第四章土中应力

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土力学-第四章土中应力

土力学-第四章土中应力

γ1 h1 + γ 2h2 + γ′3h3 + γ′4h4 + γw(h3+h4)
天津城市建设学院土木系岩土教研室
4.2.2
成层土中自重应力
土力学
【例】一地基由多层土组成,地质剖面如下图所示,试计算 一地基由多层土组成,地质剖面如下图所示, 并绘制自重应力σcz沿深度的分布图
天津城市建设学院土木系岩土教研室
天津城市建设学院土木系岩土教研室
4.2.4
土质堤坝自身的自重应力
土力学
为了实用方便,不论是均质的或非均质的土质堤坝, 为了实用方便,不论是均质的或非均质的土质堤坝,其自身任 意点的自重应力均假定等于单位面积上该计算点以上土柱的有 意点的自重应力均假定等于单位面积上该计算点以上土柱的有 效重度与土柱高度的乘积。 效重度与土柱高度的乘积。
土体在自身重力、建筑物荷载、交通荷载或其他因素( 土体在自身重力、建筑物荷载、交通荷载或其他因素(渗 地震等)的作用力下,均可产生土中应力。 流、地震等)的作用力下,均可产生土中应力。土中应力过大 会导致土体的强度破坏, 时,会导致土体的强度破坏,使土工建筑物发生土坡失稳或使 建筑物地基的承载力不足而发生失稳。 建筑物地基的承载力不足而发生失稳。 土中应力的分布规律和计算方法是土力学的基本内容之一 自重 应力
p0 = p − σ ch = p − γ m h
在沉降计算中,考虑基坑回弱和再压缩而增加沉降,改取p =p-(0~1)σ 在沉降计算中,考虑基坑回弱和再压缩而增加沉降,改取p0=p-(0~1)σch, 此式应保证坑底土质不发生泡水膨胀。 此式应保证坑底土质不发生泡水膨胀。
式中: 基底平均压力, Pa; σch—基底处土中自重应力,kPa; 基底处土中自重应力, 式中:p—基底平均压力,kPa; 基底平均压力 基底处土中自重应力 kPa; γm—基底标高以上天然土层的加权平均重度,水位以下的取浮重度,kN/m3; 基底标高以上天然土层的加权平均重度, 基底标高以上天然土层的加权平均重度 水位以下的取浮重度, h—从天然地面算起的基础埋深,m,h=h1+h2+…… 从天然地面算起的基础埋深, 从天然地面算起的基础埋深

土力学-土中应力计算

土力学-土中应力计算

(1)地下水位下降情况
水位未降前 scz前=′z
水位下降后
scz后 = z
scz后 scz前
因scz后 scz前 土中有效应力增加
地面沉降
原地下水位 1
变动后地下水位 1′
原自重应力分布曲线
1′
变动后地下水位
1
原地下水位
地下水位变动后的 自重应力分布曲线
2′
2
z
2
2′
z
(2)地下水位上升
地基土和基础的刚度;荷载;基础埋深;地基土性质
基底压力是地基和 基础在上部荷载作 用下相互作用的结 果,受荷载条件、 基础条件和地基条 件的影响
暂不考虑上部结构的影 响,用荷载代替上部结 构,使问题得以简化
•大小
荷载条件: •方向
•分布
基础条件:
• 刚度 • 形状 • 大小 • 埋深
• 土类
地基条件: • 密度
二.水平向自重应力计算
s cx s cy K0s cz
z
K0——侧压力系数
t 0
scz scy
W
scx
F=1
无侧向变形(有侧限)条件下:
scz scx
εx εy 0
σx σy
scy
根据弹性力学中广义虎克定律:
εx
1 E
σx
υ
σy
σz
ch s cx s cy K0s cz
K0
• 土层结构等
1.基础的刚度的影响
柔性基础(EI=0)
Eg.土坝(堤)、路基、油罐等薄板基础、机场跑道。
沉降各处不同, 中央大边缘小
变形地面
反力
基底压力分布与 作用的荷载的分
布完全相同

