第二章地基中的应力计算 土像其他任何材料一样。受力后也要产生应力和变形。在地基上建造建筑物 将使地基中原有的应力状态发生变化,引起地基变形。如果应力变化引起的变形 量在允许范围以内,则不致对建筑物的使用和安全造成危害;当外荷载在土中引 起的应力过大时,则不仅会使建筑物发生不能容许的过大沉降,甚至可能使土体 发生整体破坏而失去稳定。因此,研究土中应力计算和分布规律是硏究地基变形 和稳定问题的依据。 土体中的应力按其产生的原因主要有两种:由土体本身重量引起的自重应力 和由外荷载引起的附加应力。 第一节土体自重应力的计算 自重应力:未修建建筑物前由土体本身自重引起的应力称土体自重应力 说明:从结构分析:土为单粒、蜂窝、絮状结构,土为三相体;从构造分析: 层状、节理、裂隙、软硬不均、断裂、层理等具有一定的构造,因此土是非均匀 非连续、各向异性体,很难用解析法或公式法进行计算,大型工程一般用计算机 或实验分析。但为计算方便,常将其假定为弹性体、均匀、连续各项同性半无限 体。这和实际情况会有的区别,但研究表明,当地基上均匀施加荷载,且在正常 允许范围内时,其应力一应变如图示,且研究的是基础作用下的宏观应变而不是 土粒之间微观应变,假设应力一应变为直线能够满足设计要求。当然对高层作用 或构造非常明显的地基应根据情况分析。 半无限体如图 y 土应力应变 半无限体 自重应力是指土体本身的有效重量产生的应力,在建筑物建造之前就存在于 土中,使土体压密并且有一定的强度和刚度。研究地基自重应力的目的是为了确 定土体的初始应力状态 竖向自重应力 假定地表面是无限延伸的水平面,在深度Z处水平面上各点的自重应力相 等且均匀地无限分布,任何竖直面和水平面上均无剪应力存在,故地基中任意深 度Z处的竖向自重应力就等于单位面积上的土柱重量 如图2-1(a)所示。若Z深度内的土层为均质土,天然重度y不发生变化, 则土柱的自身重力为W=yZA,而W必与Z深度处的竖向自重应力σcz的合力 0czA相平衡,故有
第二章 地基中的应力计算 土像其他任何材料一样。受力后也要产生应力和变形。在地基上建造建筑物 将使地基中原有的应力状态发生变化，引起地基变形。如果应力变化引起的变形 量在允许范围以内，则不致对建筑物的使用和安全造成危害；当外荷载在土中引 起的应力过大时，则不仅会使建筑物发生不能容许的过大沉降，甚至可能使土体 发生整体破坏而失去稳定。因此，研究土中应力计算和分布规律是研究地基变形 和稳定问题的依据。 土体中的应力按其产生的原因主要有两种：由土体本身重量引起的自重应力 和由外荷载引起的附加应力。 第一节 土体自重应力的计算 自重应力:未修建建筑物前,由土体本身自重引起的应力称土体自重应力. 说明：从结构分析：土为单粒、蜂窝、絮状结构，土为三相体；从构造分析： 层状、节理、裂隙、软硬不均、断裂、层理等具有一定的构造，因此土是非均匀、 非连续、各向异性体，很难用解析法或公式法进行计算，大型工程一般用计算机 或实验分析。但为计算方便，常将其假定为弹性体、均匀、连续各项同性半无限 体。这和实际情况会有的区别，但研究表明，当地基上均匀施加荷载，且在正常 允许范围内时，其应力—应变如图示，且研究的是基础作用下的宏观应变而不是 土粒之间微观应变，假设应力—应变为直线能够满足设计要求。当然对高层作用 或构造非常明显的地基应根据情况分析。 半无限体如图： σ y 0 x Δσ Δε ε z 土应力应变 半无限体 自重应力是指土体本身的有效重量产生的应力，在建筑物建造之前就存在于 土中，使土体压密并且有一定的强度和刚度。研究地基自重应力的目的是为了确 定土体的初始应力状态。 一、竖向自重应力 假定地表面是无限延伸的水平面，在深度 Z 处水平面上各点的自重应力相 等且均匀地无限分布，任何竖直面和水平面上均无剪应力存在，故地基中任意深 度 Z 处的竖向自重应力就等于单位面积上的土柱重量。 如图 2-1（a）所示。若 Z 深度内的土层为均质土，天然重度γ不发生变化， 则土柱的自身重力为 W=γZA，而 W 必与 Z 深度处的竖向自重应力σCZ 的合力 σCZ A 相平衡，故有：
