土力学土中应力

第4章土中应力基本内容：掌握土中三种应力（自重应力、基底压力以及各种荷载条件下的土中附加应力）计算方法。学习基本要求◆掌握土中自重应力计算；◆掌握基底压力和基底附加压力分布与计算；◇掌握圆形面积均布荷载、矩形面积均布荷载、矩形面积三角形分布荷载以及条形荷载等条件下的土中竖向附加应力计算方法；◇了解地基中其他应力分量的计算公式。21、应力～应变关系的假定真实土的应力～应变关系是非常复杂的，目前常把土当成线弹性体，即假定其应力与应变呈线性关系，服从广义虎克定律，从而可直接应用弹性理论得出应力的解析解。1.关于连续介质问题弹性理论要求：受力体是连续介质。而土是由三相物质组成的碎散颗粒集合体，不是连续介质。2.关于线弹性体问题理想弹性体的应力与应变成正比直线关系，且应力卸除后变形可以完全恢复。土体则是弹塑性物质，它的应力应变关系是呈非线性的和弹塑性的，且应力卸除后，应变也不能完全恢复。3.关于均质、等向问题理想弹性体应是均质的各向同性体。而天然地基往往是由成层土组成，为非均质各向异性体。4.1概述概述…2二、土中应力计算的目的及方法◇土中应力增量将引起土的变形，从而使建筑物发生下沉、倾斜及水平位移等；◇土中应力过大时，也会导致土的强度破坏，甚至使土体发生滑动而失稳。土中应力状态→土体的变形、强度及稳定性土中一点应力状态分析通过平面应力问题分析，一点的应力状态可由sx，sy，txy或最大、最小主应力s1，s3完全确定。概述…3由材料力学的知识材料点的最大、最小主应力为：则斜截面的应力：1223()22xyxyxysssssts131313cos22sin2ssssssst摩尔圆概述…4应力符号规定法向应力以压为正，剪应力方向的符号规定则与材料力学相反。材料力学中规定剪应力以顺时针方向为正，土力学中则规定剪应力以逆时针方向为正。压为正，拉为负，剪应力以逆时针为正饱和土的有效应力原理…1公式推导如图示横截面a-a，面积为A，孔隙被水所充满，由于孔隙是连续的，所以孔隙水也是连续的，并且与地下水自由连通。当上部作用应力s时，在a-a截面上应有孔隙水压力和固体颗粒之间的接触应力与之平衡。在颗粒接触点，存在粒间力Ps，Ps的大小和方向是随机的，故可将其分解为竖向和水平向两个分力，竖向分力为Psz由a-a面竖向平衡条件得：因为颗粒间点接触，面积As0.3A所以Aw/A1PszszwszwPAAPuAuAAssswAAAs饱和土的有效应力原理…2式中,s——作用在土中任意面上的总应力(自重应力与附加应力)——有效应力,作用于同一平面的土骨架上，也称粒间力u——作用于同一平面的孔隙水上，性质与普通静水压力相同上式即为饱和土有效应力原理的表达式。本公式适用条件：（1）饱和土（2）粘性土有效应力原理要点：太沙基(Terzaghi)首次将有效应力原理内容归纳为两点:◇饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为有效应力和孔隙水压力两部分◇土的变形(压缩)与强度的变化都取决于有效应力的变化usss饱和土的有效应力原理…3为帮助理解使土颗粒受压变密的并不是作用于其上的总应力这一概念，考察海底的一粒砂。水深H=1000米，海底面砂上的总应力事实上，砂粒并未压入海底土层，因为砂粒上实际作用为重力与浮力之间的差值。约0.9×10-5NkPaHwz10000s海底sz=wHH土中自重应力计算…1由于土本身的有效重力引起的应力称为自重应力。自重应力一般是自土体形成之日起就产生于土中。◇均质土自重应力计算；◇成层土自重应力计算；◇有地下水土时自重应力计算；◇存在隔水层时水土自重应力计算；◇土中水平自重应力。土中自重应力计算…2均质土自重应力计算在深度z处平面上，土体因自身重力产生的竖向应力scz（称竖向自重应力）等于单位面积上土柱体的重力G，如图所示。