续表 1.01.21.41.61.82.02.42.83.23.64.05.010.0 6.40.07620.08200.08690.09090.09420.09710.10160.10500.10760.10960.11110.01370.1171 660.07420.07990.08470.08860.09190.09480.09930.10270.105310.10730.10880.111410.1149 6.80.07230.07790.08260.08650.08980.09260.09700.10040.10300.10500.106610.10920.1129 7.00.07050.07610.08060.08440.08770.09040.09490.09820.10080.10280.104410.10710.1109 7.20.0688|0.07420.07870.08250.08570.08840.09280.09620.09870.10080.10230.10510.1090 740.06720.07250.07690.08060.08380.08650.09080.09420.09670.0988|0.10040.10310.1071 7.60.06560.07090.07520.07890.08200.08460.08890.09220.09480.09680.09840.10120.1054 7.80.06420.06930.07360.077110.08020.08280.08710.09040.09290.09500.09660.09440.1036 8.00.06270.06780.07200.07550.07850.0810.08530.08860.09120.09320.09480.09760.1020 8.20.06140.0663|0.07050.07390.07690.07950.08370.08690.08940.09140.09310.09590.1004 8.40.06010.06490.06900.07240.07540.07790.08200.08520.08780.08930.09140.09430.0938 8.60.05880.06360.06760.07100.07390.07640.08050.08360.08620.08820.08980.09270.0973 8.80.05760.06230.06630.06960.07240.07490.07900.08210.08460.0860.08820.09120.0959 9.20.05540.05990.06370.06700.06970.07210.0761|0.07920.08170.08370.08530.08820.0931 9.60.05330.05770.06140.06450.06720.06960.07340.07650.07890.0800.08250.08550.0905 10.00.05140.05560.05920.06220.06490.06720.07100.07390.07630.07830.07990.08290.0880 10.40.04960.05370.05720.06010.06270.06490.06860.07160.07390.07590.07750.08040.0857 10.80.04790.05190.0553 6930.07170.07360.07510.07810.0834 1.20.046530.05020.05350.65630.65870.06090.0640.06720.06950.07140.07300.0759.083 160.0480.04860.0180.060码4中0.0610.05091.0707107381.073 12.00.04350.04710.05020.05290.05520.05730.06060.06340.06560.06740.06900.07190.0774 12.80.0409|0.04446.04740.04990.05210.05410.05730.05990.06210.06390.06540.06820.0739 13.60.03870.04200.04480.04720.04930.05120.05430.05680.05890.06070.06210.06490.0707 14.4|0.0367|0.03980.04250.04480.04680.04860.05160.05400.05610.05770.05920.06190.0677 15.20.03490.03790.04040.04260.04450.04630.04920.05150.05350.05510.05650.05920.0650 16.00.03320.03610.03850.040710.04250.04420.04690.04920.05110.05270.054010.05670.0625 18.00.02970.03230.03450.03640.03810.03960.04220.04420.04600.04750.04870.05120.0570 20.00.02690.02920.03120.03300.03450.03590.03830.04020.04180.04320.04410.04680.0524 表4.6沉降计算经验系数ψ 基底附加压力 2.5 4.0 15.0 20.0 p0≤0.75fa 1.0 0.4 2.0 注:E,为变形计算深度范围内压缩模量的当量值,应按下式计算 式中:A——第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值。 地基变形计算深度z。,应符合下式要求