第四章 土体中的应力

第四章 土体中的应力

PV=Pcos
Ph=Psin
1)铅直分力PV的基底压力
pv
情况相同。

Pv A
(1
6e ) B
பைடு நூலகம்
与铅直偏心荷载作用下的基底压力
2)水平分力的基底压力
分两种情况计算: 设基底压力均匀分布:ph

Ph A

P sin
A
设pv与ph成正比:ph=pvtg
水平向基底压力沿基础底面呈水平向均匀分布,称为水
4、梯形荷载及水平荷载作用情况 这种情况实际上是前面三种情况的组合。梯
形铅直荷载是由铅直均布荷载和铅直三角形荷载 组成,外加均布水平荷载。计算某一点的附加应 力时,按照前面的公式,分别求出每种情况下的 铅直向附加应力,然后进行叠加即可。
注意: 一定要使计算点落在矩形基础的角点下,如
计算点不在矩形基础的角点下,则应进行荷载调 整和矩形调整,用分部综合角点法计算。
第四章 土体中的应力
第一节 概述
一、研究目的 构筑在地基上的建筑物,外加荷载通过基础传给地基,地基就产
生应力和变形。如果地基的变形和强度超过地基的容许范围,就会引 起建筑物失事。而地基的变形控制着建筑物的沉降,地基的强度控制 建筑物的稳定。所以研究应力和变形,就是为了计算地基的沉降量和 稳定性。
二、引起土中应力的因素 自重,外荷载,渗流力,地震
五、平面问题的铅直向附加应力计算 1、条形基础受铅直向均布线荷载作用下的铅直向附加应力
y
x
z
z
线荷载指的是沿直线上分布的铅直均布荷载,即受荷
宽度很小,趋于极小值。这时,地基下任一深度由铅直均 布线荷载引起的铅直向附加应力为:
z

2 pz3

4 土力学(stress)土中应力

4 土力学(stress)土中应力
基底标高以上天然土的 加权平均重度 (天然地面起)
桥台前后填土引起的基底附加应力计算
椎体也是填土
4-13 竖向附加应力系数 竖向附加应力系数 (p 94 表4-1)
p02 2 2 H 2
p01 1 1H1
Valentin Joseph Boussinesq (1842-1929) 法国著名物理家和数学家,对数学物理、流体力学和 固体力学都有贡献。
基底 压力 合力 与总 荷载 相等
pmin 0
p max
p max
p max
2P 2P 3KL 3(B 2 e ' )L
e<B/6: 梯形
e=B/6: 三角形
e’>B/6: 出现拉应力区
1)竖向静力平衡
F + G = 基底压力的反力合力Fa
F B Ke x L
K=B/2-e
2)基底压力重新调整后
3K y p min 0
e’ Fa
2(F G) 2(F G) 3KL 3(B 2 e ' )L
p max
注意:
偏心荷载作用下(e>l/6)时,偏心距e’的确定: 错误:e = 力作用点距离中心线的距离 正确:由于e>l/6,因此基底压力重新分布,e’ = M/(F+G)
§4 土中应力
第一节
概述
土中的应力主要包括:土体本身的重量产生的自 重应力;建筑物荷载引起的附加应力;土中渗透 水流引起的渗透应力。本章将只介绍自重应力和 附加应力。
计算地基应力时,一般将地基看作是一个具有水 平界面,深度和广度都无限大的空间弹性体。
§4 土中应力
土中应力符号的规定
zx

土力学1-第4章

土力学1-第4章

• 水平地基中的 自重应力
• 土石坝的自重 应力(自学)
§4.2 土中自重应力
土体的自重应力
定义:在修建建筑物以前,地基中由土体本身 的有效重量而产生的应力
目的:确定土体的初始应力状态
假定:水平地基 半无限空间体 半无限弹性体 有侧限应变条件 一维问题
计算: 地下水位以上用天然容重 地下水位以下用浮容重
§4.3 基底压力
基底压力的 分布形式十
分复杂
基底压力的简化计算
圣维南原理:
基底压力分布的影响仅限于一定深 度范围,之外的地基附加应力只取 决于荷载合力的大小、方向和位置
简化计算方法: 假定基底压力按直线分布的材料力学方法
§4.3 基底压力
基础形状与荷载条件的组合
竖直中心
竖直偏心