在深度z处土的自重应力为：式中，—为土的重度，KN/m3；A—土柱体的截面积，m2。从上式可知，自重应力随深度z线性增加，呈三角形分布图形。czGzAzAAs土中自重应力计算…3成层土自重应力计算地基土通常为成层土。当地基为成层土体时，设各土层的厚度为hi，重度为i，则在深度z处土的自重应力计算公式为：式中，n—从地面到深度z处的土层数；hi—第i层土的厚度，m。成层土的自重应力沿深度呈折线分布，转折点位于值发生变化的土层界面上。1ncziiihs1niizh土中自重应力计算…4有地下水土时自重应力计算当计算地下水位以下土的自重应力时，应根据土的性质确定是否需要考虑水的浮力作用。通常认为水下的砂性土是应该考虑浮力作用的。粘性土则视其物理状态而定：◇若水下的粘性土其液性指数IL＞1，则土处于流塑(液态)状态，土颗粒之间存在着大量自由水，可认为土体受到水浮力作用；◇若IL≤0，则土处于坚硬(固态)状态，土中自由水受到土颗粒间结合水膜的阻碍不能传递静水压力，故认为土体不受水的浮力作用；◇若0＜IL＜1，土处于塑性状态，土颗粒是否受到水的浮力作用就较难肯定，在工程实践中一般均按土体受到水浮力作用来考虑。◇若地下水位以下的土受到水的浮力作用，则水下部分土的重度按有效重度′计算，其计算方法同成层土体情况。土中自重应力计算…5存在隔水层时土的自重应力计算当地基中存在隔水层时，隔水层面以下土的自重应考虑其上的静水压力作用。式中，i—第i层土的天然重度，对地下水位以下的土取有效重度i′；hw—地下水到隔水层的距离(m)。在地下水位以下，如埋藏有隔水层,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。折线图遇地下水时折线往回收；遇隔水层时有一突跃值(教材图2-4)1ncziiwwihhs土中自重应力计算…6土中水平自重应力计算假定在自重作用下，没有侧向变形和剪切变形。根据弹性力学理论和土体侧限条件，则水平自重应力scx，scy有：竖向自重应力：水平自重应力：静止土压力系数：式中，m—泊松比，K0—也叫侧压系数，(0.33~0.72)，通过实验测定，它是土体在无侧向变形条件下有效小主应力与有效大主应力之比。czzs0cxcyczKsss01Kmm3s1s15题目：【例题3-1】某建筑场地的地质柱状图和土的有关指标列于例图3-1中。试计算地面下深度为2.5m，5m和9m处的自重应力，并绘出分布图。答案及分析：【解】本例天然地面下第一层粉土厚6m，其中地下水位以上和以下的厚度分别为3.6m和2.4m；第二层为粉质粘土层。依次计算2．5m，3．6m、5m、6m、9m各深度的土中竖向自重应力，计算过程及自重应力分布图一并列于例图3-1中16174.3基底压力基础底面传递给地基表面的压力称为基底压力。4.3.1、基底压力的分布规律（一）基础刚度的影响各种基础按与土的相对抗弯刚度（EI）分为三种类型1、弹性地基上的完全柔性基础（EI=0）182、弹性地基上的绝对刚性基础（EI=∞）3、弹塑性地基上的有限刚度基础（二）荷载和土性的影响荷载增大图刚性基础的基底压力分布图实测刚性基础底面上的压应力分布19二、基底压力计算（一）中心荷载作用BGFBPpAGFAPp条形基础矩形基础20（二）偏心荷载作用1、矩形基础（1）双向偏心荷载yyxxyxIxMIyMAPp（2）单向偏心荷载61maxminBeAPp图双向偏心荷载下的基底压力21①e＜B/6，pmin＞0，p为梯形分布②e＝B/6，pmin=0，p为三角形分布③e＞B/6，pmin＜0，应根据力的平衡原理确定下值eBKKLPpeBB23223max其中基础受压宽度图单向偏心荷载下的基底压力222、条形基础（长度上取一延米计算）61maxminBeBPp思考：在倾斜荷载作用下，基底压力的分布形式是怎样的？