1、 3.1土的室内压缩试验土的室内压缩试验 地基土假定为连续、匀质、各向同性的半无限弹性体，当建筑的荷载作用于某一局部的地基土上时，该部分土要发生竖向压缩变形，但由于周围土的限制作用而不发生水平膨胀变形。故为了测定土的应力应变关系及压缩性指标以便于变形计算，为了更好地符合实际土变形特点，采取从室外取得未经扰动的天然结构土样，进行模拟土实际变形的有侧限的压缩试验即室内试验（图3.1）。有时也称“固结试验”，因为在土力学中习惯上把土的压缩过程称为“固结”。3地基的变形 其试验方法是：用环刀切取天然土样，放入圆筒形压缩容器内，土样上下各垫一块透水石，使土样压缩后的水可自由排出。在土样上逐级加荷（p=5
2、0kPa、100kPa、200kPa、400kPa），每次待压缩稳定后测其相应压缩变形值S。由于室内压缩试验主要用于黏性土，特别是含水饱和的黏性土，因水被挤出的速度较慢，压缩过程所需的时间就相当长，需几年甚至几十年才能压缩稳定。3地基的变形3地基的变形图图3.1压缩试验压缩试验 3.1.1土的固结与固结度土的固结与固结度 土体被压缩的过程称为固结。饱和土是由固体颗粒构成的骨架以及充满孔隙的水组成。因此，土中的应力有两种形态：（1）土粒与土粒之间在接触点上的压力即有效应力；（2）孔隙内水所受的压力即孔隙水压力u。当加荷瞬间附加应力z（因土粒骨架还未来得及变形）全由孔隙水来承担，此时水压力称为超静
3、水压力。孔隙水在超静水压力作用下逐渐被排出，因此一部分压力由骨架承担。最后，逐渐由有效应力完全替代静水压力。3地基的变形3地基的变形 3.1.2土的压缩性指标土的压缩性指标 3.1.2.1土的压缩曲线土的压缩曲线 土的压缩量是由孔隙体积来表明的，而颗粒的体积Vs不变，因而间接地用孔隙比e来衡量。e随外荷压力增大而减小，而e-p关系可由侧限压缩试验确定。图图3.2侧限压缩土侧限压缩土样孔隙比变化样孔隙比变化3地基的变形 图3.2表示压缩试验中土体孔隙比的变化，设原状土样的高度为H0，土粒体积Vs=1，孔隙体积Vv=e0，受压后的土样高度为H=H0-S，土粒体积不变Vs=1，孔隙体积压缩为Vv=e
4、，假设受压面积A不变，则有：受压前体积为1+e0=H0A 受压后体积为1+e=HA 由于以上两式面积A相等，得 故孔隙比 （3.5）3地基的变形 上式中e0可由基本指标求得，只要测出各级压力作用下的稳定压缩量S后，便可算得e。以横坐标为p，纵坐标为e，可绘出e-p压缩曲线（图3.3）。图图3.3压缩曲线压缩曲线3地基的变形 3.1.2.2压缩系数压缩系数 在如图3.3所示的压缩曲线中，当两点间压力（p1表示土自重应力，p2表示土自重应力与附加应力之和）变化范围不大时，两点间的曲线段可由两点间的连线代替，而连线与水平轴夹角正切值越大，说明土的压缩性高，反之说明土的压缩性低。将e1-e2与p2-p
5、1的比值定义为压缩系数a(MPa-1)：3地基的变形 因一般多层建筑物地基的应力范围p=100200kPa，故一般取p1=100kPa，p2=200kPa，求压缩系数a12来评定土的压缩性。a120.1MPa-1时，为低压缩性土；0.1MPa-1a120.5MPa-1时，为中压缩性土；a120.5MPa-1时，为高压缩性土。3.1.2.3压缩模量压缩模量Es和变形模量和变形模量E0 1压缩模量压缩模量 在有侧限条件下压缩时，压应力变化量与相应的压应变变化量之比值，称为压缩模量Es。3地基的变形3地基的变形 2变形模量变形模量 土的压缩性指标除了由室内压缩试验测定外，还可以通过野外静荷载试验确定
6、。变形模量E0是指土在无侧限条件下受压时，压应力与相应应变之比值。物理意义和压缩模量一样，只不过变形模量是在无侧限条件下由现场静荷载试验确定，而压缩模量是在有侧限条件下由室内压缩试验确定。3.2地基变形的计算地基变形的计算 地基土在外荷载作用下将发生变形，地基表面将随之产生下沉，建筑基础沉降。地基土达到变形稳定时的最终变形量，称为基础的最终沉降量。目前常用的计算沉降的方法有：分层总和法、建筑地基基础设计规范推荐的方法。3地基的变形 3.2.1分层总和法分层总和法 分层总和法即是将基础底面以下压缩层范围内地基土分成若干层，然后计算每层的变形量，最后将所有层变形量加起来即是地基的总变形量（如图3.