续表 l/b z/b 10 12 14 16 18 20 24 28 32 36 40 50 100 64 00762 00820 00869 009 09 00942 0097 1 01016 01050 01 076 01096 011 11 01137 01171 66 00742 00799 00847 008 86 00919 0094 8 00993 01027 01 053 01073 010 88 01114 01149 68 00723 00779 00826 008 65 00898 0092 6 00970 01004 01 030 01050 010 66 01092 01129 70 00705 00761 00806 008 44 00877 0090 4 00949 00982 01 008 01028 010 44 01071 01109 72 00688 00742 00787 008 25 00857 0088 4 00928 00962 00 987 01008 010 23 01051 01090 74 00672 00725 00769 008 06 00838 0086 5 00908 00942 00 967 00988 010 04 01031 01071 76 00656 00709 00752 007 89 00820 0084 6 00889 00922 00 948 00968 009 84 01012 01054 78 00642 00693 00736 007 71 00802 0082 8 00871 00904 00 929 00950 009 66 00944 01036 80 00627 00678 00720 007 55 00785 0081 1 00853 00886 00 912 00932 009 48 00976 01020 82 00614 00663 00705 007 39 00769 0079 5 00837 00869 00 894 00914 009 31 00959 01004 84 00601 00649 00690 007 24 00754 0077 9 00820 00852 00 878 00893 009 14 00943 00938 86 00588 00636 00676 007 10 00739 0076 4 00805 00836 00 862 00882 008 98 00927 00973 88 00576 00623 00663 006 96 00724 0074 9 00790 00821 00 846 00866 008 82 00912 00959 92 00554 00599 00637 006 70 00697 0072 1 00761 00792 00 817 00837 008 53 00882 00931 96 00533 00577 00614 006 45 00672 0069 6 00734 00765 00 789 00809 008 25 00855 00905 100 00514 00556 00592 006 22 00649 0067 2 00710 00739 00 763 00783 007 99 00829 00880 104 00496 00537 00572 006 01 00627 0064 9 00686 00716 00 739 00759 007 75 00804 00857 108 00479 00519 00553 005 81 00606 0062 8 00664 00693 00 717 00736 007 51 00781 00834 112 00463 00502 00535 005 63 00587 0060 9 00644 00672 00 695 00714 007 30 00759 00813 116 00448 00486 00518 005 45 00569 0059 0 00625 00652 00 675 00694 007 09 00738 00793 120 00435 00471 00502 005 29 00552 0057 3 00606 00634 00 656 00674 006 90 00719 00774 