土力学基础知识.pptx

土力学相关知识土力学相关知识项目一项目一 土中应力计算土中应力计算 土土在在自自身身重重力力、建建筑筑物物荷荷载载、交交通通荷荷载载或或其其他他因因素素的的作作用用下下，均均可可产产生生土土中中应应力力。注注：土土是是矿矿物物或或者者岩岩石石碎碎屑屑组组成成的的松松软软集集合合体体，是是岩石经过风化、剥蚀、搬运沉积等过程后，形成的各类松散的沉积物。岩石经过风化、剥蚀、搬运沉积等过程后，形成的各类松散的沉积物。土土中中应应力力将将引引起起土土体体或或基基础础的的变变形形，使使得得建建筑筑物物或或者者构构筑筑物物产产生生沉降、倾斜或者水平位移。沉降、倾斜或者水平位移。土中应力计算方法以及目的土中应力计算方法以及目的 计计算算的的方方法法：主主要要采采用用弹弹性性理理论论公公式式，即即把把地地基基土土视视为为均均匀匀的的、各各向向同同性性的的半半无无限限弹弹性性体体。虽虽然然与与实实际际土土体体情情况况有有差差别别，但但计计算算结结果果能满足实际工程的要求。能满足实际工程的要求。计计算算的的目目的的:根根据据上上部部荷荷载载的的大大小小和和分分布布，结结合合地地基基土土的的工工程程性性质质，计计算算附附加加应应力力产产生生的的地地基基变变形形值值并并控控制制在在允允许许范范围围内内，以以保保证证建建筑筑工工程的安全。程的安全。强度问题强度问题变形问题变形问题地基中的应力状态地基中的应力状态应力应变关系应力应变关系自重应力自重应力附加应力附加应力基底压力计算基底压力计算有效应力原理有效应力原理建筑物修建以后，建筑物重量等外荷载在建筑物修建以后，建筑物重量等外荷载在地基中引起的应力，所谓的地基中引起的应力，所谓的“附加附加”是指是指在原来自重应力基础上增加的压力。在原来自重应力基础上增加的压力。附加附加应力是超出自重应力的那部分应力，附加应力应力是超出自重应力的那部分应力，附加应力使地基土体产生沉降变形。使地基土体产生沉降变形。建筑物修建以前，地基中由土体本身的有效重量所产建筑物修建以前，地基中由土体本身的有效重量所产生的应力。生的应力。一般来说，对于天然沉积的土层，经过漫长的一般来说，对于天然沉积的土层，经过漫长的地质年代，土体已沉降稳定，所以自重应力不会引起土体地质年代，土体已沉降稳定，所以自重应力不会引起土体的变形，但对尚未沉降稳定的新近沉积粘性土、人工填土的变形，但对尚未沉降稳定的新近沉积粘性土、人工填土等欠固结土，自重应力会引起土体的沉降变形。等欠固结土，自重应力会引起土体的沉降变形。土力学相关知识土力学相关知识项目一项目一 土中应力计算土中应力计算 土力学相关知识土力学相关知识项目一项目一 土中应力计算土中应力计算 土土的的分分散散性性影影响响：土土是是三三相相组组成成的的分分散散体体，不不是是连连续续的的介介质质。土土中中应应力力是是通通过过土土颗颗粒粒间间的的接接触触而而传传递递的的。但但是是建建筑筑物物的的基基础础面面积积尺尺寸寸远远远远大大于于土土颗颗粒粒尺尺寸寸。我我们们研研究究的的是是计计算算平平面面上上的的平平均均应应力力，不不是是颗颗粒粒间间的的接接触触集集中中应应力力，故故可可以以忽忽略略土土分分散散性性的的影影响响，近近似似看看成成连连续体。续体。土土的的非非均均质质性性和和非非理理想想弹弹性性体体的的影影响响：因因为为土土在在形形成成过过程程中中具具有有各各种种结结构构和和构构造造，呈呈现现不不均均匀匀性性。而而土土体体也也不不是是理理性性的的弹弹性性体体，它它是是具具有有弹弹塑塑性性或或黏黏滞滞性性的的介介质质。但但在在实实际际工工程程中中土土中中应应力力水水平平较较低低，土体受压时，应力土体受压时，应力-应变的关系接近于线性关系应变的关系接近于线性关系。地地基基土土可可视视为为半半无无限限体体：地地基基土土在在水水平平方方向向和和深深度度方方向向相相对对于于建建筑筑物基础的尺寸而言，可以认为是无限延伸的。