234.3.3基底附加压力基础通常是埋置在天然地面下一定深度的，这个深度就是基础埋置深度。由于天然土层在自重作用下的变形已经完成，故只有超出基底处原有自重应力的那部分应力才使地基产生附加变形。因此，基底附加压力p0是上部结构和基础传到基底的地基反力与基底处原先存在于土中的自重应力之差(新增加的应力），对于中心受压基础则为：式中：p--基础底面总的压力(kPa)；γ----基础埋深范围内土的重度(kN/m3)；D--基础埋置深度(m)。24土中附加应力…1土中的附加应力是由建筑物荷载所引起的应力增量，(即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)。假设地基土是均匀、连续、各向同性的半无限空间线形弹性体，一般采用将基底附加压力当作作用在弹性半无限体表面上的局部荷载，用弹性理论求解的方法计算。计算方法假设：1.将地基看成是均质的线性变形半空间，直接采用弹性力学解答2.将基底压力看成是柔性荷载，而不考虑基础刚度的影响◇竖向集中力作用；◇任意分布荷载作用下；◇均布矩形荷载作用；◇矩形面积三角形分布荷载作用；◇圆形面积均布荷载作用；◇条形荷载作用；25土中附加应力…2竖向集中力作用土中附加应力计算在均匀的、各向同性的半无限弹性体表面作用一竖向集中力P时，半无限体内任意点M的应力可由布辛奈斯克解计算，如下图所示。工程中常用的竖向正应力sz及地表上距集中力为r处的竖向位移w（沉降）可表示成如下形式：式中，K—土的竖向附加应力系数，是r/z的函数，查表。23(1)1[2(1)]2PzwERRmm332533cos22zPPzRRs52222312[1()]PPKzzrz52232[1()]Krz26等代荷载法——基本解答的初步应用由于集中力作用下地基中的附加应力sz仅是荷载的一次函数，因此当若干个竖向集中力Pi(i=1，2，…，n）作用于地表时，应用叠加原理，地基中z深度任一点M的附加应力sz应为各集中力单独作用时在该点所引起的附加应力总和。式中：Ki——第i个竖向附加应力系数。土中附加应力…322111nniziiiiiPKKPzzs27土中附加应力…4任意分布荷载作用下土中附加应力计算对实际工程中普遍存在的分布荷载作用时的土中应力计算，如下方法处理：当基础底面的形状或基底下的荷载分布不规则时，可以把分布荷载分割为许多集中力，然后用布辛奈斯克公式和叠加原理计算土中应力。当基础底面的形状及分布荷载都是有规律时，则可以通过积分求解得相应的土中应力。351132nniizziiiizpARss35232zPzPKRzs比较28土中附加应力…5均布矩形荷载作用土中附加应力计算在地基表面作用一分布于矩形面积(l×b)上的均布荷载p，计算矩形面积中点下深度z处M点的竖向应力sz值，可从下式解得：微面积dxdy上的微集中力p0dxdy，基底角点O下z深度处所引起的附加应力为式中，Kc称为竖直均布压力矩形基底角点下的附加应力系数，它是m，n的函数，其中m=l/b，n=z/b。l是矩形的长边，b是矩形的短边，而z是从基底面起算的深度，Kc值可直接查表。p0是基底净压力。30022250032()lbzcApzdxdydKpxyzss30532zzpdxdydRs29土中附加应力…6上式是用于计算一个矩形面积角点下的竖向附加应力sz。对于在实际基底面积范围以内或以外任意点下的竖向附加应力sz，可以利用上式逐个计算每个矩形面积角点下的sz值，再按叠加原理求得该计算点附加应力sz的最后结果，称为“角点法”。zIVzIIIzIIzIzssssszOedhOfchOeagOfbgsssss30土中附加应力…7矩形面积三角形分布荷载作用当地基表面作用矩形面积(l×b)三角形分布荷载时，为计算荷载为零的角点下的竖向应力值sz1，可将坐标原点取在荷载为零的角点上，相应的竖向应力值sz可用下式计算：30532zzpxdxdydR