第六章土的压缩性和地基沉降计算.docx

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第六章土的压缩性和地基沉降计算

第六章土的压缩性和地基沉降计算

本章学习要点：

本章讨论荷载作用下土体的变形，这是土力学重要问题之一，学习本章时，重点要理解地基计算的基本原理，掌握估算基础沉降的分层总和法、《规范》推荐法和弹性力学公式，学会地基最终沉降量的计算方法。

学习饱和土渗透固结理论，掌握物理模型、数学模型以及求解方法；掌握固结度的计算，并能解决有关沉降——时间的工程问题。

第一节概述客观地分析：

地基土层承受上部建筑物的荷载，必然会产生变形，从而引起建筑物基础沉降，当场地土质坚实时，地基的沉降较小，对工程正常使用没有影响；但若地基为软弱土层且厚薄不均，或上部结构荷载轻重变化悬殊时，地基将发生严重的沉降和不均匀沉降，其结果将使建筑物发生各类事故，影响建筑物的正常使用与安全。

地基土产生压缩的原因：

1．外因：

（1）建筑物荷载作用，这是普遍存在的因素；

（2）地下水位大幅度下降，相当于施加大面积荷载；（3）施工影响，基槽持力层土的结构扰动；（4）振动影响，产生震沉；

（5）温度变化影响，如冬季冰冻，春季融化；（6）浸水下沉，如黄土湿陷，填土下沉。

2．内因：

（1）固相矿物本身压缩，极小，物理学上有意义，对建筑工程来说没有意义的；

（2）土中液相水的压缩，在一般建筑工程荷载（100~600）Kpa作用下，很小，可不计；（3）土中孔隙的压缩，土中水与气体受压后从孔隙中挤出，使土的孔隙减小。

上述诸多因素中，建筑物荷载作用是外因的主要因素，通过土中孔隙的压缩这一内因发生实际效果。

第二节土的压缩性

见土质学第二章第三节。

第三节地基沉降量计算

一、无侧向变形条件下的压缩量公式

关于土体压缩量的计算方法，目前在工程中广泛采用的是计算基础沉降的分层总和法。

分层总和法都是以无侧向变形条件下的压缩量公式为基础，它们的基本假设是：

1．土的压缩完全是由于孔隙体积减少导致骨架变形的结果，而土粒本身的压缩可不计；2．土体仅产生竖向压缩，而无侧向变形；3．在土层高度范围内，压力是均匀分布的。

如图所示（见教材P127图4-15），在压力P1作用下压缩已经稳定时，相应的孔隙比为e1，试样高度为H，设固体土粒的体积为V，则孔隙体积为e1V，总体积V1＝（1＋e1）V；

在压力P2＝P1＋△P作用下压缩已经稳定时，试样高度为H’，相应的孔隙比为e2，仍设固体土粒体积为V，则孔隙体积为e2V，总体积V2＝（1＋e2）V，压缩量S＝H－H’。