物基础的尺寸而言，可以认为是无限延伸的。假假定定地地基基土土为为半半无无限限体体，即即土土体体的的表表面面尺尺寸寸和和深深度度都都无无限限大大，则则土土体体中中所所有有竖竖直直面面和和水水平平面面都都没没有有剪剪应应力力的的存存在在，仅仅仅仅有有竖竖向向的的自自重重应应力力和和水水平平方方向向的的侧侧向向应应力力。由由此此可可知知，在在均均匀匀土土体体中中，土土中中某点的竖向自重应力将只与该点的深度有关。某点的竖向自重应力将只与该点的深度有关。天然地面11zzcz cz=z 1 1、均质土的自重应力计算、均质土的自重应力计算土体中任意深度处的竖向自重应力等于单位面积上土柱的土体中任意深度处的竖向自重应力等于单位面积上土柱的有效重量有效重量土力学相关知识土力学相关知识项目一项目一 土中应力计算土中应力计算 说明：说明：1.计算自重应力时计算自重应力时,采用天然重度采用天然重度2.非均质土中自重非均质土中自重应力沿深度呈折线应力沿深度呈折线分布分布 天然地面天然地面h1h2h33 2 1 1 h1 1 h1+2h2 1 h1+2h2+3h3 土力学相关知识土力学相关知识项目一项目一 土中应力计算土中应力计算 2 2、分层土的自重应力计算、分层土的自重应力计算说明：说明：1.1.地下水位以上土层地下水位以上土层采用天然重度，地下采用天然重度，地下水位以下土层采用浮水位以下土层采用浮重度重度2.2.非均质土中自重应非均质土中自重应力沿深度呈折线分布力沿深度呈折线分布 土力学相关知识土力学相关知识项目一项目一 土中应力计算土中应力计算 3 3、有地下水时分层土的的自重应力计算、有地下水时分层土的的自重应力计算天然地面天然地面h1h2h33 2 1 水位面水位面1 h1 1 h1+2h2 1 h1+2h2+3h3 gg土力学相关知识土力学相关知识项目一项目一 土中应力计算土中应力计算 当计算地下水位以下土的自重应力时，应根据土的当计算地下水位以下土的自重应力时，应根据土的当计算地下水位以下土的自重应力时，应根据土的当计算地下水位以下土的自重应力时，应根据土的性质性质性质性质确定是否确定是否确定是否确定是否需要考虑水的需要考虑水的需要考虑水的需要考虑水的浮力浮力浮力浮力作用。作用。作用。作用。通常认为水下的砂性土是应该考虑浮力作用的。通常认为水下的砂性土是应该考虑浮力作用的。通常认为水下的砂性土是应该考虑浮力作用的。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：粘性土则视其物理状态而定：粘性土则视其物理状态而定：粘性土则视其物理状态而定：若水下的粘性土其液性指数若水下的粘性土其液性指数若水下的粘性土其液性指数若水下的粘性土其液性指数I I I IL L L L1 1 1 1，则土处于，则土处于，则土处于，则土处于流塑流塑流塑流塑(液态液态液态液态)状态，状态，状态，状态，土土土土颗粒之间存在着大量自由水，可认为土体颗粒之间存在着大量自由水，可认为土体颗粒之间存在着大量自由水，可认为土体颗粒之间存在着大量自由水，可认为土体受到水浮力作用；受到水浮力作用；受到水浮力作用；受到水浮力作用；若若若若I I I IL L L L 0 0 0 0，则土处于，则土处于，则土处于，则土处于坚硬坚硬坚硬坚硬(固态固态固态固态)状态，状态，状态，状态，土中自由水受到土颗粒间土中自由水受到土颗粒间土中自由水受到土颗粒间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，故认为土体结合水膜的阻碍不能传递静水压力，故认为土体结合水膜的阻碍不能传递静水压力，故认为土体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；不受水的浮力作用；不受水的浮力作用；不受水的浮力作用；若若若若0 0 0 0I I I IL L L L1 1 1 1，土处于，土处于，土处于，土处于塑性状态，塑性状态，塑性状态，塑性状态，土颗粒是否受到水的浮力作用就土颗粒是否受到水的浮力作用就土颗粒是否受到水的浮力作用就土颗粒是否受到水的浮力作用就较难肯定，较难肯定，较难肯定，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。