128 00409 00444 00474 004 99 00521 0054 1 00573 00599 00 621 00639 006 54 00682 00739 136 00387 00420 00448 004 72 00493 0051 2 00543 00568 00 589 00607 006 21 00649 00707 144 00367 00398 00425 004 48 00468 0048 6 00516 00540 00 561 00577 005 92 00619 00677 152 00349 00379 00404 004 26 00445 0046 3 00492 00515 00 535 00551 005 65 00592 00650 160 00332 00361 00385 004 07 00425 0044 2 00469 00492 00 511 00527 005 40 00567 00625 180 00297 00323 00345 003 64 00381 0039 6 00422 00442 00 460 00475 004 87 00512 00570 200 00269 00292 00312 003 30 00345 0035 9 00383 00402 00 418 00432 004 44 00468 00524 表 46 沉降计算经验系数ψs 基底附加压力 E 珡s/MPa 25 40 70 150 200 p 0 fa k 14 13 10 04 20 p 0075f ak 11 10 07 04 20 注 :E 珡s 为变形计算深度范围内压缩模量的当量值,应按下式计算: E 珡s = ∑A i ∑ A i E si 式 中:A i—— 第 i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值。 地基变形计算深度 zn ,应符合下式要求: · 80·
△s≤0.025∑△ (4.19) 式中:Δs——在计算深度范围内,第i层土的计算变形值 Δs——在计算深度z。处向上取厚度为Δz的土层计算变形值,△z按表4.7 确定 如确定的计算深度下部仍有较软土层时,应继续计算。 表4.7△z值 2<b≤4 4<b≤8 △z/m 0.3 0.6 0.8 1.0 当无相邻荷载影响、基础宽度在1~30m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: b(2.5-0.4lnb) (4.20 式中:b——基础宽度(m)。 在计算深度范围内存在基岩时,z。可取至基岩表面;当存在较厚的坚硬黏性 土层,其孔隙比小于0.5、压缩模量大于50MPa,或存在较厚的密实砂卵石层,其压 缩模量大于80MPa时,可取至该层十表面er 规范法计算地基最泣降量按列瑟进 1)确定分层厚度。 2)确定地基变形计算深度。 3)确定各层土的压缩模量。 4)计算各土层的压缩变形量。 5)确定沉降计算经验系数。 6)计算地基的最终沉降量 【例4.2】某独立柱基底面尺寸为 2.5m×2.5m,柱轴向力准永久组合值F TIT F=1250KN 1250kN(算至±0.000处),基础自重和复土 标准值G=250kN。基础埋深d=2m,其他数g=4MmP2 据如图4.10,试计算地基最终沉降量。 y=19.5kN/m f=200kPa 【解】(a)求基础底面附加压力。 基础底面压力 E-68MPa psE+G1250+250 A 240(kPa) 基底附加压力 p=p-yd=240-19.5×2 E=8MPa 201(kPa) 图4.10例4.2图
Δs ′ n 0025∑ n i= 1 Δs ′ i (419) 式中:Δs ′ i—— 在计算深度范围内,第 i层土的计算变形值; Δs ′ n ——在计算深度 zn 处向上取厚度为 Δz 的土层计算变形值,Δz 按表 47 确定。 如确定的计算深度下部仍有较软土层时,应继续计算。 表 47 Δz 值 b/m b≤2 2<b≤4 4<b≤8 8<b Δz/m 03 06 08 10 当无相邻荷载影响、基础宽度在 1~30m 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: zn = b(25 - 04lnb) (420) 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;当存在较厚的坚硬黏性 土层,其孔隙比小于 05、压缩模量大于 50MPa,或存在较厚的密实砂卵石层,其压 缩模量大于 80M Pa 时,zn 可取至该层土表面。 图 410 例 42 图 规范法计算地基最终沉降量按下列步骤进行: 1) 确定分层厚度。 2) 确定地基变形计算深度。 3) 确定各层土的压缩模量。 4) 计算各土层的压缩变形量。 5) 确定沉降计算经验系数。 6) 计算地基的最终沉降量。 【例 42】 某独立柱基底面尺寸为 25m× 25m,柱轴向力准永久组合值 F = 1250k N(算至±0000 处),基础自重和复土 标准值G = 250kN 。 基础埋深 d =2m,其他数 据如图 410,试计算地基最终沉降量。 【解】 (a) 求基础底面附加压力。 基础底面压力 p = F + G A = 1250 + 250 25 × 25 = 240(kPa ) 基底附加压力 p 0= p - γd = 240 - 195 × 2 = 201(kPa ) · 81·