7、4）。具体分成以下几步：1分层分层的原则是以0.4b（b为基底短边长度）为分层厚度，同时必须将土的自然分层处和地下水位处作为分层界线。由于附加应力在基底下沿深度方向的分布图线是曲线渐减的，故分层厚度越小，其计算精度越高。3地基的变形图图3.4分层总和法计算图分层总和法计算图3地基的变形 2计算基底中心以下各层界面上的自重应力cz和附加应力z，按同一比例画出cz和z的分布图形。3确定受力层范围从理论上讲，在无限深度处仍有微小的附加应力，仍能引起地基变形，但当深度增加到一定程度时，附加应力已很小，它所引起的压缩变形可以忽略不计。因此，在实际工程计算中，可以采用基底以下某一深度zn作为基础沉降的计算
8、深度，即受力层范围。一般土以附加应力与自重应力的比值0.2或软弱土为0.1的点上面的深度范围作为地基受力层范围。3地基的变形3地基的变形 3.2.2建筑地基基础设计规范法建筑地基基础设计规范法 规范法采用了“应力面积”的概念（图3.5），因而可以按地基土的天然层面划分，不像分层总和法的分层数、计算量大而繁；提出了经验系数s，使沉降计算更接近于实际；对于压缩层厚度zn也提出了新的概念和计算方法。它实质上是一种简化并经修正的分层总和法。3地基的变形图图3.5规范法计算图规范法计算图3地基的变形3地基的变形3地基的变形3地基的变形3地基的变形3地基的变形3地基的变形 如确定的计算深度下部仍有较软土层
9、时，应继续计算。当无相邻荷载影响，基础宽度在130m范围内时，基础中点的地基变形计算深度也可按下列简化公式计算：（3.15）式中b基础宽度（m），在计算深度范围内存在基岩时，zn可取至基岩表面。3.2.3地基变形允许值地基变形允许值 建筑物的地基变形特征可分为沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜。建筑物的地基变形计算值不应大于地基允许值。3地基的变形 建筑地基基础设计规范（GB 500072011）对建筑物的地基变形允许值作出了规定，见表3.4。3地基的变形3地基的变形 【例3.1】柱荷载F=1190kN，基础埋深d=1.5m，基础底面尺寸lb=4m2m；地基土层如图3.6所示，试用规范法计算基础沉
10、降量。图图3.6 例例3.1附图附图3地基的变形3地基的变形3地基的变形 3.3饱和软土地基的沉降与时间关系饱和软土地基的沉降与时间关系 前面已介绍了地基最终沉降量的计算问题。实际地基变形不是瞬时完成的，施工期间只是完成地基变形的一部分，而对于有些地基土而言，大量的变形是在使用过程中完成的，并且相当长的时间里随着时间的推移变形逐渐增大。对于一些重要的、特殊的建筑，除需进行沉降计算和沉降观测外，还要求掌握沉降与时间关系的规律性，目的在于设计预留建筑物有关部分的净空、连接方法和施工顺序。尤其对易发生裂缝、倾斜等事故的建筑物更需了解沉降与时间的关系，便于进行事故预防及处理。3地基的变形 3.3.1饱
11、和土固结理论基本概念饱和土固结理论基本概念 饱和土是由固体颗粒构成的骨架以及充满孔隙的水组成。因此，土中的应力有两种形态：（1）土粒与土粒在接触点上的压力；（2）孔隙内水所承受的压力，称为孔隙水压力u。由于土粒间压力引起骨架的变形以及影响土的抗剪强度，所以土粒之间接触压力称为有效应力。通过对排水条件较好的土体进行压缩试验，发现在固结的过程中有如下的特点：3地基的变形 设外界施荷的压力为p，则在任何时间有如下关系：3地基的变形 3.3.2单向固结微分方程的建立单向固结微分方程的建立 取一个厚为2H的饱和黏土层进行压缩试验，让其顶面和底面均为砂层（即透水边界）。取黏土层底面作为原点，z轴向上，故得
12、顶面、底面的坐标为z=0及z=2H。在地表面的大面积均布荷载p作用下，黏土层的附加应力处处等于p（注意：这种受荷条件，与室内压缩试验条件完全相同）。根据土体的孔隙体积与排出水的体积相等的条件得微分方程:3地基的变形3地基的变形 3.3.3单向固结微分方程的解单向固结微分方程的解 根据初始条件和边界条件对微分方程求解得不同时间不同位置上的孔隙水压力表达式为图图3.7单向固结的情况单向固结的情况3地基的变形3地基的变形 对于前面公式推导的上下面应力和排水情况如图3.7 图3.9。图图3.8单向固结的情况单向固结的情况-1和情况和情况-23地基的变形图图3.9单向固结的情况单向固结的情况0-1和情况