F

L
B
pP A
不同将会产生弯矩
条形基础,竖直均布荷载
弹性地基,绝对刚性基础
抗弯刚度EI=∞ → M≠0 基础只能保持平面下沉不能弯曲 分布: 中间小, 两端无穷大
§4.3 基底压力
基底压力的分布
弹塑性地基,有限刚度基础
— 荷载较小 — 荷载较大 — 荷载很大
砂性土地基
粘性土地基
接近弹性解 马鞍型 倒钟型
地面
1 h1
2 h2 地下水 z
2 h3 cy
cz cx
原水位
1h1
cz
2h2
2h3
z
水位下降
讨论题
1、地下水位的升降是否会引起土中自重应力的变化?
地面
1 h1
2 h2 原水位 z
3 h3 cy
cz cx
地下水
1h1

土体中应力及有效应力原理

土体中应力及有效应力原理
二、基底压力的分布规律
1、弹性地基上的柔性基础(EI=0) 土坝(堤)、路基、油罐等薄板基础 机场跑道。可认为土坝底部的接触 压力分布与土坝的外形轮廓相同其大小等于各点以 上的土柱重量
§4.3 基底压力
2、弹性地基上的刚性基础(EI=) 砂土地基:由于颗粒间无粘聚力 基底压力呈抛物线分布
粘土地基:由于颗粒间有粘聚力 基础边缘能承受压力,荷载较小 时呈马鞍形分布,随着荷载增加 基底压力类似于抛物线分布
的应力与应变的基本关系出发来研究。 当应力很小时,土的应力·应变关系曲线 就不是一根直线,亦即土的变形具有明 显的非线性特征。
§4.1 概述
一、应力—应变关系假设
线弹性体
目前在计算地基中的应力时, 常假设土体为连续体、线弹性 及均质各向同性体。
实际上土是各向异性的、弹塑 性体
二、地基中的几种应力状态
2.按土体中骨架和孔隙的应力承担原理或应力传递方 式可分为有效应力和孔隙应力。
有效应力由土骨架传递或承担的应力。只有当土骨架传递或承 担应力后土体颗粒才会产生变形。同时增加了土体的强度 孔隙应力:由土中孔隙流体水和气体传递或承担的应力。
3.总应力: 总应力=有效应力+孔隙应力
研究地基的应力和变形,必须从土
验算土体的稳定性
土中应力按引起原因可分为:自重应力和附加应力
土中应力按传递方式可分为:有效应力和孔隙应力
土中应力:指土体在自身重力、建筑物和构筑物荷载,以及其 他因素(土中水的渗流、地震等)作用下,土中产生的应力。
1按引起的原因分为自重应力和附加应力
自重应力:由土体自身重量所产生的应力。由土粒骨架承担 附加应力:由外荷载(静或动)引起的土中应力。使土体彻底 产生变形和强度变化的主要原因。

第4章土中的应力和有效应力原理

第4章土中的应力和有效应力原理

淤泥层底 cz 1z1 2z2 3z3 4z4 41.05 16.7-107 87.95kN / m2
kN/m2 7.85 16.75
粉 质 黏 土 层 底 σcz = γ1z1 + γ2z2 + γ′3 z3
= 16.75 + (18.1-10) ×3 = 41.05k N/ m2
• 4.1 土自重应力的计算 • 4.2 基底压力的计算 • 4.3 荷载作用下地基附加应力计算 • 4.4 有效应力原理
土体中应力的方向: 法向应力:压应力为正,拉应力为负; 剪应力:逆时针方向为正,顺时针方向为负。 土体单轴压缩试验应力——应变曲线
§ 4.1 土自重应力的计算
一、竖向自重应力
§ 4.2 基础底面压力
分析地基中 应力、变形 及稳定性的 外荷载
基地压力:建筑荷载在基础底
面上产生的压应力,即基础底 面与地基接触面上的压应力。
计算基础结 构内力的外
荷载
地基反力:地基支撑基础
的反力。
基底附加应力
大小相等、 方向相反的 作用力与 反作用力
基底压力 分布规律
基底压力 简化计算
重要的工程意义
5 2 dxdy
s

p 2
arctan
n
m
m2 n2 1
mn

1
m2 n2 1 m2 n2

1

n2 1
z Kc p
Kc

1
2

arctan

n
m

m2 n2 1
m2
mn n
2
荷载

土中应力

土中应力
w : 水的重度
(2)当位于地下水位以下的土为坚硬不透水层,在坚硬不透水层土中只含有 结合水,计算不透水层顶面及以下的自重应力时按上覆土层的水重总量计算。即 采用饱和容重计算。
4.2.2 成层土中自重应力
cz
cz
1h1
1h1 2h2
1h1 2h2 3h3
wh3