O CZ=Y Z (2-1) 当地基由多个不同重度的土层(成层土)组成时,则任意深度 处的竖向 自重应力可按竖向各分段土柱自重相加的方法求出,即 Gci yEi+ y222+ 式中n—地基屮的土层数; Y第i层土的重度(kMm3); z1一第i层土的厚度(m) 对均质土,自重应力沿深度成直线分布,如图2-1(b所示;对成层土,自重 应力在土层界面处发生转折,沿深度成折线分布,如图2-2所示。 若计算应力点在地下水位以下,由于地下水位以下土体受到水的浮力作用, 使土体的有效重量减少,故在计算土体的竖向自重应力时,对地下水位以下的土 层应按土的有效重度计算 在地下水位以下,如埋藏有不透水层(例如岩层或只含强结合水的竖硬黏土 层)时,由于不透水层中不存在水的浮力,所以不透水层层面及层面以下的自重 应力等于上覆土和水的总重。 自重应力随深度和层状变化情况用应力分布线表示:纵坐标表示计算点深 度,横坐标表示自重应力值,计算出各土层分界处的自重应力,然后在所计算竖 直线的左侧用水平线段按一定的比例表示各点的自重应力值,再用直线加以连结 所得折线称为土的自重应力曲线。 必须指出,这里所讨论的土中自重应力是指土颗粒之间接触点传递的应力, 故称有效自重应力。 Mmr 天燃地面 饿 (b) 343 yt 图2-1均质土竖向 图22成层土竖向 自重应力分布 自重应力分布 、水平自重应力 地基中除了存在作用于水平面上的竖向自重应力外,还存在作用于竖直面上 的水平自重应力σx和osy。把地基近似按弹性体分析,并将侧限条件代入,可 推导得:
σCZ =γZ （2-1） 当地基由多个不同重度的土层(成层土)组成时，则任意深度 处的竖向 自重应力可按竖向各分段土柱自重相加的方法求出，即： （2-2） 对均质土，自重应力沿深度成直线分布，如图 2-1(b)所示；对成层土，自重 应力在土层界面处发生转折，沿深度成折线分布，如图 2-2 所示。 若计算应力点在地下水位以下，由于地下水位以下土体受到水的浮力作用， 使土体的有效重量减少，故在计算土体的竖向自重应力时，对地下水位以下的土 层应按土的有效重度计算。 在地下水位以下，如埋藏有不透水层(例如岩层或只含强结合水的竖硬黏土 层)时，由于不透水层中不存在水的浮力，所以不透水层层面及层面以下的自重 应力等于上覆土和水的总重。 自重应力随深度和层状变化情况用应力分布线表示：纵坐标表示计算点深 度，横坐标表示自重应力值，计算出各土层分界处的自重应力，然后在所计算竖 直线的左侧用水平线段按一定的比例表示各点的自重应力值，再用直线加以连结 所得折线称为土的自重应力曲线。 必须指出，这里所讨论的土中自重应力是指土颗粒之间接触点传递的应力， 故称有效自重应力。 图 2-1 均质土竖向 图 2-2 成层土竖向 自重应力分布 自重应力分布 二、水平自重应力 地基中除了存在作用于水平面上的竖向自重应力外，还存在作用于竖直面上 的水平自重应力σcx 和σcy。把地基近似按弹性体分析，并将侧限条件代入，可 推导得：
