地基与基础工程土的压缩性与地基沉降计算

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标准类别:建筑工业标准
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地基与基础工程土的压缩性与地基沉降计算

地基与基础工程中,土的压缩性是反映土体在荷载作用下体积减小能力的重要物理力学性质,主要由孔隙比变化引起,受土类、密实度、含水率及应力历史等因素影响。黏性土因孔隙水排出缓慢而呈现显著的主固结沉降,砂土则压缩快、变形小。地基沉降计算是评估建筑物安全与使用功能的关键环节,通常分为瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降三部分。工程中常用分层总和法进行沉降估算:将地基按土层性质分层,依据各层的压缩模量(Es)或压缩系数(av)及附加应力分布,计算每层沉降量后叠加;对重要工程,还需结合e–p曲线、现场载荷试验或原位测试(如CPT、旁压试验)确定参数,并考虑应力历史(如超固结比OCR)修正。现代方法还引入弹性理论解(如Boussinesq解)确定附加应力,或采用数值模拟(如有限元法)分析复杂边界条件下的非线性、非均质沉降。合理控制沉降量(尤其差异沉降)对防止结构开裂、倾斜至关重要,故设计中需兼顾承载力与变形双重标准。

一般取压缩曲线上M1M2两点切线的斜率值,称为土的压缩系数。

实际工程中,往往用割线斜率表示:

根据压密定律:在竖向压力变化不大的范围内ga/t 1263-2015标准下载,孔隙比的变化量与压力之间的变化量,二者之间的关系近似用一条直线来代替。

土在完全侧限条件下竖向应力与相应的应变增量的比值。

侧限压缩模量单位:Mpa,Kpa

三.土压缩性的原位测试

1-承压板2-千斤顶3-百分表4-平台5-支墩6-堆载

1)荷载板周围的土有明显挤出;2)荷载p增量很小,但沉降量s却急剧增大:3)在某一荷载下,24h内沉降速率不能达到稳定标准;4)沉降量与承压板宽度或直径之比(s/b)≥0.06。

试验加荷标准应符合下列要求:加荷等级应不小于8级,最带加荷量不应小于设计荷载的2倍;每级加荷后,按间隔10、10、10、15、15min,以后为每30min读一次沉降量,沉降量<0.1mm/h认为稳定可以加下一次荷载;除第一次,其后每次加荷,对松软土10~25kPa,对坚硬土50kPa。凭观测累计荷载下的沉降量s,直到达到以下状况终止加载:

地基最终沉降量:指地基在建筑物荷载作用下最后的稳定沉降量。计算地基最终沉降量的目的在于确定建筑物最大沉降量、沉降差和倾斜,并将其控制在允许范围内,以保证建筑物的安全和正常使用。荷载取值:传至基础底面上的荷载效应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合,不应计入风荷载和地震作用。相应的限值应为地基变形永久值。计算假定:地基中附加应力按均质地基考虑;地基受压后不发生侧向膨胀。

第三节地基最终沉降量的计算

§3.2地基最终沉降量的计算

t∞时地基最终沉降稳定以后的最大沉降量,不考虑沉降过程。

地基表面的竖向变形,称为地基沉降,或基础沉降。

分层总和法:将地基压缩层范围以内的土层划分成若干薄层,分别计算每一薄层土的变形量,最后总和起来,即得基础的沉降量。

计算地基最终沉降量的方法:目前一般采用分层总和法和《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002推荐的方法,兹介绍如下:

1、基本假定和基本原理

一、地基最终沉降量分层总和法

(a)假设基底压力为线性分布,认为土质是均匀的(b)采用基础中心点下附加应力为计算依据(c)不考虑土的侧向变形,因压缩性指标是在侧限条件下测定的(d)地基最终沉降量等于各层土沉降量之和:

e1i———由第i层的自重应力均值从土的压缩曲线上得到的相应孔隙比e2i———由第i层的自重应力均值与附加应力均值之和从土的压缩曲线上得到的相应孔隙比

Esi———第i分层土的压缩模量;σzi———第i层土上下层面所受附加应力的平均值

(b)分别计算每分层界面处的自重应力和附加应力,并画出应力图形

(c)确定地基中压力层厚度zn。采用应力比:

①不同土层界面;②地下水位标高处;③每层厚度≤0.4b(基础宽度);

(f)计算地基最终沉降量,实际就是将各薄层土沉降量之和s=Si

(d)计算每薄层土沉降量Si

①一般土层:σz/σcz≤0.2;②软粘土层:σz/σcz≤0.1;

二、《建筑地基基础设计规范》方法

《规范》法的要点:(1)引入平均附加应力系数的概念(2)引入一个沉降计算经验系数ψs则修正后的地基沉降量为:

一般情况:软粘土(应力集中)S偏小,Ψs>1硬粘土(应力扩散)S偏大,Ψs<1

设地基土层均质、压缩模量不随深度变化,则:

:深度Z范围内竖向附加应力面积A的等代值

:深度Z范围内竖向附加应力系数,

《规范法》地基沉降计算简图:

