《土力学》教程3土应力分布及计算

土力学教程（同济大学土木工程学院编制）目录土的应力分布及计算学习指导土的自重应力基础底面压力集中力作用下土中应力计算分布荷载作用时的土中应力计算本章小结学习指导学习目标掌握土中自重应力计算、基底压力计算以及各种荷载条件下的土中附加应力计算方法。学习基本要求1.掌握土中自重应力计算2.掌握基底压力和基底附加压力分布与计算3.掌握圆形面积均布荷载、矩形面积均布荷载、矩形面积三角形分布荷载以及条形荷载等条件下的土中竖向附加应力计算方法4.了解地基中其他应力分量的计算公式主要基础知识材料应力应变基本概念参阅：孙训方等编著，《材料力学》，高等教育出版社，1987。弹性力学基础知识参阅：(1)徐芝伦著，《弹性力学》，高等教育出版社，1990。(2)吴家龙编著，《弹性力学》，同济大学出版社，1993。一、土的自重应力由土体重力引起的应力称为自重应力。自重应力一般是自土体形成之日起就产生于土中。1．均质地基土的自重应力土体在自身重力作用下任一竖直切面均是对称面，切面上都不存在切应力。因此，在深度z处平面上，土体因自身重力产生的竖向应力cz（称竖向自重应力）等于单位面积上土柱体的重力W，如图3-1所示。在深度z处土的自重应力为：(3-1)式中为土的重度，3；F为土柱体的截面积，m2。从公式（3-1）可知，自重应力随深度z线性增加，呈三角形分布图形。图3-1均质土的自重应力2.成层地基土的自重应力地基土通常为成层土。当地基为成层土体时，设各土层的厚度为hi，重度为i，则在深度z处土的自重应力计算公式为:(3-2)式中n为从天然地面到深度z处的土层数。有关土中自重应力计算及其分布图绘制的具体方法可参见例题3-1某土层及其物理性质指标如图3-2所示，地下水位在地表下1.0m，计算土中自重应力并绘出分布图。【解】第1层：a点：z=0m，b点：z=1m，c点：z=2m，第2层：d点：z=5m，土层中的自重应力cz分布，如图3－2所示。图3-2例题3－13．水平向自重应力土的水平向自重应力cx,cy可用下式计算（3-3）式中K0为侧压力系数，也称静止土压力系数，参见第六章。土的静止土压力系数K0确定方法4．土层中有地下水时的自重应力当计算地下水位以下土的自重应力时，应根据土的性质确定是否需要考虑水的浮力作用。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，一般认为，若水下的粘性土其液性指数IL＞1，则土处于流动状态，土颗粒之间存在着大量自由水，可认为土体受到水浮力作用，若IL≤0，则土处于固体状态，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，故认为土体不受水的浮力作用，若0＜IL＜1，土处于塑性状态，土颗粒是否受到水的浮力作用就较难肯定，在工程实践中一般均按土体受到水浮力作用来考虑。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’计算，其计算方法同成层土体情况。二、基础底面压力建筑物荷载通过基础传递给地基的压力称基底压力，又称地基反力。1.地基反力分布基底地基反力的分布规律主要取决于基础的刚度和地基的变形条件。对柔性基础，地基反力分布与上部荷载分布基本相同，而基础底面的沉降分布则是中央大而边缘小，如由土筑成的路堤，其自重引起的地基反力分布与路堤断面形状相同，如图3-3所示。对刚性基础（如箱形基础或高炉基础等），在外荷载作用下，基础底面基本保持平面，即基础各点的沉降几乎是相同的，但基础底面的地基反力分布则不同于上部荷载的分布情况。刚性基础在中心荷载作用下，开始的地基反力呈马鞍形分布；荷载较大时，边缘地基土产生塑性变形，边缘地基反力不再增加，使地基反力重新分布而呈抛物线分布，若外荷载继续增大，则地基反力会继续发展呈钟形分布，如图3-4所示。