13、和情况0-23地基的变形 根据图3.7图3.9的情况结合公式（3.17）制出表3.6。3地基的变形 从表3.6看出，当排水条件及其他条件相同时，达到某一规定的固结度，例如U=0.8的时间取决于时间因数TV。因此两个土层的渗径H1、H2与它们的固结时间t1、t2之间存在着如下的关系：这个关系说明，当其他条件相同时，按照理论计算达到同样的固结度的时间与H2成正比。对于大面积荷载，因从两个方向排水路径减半，且单、双向时均取a=p1/p2=1，若是局部荷载作用视实际的a=p1/p2值而定。3地基的变形 【例3.2】有一饱和黏土层，厚度为10m，在大面积荷载p0=1200kN/m2作用下。设该土层的初始
14、孔隙比e0=1.0，压缩系数a=310-5m2/kN，渗透系数K=0.018m/a。对黏土层在单面及双面排水条件下分别求：（1）加荷一年时的沉降量;（2）沉降量达14cm所需时间。3地基的变形3地基的变形3地基的变形3.4建筑物的沉降观测建筑物的沉降观测 3.4.1建筑物沉降观测的意义建筑物沉降观测的意义 前面介绍了地基变形的计算方法，但由于地基土的复杂性，致使理论计算值与实际值并不完全符合。为了保证建筑物的使用安全，对建筑物进行沉降观测是非常必要的，尤其对重要建筑物及建造在软弱地基上的建筑物，不但要在建筑设计时充分考虑地基的变形控制，而且要在施工期间与竣工后使用期间进行系统的沉降观测。建筑物
15、的沉降观测对建筑物的安全使用具有重要意义。3地基的变形 1沉降观测能够验证建筑工程设计与沉降计算的正确性。如果沉降观测时发现沉降计算偏差过大，必须及时对原设计进行必要修改，以便设计与实际相符。2沉降观测能够判别施工质量的好坏。如果设计时所采用相关数据指标与设计方法都是正确的，那么施工期间的变形情况必然是和施工质量相联系的，因此可以根据沉降观测来进行质量判别与控制。3地基的变形 3 一旦发生事故后，建筑物的沉降观测可以作为分析事故原因和加固处理的依据。沉降观测对一级建筑物，高层建筑，重要的、新型的或有代表性的建筑物，体形复杂、形式特殊或构造上、使用上对不均匀沉降有严格限制的建筑物，尤其具有重要意
16、义。3.4.2沉降观测方法与步骤沉降观测方法与步骤 1仪器与精度3地基的变形 沉降观测工具宜采用精密水平仪和钢卷尺，对每一观测对象宜固定测量工具和监测人员，观测前应严格校验仪器。测量精度宜采用级水准测量，视线长度宜为2030m，视线高度不宜低于0.3m，水准测量应采用闭合法。2水准基点的设置水准基点的设置 以保证水准基点稳定可靠为原则，宜设置在基岩上或压缩性较低的土层上。水准基点的位置应靠近观测点并在建筑物产生压力影响的范围以外，不受行人车辆碰撞的地点。在一个观测区内水准基点不应少于3个。3地基的变形 3观测点的设置观测点的设置 观测点的布置应能全面反映建筑物的变形并结合地质情况确定，如建筑物
17、4个角点、沉降缝两侧、高低层交界处、地基土软硬交界两侧等，数量不少于6个点。4观测次数与时间观测次数与时间 要求前密后稀。民用建筑每建完一层（包括地下部分）应观测一次；工业建筑按不同荷载阶段分次观测，施工期间观测不应少于4次。建筑物竣工后的观测：第一年不少于35次，第二年不少于2次，以后每年1次，直到下沉稳定为止。稳定标准半年沉降S2mm。特殊情况，如基坑较深时，可考虑开挖后的回弹观测。3地基的变形本章小结本章小结 地基的变形计算是土力学的基本内容之一，也是建筑工程设计计算的基本内容之一。无论是天然地基或是人工地基都需要进行变形计算。地基的绝对沉降量或沉降差常常是建筑物设计或使用的控制指标。本
18、章介绍了分层总和法、规范法两种计算变形方法。土不是一种弹性材料，它是由固体颗粒构成骨架，以及孔隙中由水或空气充填的三相体。因此，地基的变形是有时间关系的。孔隙水压力的消散，有效应力增加、土体逐渐被压密，这个过程称为固结。土的固结是土力学最重要的概念之一。3地基的变形 （1）分层总和法和规范法的基本概念是一致的，只是形式不同，并且都以室内压缩试验成果为依据。从e-p曲线关系求土的变形指标，再根据地基中应力分布，推导得到最终沉降量计算公式。(2)地基的变形或多或少都有一个时间过程。砂性土这个过程很短，在施工过程中就已经完成，所以不用考虑地基的沉降与时间的关系。但对于黏性土，特别是饱和黏性土，这个过程将延续相当长的时间，几年甚至几十年。这是因为饱和软土的孔隙中，全部被水所充满。3地基的变形 因此，瞬时施加的外力不可能立即传递到土的骨架上去。固结度的公式用孔隙水压力的变化来表示。(3)建筑物的沉降观测不仅能够验证建筑工程设计与沉降计算的正确性，而且能判别施工质量好坏，分析事故原因和加固处理的依据。另外，沉降观测资料也可以作为推算最终沉降量的一种手段。3地基的变形
