第6章地基沉降计算.pptx
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1、1 1、沉降量(、沉降量(mmmm)定义定义沉降量特指基础中心的沉降量。沉降量特指基础中心的沉降量。作用作用若沉降量过大,势必影响建筑物的正常使用。若沉降量过大,势必影响建筑物的正常使用。单单层层排排架架结结构构柱柱基基(特特别别是是多多跨跨的的)、考考虑虑有有关关部部分分之之间间的的净净空空连连接方法及施工顺序时用沉降量控制。接方法及施工顺序时用沉降量控制。2 2、沉降差(、沉降差(mmmm)定义定义指同一建筑物中,相邻两个基础沉降量的差值。指同一建筑物中,相邻两个基础沉降量的差值。作作用用如如建建筑筑物物中中相相邻邻两两个个基基础础的的沉沉降降差差过过大大,会会使使相相应应的的上上部部结结
2、构构产产生生额额外外应应力力,超超过过限限度度时时,建建筑筑物物将将发发生生裂裂缝缝、倾倾斜斜甚甚至破坏至破坏。由由于于地地基基软软硬硬不不均均匀匀、荷荷载载大大小小差差异异、体体型型复复杂杂等等因因素素,引引起起地地基基变变形形不不同同。对对于于框框架架结结构构 单单层层排排架架结结构构,设设计计时时应应由由相相邻邻柱柱基基的沉降差控制。的沉降差控制。第1页/共53页3 3、倾斜(、倾斜()定定义义特特指指独独立立基基础础倾倾斜斜方方向向两两端端点点的的沉沉降降差差与与其其距距离离的的比比值,以值,以表示。表示。作作用用若若建建筑筑物物倾倾斜斜过过大大,将将影影响响正正常常使使用用,遇遇台台
3、风风或或强强烈烈地地震震时时危危及及建建筑筑物物整整体体稳稳定定,甚甚至至倾倾覆覆。对对于于多多层层或或高高层层建建筑筑和和烟烟囱、水堰水塔、高炉等高耸结构,应以倾斜值作为控制指标。囱、水堰水塔、高炉等高耸结构,应以倾斜值作为控制指标。4 4、局部倾斜(、局部倾斜()定定义义指指砖砖石石砌砌体体承承重重结结构构,沿沿纵纵向向6m6m10m10m内内基基础础两两点点的的沉降差与其距离的比值,以沉降差与其距离的比值,以表示。表示。作作用用若若建建筑筑物物的的局局部部倾倾斜斜过过大大,往往往往使使砖砖石石砌砌体体承承受受弯弯矩矩而拉裂。而拉裂。对于砌体承重结构设计,应由局部倾斜控制。对于砌体承重结构
4、设计,应由局部倾斜控制。第2页/共53页沉降变形图示S S Sl S第3页/共53页第4页/共53页防止地基有害变形的措施防止地基有害变形的措施1 1、减小沉降量的措施、减小沉降量的措施外因方面外因方面地地基基沉沉降降由由附附加加应应力力产产生生,如如减减小小基基础础底底面面的的附附加加应应力力p p0 0,则则可可相相应应减减小小地地基基沉沉降降量量。由由公公式式(3.29)(3.29)p p0 0=p-rd=p-rd可可知知,减减小小p p0 0可可采采取取以以下两种措施:下两种措施:上部结构采用轻质材料,则可减小基础底面的接触压力上部结构采用轻质材料,则可减小基础底面的接触压力p p;当
5、当地地基基中中无无软软弱弱下下卧卧层层时时,可可加加大大基基础础埋埋深深d d。(见见补补偿偿性性基基础础设计设计).).内因方面内因方面地地基基产产生生沉沉降降的的内内因因:地地基基土土由由三三相相组组成成,固固体体颗颗粒粒之之间间存存在在孔孔隙隙,在在外外荷荷作作用用下下孔孔隙隙发发生生压压缩缩所所致致。因因此此,为为减减小小地地基基的的沉沉降降量量,在在修修造造建建筑筑物物之之前前,可可预预先先对对地地基基进进行行加加固固处处理理。根根据据地地基基土土的的性性质质、厚厚度度结结合合上上部部结结构构特特点点和和场场地地周周围围环环境境,可可分分别别采采用用机机械械压压密密、强强力力夯夯实实
6、、换换土土垫垫层层、加加载载预预压压、砂砂桩桩挤挤密密、振振冲冲及及化化学学加加固固等等人人工地基的措施;必要时,还可以采用桩基础或深基础。工地基的措施;必要时,还可以采用桩基础或深基础。第5页/共53页防止地基有害变形的措施防止地基有害变形的措施2 2、减小沉降差的措施、减小沉降差的措施设计中尽量使上部荷载设计中尽量使上部荷载中心受压,均匀分布中心受压,均匀分布。遇高低层相差悬殊或地基软硬突变等情况遇高低层相差悬殊或地基软硬突变等情况,可合理可合理设置沉降缝设置沉降缝。增增加加上上部部结结构构对对地地基基不不均均匀匀沉沉降降的的调调整整作作用用。如如设设置置封封闭闭圈圈梁梁与与构构造造柱柱,