压力增量P的作用所引起的单位体积土体的体积变化为：

v1v2（1e1）v（1e2）ve1e2

（1）v11e1）v1e1因无侧向变形，面积A保持不变，所以单位体积土体的体积变化为：

v1v2HAH'AHH'S

（2）v1HAHH令两式相等，即可得无侧向变形条件下的压缩量计算公式为：

Se1e2eHH1e11e1（3）

将ae1e2e代入（3）得：

p2p1papH（4）1e1或S＝MvpH（5）

其中，Mv=a/（1+e1）为体积压缩系数，表示土体在单位压力增量作用下单位体积变化。

所以E＝1/Mv，则上式（5）还可写成

pH（6）E

E：

压缩模量（Kpa）

根据广义胡克定律，当土体的应力与应变假设为线性关系时，某,y,z三个坐标方向应变可表示为：

某某EE（yz）

yzyEE（某z）

zEE（某y）

在无侧向变形条件下，其侧向应变某y0,某y,于是从上式的前两式可得：

某（某y）0或

σ某/σz=γ/（1-γ）=K0

或σ某=σy=K0σz其中：

K0为侧压系数无侧向变形的竖向应变由pH可以表示为：

Ezz/EH将某y代入zzEE（某y）

22112K01zz得zEE又z

zE

得土的压缩模量E与变形模量E的关系：

22EE

（1）

122令1

1则EE

因为0.5，所以变形模量E总大于压缩模量E。

压缩系数ae1e2e1e2e，压缩指数Cc，p2p1lgp2lgp1（lg'）压缩模量E＝1/mr以及变形模量E都是用来表征土的压缩特性的指标。

二，基础的沉降计算

建筑物的沉降量，是指地基土压缩变形达固结稳定的最大沉降量，或称地基沉降量。

地基最终沉降量：

是指地基土在建筑物荷载作用下，变形完全稳定时基底处的最大竖向位移。

地基沉降的原因：

（1）建筑物的荷重产生的附加应力引起；

（2）欠固结土的自重引起；（3）地下水位下降引起和施工中水的渗流引起。

基础沉降按其原因和次序分为：

瞬时沉降Sd；主固结沉降Sc和次固结沉降S三部分组成。

瞬时沉降：

是指加荷后立即发生的沉降，对饱和土地基，土中水尚未排出的条件下，沉降主要由土体侧向变形引起；这时土体不发生体积变化。

固结沉降：

是指超静孔隙水压力逐渐消散，使土体积压缩而引起的渗透固结沉降，也称主固结沉降，它随时间而逐渐增长。

次固结沉降：

是指超静孔隙水压力基本消散后，主要由土粒表面结合水膜发生蠕变等引起的，它将随时间极其缓慢地沉降。

因此：

建筑物基础的总沉降量应为上述三部分之和，即

S＝Sd＋Sc＋S

计算地基最终沉降量的目的：

（1）在于确定建筑物最大沉降量；

（2）沉降差；（3）倾斜以及局部倾斜；（4）判断是否超过容许值，以便为建筑物设计值采取相应的措施提供依据，保证建筑物的安全。

（一）分层总和法计算基础的最终沉降量

目前在工程中广泛采用的方法是以无侧向变形条件下的压缩量计算基础的分层总和法。

具体分为e-p曲线和e－lgp曲线为已知条件的总和法。

1．以e~p曲线为已知条件的分层总和法计算步骤：

（1）选择沉降计算剖面，在每一个剖面上选择若干计算点。

1）根据建筑物基础的尺寸，判断在计算其底压力和地基中附加应力时是属于空间问题还是采用平面问题；2）再按作用在基础上的荷载的性质（中心、偏心或倾斜等情况）求出基底压力的大小和分布；3）然后结合地基中土层性状，选择沉降计算点的位置。

（2）将地基分层：

在分层时天然土层的交界面和地下水位应为分层面，同时在同一类土层中分层的厚度不宜过大。

分层厚度h小于0.4B；或h=2~4m。

对每一分层，可认为压力是均匀分布的。

（3）计算基础中心轴线上各分层界面上的自重应力和附加应力并按同一比例绘出自重应力和附加应力分布图。

应当注意：

当基础有埋置深度D时，应采用基底尽压力；Pn＝P－rd去计算地基中的附加应力（从基底算起）。

（4）确定压缩层厚度：

实践经验表明；当基础中心轴线上某点的附加应力与自重应力满足下式时，这时的深度称为压缩层的下限或沉降计算深度Zn；z0.2cz

当Zn以下存在软弱土层时，则计算深度应满足z0.1cz。

对一般房屋基础，可按下列经验公式确定Zn：

ZnB（2.50.4lnB）（5）按算术平均各分算出层的平均自重应力czi和平均附加应力zi

czi（czi）hang（czi）某iaZ

zi（zi）h（zi）某ia

Z（6）根据第i分层的初始应力P1iczi和初始应力与附加应力之和，即P2iczizi由压缩曲线查出相应的初始孔隙比e1i和压缩稳定后孔隙比e2i（7）按式Se1e2e1ie2iHiH求出第i分层的压缩量Si1e1i1e1

（8）最后加以总和，即得基础的沉降量：

Sii1i1nne1ie2iHi

1e1i有时勘探单位提供的不是压缩曲线，而是其它压缩性指标。

则可利用式4－19，4－20，4－21（见教材P127）等估算。

此法优缺点：

（1）优点：

适用于各种成层土和各种荷载的沉降量计算；压缩指标a,E等易确定。

（2）缺点：

作了许多假设，与实际情况不符，侧限条件，基底压力计算有一定误差；室内试验指标也有一定误差；计算工作量大；利用该法计算结果，对坚实地基，其结果偏大，对软弱地基，其结果偏小。

