土中应力分布及计算

3土中应力分布及计算(Distributionandcalculationofstressinsoil)3土中应力分布及计算(Distributionandcalculationofstressinsoil)3.1概述（Summary）3.2土的自重应力计算(Calculationofself-weightstressinSoil)3.3基础底面压力分布和计算（Calculationanddistributionofnetfoundationpressure）3.4地基中附加应力的计算(Calculationofsuperimposedstressinfoundation)3.5有效应力原理（Principleofeffectivestress）2020/2/5概述33.1概述1，土中应力的分类按照应力产生的原因，土中应力分为自重应力和附加应力。自重应力是土体受到重力作用而产生的应力；附加应力是由于外载荷（建筑荷载、车辆荷载、土中水的渗流力、地震力等）的作用，在土中产生的应力增量。按照应力分担角度来分，则土中应力还可分为有效应力和孔隙水压力。2，土中应力计算的意义一句话，计算土中应力是对建筑物等地基基础进行沉降计算，强度与稳定性分析的基础。2020/2/5概述4３，土中一点的应力状态3.1方向的定义3.2二向应力状态斜截面上的应力与主应力４，土中应力的计算模型土是三相体，但在实际应用中，人们将天然土体简化为线性弹性体，即假设地基土是均匀、连续、各向同性的半无限弹性体。在工程中需注意：1，土的分散性影响2，土的非理想弹性体影响3，土的非均质性和各向异性影响3.1概述2020/2/5概述5本章重点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2020/2/5主要内容6主要内容土中自重应力的计算基础底面压力的分布和计算地基中附加应力的计算有效应力原理gogogogo2020/2/5土中自重应力的计算73.2土中自重应力的计算本节重点1.均质土自重应力计算；2.成层土自重应力计算；3.有地下水时土自重应力计算；4.存在隔水层时水土自重应力计算；5.土中水平自重应力。2020/2/5土中自重应力的计算83.2土中自重应力的计算1.均质土的自重应力在深度z处平面上，土体因自身重力产生的竖向应力（称竖向自重应力）等于单位面积上土柱体的重力G，如上图所示。在深度z处土的自重应力为：式中，—为土的重度，KN/m3；A—土柱体的截面积，m2。从上式可知，自重应力随深度z线性增加，呈三角形分布图形。czczGzAzAAcz2020/2/5土中自重应力的计算93.2土中自重应力的计算2.成层土的压力计算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，则在深度z处土的自重应力计算公式为：式中，n—从地面到深度z处的土层数；hi—第i层土的厚度，m。成层土的自重应力沿深度呈折线分布，转折点位于值发生变化的土层界面上。i1ncziiih1niizhi2020/2/5土中自重应力的计算103.2土中自重应力的计算3.有地下水时土自重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：1，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；2，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；3，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。'2020/2/5土中自重应力的计算114.存在隔水层时水土自重应力计算当地基中存在隔水层时，隔水层面以下土的自重应考虑其上的静水压力作用。式中，—第i层土的天然重度，对地下水位以下的土取有效重度；hw—地下水到隔水层的距离(m)。在地下水位以下，如埋藏有不透水层,由于不透水层中不存在水的浮力，所以层面及层面以下的自重应力应按上覆土层的水土总重计。'i3.2土中自重应力的计算1ncziiwwihhi2020/2/5土中自重应力的计算123.2土中自重应力的计算5.土中水平自重应力式中K。——侧压力系数(静止土压力系数)6.成层土中自重应力计算过程参见下面动画。Question何谓土中应力，计算它有何意义？怎样简化土中应力的计算模型？在工程应用中应该注意哪些问题？0cxcyczKBACK2020/2/5基础底面压力的分布和计算133.3基础底面压力的分布和计算建筑物荷载通过基础传递给地基的压力称基底压力（地基反力）。也就是作用于基础底面土层单位面积的压力，单位为kPa。本节内容1，基础底面地基反力分布2，地基反力的简化计算方法3，基底附加压力的计算2020/2/5基础底面压力的分布和计算143.3基础底面压力的分布和计算1，基础底面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。基础刚度的影响A柔性基础当基础为完全柔性时，基底压力的分布与作用在基础上的荷载分布完全一致，如图所示。实际工程中并没有完全柔性的基础，常把土坝(堤)及用钢板做成的储油罐底板等视为柔性基础。2020/2/5基础底面压力的分布和计算153.3基础底面压力的分布和计算B刚性基础当基础具有刚性或为绝对刚性时，如箱形基础或高炉基础，在外荷载作用下，基础底面保待平面，即基础各点的沉降几乎是相同的。绝对刚性基础的分市情况与基础的刚度、地基土的性质、荷载的作用情况、相邻建筑的位置以及基础的大小、形状、埋置深度等因素有关。刚性基础在中心载荷作用下，地基反力呈马鞍形，随着外力的增大，其形状相应改变。