在工程实践中一般均按土体受到水浮力作用来考虑。在工程实践中一般均按土体受到水浮力作用来考虑。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有效重度有效重度有效重度rrrr计算，其计算方法同分层土体情况。计算，其计算方法同分层土体情况。计算，其计算方法同分层土体情况。计算，其计算方法同分层土体情况。4 4、当土体中存在隔水层时、当土体中存在隔水层时,隔水层面以下任意点土的自重隔水层面以下任意点土的自重应力按下式计算应力按下式计算:说明：说明：1.1.隔水层以上土层的自重应力计算方法不变隔水层以上土层的自重应力计算方法不变 .2.2.隔水层以下土层的自重应力突然增加隔水层以下土层的自重应力突然增加,其增加值等于隔其增加值等于隔水层面上的静水压力水层面上的静水压力.土力学相关知识土力学相关知识项目一项目一 土中应力计算土中应力计算 天然地面天然地面z侧向土压侧向土压力系数力系数土力学相关知识土力学相关知识项目一项目一 土中应力计算土中应力计算 5 5、土中水平自重应力的计算、土中水平自重应力的计算【例】一地基由多层土组成，地质剖面如下图所示，试计算并一地基由多层土组成，地质剖面如下图所示，试计算并绘制自重应力绘制自重应力cz沿深度的分布图沿深度的分布图 土力学相关知识土力学相关知识项目一项目一 土中应力计算土中应力计算 土力学相关知识土力学相关知识项目一项目一 土中应力计算土中应力计算 57.0kPa80.1kPa103.1kPa150.1kPa194.1kPa基底压力基底压力：基础底面传基础底面传递给地基表面的压力，递给地基表面的压力，也称也称基底接触压力基底接触压力。基底压力基底压力附加应力附加应力地基沉降变形地基沉降变形地基反力地基反力基础结构的外荷载基础结构的外荷载上部结构的自重及上部结构的自重及各种荷载都是通过各种荷载都是通过基础传到地基中的。基础传到地基中的。影响因素影响因素计算方法计算方法分布规律分布规律上部结构上部结构基础基础地基地基建筑物设计建筑物设计暂不考虑上部结构的影响，暂不考虑上部结构的影响，使问题得以简化；使问题得以简化；用荷载代替上部结构。用荷载代替上部结构。土力学相关知识土力学相关知识项目二项目二 基底压力与基底附加压力基底压力与基底附加压力 基础底面压力的影响因素基础底面压力的影响因素基底压力基底压力基础条件基础条件刚度刚度形状形状大小大小埋深埋深大小大小方向方向分布分布土类土类密度密度土层结构等土层结构等荷载条件荷载条件地基条件地基条件土力学相关知识土力学相关知识项目二项目二 基底压力与基底附加压力基底压力与基底附加压力 抗弯刚度抗弯刚度EI=M0；反证法反证法:假设基底压力与荷载分布相同，假设基底压力与荷载分布相同，则地基变形与柔性基础情况必然一致；则地基变形与柔性基础情况必然一致；分布分布:中间小中间小,两端无穷大。两端无穷大。一、基础底面压力分布规律一、基础底面压力分布规律2 2、弹性地基，绝对刚性基础、弹性地基，绝对刚性基础基础抗弯刚度基础抗弯刚度EI=0 M=0；基础变形能完全适应地基表面的变形基础变形能完全适应地基表面的变形;基础上下压力分布必须完全相同，若不基础上下压力分布必须完全相同，若不同将会产生弯矩。同将会产生弯矩。