(b)确定沉降计算深度, 由式(4.20)得:确定沉降计算深度 zn=b(2.5-0.4Lb)=2.5(2.5-0.412.5)=5.33(m)取 (c)计算地基沉降计算深度范围内土层压缩量(见表4.8)。 (d)确定基础最终沉降量。 确定沉降计算深度范围内压缩模量 ∑ 0.9384+1.2896+0.0405 A=0.93841.2896,0.0405-5.56(MPa) E 4.4 6.8 8 由表4.6查得,当p0>f,E,=5.56MPa时,查得 ψ=1+7-556(1.3-1)=1.14 7-4 则最终沉降量为 s=ψs=1.14×82.01=93.49(mm) 表4.8沉降计算 noit zi 1Qi-I m /M Pa/ 0.93844.442.8742.87 1.0 4.0 0.44562.2280 1.2896 6.8 1280.99 0.4201 2.2685 0.0405 8.0 1.02 4.4地基沉降与时间的关系 在建筑工程中,除了计算地基的最终沉降量外,还需要预估建筑物在施工期间 和使用期间的地基变形量,以便预留建筑物有关部分之间的净空,选择连接方法和 施工顺序。尤其是建造在饱和软黏土地基上的易产生裂缝的建筑物,更需要了解地 基沉降与时间的关系,便于预防事故的发生和及时对事故的处理 4.1有效应力原理 饱和土在压力作用下,孔隙中的水被逐渐挤出,孔隙体积也随着减少,这一现 象称为饱和土的渗透固结。饱和土体由颗粒骨架和孔隙水两部分组成。在固结过 程中,孔隙水受到了相应的压力作用,称为孔隙水压力,用符号u表示;颗粒骨架也 分担一部分附加压力,称为有效应力,用符号σ表示 在附加应力突然施加在土体上时,孔隙水还来不及排出,土体也没有发生
(b) 确定沉降计算深度。 由式(420)得:确定沉降计算深度 zn = b(25 - 04ln b) = 25(25 - 04ln 25) = 533(m) 取 zn = 54m (c) 计算地基沉降计算深度范围内土层压缩量(见表 48)。 (d) 确定基础最终沉降量。 确定沉降计算深度范围内压缩模量 E 珡s = ∑A i ∑ A i E si = 09384 + 12896 + 00405 09384 44 + 12896 68 + 00405 8 = 556(MPa) 由表 46 查得,当 p 0>f k,E 珡s=556M Pa 时,查得 ψs =1+ 7 - 556 7-4 (13 - 1) = 114 则最终沉降量为 s = ψs s′= 114 × 8201 = 9349(m m) 表 48 沉降计算 z/m l b z b α 珔i ziα珔i /m ziα珔i-zi- 1α珔i- 1 /m E si /M Pa Δs′ /m m s′= ∑Δs′i 0 10 0 10 10 08 09384 09 384 09384 44 4287 4287 50 10 40 04456 22 280 12896 68 3812 8099 54 10 432 04201 22 685 00405 80 10 2 8201 44 地基沉降与时间的关系 在建筑工程中,除了计算地基的最终沉降量外,还需要预估建筑物在施工期间 和使用期间的地基变形量,以便预留建筑物有关部分之间的净空,选择连接方法和 施工顺序。尤其是建造在饱和软黏土地基上的易产生裂缝的建筑物,更需要了解地 基沉降与时间的关系,便于预防事故的发生和及时对事故的处理。 441 有效应力原理 饱和土在压力作用下,孔隙中的水被逐渐挤出,孔隙体积也随着减少,这一现 象称为饱和土的渗透固结。 饱和土体由颗粒骨架和孔隙水两部分组成。 在固结过 程中,孔隙水受到了相应的压力作用,称为孔隙水压力,用符号 u 表示;颗粒骨架也 分担一部分附加压力,称为有效应力,用符号 σ′表示。 在附加应力 σz 突然施加在土体上时,孔隙水还来不及排出,土体也没有发生 · 82·