如下图2020/2/5基础底面压力的分布和计算163.3基础底面压力的分布和计算2020/2/5基础底面压力的分布和计算173.3基础底面压力的分布和计算2，地基反力的简化计算方法根据弹性理论的圣维南原理及土中实测结果，当作用在基础上的总载荷为定值时，地基反力分布的形状对土中应力分布的影响，只在一定深度范围内，当基底的深度超过基础宽度的1.5-2.0倍时，它的影响已不显著。因此，在实用上采用材料力学方法，即将地基反力分布认为是线性分布的简化计算方法。2020/2/5基础底面压力的分布和计算182.1竖直中心荷载作用下当竖直荷载作用于基础中轴线时，基底压力呈均匀分布(右图)，其值按下式计算：3.3基础底面压力的分布和计算2020/2/5基础底面压力的分布和计算192.2单向偏心荷载作用下2.2.1载荷单向偏心时，基础设计时通常将基底长边方向取与偏心方向一致，而地基边缘反力可按材料力学短柱偏心受压公式计算。式中：e--竖直荷载的偏心矩(m)；其余意义同上。按上式计算，基底压力分布有下列三种情况：（1）当eB/6时，pmin为正值，基底压力为梯形分布(下图a)；（2）当e=B/6时，pmin=0，基底压力按三角形分布(下图b)；（3）当eB/6时，pmin为负值，表示基础底面与地基之间一部分出现拉应力。但实际上，在地基土与基础之间不可能存在拉力，因此基础底面下的压力将重新分布(下图c)。3.3基础底面压力的分布和计算2020/2/5基础底面压力的分布和计算203.3基础底面压力的分布和计算2020/2/5基础底面压力的分布和计算212.2.2载荷双向偏心时，算法同上式中，ex、ey分别为荷载对y轴和x轴的偏心距。)1(maxminBeLeAGFpxy3.3基础底面压力的分布和计算2020/2/5基础底面压力的分布和计算223，基底附加压力的计算基础通常是埋置在天然地面下一定深度的，这个深度就是基础埋置深度。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。因此，基底附加压力p0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(新增加的应力)(如图)3.3基础底面压力的分布和计算2020/2/5基础底面压力的分布和计算23基底附加压力可按照下式计算Question如何计算基底压力ｐ和基底附加压力ｐ０？两者概念有何不同？dpppdc003.3基础底面压力的分布和计算BACK3.4地基中附加应力的计算地基附加应力是指外荷载作用下地基中增加的应力。地基中的附加应力是地基发生变形，引起建筑物沉降的主要原因。在计算地基中的附加应力时,把地基看成是均质的弹性半空间，应用弹性力学理论求解。本节是本章重要内容，要求掌握以下内容：1.垂直集中力作用下土中的附加应力；2.分布荷载作用下土中的附加应力；3.条形荷载作用下土中的附加应力。2020/2/5垂直集中力作用下土中的附加应力25１，集中力作用下土中应力的计算(地表)2020/2/5垂直集中力作用下土中的附加应力26这个问题，布西奈斯克(J.V.Boussinesq,1885)解得，其中应力分量及应变分量分别为：]1)1(2[2)1(23cos23325352RRzEpRpzzpz2020/2/5垂直集中力作用下土中的附加应力27常将z方向正应力写成如下形式式中：α--集中荷载作用下的地基竖向附加应力系数，有α是(r/z)的函数，可制成表一供查用。*集中力作用在土体内时由明德林解求得。2020/2/5分布载荷作用下土中的附加应力282，分布载荷作用下土中的附加应力2.1任意分布荷载作用下土中附加应力计算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，可用如下方法处理：a.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；b.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。351132nniizziiiizpARFFzFzzyxddyxpzRdpzd2/5222353])()[(),(23232020/2/5分布载荷作用下土中的附加应力292.2矩形面积承受竖直均布荷载作用时的附加应力地基表面有一矩形面积，宽度为B，长度为L，其上作用着竖直均布荷载，荷载强度为p，求地基内各点的附加应力σz。这类问题的求解方法是：先求出矩形面积角点下的附加应力，再利用角点法求出任意点下的附加应力。(一)角点下的附加应力角点下的附加应力是指右图中O、A、C、D四个角点下任意深度z处的附加应力。通过应力叠加原理，可计算出均布荷载作用在角点O以下深度z处M点所引起的竖直向附加应力，有2020/2/5分布载荷作用下土中的附加应力30式中：αc为矩形竖直向均布荷载角点下的应力分布系数，它是n=L/B和m=z/B的函数，可从表2中查得。(二)任意点的附加应力--角点法利用矩形面积角点下的附加应力计算公式(上式)和应力叠加原理，推求地基中任意点的附加应力的方法称为角点法。角点法的应用分下列两种情况1.计算矩形面积内任一点M′深度为z的附加应力。2.计算矩形面积外任意点M′深度为z的附加应力。322250032()lbzcApzdxdydpxyzα2020/2/5分布载荷作用下土中的附加应力31计算方法对第一种情况，过M′点将矩形abcd分成4个小矩形(如图ａ)，M′点为4个小矩形的公共角点，则M′点下任意z深度处的附加应力为(演示)对第二种情况，仍然设法使M′点成为几个小矩形面积的公共角点，(如图ｂ)所示。然后将其应力进行代数叠加。(演示)·2020/2/5分布载荷作用下土中的附加应力322.3均布条形荷载下地基中的附加应力条形分布荷载下土中应力计算属