(2-3) 式中K0称为土的静止侧压力系数,它是侧限条件下土中水平向应力与竖向 应力之比,依土的种类、密度不向而异,可由试验确定。例如:软泥土就接近1 硬土岩就小。 三、地下水位变化对自重应力的影响 由于土的自重应力取决于土的有效重量,有效重量在地下水位以上用天然重 度,在地下水位以下用浮重度。因此地下水位的升降变化会引起自重应力的变化 如图2-3(a)所示,由于大量抽取地下水等原因,造成地下水位大幅度下降,使地 基中原水位以下土体的有效自重应力增加,会造成地表下沉的严重后果。如图 2-3(b)所示,地下水位上升的情况一般发生在人工抬高蓄水水位的地区(如筑坝蓄 水)或工业用水等大量渗入地下的地区。如果该地区土层具有遇水后土的性质发 生变化(如湿陷性或膨胀性等)的特性,则地下水位的上升会导致一些工程问题, 应引起足够的重视。 77 原地下水位 动后地下水位 变破后地下水位 原地下水化 2 图2-3地下水位升降对自重应力的影响 (a)地下水位下降(b)地下水位上升
σcx = σcy =K0σcz （2-3） 式中 K0 称为土的静止侧压力系数，它是侧限条件下土中水平向应力与竖向 应力之比，依土的种类、密度不向而异，可由试验确定。例如：软泥土就接近 1， 硬土岩就小。 三、地下水位变化对自重应力的影响 由于土的自重应力取决于土的有效重量，有效重量在地下水位以上用天然重 度，在地下水位以下用浮重度。因此地下水位的升降变化会引起自重应力的变化。 如图 2-3(a)所示，由于大量抽取地下水等原因，造成地下水位大幅度下降，使地 基中原水位以下土体的有效自重应力增加，会造成地表下沉的严重后果。如图 2-3(b)所示，地下水位上升的情况一般发生在人工抬高蓄水水位的地区(如筑坝蓄 水)或工业用水等大量渗入地下的地区。如果该地区土层具有遇水后土的性质发 生变化(如湿陷性或膨胀性等)的特性，则地下水位的上升会导致一些工程问题， 应引起足够的重视。 (a) (b) 图 2-3 地下水位升降对自重应力的影响 (a)地下水位下降 (b)地下水位上升
0.5m 例21】某地基土层剖如图2.4所 6.75 1135示,试计算各士层自重应力并绘制自重应力 40x=180分布图。 粉质黏土 解】填土层底 淤泥 y=16.7 0a=11=15.7X0.5=7.85kN/m2 地下水位处 0=y1x+y2=7.85+17.8×0.5 13995 不透水层y=19.6 16.75kN/m 粉质黏土层底 =71x+722+y323 肉24例题2附图 16.75+(18.1-10)×3 =41.0kN/m2 淤泥层底 4=Yx1+Y2x2+7323+y4a4=41.05+(16.7-10)x7 =87.95kN/m 不透水层尽面a=X11+722+y2+7:x4+y(23+z) =87.95+10×(3+7)=187.95kN/m2 钻孔底 dn=187.95+19.6×4=266.35YV/m2 自重成力分布如图24所示。 第二节基底压力的计算 建筑物荷裁通过基础传给地基,基础底面传递到地基表面的压力称为基底压 力,而地基支撑基础的反力称为地基反力。基底压力与地基反力是大小相等、方 向相反的作用力与反作用力。基底压力是分析地基中应力、变形及稳定性的外荷 载,地基反力则是计算基础结构内力的外荷载。因此,研究基底压力的分布规律 和计算方法具有重要的工程意义。 意义:基底压力的计算的目的为计算地基中的附加应力和基础结构因为建 筑物的荷载是通过基础传给地基的为计算上部荷载在地基土层中引起的附加应 力必须首先研究基础底面处与基础底面接触面上压力大小分布 基底压力的分布规律 精确地确定基底压力的分布形式是一个相当复杂的问题,它涉及地基与基础 的相对刚度、荷载大小及其分布情况、基础埋深和地基土的性质等多种因素。 绝对柔性基础(如土坝、路基、钢板做成的储油罐底板等)的抗弯刚度E/=0 在垂直荷载作用下没有抵抗弯曲变形的能力,基础随着地基一起变形,中部沉降 大,两边沉降小,基底压力的分布与作用在基础上的荷载分布完全一致(图2-5a)。 如果要使柔性基础的各点沉降相同,则作用在基础上的荷载应是两边大而中部小 (图2-5b)