图3-3柔性基础下的基底压力分布观看形成过程模拟（a）理想柔性基础（b）路堤下地基反力分布图3-4刚性基础下压力分布观看形成过程模拟（a）马鞍形（b）抛物线形(c)钟形2.地基反力的简化计算实用上，通常将地基反力假设为线性分布情况按下列公式进行简化计算：地基平均反力(3-4)地基边缘最大与最小反力(3-5)式中F为作用在基础顶面通过基底形心的竖向荷载，kN；G为基础及其台阶上填土的总重，kN，G=GAd，其中G为基础和填土的平均重度，一般取G=20kN/m3，地下水位以下取有效重度，d为基础埋置深度；M为作用在基础底面的力矩，M=(F+G)·e，e为偏心距；W为基础底面的抗弯截面模量，即式中l，b为基底平面的长边与短边尺寸。将W的表达式代入（3-5）式得(3-5)1）当el/6时，基底地基反力呈梯形分布，pmin＞0；2）当e＝l/6时，基底地基反力呈三角形分布，pmin＝0；3）e1/6时，即荷载作用点在截面核心外，pmin＜0；基底地基反力出现拉力。由于地基土不可能承受拉力，此时基底与地基土局部脱开，使基底地基反力重新分布。根据偏心荷载与基底地基反力的平衡条件，地基反力的合力作用线应与偏心荷载作用线重合得基底边缘最大地基反力p'max为：图3-5基底反力分布的简化计算（a）中心荷载下（b）偏心荷载el／6时（c）偏心荷载el／6时3.基底附加压力基础通常是埋置在天然地面下一定深度的。由于天然土层在自重作用下的变形已经完成，故只有超出基底处原有自重应力的那部分应力才使地基产生附加变形，使地基产生附加变形的基底压力称为基底附加压力p0。因此，基底附加压力是上部结构和基础传到基底的地基反力与基底处原先存在于土中的自重应力之差，按下式计算：（3-7）式中p为基底地基反力，为区别于附加压力，又称基底总压力；c为基底处自重应力；为基底标高以上天然土层按分层厚度的加权重度；基础底面在地下水位以下，地下水位以下的土层用有效重度计算；为基础理置深度，简称基础埋深。三、土中附加应力土中的附加应力是由建筑物荷载所引起的应力增量，一般采用将基底附加压力当作作用在弹性半无限体表面上的局部荷载，用弹性理论求解的方法计算。1.集中力作用下土中应力计算在均匀的、各向同性的半无限弹性体表面作用一竖向集中力Q时，半无限体内任意点M的应力（不考虑弹性体的体积力）可由布西奈斯克解计算，如图3-6所示。工程中常用的竖向正应力z及地表上距集中力为r处的竖向位移w（沉降）可表示成如下形式：(3-8)(3-9)式中R与应力系数a分别为a是（r/z）的函数，可制成表格形式供查用。E,分别为土的弹性模量及泊松比。图3-6集中力作用下土中应力计算其余应力分量与位移分量计算公式可查阅集中力作用下土中其余应力分量计算集中力作用下土中其余应力分量计算x，y轴方向的正应力：切应力x，y，z轴方向的位移：2.分布荷载作用时的土中应力计算（1）基本计算原理对实际工程中普遍存在的分布荷载作用时的土中应力计算，通常可采用如下方法处理：当基础底面的形状或基底下的荷载分布不规则时，可以把分布荷载分割为许多集中力，然后用布西奈斯克公式和叠加原理计算土中应力。当基础底面的形状及分布荷载都是有规律时，则可以通过积分求解得相应的土中应力。如图3-7所示，在半无限土体表面作用一分布荷载p(x,y)，为了计算土中某点M(x,y,z)的竖向正应力z值，可以在基底范围内取单元面积dF=dd，作用在单元面积上的分布荷载可以用集中力dQ表示，dQ=p(x,y)dd。这时土中M点的竖向正应力z值可用式（3-8）在基底面积范围内积分求得，即（3-10）当已知荷载、分布面积及计算点位置的条件时，即可通过求解上式获得土中应力值。图3-7分布荷载作用下土中应力计算2）圆形面积上作用均布荷载时土中竖向正应力的计算为了计算圆形面积上作用均布荷载p时土中任一点M(r,z)的竖向正应力，可采用原点设在圆心O的极坐标(如图3-8)，由公式（3-9）在圆面积范围内积分求得：（3-11）上式可表达成简化形式：（3-12）式中R为圆面积的半径，m；r为应力计算点M到z轴的水平距离，m；c为应力系数，它是(r/R)及(z/R)的函数，当计算点位于圆形中心点下方时其值为：也可将此应力系数制成表格形式查用。