无侧限条件下的竖向应力增量与相应竖向应变增量之比，即：可见土的变形模量E0与弹性力学中材料的杨氏模量E的定义相同。所以在弹性公式中应该用变形模量而不是压缩模量。然而，与连续介质弹性材料不同，土的变形模量与试验条件，尤其是排水条件密切相关。对于不同的排水条件，E0具有不同的值。这与弹性力学不同，故取名为变形模量。zzE02.4.1.2载荷试验与土的变形模量•由于取样过程或多或少对土的天然结构有所扰动，所以室内侧限条件下压缩试验的成果，并不能真实地反映土的压缩性状，故对重要建筑物和地基条件比较复杂的场地，需要进行现场载荷试验。•根据现场载荷试验荷载与相应沉降的关系曲线，可以求得地基土的力学指标。2.4.1.2载荷试验与土的变形模量千斤顶反压σx载荷板地基沉降测量σzσy33/72载荷试验(loadingtest)在一定面积的承压板上向地基逐级施加荷载，并观测每级荷载下地基的变形特性，从而评定地基的承载力，计算地基的变形模量并预测基础的沉降量。减小对土的天然结构的扰动，真实地反映土的压缩性状。据现场载荷试验荷载与相应沉降的关系曲线，可以求得地基土的力学指标。34/72SpbE201图2-3载荷试验曲线SpacbOpcrpup——施加于荷载板上的荷载，kPa；S——与压力p对应的沉降量，cmb——试验荷载板的边长或直径，cm；μ——土的泊松比；ω——沉降影响系数，方形荷载板为0.88，圆形荷载板为0.79；E0——土的变形模量，kPa。由载荷试验成果p～S关系曲线的直线段oa，按弹性理论公式可求得土的变形模量，以判别土的压缩性。载荷试验p～S关系曲线压密塑性剪切破坏2.4.2地基沉降计算的单向分层总和法SettlementCalculationmethodofVerticalLayer-wiseSummation•地基沉降量的主要计算方法之一；•适用于各种地质条件和荷载情况，计算指标便于测定，已有多年的使用经验。计算基础最终沉降量的分层总和法，可适用于各种地质条件和荷载情况，计算指标便于测定，已有多年的使用经验，故一直被广泛使用。下面介绍单向分层总和法的计算原理和计算步骤。1、基本假定和基本原理理论上不够完备，缺乏统一理论；单向压缩分层总和法是一个半经验性方法。假定：（a）基底压力为线性分布（b）附加应力用弹性理论计算（c）只发生单向沉降（d）只计算固结沉降，不计瞬时沉降和次固结沉降基本原理：1、将地基变形计算深度以内的土层分成许多薄的水平土层；2、然后以无侧胀的假定，求各土层在基础中心轴线上的压缩量；3、最后将各层土的压缩量累加起来，作为基础的最终沉降量。2.4.2.1计算原理计算公式:设一水平土层的厚度为h，土层的压缩变形量为S。由于假定土层不能侧向膨胀，而且土层压缩被认为是由于孔隙体积的缩小，故S可根据单位断面积土柱体的孔隙高度变化按比例求得。1211eeehS△ee2Vs=1Sh11(a)(b)σz1+e1e11heeeS1211zeea21zaee21heaSz11hESszp0zizi-1hiznσzσczσzσczd据压缩系数的定义，•任一水平土层的压缩量，可根据不同的压缩性指标，选用不同的公式计算。•将地基计算深度内的土层可以划分为若干薄层，分别计算出各薄层土的压缩量后，就可以得到地基的最终沉降量，即niiSS1heeeS1211或2.4.2.2地基沉降计算步骤1沉降计算深度由于地基中的附加应力随深度而减小，到一定深度后它对地基土的压缩作用可以忽略。因此，在地基沉降计算时，首先要确定沉降计算深度。基底至压缩层下限之间的土层厚度，称为压缩层厚度zn。实际计算时一般采用应力控制法：•当基础中心轴线上某点的附加应力与自重应力满足时的深度作为地基沉降计算深度的下限；•若下部土层较软弱时，可加深至处。沉降计算深度确定czz1.0czz2.0p0zizi-1hiznσzσczσzσczd2分层确定沉降计算深度后，需要对压缩层划分成若干薄层。理论上，分层厚度越小，计算结果与实际越接近。但分层太多，计算量大大增加。故分层时遵循：•每层厚度(b基础宽度)，•当有不同性质土层的界面和地下水面时，则必须作为分界面。bh4.0按比例绘制基础及地层剖面图据上部结构荷载及基