例题1有一矩形基础，放置在均质粘性土上，如图所示（见教材），基础长度L＝10m，宽度B＝5m，埋置深度D＝1.5m，其上作用中心荷载P＝10000KN，地基土的天然湿容重r＝20KN/m3,饱和容重rm=21Kn/m3，土的压缩曲线如图，若地下水位距基底2.5m，试求基础中心点的沉降量。

解：

（1）因为中心荷载，所以基底压力为：

pP10000200Kn/m2LB105基底尽压力pnprd200201.5170Kn/m2

（2）分层：

因为是均质土，且地下水位在基底以下2.5m处，将分层厚度Hi＝2.5m（3）求各分层面的自重应力并绘制分布曲线

cz0rd201.530Kn/m2

cz130rH130202.580Kn/m2

cz280r'H280（219.8）2.5108Kn/m2

cz3108r'H3136Kn/m2

cz4136r'H4164Kn/m2

cz5164r'H5192Kn/m2

（4）求各分层面的竖向附加应力并绘制分布曲线

应用角点法，通过中心点将基础划分为四块面积相等的计算面积。

L1＝5m,B1＝2.5m;中心点正好在四块计算面积的角点上。

计算结果如下：

位置012345

（5）确定压缩层厚度

从计算结果可知：

在第四点处的z4/cz40.1970.2，所示压缩层厚度H＝10m.（6）计算各分层的平均自重应力和平均附加应力

Zi（m）02.557.510.012.5Zi/B012345L/B222222Ki0.250.19990.12020.07320.04740.0328z4KiPn（Kn/m2）17013682503222czI（cz1）3080h（cz1）某ia55（Kn/m2）

22czII94

czIII122czIV150

zIV41Kn/m2同理可得：

zI153

zII109zIII66

（7）由压缩曲线查各分层的初始孔隙比和压缩稳定后的孔隙比，结果如下：

层次初始应力P1iP2i初始孔隙比e1i压缩稳定后的孔隙比e2iⅠ552080.9350.870Ⅱ942030.9150.870

Ⅲ1221880.8950.875Ⅳ1501910.8850.873

（8）计算基础的沉降量

e1ie2i0.9350.8700.9150.8700.8950.8750.8850.873H（）250＝18.5cm.i1e10.9350.91510.89510.885i11in

2．用e~lgp曲线的分层总和法

1）土的应力历史

在实际工作中，从现场取样，室内压缩试验，涉及到土体扰动，应力释放，含水量变化等多方面影响，即使在上述过程中努力避免扰动，保持W不变，但应力御荷总是不可避免的。

因此需要根据土样的室内压缩曲线推导求现场土层的压缩曲线，考虑土层应力历史的影响，确定现场压缩的特征曲线。

2）先期固结应力和土层的固结

固结应力就是使土体产生固结或压缩的应力。

就地基土层来说，该应力主要有两种：

一种是土的自重应力，另一种是由外荷引起的附加应力。

对于饱和的新沉积的土或人工填土，起初土颗粒尚处于悬浮状态，土的自重应力由孔隙水承担，有效应力为0，随着时间的推移，土在自重作用下逐渐固结，最后自重应力全部转化为有效应力，故这类土的自重应力就是固结应力。

但对大多数天然土层来说，由于经受了漫长的地质年代，在自重作用下已完全固结，此时自重应力已不再引起土层压缩，能进一步使土层产生固结，只有外加荷载引起的附加应力，故此时的固结应力指附加应力。

先期固结应力：

天然土层在形成历史上沉积，固结过程中受到过的最大固结应力称为先期固结应力，用Pc表示。

超固结比（Ocr）：

先期固结应力和现在所受的固结应力之比，根据Ocr值可将土层分为正常固结土，超固结土和欠固结土。

Ocr＝1，即先期固结应力等于现有的固结应力，正常固结土Ocr大于1，即先期固结力大于现有的固结应力，超固结土Ocr小于1，即先期固结力小于现有的固结应力，欠固结土。