图3-8圆形面积均布荷载作用下土中应力计算（3）矩形面积均布荷载作用时土中竖向应力计算1）矩形面积中点O下土中竖向应力计算图3-9表示在地基表面作用一分布于矩形面积(l×b)上的均布荷载p，计算矩形面积中点下深度z处M点的竖向应力z值，可从式（3-10）解得：（3-13）式中应力系数0是n=l/b和m=z/b的函数，即0也可由相应表格查得。图3-9矩形面积均布荷载作用下土中应力计算2）矩形面积角点下土中竖向应力计算在图3-9所示均布荷载作用下，计算矩形面积角点c下深度z处N点的竖向应力z时，同样可其将表示成如下形式：（3-13）式中应力系数a为：它是n=l/b和m=z/b的函数，可由公式计算或相应表格查得。3）矩形面积均布荷载作用时，土中任意点的竖向应力计算-角点法在矩形面积上作用均布荷载时，若要求计算非角点下的土中竖向应力，可先将矩形面积按计算点位置分成若干小矩形，如图3-10所示。在计算出小矩形面积角点下土中竖向应力后，再采用叠加原理求出计算点的竖向应力z值。这种计算方法一般称为角点法。图3-10角点法计算土中任意点的竖向应力（4）矩形面积上作用三角形分布荷载时土中竖向应力计算当地基表面作用矩形面积(l×b)三角形分布荷载时，为计算荷载为零的角点下的竖向应力值z1，可将坐标原点取在荷载为零的角点上，相应的竖向应力值z可用下式计算：（3-15）式中应力系数at是n=l/b和m=z/b的函数，即：其值也可由相应的应力系数表查得。特别提示注意这里b值不是指基础的宽度，而是指三角形荷载分布方向的基础边长，如图3-11所示。图3-11矩形面积三角形荷载作用下土中应力计算（5）均布条形分布荷载下土中应力计算条形分布荷载下土中应力状计算属于平面应变问题，对路堤、堤坝以及长宽比l／b≥10的条形基础均可视作平面应变问题进行处理。如图3-12所示，在土体表面作用分布宽度为b的均布条形荷载p时,土中任一点的竖向应力sz可采用弹性理论中的弗拉曼公式在荷载分布宽度范围内积分得到：(3-16)式中应力系数au是n=x/b及m=z/b的函数，即应力系数au也可由相应的应力系数表查得。注意此时坐标轴的原点是在均布荷载的中点处。图3-12均布条形荷载作用下的土中应力计算均布条形荷载作用下的土中应力计算也可以采用极坐标形式表示根据根据材料力学理论还可以求出土中任一点的主应力土中任一点的主应力土中任一点的最大、最小主应力1和3可根据材料力学中有关主应力与正应力及剪应力间的关系导出如下：式中——最大主应力的作用方向与竖直线间的夹角。将M点的应力表达式代入上式即得到任一点的最大、最小主应力：式中1、2为计算点到荷载宽度边缘的两条连线与垂直方向的夹角。3.成层地基中附加应力的分布规律在柔性荷载作用下，将土体视为均质各向同性弹性土体时土中附加应力的计算与土的性质无关。但是，地基土往往是由软硬不一的多种土层所组成，其变形特性在竖直方向差异较大，应属于双层地基的应力分布问题。对双层地基的应力分布问题，有两种情况值得研究：一种是坚硬土层上覆盖着不厚的可压缩土层即薄压缩层情况；另一种是软弱土层上有一层压缩性较低的土层即硬壳层情况。当上层土的压缩性比下层土的压缩性高时（薄压缩层情况），即E1＜E2时，则土中附加应力分布将发生应力集中的现象。当上层土的压缩性比下层土的压缩性低时（即硬壳层情况），即E1＞E2，则土中附加应力将发生扩散现象，如图3-14所示。在实际地基中，下卧刚性岩层将引起应力集中的现象，若岩层埋藏越浅，应力集中愈显著。在坚硬土层下存在软弱下卧层时，土中应力扩散的现象将随上层坚硬土层厚度的增大而更加显著。因土的泊松比变化不大，其对应力集中和应力扩散现象的影响可忽略。双层地基中应力集中和扩散的概念有着重要工程意义，特别是在软土地区，表面有一层硬壳层，由于应力扩散作用，可以减少地基的沉降，故在设计中基础应尽量浅埋，并在施工中采