条形基础，竖直均布荷载条形基础，竖直均布荷载1 1、弹性基础，完全柔性基础、弹性基础，完全柔性基础土力学相关知识土力学相关知识项目二项目二 基底压力与基底附加压力基底压力与基底附加压力 荷载较小荷载较小 荷载较大荷载较大砂性土地基砂性土地基粘性土地基粘性土地基 接近弹性解接近弹性解 马鞍型马鞍型 抛物线型抛物线型 倒钟型倒钟型3 3、弹塑性地基，有限刚性基础、弹塑性地基，有限刚性基础土力学相关知识土力学相关知识项目二项目二 基底压力与基底附加压力基底压力与基底附加压力 根据圣维南原理，基底压力的具体分布形式对地基应根据圣维南原理，基底压力的具体分布形式对地基应力计算的影响仅局限于一定深度范围；超出此范围以力计算的影响仅局限于一定深度范围；超出此范围以后，地基中附加应力的分布将与基底压力的分布关系后，地基中附加应力的分布将与基底压力的分布关系不大，而只取决于荷载的大小、方向和合力的位置。不大，而只取决于荷载的大小、方向和合力的位置。二、基底压力的二、基底压力的简化计算简化计算基底压力的基底压力的分布形式十分布形式十分复杂分复杂简化计算方法：简化计算方法：假定假定基底压力按基底压力按直线分布的材料力学方法直线分布的材料力学方法基础尺寸较小基础尺寸较小荷载不是很大荷载不是很大土力学相关知识土力学相关知识项目二项目二 基底压力与基底附加压力基底压力与基底附加压力 中心荷载作用下的基底压力计算中心荷载作用下的基底压力计算若是条形基础，若是条形基础，F,G取单位长度取单位长度基底面积计算基底面积计算G=GAd取室内外平取室内外平均埋深计算均埋深计算土力学相关知识土力学相关知识项目二项目二 基底压力与基底附加压力基底压力与基底附加压力 F+G eelbpmaxpmin作用于基础底面作用于基础底面形心上的力矩形心上的力矩M=(F+G)e 基基础础底底面面的的抵抵抗抗矩矩；矩矩形形截截面面W=bl2/6 偏心荷载作用下的基底压力计算偏心荷载作用下的基底压力计算土力学相关知识土力学相关知识项目二项目二 基底压力与基底附加压力基底压力与基底附加压力 讨论：讨论：当当e0，基底压力呈梯形分布基底压力呈梯形分布 当当e=l/6时，时，pmax0，pmin=0，基底压力呈三角形分布基底压力呈三角形分布 当当el/6时，时，pmax0，pmin0，基底出现拉应力，基底压力重分布基底出现拉应力，基底压力重分布 pmaxpminel/6pmaxpmin0r0的竖直线上，的竖直线上，z=0,z=0,z z=0=0；随随zz，z z先增加后减小先增加后减小4.4.z z 等值线其空间曲面形状如泡状称为应力泡等值线其空间曲面形状如泡状称为应力泡PP0.1P0.1P0.05P0.05P0.02P0.02P0.01P0.01P土力学相关知识土力学相关知识项目三项目三 地基中的附加应力地基中的附加应力 工程应用工程应用 当当基基础础底底面面形形状状不不规规则则或或荷荷载载，分分布布较较复复杂杂时时，可可将将基基底底分分为为若若干干个个小小面面积积，把把小小面面积积上上的的荷荷载载当当成成集集中中力力，然然后后利利用用上上述述计计算算附附加加应应力力公公式式，进进行行叠叠加加，可可求求出出附附加应力总和。加应力总和。如如果果小小面面积积的的最最大大边边长长小小于于计计算算应应力力深深度度的的1/31/3时时，用用此此法法所所得得的的应应力力值值与与正正确确应应力力之之相相比比，误误差差不超过不超过5%5%。MiriPiz土力学相关知识土力学相关知识项目三项目三 地基中的附加应力地基中的附加应力 在多个相邻荷载作用下，使地基中附在多个相邻荷载作用下，使地基中附加应力逐渐积聚，称为附加应力的积加应力逐渐积聚，称为附加应力的积聚现象。因为附加应力的扩散和积聚聚现象。因为附加应力的扩散和积聚作用，相邻基础将互相影响，引起基作用，相邻基础将互相影响，引起基础附加沉降，如新建建筑物可能使得础附加沉降，如新建建筑物可能使得相邻的旧建筑物产生裂缝和倾斜，这相邻的旧建筑物产生裂缝和倾斜，这在软土地基上尤为明显和突出。