考虑应力历史对土层压缩性的影响，必须解决

（1）判定土层的固结属正常固结、超固结、欠固结

（2）反映现场土层实际的压缩曲线，其可行办法为：

通过现场取样，由室内压缩曲线的特征建立室内压缩曲线与现场压缩曲线的关系，从而以室内压缩曲线推求现场压缩曲线。

（3）先期固结应力Pc的推求

确定Pc的常用方法是卡萨格兰德提出的经验作图法，其步骤如下：

（1）从室内e~lgp压缩曲线上找出曲率最大点A点；

（2）过A点作水平线AH，和切线AT；

（3）作水平线AH与切线AT所夹角的平分线AM；

（4）作e~lgp曲线直线段的向上延长交AM于B点，则B点的横坐标即为所求的先期固结应力PC。

4）现场压缩曲线的推求：

室内压缩试验的结果发现，无论试样扰动如何，当压力增大时，曲线都近于直线段，且大都经过0.42e0点（e0——试样的原位孔隙比）。

由室内压缩曲线加以修正求得现场土层的压缩曲线的方法：

由现场取样时确定试样的原位孔隙比e0及固结应力（即有效覆盖应力）了；由室内压缩曲线求出土层的Pc，

判断：

当P0（现有固结力）＝Pc时（正常固结土）

⑴作e=e0水平线交lgp=PC线于b点，b点坐标为（Pc，e0）⑵作e=0.42e0水平线交室内压缩曲线直线段于C点

⑶连接bc直线段，即为现场压缩曲线；bc直线段的斜率——压缩指数Cc。

当P0＜PC时（超固结土）

在取样前已产生了回弹例如沉积剥蚀等，在建筑物荷载作用下，应属于再压缩过程。

⑴作e=e0平行线交lgplgp0线于b1点，b1点坐标为（P0，e0）

⑵自b1点作平行线于DF线的平行线交lgppc线于b点，注DF为室内试验滞回圈连线。

⑶作e0.42e0平行线交室内压缩曲线直线段于C点。

⑷连接b1b，bC直线段

现场压缩曲线就是由b1b段和bC段直线所组成。

相应于b1b段、bC段直线的斜率分别用CS、CC表示。

当P0＞PC的欠固结图

它的现场压缩曲线的推求方法类似于正常固结土。

5）地基的沉降计算

按elgp曲线来计算地基的最终沉降量与按E-P曲线的计算一样，都是以无测向变形条件下的压缩量基本公式

e1e2H并采用分层总和法进行的。

所不同的是初始孔隙比应取E0，由现场压缩曲线的压缩指数去得到e。

1e1

（1）正常固结土的沉降计算

当土层属于正常固结土时，建筑物外荷引起的附加应力是对土层产生压缩的压缩应力，设现场土层的分层厚度为hi，压缩指数为Cci，则该分层的沉降Si为：

Sieihi1e2p0ipi]p0i又因为eiCci[lg（p0ipi）lgp0i]Ccilg[

SippihiCci[lg0i]1e0ip0i当地基又n分层时，则地基的总沉降量为：

Sii1nhiccippi[lg0i]

p0ii11e0in式中：

e0i——第i分层的初始孔隙比

p0i——第i分层的平均自重应力cci——第i分层的现场压缩指数

hi——第i分层的厚度

pi——第i分层的平均压缩应力

（2）超固结土的沉降计算

计算超固结土层的沉降时，涉及到使用压缩曲线的压缩指数Cc和C，因此计算时应该区别两种情况：

A：

当建筑物荷载引起的压缩应力△Pi

hippicilg（0i）

1e0ip0i

ii1nhicippi）（lg0i）

p0ii11e0inB：

当压缩应力（平均固结力）△Pi>（Pci-Poi）时，则该分层的压缩量分为P0I至PCI段超固结压缩S1I和PCI至（p0ipi）段正常固结压缩S2I两部分，即：

i1i2i

1ihipcilgci

1e0ip0ihippiccilg0i1e0ipcin2ini（1i2i）i1i1hipppi[cilgciccilg0i]