第二节 基底压力的计算 建筑物荷裁通过基础传给地基，基础底面传递到地基表面的压力称为基底压 力，而地基支撑基础的反力称为地基反力。基底压力与地基反力是大小相等、方 向相反的作用力与反作用力。基底压力是分析地基中应力、变形及稳定性的外荷 载，地基反力则是计算基础结构内力的外荷载。因此，研究基底压力的分布规律 和计算方法具有重要的工程意义。 意义: 基底压力的计算的目的为计算地基中的附加应力和基础结构.因为建 筑物的荷载是通过基础传给地基的,为计算上部荷载在地基土层中引起的附加应 力,必须首先研究基础底面处与基础底面接触面上压力大小分布. 一、基底压力的分布规律 精确地确定基底压力的分布形式是—个相当复杂的问题，它涉及地基与基础 的相对刚度、荷载大小及其分布情况、基础埋深和地基土的性质等多种因素。 绝对柔性基础(如土坝、路基、钢板做成的储油罐底板等)的抗弯刚度 ， 在垂直荷载作用下没有抵抗弯曲变形的能力，基础随着地基一起变形，中部沉降 大，两边沉降小，基底压力的分布与作用在基础上的荷载分布完全一致(图 2-5a)。 如果要使柔性基础的各点沉降相同，则作用在基础上的荷载应是两边大而中部小 (图 2-5b)
ITTTTLL MTITATTYTrT (a) 图2-5柔性基础的基底压力分布 绝对刚性基础的抗弯刚度,在均布荷载作用下,基础只能保持平面下沉而不 能弯曲,但对地基而言,均匀分布的基底压力将产生不均匀沉降,其结果是基础 变形与地基变形不相适应(图26a)。为使地基与基础的变形协调一致,基底压力 的分布必是两边大而中部小。如果地基是完全弹性体,由弹性理论解得基底压力 分布如图26(b)所示,边缘处压力将为无穷大 T均布荷载p IHTI 基底压力 刚性基础 图2-6刚性基础的基地压力分布 有限刚度基础是工程中最常见的情况,具有较大的抗弯刚度,但不是绝对刚 性,可以稍微弯曲。由于绝对刚性和绝对柔性基础只是假定的理想情况,地基也 不是完全弹性体,当基底两端的压力足够大,超过土的极限强度后,土体就会形 成塑性区,所承受的压力不再增大,自行调整向中间转移。实测资料表明,当荷 载较小时,基底压力分布接近弹性理论解(如,粘性土,400Kpa图2-7a);随着 上部荷载的逐渐增大,基底压力转变为马鞍形分布(粘性土,500Kpa图2-7b), 抛物线形分布(沙土,500Kpa图2-7c);当荷载接近地基的破坏荷载时,压力图 形为钟形分布(沙土,600Kpa图2-7d)。 室外 (d) 图2-7荷载对基底压力的影响 图2-8轴心受压基础基底压力
(a) (b) 图 2-5 柔性基础的基底压力分布 绝对刚性基础的抗弯刚度，在均布荷载作用下，基础只能保持平面下沉而不 能弯曲，但对地基而言，均匀分布的基底压力将产生不均匀沉降，其结果是基础 变形与地基变形不相适应(图 2-6a)。为使地基与基础的变形协调一致，基底压力 的分布必是两边大而中部小。如果地基是完全弹性体，由弹性理论解得基底压力 分布如图 2-6(b)所示，边缘处压力将为无穷大。 (a) (b) 图 2-6 刚性基础的基地压力分布 有限刚度基础是工程中最常见的情况，具有较大的抗弯刚度，但不是绝对刚 性，可以稍微弯曲。由于绝对刚性和绝对柔性基础只是假定的理想情况，地基也 不是完全弹性体，当基底两端的压力足够大，超过土的极限强度后，土体就会形 成塑性区，所承受的压力不再增大，自行调整向中间转移。实测资料表明，当荷 载较小时，基底压力分布接近弹性理论解(如，粘性土，400Kpa 图 2-7a)；随着 上部荷载的逐渐增大，基底压力转变为马鞍形分布(粘性土，500Kpa 图 2-7b)， 抛物线形分布(沙土，500Kpa 图 2-7c)；当荷载接近地基的破坏荷载时，压力图 形为钟形分布(沙土，600Kpa 图 2-7d)。 图 2-7 荷载对基底压力的影响 图 2-8 轴心受压基础基底压力