在软土地基上尤为明显和突出。二、二、矩形面积竖直均布荷载作用下的附加应力计算矩形面积竖直均布荷载作用下的附加应力计算1 1.角点下的垂直附加应力角点下的垂直附加应力矩形竖直向均布荷载角点下的应力分布系数矩形竖直向均布荷载角点下的应力分布系数查附加应力系查附加应力系数表数表-建筑桩基建筑桩基技术规范技术规范p0p0M Mm=L/B,n=z/Bm=L/B,n=z/B土力学相关知识土力学相关知识项目三项目三 地基中的附加应力地基中的附加应力 土力学相关知识土力学相关知识项目三项目三 地基中的附加应力地基中的附加应力 土力学相关知识土力学相关知识项目三项目三 地基中的附加应力地基中的附加应力 2 2.任意点的垂直附加应力任意点的垂直附加应力角点法角点法a.a.矩形面积内矩形面积内b.b.矩形面积外矩形面积外两种情况：两种情况：叠加原理叠加原理角点下垂直附加角点下垂直附加应力的计算公式应力的计算公式地基中任意点的附加应力地基中任意点的附加应力角点法角点法土力学相关知识土力学相关知识项目三项目三 地基中的附加应力地基中的附加应力 如图所示，矩形基底长为如图所示，矩形基底长为4m4m、宽为、宽为2m2m，基础埋深为，基础埋深为0.5m0.5m，基础两侧土，基础两侧土的重度为的重度为18kN/m18kN/m3 3，由上部中心荷载和基础自重计算的基底均布压力，由上部中心荷载和基础自重计算的基底均布压力为为140kPa140kPa。试求基础中心。试求基础中心O O点下及点下及A A点下、点下、H H点下点下z z=1m=1m深度处的竖向附深度处的竖向附加应力。加应力。解：(1)(1)先求基底净压力先求基底净压力(基底附加应力基底附加应力)P P0 0，由已知条件，由已知条件土力学相关知识土力学相关知识项目三项目三 地基中的附加应力地基中的附加应力(2)(2)求求O O点下点下1m1m深处地基附加应力深处地基附加应力 。O O点是矩形面积点是矩形面积OGbEOGbE，OGaFOGaF，OAdFOAdF，OAcEOAcE的共同角点。这四块面积相等，长度的共同角点。这四块面积相等，长度l l、宽度宽度b b均相同，故其附加应力系数相同。根据均相同，故其附加应力系数相同。根据l l，b b，z z的值可的值可得得查表得查表得查表得查表得 =0.200=0.200=0.200=0.200，所以，所以，所以，所以(3)(3)求求A A点下点下1m1m深处竖向附加应力。深处竖向附加应力。A A点是点是AcbGAcbG，AdaGAdaG两块矩形的公共角点，这两块面积相等，长两块矩形的公共角点，这两块面积相等，长度度l l、宽度宽度b b均相同，故其附加应力系数相同。根据均相同，故其附加应力系数相同。根据l l，b b，z z的的值可得值可得 查表，应用线性插值方法可得查表，应用线性插值方法可得 =0.2315=0.2315，所以，所以(4)4)求求H H点下点下1m1m深度处竖向应力。深度处竖向应力。H H点是点是HGbQHGbQ，HSaGHSaG，HAcQHAcQ，HAdSHAdS的公共角点。的公共角点。szHszH是由四块面积各自引起的附加应力的叠加。是由四块面积各自引起的附加应力的叠加。对于对于HGbQHGbQ，HSaGHSaG两块面积，长度两块面积，长度l l宽度宽度b b均相同均相同 土力学相关知识土力学相关知识项目三项目三 地基中的附加应力地基中的附加应力 查表，利用双向线性插值得查表，利用双向线性插值得 =0.2354=0.2354对于对于HAcQHAcQ，HAdSHAdS两块面积，长度两块面积，长度l l宽度宽度b b均相同均相同土力学相关知识土力学相关知识项目三项目三 地基中的附加应力地基中的附加应力 查表，得查表，得 =0.1350=0.1350，则，则 可按叠加原理求得：可按叠加原理求得：