p0ipcii11e0in式中：

Pci——第i分层的前期固结应力，其余符号同前。

（3）欠固结土的沉降计算

对于欠固结土，由于在自重等作用下还未达到完全压缩稳定，Pc

1e0ipcip0ihippiccilg0i1e0ipciii1nhippiccilg0ipcii11ein例题1：

有一仓库，面积为12.5某12.5㎡,堆荷为100kn/㎡，地基剖面如图a（见教材），从粘土层中心部位取样做室内压

缩试验得到压缩曲线如图b（见教材），土样的初始孔隙比e0=0.67.试求仓库中心处的沉降量（砂土层沉降量不计）。

解：

（1）计算自重应力并绘制分布曲线

粘土层顶面的自重应力为cz12193965Kn/m2

粘土层中心处的自重应力为：

cz2cz15106550115Kn/m2粘土层底面的自重应力为：

cz3cz2105165Kn/m2自重应力分布如图。

（2）求地基中的附加应力并绘制分布曲线由角点可求得：

z180Kn/m2

z245Kn/m2

z326kn/m2，附加应力分布如图，

（3）确定前期固结应力Pc值。

根据作图法求得Pc＝115Kn/m2,如图b，可见：

Pc＝P0（中心处自重应力）＝115Kn/m2所以该粘土层属于正常固结土（4）现场压缩曲线的推求

由e0＝0.67与lgp＝Pc＝115Kn/m2的交点b，b点即为现场压缩曲线的起点。

由0.42E0＝0.28作水平线交室内压缩曲线直线段于c点，连接bc即为欲求的现场压缩曲线。

如图b。

从图中可得c点的横坐标lgp为630Kn/m2所以压缩指数Cc0.670.280.53

630lg115（5）分层将粘土层分为两层，每层的厚度为Hi＝5m，平均附加应力分别为62.5,35.5,平均自重应力分别为90，140Kn/m2分别求出其相应的初始孔隙比e0i,

由e0ie0cclgp0i可得pc900.726115e010.670.53lg

e020.670.53lg（6）计算沉降量

1400.623115p0ipiHiclgc1epi10i0in5009062.550014035.50.53lg0.53lg10.7269010.62314035.1616.0351.15cm例题2：

某超固结粘土层厚2.0m，先期固结应力Pc＝300Kpa，现存自重应力P0＝100Kpa，建筑物对该土层引起的平均附加应力为400Kpa，已知土层的压缩指数为Cc＝0.4，在压缩指数C＝0.1，初始孔隙比为e0＝0.81，求该土层产生的最终沉降量。

解：

已知h,Pc,Po,p400Kpa,Cc，C，e0，

因为p400Kpa，而pcp0300100200Kpa所以p（pcp0）Si＝S1i＋S2i由Sihipppi[cilgciccilg0i]1e0ip0ipci200300100400[0.1lg0.4lg15.08cm

10.81100300

（1）各级压缩应力下的孔隙比

压缩应力Kpa050100200300400土层Ⅰ孔隙比0.7900.7470.6950.6570.6300.615土层Ⅱ孔隙比0.6920.8910.8260.7460.6940.658

（2）e~p曲线

解

（1）求基底附加应力P0，基础及回填土重G＝L某B某R0＝2某3某1某20＝120Kn

r0：

为基础和回填土的加权平均有效重度

pnPG720120rd181122KpaLB32

（2）分层：

0.4B=0.8m,取h1=1m,

第一层粉质粘性土分为三层。

（3）竖向自重应力和附加应力计算

自重应力计算各分层界面处，从地表起算。

附加应力计算各分层界面处，从基础底面起算，采用角点法，将基底载荷面分为4块，基础中心均在4块角点之下，L＝1.5m,B=1m,采用zKp0式计算值见表。

（4）计算各分层的沉降量

根据各分层上下界面的自重应力，附加应力求其平均值，即

czi（czi）h（czi）某iap1i

2（zi）h（zi）某ia,p2ip1izi

2zi由P1i，P2i据e－p曲线查取e1i,e2i,应用式求得地基的最终沉降量

具体计算列表如下：

土层深度Ⅰ层Ⅱ

e1ie2iHi

1e1icz（Kpa）zi18.027.436.846.255.264.294.552.329.918.712.6zi73.441.124.315.710.8pzie1ie2iimmcz（Kpa）22.732.141.550.759.768.7层次12345601.02.03.04.05.0122.0108.2130.90.7720.68750.8105.50.7630.69339.782.675.075.479.50.7550.71125.10.8910.85618.50.8770.85611.20.8650.8517.5