2.地基沉降计算深度(地基压缩层厚度)

对于地基的计算深度,即地基压缩层厚度,可分两种情况:

:在计算深度zn范围内,第i层土的变形值:在zn处向上取厚度△z土层的计算变形值,△z按规定确定。

计算层厚度△z值的选取:

在计算地基变形时,应考虑相邻荷载的影响,其值可按应力叠加原理,采用角点法计算。

规范法计算基础沉降量的步骤为:

(1)计算基底附加应力; (2)以天然土层作为分层面(即按Es分层); (3)确定压缩层厚度zn,采用变形比 (4)分别计算每层土的变形量 (5)计算基础总沉降量

故所取沉降计算深度zn=4m满足规范要求。

fak=153kN/㎡

Es3=15Mpa粉质粘土

Es2=10Mpa粉土

5)计算基础最终沉降量

4)确定沉降计算经验系数压缩层范围内土层压缩模量的平均值

三、地基沉降与时间的关系

一般建筑物在施工期间完成的沉降量:砂土可认为其最终沉降量已完成80%以上;低压缩性粘性土已完成最终沉降量的50%~80%;中压缩性土可以认为已完成20%~50%;高压缩性土可以认为已完成5%~20%。工程实践中:计算地基最终沉降量;根据沉降与时间的关系(主要考虑粘性土),以便预留建筑物有关部分之间的净空,合理选择连接方法和施工顺序。

3.3建筑物沉降观测与地基容许变形值

(1)验证工程设计与沉降计算的正确性;(2)判别建筑物施工的质量;(3)发生事故后作为分析事故原因和加固处理依据。

能够及时发现建筑物变形并防止有害变形的扩大。

3.3建筑物沉降观测与地基容许变形值

(1)埋设地点要靠近观测对象,但必须在建筑物所产生的压力影响范围以外。(2)在一个观测区内,水准基点≥3个,埋置深度应与建筑物基础的埋深相应。

(1)根据建筑物的平面形状,结构特点和工程地质条件考虑布置观测点。(2)一般设置在四周的角点、转角处、纵横墙的中点、沉降缝和新老建筑物的连接处。(3)数量一般不小于6点,间距一般为8~12米。

沉降观测采用精密水准仪,观测精度为0.01㎜。

从浇捣基础后立即开始,民用建筑每增高一层观测一次,施工期间的观测不应少于4次;工业建筑在不同荷载阶段分别进行观测,施工期间不应少于4次;竣工后第一年不少于3~5次;第二年不少于2次;以后每年一次,直到稳定。(稳定标准为半年沉降量不超过2㎜)

减速沉降(沉降速率减少到0.05㎜/d以下时):认为沉降趋于稳定。等速沉降:导致地基丧失稳定的危险。加速沉降:表示地基已丧失稳定,应及时采取措施,防止发生事故。

建筑物地基变形的特征,可分为沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜4种。1.沉降量(mm)定义:特指单独基础中心的沉降差,以mm为单位;作用:若沉降量过大,势必影响建筑物的正常使用。

2.沉降差(mm)定义:指同一建筑物中相邻两个基础沉降的差值;作用:若沉降差过大,建筑物将发生裂缝、倾斜和破坏。

3.倾斜(‰)定义:指独立基础在倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值,以‰表示。作用:若建筑物倾斜过大,将影响正常使用,遇台风或强烈地震时危及建筑物整体稳定,甚至倾覆。

4.局部倾斜(‰)定义:指砖石砌体承重结构,沿纵向6m~10m内基础两点的沉降差与其距离的比值,以‰表示。作用:若建筑物局部倾斜过大,往往使砖石砌体承受弯矩而拉裂。

图3—11墙身局部倾斜

1.本表数值为建筑物地基实际最终变形允许值;2.有括号者仅适用于中压缩性土;3.l为相邻柱基的中心距离(mm);Hg为自室外地面起算的建筑物高度(m)。

【解】1)计算基底附加压力

Gk=γGAd=20×2.3×3.2×1.5=220.8kN

fak=200kN/㎡

γ2=16.5kN/m3

2)确定压缩层计算厚度与划分计算层(按Es分层)

3)计算压缩层范围内各土层压缩量

第一层土:角点下附加应力系数l/b=1.6/1.15=1.4,z1/b=4.3/1.15=3.74,z0/b=0/1.15=0。

查表得α0=4×0.2500=1.0,α1=4×0.13077=0.52308。

第二层土:角点下附加应力系数l/b=1.6/1.15=1.4提灌站施工组织设计2,z1/b=4.3/1.15=3.74,z2/b=5.3/1.15=4.6。

查表得α2=4×0.1127=0.4508。

4)确定沉降计算经验系数

p0=132.08kPa≤0.75fak=150kN/㎡

省道107线环山公路太乙宫至马召改建工程施工组织设计5)计算基础最终沉降量

压缩层范围内土层压缩模量的平均值

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