地基变形计算.docx

第6章地基变形计算
6.1概述
当建筑物通过它的基础将荷载传给地基以后，在地基土中将产生附加应力和变形，从而引起建筑物基础的下沉，在工程上将荷载引起的基础下沉称为基础的沉降。土体受力后引起的变形可分为体积变形和形状变形。变形主要是由正应力引起的，当剪应力超过一定范围时，土体将产生剪切破坏，此时的变形将不断发展。通常在地基中是不允许发生大范围剪切破坏的。本章讨论的基础沉降主要是由正应力引起的体积变形。如果基础的沉降量过大或产生过量的不均匀沉降，不但降低建筑物的使用价值，而且导致墙体开裂、门窗歪斜，严重时会造成建筑物倾斜甚至倒塌。因此，为了保证建筑物的安全和正常使用，必须预先对建筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差进行估算。如果建筑物基础可能产生的最大沉降量和沉降差在规定的容许范围之内，那么该建筑物的安全和正常使用一般是有保证的。因而，研究并合理地计算地基的变形，对保证建筑物的安全和正常使用是极其重要的。
地基的变形计算，通常假定地基土压缩不允许侧向变形。本章首先介绍有侧限条件下的压缩试验及压缩性指标的确定，以第5章中地基中应力的计算为基础，介绍了地基最终沉降量计算的弹性力学法、分层总和法和规范法，并讨论了土的应力历史对地基沉降的影响。天然地基土往往由成层土构成，还可能出现具有尖灭和透镜体等交错层理构造，即使是同一层土，其变形特性也会随深度而变，说明地基土的非均质性是非常显著的。目前在计算地基变形的方法上，先把地基看成是均质的线性变形体，从而直接引用弹性力学公式来计算地基中的附加应力，然后利用某些简化的假设来解决成层土地基的沉降计算问题。
地基土的变形都有一个从开始到稳定的过程。在荷载作用下，不同性质的土类，其沉降稳定所需时间差别较大。因此，有关地基变形随时间增长的土力学一维固结理论也是本章重点讨论的内容。此外，还对不同渗流条件下的二维和三维固结理论作了简要介绍，熟悉和掌握这些理论的适用条件和计算方法，是安全合理地进行地基设计的基础。
6.2室内压缩试验及压缩性指标
土层在受到竖向附加应力作用后，会产生压缩变形，引起基础沉降。土体在压力作用下体积减小的特性为土的压缩性。土体积减小包括三部分：（1）土颗粒发生相对位移，土中水及气体从孔隙中被排出，从而使土孔隙体积减小；（2）土颗粒本身的压缩；（3）土中水及封闭在土中的气体被压缩。试验研究表明，在一般的压力（土常受到的压力为100-600kPa）作用下，土粒和水的压缩与土的总压缩量之比是很微小的，因此完全可以忽略不计，所以可把土的压缩就视为土中孔隙体积的减小。
室内压缩试验
室内压缩试验的主要目的是，用压缩仪进行压缩试验，了解土的孔隙比随压力变化的规律，并测定土的压缩指标，评定土的压缩性大小。

图6-1压缩仪的压缩器简图 图6-2压缩试验中土样孔隙比的变化

压缩试验时，先用金属环刀切取原状土样，放入上下有透水石的压缩仪内（图6-1），分级加载。在每组荷载作用下（一般按p=50、100、200、300、400kPa加载），压至变形稳定，测出土样的变形量，然后再加下一级荷载。根据每级荷载下的稳定变形量算出相应压力下的孔隙比。在压缩过程中，土样的金属环内不会有侧向膨胀，只有竖向变形，这种方法称为侧限压缩试验。
设土样原始高度为ho（图6-2），土样的横截面面积为A（即压缩仪容器的底面积）,此时土样的原始孔隙比eo和土颗粒体积可用下式表式：

当压力达到某级荷载pi时，测出土样的稳定变形量为si，此时土样高度为ho-si，对应的孔隙比为ei，则土颗粒体积为：

由于土样在压缩过程中受到完全侧限条件，土样横截面面积是不会变的，又因前面已假定土颗粒是不可压缩的，故，即：

或 （6-1）
式中，称为土的原始孔隙比；
—土粒相对密度；
—土的天然含水量；
—水的重度，一般取；
—土的天然重度。
根据某级荷载下的变形量si，按式（6-1）求得相应的孔隙比ei，然后以压力p为横坐标，孔隙比e为纵坐标，可绘出e-p关系曲线，此曲线称为压缩曲线（图6-3）。
图6-3压缩曲线
压缩性指标
（一）压缩系数
由e-p曲线（图6-3）可知，土在完全侧限条件下，孔隙比e随压力p的增加而减小，当压力由p1至P2的压力变化范围不大时，可将压缩曲线上相应的曲线段M1M2近似地用直线来代替。若M1点的压力为p1，相应的孔隙比为e1；M2点的压力p2，相应的孔隙比为e2，则M1M2段的斜率可用下式表示：
（6-2）
此式为土的力学性质的基本定律之一，称压密定律。它表明：在压力变化范围不大时，孔隙比的变化（减小值）与压力的变化（增加值）成正比。比例系数称为压缩系数，用符号表示，单位。
压缩系数是表示土的压缩性大小的主要指标，广泛应用于土力学计算中。压缩系数愈大，表明在某压力变化范围内孔隙比减少得愈多，