层6.073.29.0计算深度处：

σz/σcz=9.0/73.2=0.12<0.2所以计算深度为6m（压缩层厚度H＝6m）总沉降量S＝152.8mm.。

3．《地基设计规范》方法

地基设计规范提出的计算最终沉降量的方法，是基于分层总和法的思想，运用平均附加应力面积的概念，按天然土层界面以简化由于过分分层引起的繁琐计算，并结合大量工程实际中沉降量观测的统计分析，以经验系数ψS进行修正，求得地基的最终变形量。

1）基本公式

'（ziaizi1ai1）i1np0Ei式中，S：

地基的最终沉降量，mm

S’：

为按分层总和法求得的地基沉降量；mm

：

沉降计算经验系数

n：

为地基变形计算深度范围内天然土层数P0：

为基底附加应力

Ei：

为基底以下第i层土的压缩模量，按第I层实际应力变化范围取值，

zizi1分别为基础底面至第i层，I－1层底面的距离，

aiai1分别为基础底面到第i层，I－1层底面范围内中心点下的平均附加系数，对于矩形基础，基底为均分布附

加应力时，中心点以下的附加应力为L/B，Z/B的函数，可查表得。

2）沉降计算修正系数ψS

ψS综合反映了计算公式中一些未能考虑的因素，它是根据大量工程实例中沉降的观测值与计算值的统计分析比较而得的。

ΨS的确定与地基土的压缩模量ES，承受的荷载有关，具体见下表中：

沉降计算经验系数

基底EMpa附加应力粘性土P0＝fkP0＜0.75fk砂土2.51.41.11.14.01.31.01.07.01.00.70.715.00.40.40.420.00.20.20.2

E为沉降计算深度范围内的压缩模量当量值，按下式计算：

EAiAiEi

Ai：

为第i层平均附加应力系数，沿土层深度的积分值，Ei：

为相应于该土层的压缩模量fk：

地基承载力标准值。

3）地基沉降计算深度Zn，

地基沉降计算深度Zn，应满足：

Sn'0.025Si'

i1n

式中：

Sn'为计算深度处向上取厚度z的分层的沉降计算值，z的厚度选取与基础宽度B有关，见下表：

z值表B（m）≤20.32～40.64～80.88～151.015～301.2＞301.5z（m）Si'为计算深度范围内第I层土的沉降计算值。

注：

（1）当基础无相邻荷载影响时，基础中心点以下地基沉降计算深度也按下式参数取值。

Zn＝B（2.5－0.4lnB）

（2）利用'p0（ziaizi1ai1）i1Ein计算地基的最终沉降量，在考虑相邻荷载影响时，平均附加应力仍可应用叠加原理。

第四节饱和土体渗流固结理论

前面介绍的方法确定地基的沉降量，是指地基土在建筑荷载作用下达到压缩稳定后的沉降量，因而称为地基的最终沉降量。

然而，在工程实践中，常常需要预估建筑物完工及一般时间后的沉降量和达到某一沉降所需要的时间，这就要求解决沉降与时间的关系问题，下面简单介绍饱和土体依据渗流固结理论为基础解决地基沉降与时间的关系（最简单的单向固结）——1925年太沙基提出一．基本假设：

将固结理论模型用于反映饱和粘性土的实际固结问题，其基本假设如下：

1．土层是均质的，饱和水的；

2．在固结过程中，土粒和孔隙水是不可压缩的；3．土层仅在竖向产生排水固结（相当于有侧限条件）；4．土层的渗透系数K和压缩系数a为常数；

5．土层的压缩速率取决于自由水的排出速率，水的渗出符合达西定律；6．外荷是一次瞬时施加的，且沿深度Z为均匀分布。

二．固结微分方程式的建立

在饱和土体渗透固结过程中，土层内任一点的孔隙水应力Uzt所满足的微分方程式称为固结微分方程式。

在粘性土层中距顶面Z处取一微分单元，长度为dz，土体初始孔隙比为e1，设在固结过程中的某一时刻t，从单元顶面流出的流量为q＋

qdz则