7、加加强强上上部部结结构构的的刚刚度度;将将超超静静定定结结构构改改为为静静定定结结构构,以以加大对不均匀沉降的适应性。加大对不均匀沉降的适应性。妥妥善善安安排排施施工工顺顺序序。例例如如,建建筑筑物物高高、重重部部位位沉沉降降大大先先施施工工;拱桥先做成三铰拱,并可预留拱度。拱桥先做成三铰拱,并可预留拱度。人工补救措施人工补救措施。第6页/共53页6.2 地基沉降原理瞬时沉降主固结沉降次固结沉降按变形机理饱和软粘土地基可能产生的总沉降S可分为三部分:第7页/共53页瞬时沉降瞬时沉降(1)(1)瞬时沉降瞬时沉降指在加荷瞬间土孔隙中水来不及排出指在加荷瞬间土孔隙中水来不及排出 ,孔隙体积尚未变化孔
8、隙体积尚未变化,地基土在荷载作用下仅发生剪切地基土在荷载作用下仅发生剪切变形时的地基沉降变形时的地基沉降.(2)(2)瞬时沉降一般不予考虑瞬时沉降一般不予考虑.(3)(3)对于控制要求较高的建筑物,瞬时沉降可用弹性对于控制要求较高的建筑物,瞬时沉降可用弹性理论估算。对于饱和粘土在局部均布荷载作用下,理论估算。对于饱和粘土在局部均布荷载作用下,地基地瞬时沉降可用下式计算地基地瞬时沉降可用下式计算.第8页/共53页主固结与主固结沉降主固结与主固结沉降 在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致土体体积随时间逐渐减小,有效应力逐渐增加,土体体积随时间逐渐减小,有效应
9、力逐渐增加,这一过程称为这一过程称为主固结主固结。随着时间的增加,孔隙水应力逐渐消散,有随着时间的增加,孔隙水应力逐渐消散,有效应力逐渐增加并最终达到一个稳定值,此时效应力逐渐增加并最终达到一个稳定值,此时孔隙水应力消散为零,主固结沉降完成,这一孔隙水应力消散为零,主固结沉降完成,这一过程所产生的沉降为过程所产生的沉降为固结沉降固结沉降。第9页/共53页次固结沉降次固结沉降 土体在主固结成将完成之后有效应力增长不变土体在主固结成将完成之后有效应力增长不变的情况下还会随时间的增长进一步产生沉降,称为的情况下还会随时间的增长进一步产生沉降,称为次固结沉降次固结沉降。次固结沉降对某些土如软粘土是比较
10、重要的,次固结沉降对某些土如软粘土是比较重要的,对于坚硬土或超固结土,这一分量相对较小。对于坚硬土或超固结土,这一分量相对较小。第10页/共53页瞬时沉降瞬时沉降 SdSd主固结沉降主固结沉降 ScSc次固结沉降次固结沉降 SsSstoSdScSsSelgt主固结Ot1斜率Cd第11页/共53页 对于软粘土地基,主要是固结沉降,其发展变化时间很长。Sd、Sc和Ss分别利用弹性理论、固结理论和次固结理论进行计算,初始沉降的计算参数由不排水条件下土工试验测定;对于无粘性土地基,沉降发展很快,次固结沉降很小。如砂土地基,一般不需分三部分,而直接按弹性理论方法计算。但在荷载较大时,需要考虑其非线性;对
11、于有机质土次固结沉降较大。地基沉降又可分为施工期间沉降和工后沉降两部分。施工期间沉降包括初始沉降和固结沉降,工后沉降包括固结和次固结沉降。另外,工后沉降又可分为工后某段时间内的沉降量和工后某段时间后的沉降量。对于工后沉降,一般关心前者,即工后一定时间内的沉降值,例如高速公路15年内的沉降。6.2 地基沉降原理 第12页/共53页 几点说明 1、瞬时沉降 sd 的产生需要一定的时间 2、土体固结沉降Sc,也有短时间完成的,如邻近排水面的 土体的固结,几乎是瞬时发生的 3、将地基沉降分成三部分是从变形机理角度考虑,并不是 从时间角度划分的,地基固结沉降和次固结沉降难以在 时间上分开,初始沉降与固结