变形,此时附加应力由孔隙水承担,即u=σ。接着孔隙水排出,土体逐渐压缩,孔 隙水压力逐渐减小,有效应力从零开始逐渐增大。当排水停止,土体的变形也已完 成,孔隙水压力降为零,附加应力全部由颗粒骨架承担,即σ=σ:。在滲透固结的任 时间,附加应力由有效应力和孔隙水压力共同承担。即 4.21 当仁=0时,u=σ,=0;而当t→∞时,u=0,d=0:。 为了更好的理解附加应力的分担作用,可用图4.11所示的弹簧活塞模型模 拟。由于土被看作线形变形体,其应力与应变成比例关系,故模型中的弹簧与颗粒 骨架相当,模型中的水与孔隙水相当。当活塞突然受力时,水来不及排岀,弹簧也未 变形,因此弹簧没有受力,附加压力由活塞下的水来承受,即u=G。接着在压力作 用下,水开始从小孔中排出,活塞下降,弹簧被压缩,这时弹簧承担一部分压力,水 的压力相应的减小,即σ=d+u。而后,水逐渐排出,水压力降为零,附加压力全部 由弹簧承受,水不再排出,固结变形即完成。 YYYYYrNY (a 图4.11弹簧活塞模型 4.4.2单向固结理论 单向固结理论是指土的压缩变形和水的渗透只沿竖直方向发生,水平方向无 位移、无渗流。在天然土层中,常遇到厚度不大的饱和软黏土层,当受到较大的均布 荷载作用时,只要底面或顶面有透水矿层,则孔隙水主要沿竖向发生,可认为是单 向固结情况。 1.基本假定 单向固结理论的基本假定为 1)土是均质、各向同性和完全饱和的 2)土粒和孔隙水是不可压缩的。 3)水的渗出和土的压缩只沿竖向发生。 4)水的渗流服从达西定律,且渗透系数不变。 5)在固结过程中,压缩系数保持不变。 6)外荷载一次骤然施加
变形,此时附加应力由孔隙水承担,即 u=σz 。 接着孔隙水排出,土体逐渐压缩,孔 隙水压力逐渐减小,有效应力从零开始逐渐增大。 当排水停止,土体的变形也已完 成,孔隙水压力降为零,附加应力全部由颗粒骨架承担,即 σ′=σz。 在渗透固结的任 一时间,附加应力由有效应力和孔隙水压力共同承担。 即 σz = σ′+ u (421) 当 t=0 时, u=σz ,σ′=0;而当 t→∞时,u=0,σ′=σz 。 为了更好的理解附加应力的分担作用,可用图 411 所示的弹簧活塞模型模 拟。 由于土被看作线形变形体,其应力与应变成比例关系,故模型中的弹簧与颗粒 骨架相当,模型中的水与孔隙水相当。当活塞突然受力时,水来不及排出,弹簧也未 变形,因此弹簧没有受力,附加压力由活塞下的水来承受,即 u=σz 。 接着在压力作 用下,水开始从小孔中排出,活塞下降,弹簧被压缩,这时弹簧承担一部分压力,水 的压力相应的减小,即 σz=σ′+u。 而后,水逐渐排出,水压力降为零,附加压力全部 由弹簧承受,水不再排出,固结变形即完成。 图 411 弹簧活塞模型 442 单向固结理论 单向固结理论是指土的压缩变形和水的渗透只沿竖直方向发生,水平方向无 位移、无渗流。在天然土层中,常遇到厚度不大的饱和软黏土层,当受到较大的均布 荷载作用时,只要底面或顶面有透水矿层,则孔隙水主要沿竖向发生,可认为是单 向固结情况。 1基本假定 单向固结理论的基本假定为: 1) 土是均质、各向同性和完全饱和的。 2) 土粒和孔隙水是不可压缩的。 3) 水的渗出和土的压缩只沿竖向发生。 4) 水的渗流服从达西定律,且渗透系数不变。 5) 在固结过程中,压缩系数保持不变。 6) 外荷载一次骤然施加。 · 83·
2.微分方程及其解析解 从压缩土层中深度z处取一dx× dyx dz的微分体(图4.12),土粒体积v,= + dx dydz,孔隙体积v=1 dxdydz,已知v,在固结过程中保持不变。 etdz 饱和黏土层 不透水非压缩层 (a) 图4.12沉降与时间关系计算图 根据水流连续性原理,达西定律和有效应力原理,可建立固结微分方程为 (4.22) 式中:C,—土的竖向固结系数年或命年) (4.23) 式中:k——土的渗透系数(m/年); 土的初始孔隙比: a——土的压缩系数(MPa); y—水的重度(kN/m3) 根据图4.13的情况,其初始条件和边界条件为: =0和0≤z≤H时,l=σ; 和z=0时,u=0 0<长∞和z=H时,=0,在不透水层,孔隙水压力u的变化率为零; =∞和0≤z≤H时,u=0 应用傅立叶级数可求得满足上述条件的方程的特解为 4、1:mm sin m CrL (4.25) 式中:—某一时刻t深度z处的孔隙水压力(kPa);
2微分方程及其解析解 从压缩土层中深度 z 处取一 dx×dy×dz 的微分体(图 412),土粒体积 V s= 1 1+e dx dy dz,孔隙体积 V v= e 1+e dxdy dz,已知 V s 在固结过程中保持不变。 图 412 沉降与时间关系计算图 根据水流连续性原理,达西定律和有效应力原理,可建立固结微分方程为 u t = C v 2 u z 2 (422) 式中:C v—— 土的竖向固结系数(m2 /年或 cm2 /年)。 C v = k(1 + e) αγw (423) 式中:k—— 土的渗透系数(m/年); e——土的初始孔隙比; α——土的压缩系数(M Pa - 1 ); γw —— 水的重度(kN /m 3 )。 根据图 413 的情况,其初始条件和边界条件为: t=0 和 0≤z≤H 时,u=σz ; 0<t<∞和 z=0 时,u=0; 0<t<∞和 z=H 时, u z=0,在不透水层,孔隙水压力 u 的变化率为零; t=∞和 0≤z≤H 时,u=0。 应用傅立叶级数可求得满足上述条件的方程的特解为 u = 4σz π∑ ∞ m = 1 1 m sin m πz 2H e- m 2 π2 4 T v (424) T v = C v t H 2 (425) 式中:u——某一时刻 t深度 z 处的孔隙水压力(kPa); · 84·