12、沉降在时间上也难以截然 分开。6.2 地基沉降原理 第13页/共53页6.3 常用沉降计算方法地基沉降的原因很多,但其主要原因主要有两个方面:一是建筑物荷载在地基中产生的附加应力;二是土的压缩特性。目前,国内外关于地基沉降量的计算方法很多,主要分为4类,即弹性理论法、工程简化方法、经验方法和数值计算方法。下面主要介绍国内常用的几种实用沉降计算方法,即弹性理论法、分层总和法和应力弹性理论法、分层总和法和应力面积法。面积法。第14页/共53页6.3 常用沉降计算方法 一、弹性理论计算式 将地基视为半无限各向同性弹性体,根据弹性理论可得到沉降计算公式。沉降计算一般积分式:根据广义虎克定律,半无限弹性
13、体内任一点A(x,y,z)处的竖向应变可表为:式中 E土体变形模量;土体泊松比。图6-1 集中荷载作用下地基任一点沉降 在集中力P作用下,上式中点A处的附加应力 ,和 可采用布辛涅斯克解,则可得到A点的沉降:第15页/共53页 对于任意(面)荷载(假定为柔性荷载),地基沉降可由上两式按迭加原理积分求得,如同计算附加应力。下面将介绍圆形、矩形均布荷载下地基沉降计算式。地面上某点(x,y,0)处的沉降为:6.3 常用沉降计算方法第16页/共53页 在半无限弹性体上作用有均布柔性圆形荷载,荷载密度为p,荷载作用区半径为b,直径为B=2b。类似前面分析,可以通过积分得到地基中土体竖向位移表达式为:式中
14、:I1和I2沉降影响数,与z/r 值和 z/b 值有关,。图6-2 圆形均布荷载作用下 地基中竖向应变 当z=0时,均布柔性圆形荷载作用下地面沉降为:表6-1为圆形荷载轴线处(r=0)不同深度处的土体的沉降(即竖向位移)影响数I1和I2值,表6-2为地面(z=0)处沉降影响数I1的值1.1.圆形荷载圆形荷载6.3 常用沉降计算方法第17页/共53页 对饱和软粘土地基,在不排水条件下,0.5。则对于圆形荷载中心,沉降表达式为(查表6-2,I1=2):对于圆形荷载边缘处地面沉降表达式为(查表6-2,I1=1.273):荷载作用区平均沉降为:表6-3给出饱和软粘土地基(0.5)在均布柔性圆形荷载作用
15、下,轴线(r=0)处 土体竖向位移沿深度分布情况。6.3 常用沉降计算方法第18页/共53页轴线处土体竖向位移 其中I3为沉降影响数。从表6-3可以看到,距地面1倍直径距离(z=B=2b)以内的土体压缩量占总沉降量的55.2=(1.5-0.672)/1.5,2B范围内土体压缩量75.7=(1.5-0.365)/1.5,3B范围内占83.3=(1.5-0.25)/1.5,4B范围内占87.4=(1.5-0.189)/1.5。若考虑土体模量随深度的变化,浅层土体压缩量所占比例还要大一些。6.3 常用沉降计算方法第19页/共53页 均布柔性矩形荷载密度为p,荷载作用面积LB。在该荷载作用下,荷载作用
16、面(z=0)角点处沉降表达式为:荷载作用面中心处沉降采用迭加法,由角点处沉降计算式得到,即:可见,矩形荷载中心处沉降为角点处沉降的2倍。荷载作用面平均沉降为:表6-4给出z=0时沉降影响系数I4的值。2.2.矩形荷载矩形荷载6.3 常用沉降计算方法第20页/共53页 有限厚度弹性土层上作用有柔性荷载时其沉降可采用下述方法计算。设有限厚度弹性土层厚度为H,下卧层为不可压缩层,则地面沉降可近似采用下式计算:式中 sz=0 半无限空间弹性体 z=0处的沉降;sz=H 半无限空间弹性体 z=H处的竖向位移。图6-3 有限厚度弹性地基 采用弹性理论计算式计算沉降有一定的应用范围,主要应用于砂土地基沉降的
17、计算,饱和软粘土地基初始沉降的计算,有时也应用于排水条件下固结沉降的计算。下面分别加以介绍。3.3.有限厚度弹性土层有限厚度弹性土层6.3 常用沉降计算方法第21页/共53页 在荷载作用下砂土地基 的沉降很快完成,与软粘土地基比较,其沉降值也较小。在应用弹性理论计算式计算沉降时,弹性参数通常根据土体的类别和它的密实度来选用。砂土的弹性参数可参考表6-5选用。饱和软粘土地基 在荷载作用下的初始沉降是处于不排水状态、土体体积不变 而 产 生 侧 向 变 形 引 起 的 沉 降。图6-4 E50值的确定采用弹性理论计算式计算时泊松比一般可取0.5,不排水变形模量(杨氏模量)可采用三轴不排水压缩试验(
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