2 (830 103.5) 3 0.861.5
482.4(kPa)
F+G
F=830kN
室内
M
0.6m
G
0.7m
e
pmax 3k=2.5m
b=1.5m l=3m
矩形基础在双向偏心荷载作 用下,若 pmin 0
则矩形基底边缘四个角点 处的压力可由下式计算
F+G y
My
x
Mx
b
l
pm pm
集中力时地基中任意点的应力和位移解
半空间表面
布辛奈斯克解
假设地基土为弹性半空间体
x
P
y
M(x、y、z)
z
4.4.1 竖向集中力作用时的地基附加应力
1. 布辛奈斯克解
p
o
αr
x y
x
M′
R θz
z
zx
y
M
xy
x
z
y yz
x y z xy yz
z

3p 2

z3 R5

3p 2z 2
(r 2
z5 z2)5/2

3 2

(r
/
1 z)2 1)
5/2

p z2
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条形基础,竖直均布荷载
弹性地基,绝对刚性基础
抗弯刚度EI=∞
基础只能保持平面下沉不能弯曲 分布: 中间小, 两端无穷大
基底压力的分布
§4.4 基底压力计算
进德修业 知行合一
弹塑性地基,有限刚度基础
— 荷载较小 — 荷载较大 — 荷载很大
接近弹性解 马鞍型 倒钟型
砂性土地基
粘性土地基
土体中应力
状态发生变化

引起地基土的变形,导致 建筑物的沉降、倾斜或水平位 移。 当应力超过地基土的强度 时,地基就会因丧失稳定性而 破坏,造成建筑物倒塌。
进德修业 知行合一
强度问题 变形问题
应力状态及应力应变关系
总应力

自重应力 附加应力
建筑物修建以前,地基中 由土体本身重量所引起的 应力Байду номын сангаас
建筑物重量等外荷载在地 基中引起的应力增量
确定K0值的方法:
试验法:侧压力仪
* 适用于饱和粘质土和砂性土 *
估算法: K0 1 sin 或 K0 0.19 0.233lg I p
* 适用于正常固结的黏性土 *
经验值法:
§4.2 自重应力
进德修业 知行合一 地面
分布规律
1 H1 2 H2
地下水
1H1
sz
2H2 2H3
条 形
B
p P B
P:单位长度上的荷载
B
Ph P Pv
基础形状与荷载条件的组合
§4.4 基底压力计算
进德修业 知行合一
P B
P
p( x, y )
B
P Mx y M y x A Ix Iy
M x P ey ;
x y
L
x
ey ex y
L
M y P ex
pmax e=l/6 pmin=0
pmax
pmin<0 基底压力重分布 pmax e>l/6
pmin=0
基底压力重分布
Pmax 2( F G ) 3bk F G 1 Pmax 3kb 2
偏心荷载作用在 基底压力分布图 形的形心上
1 F G Pmax 3kb 2
Pmax
4m
杂填土 γ = 16kN/m3 黏土 γ = 18kN/m3
解: P G F 20 2 4 2 680 1000KN
M 680kN 0.35m 238kN m
M e 0.238 P
pmax pmin
6 0.238 169.63 P 6e 1000 (1 ) kN / m2 1 80.38 2 4 4 A B
z
2 H3
sy
sz sx z

分布线的斜率是容重 在等容重地基中随深度呈直线分布
自重应力在成层地基中呈折线分布
在土层分界面处和地下水位处发生转折或突变(水平应力)
土体的自重应力
进德修业 知行合一
二、成层土的自重应力计算
cz 1h1 2h2 n hn i hi
进德修业 知行合一
第4章:土中应力
§4.1 概述 §4.2 自重应力 §4.3 基底压力计算
§4.4 附加应力
§4 土体中的应力计算
本章提要
• 自重应力计算 • 附加应力计算
进德修业 知行合一
学习要点
•土体应力计算-弹性理论 • 附加应力计算
土中应力是指土体在自身、建筑物荷载以及其他因素 (如土中水渗流、地震等)作用下,土中所产生的应 力。
三、基底附加压力 • 基底附加压力:作用于地基表面,由于建造建筑物而
新增加的压力称为基底附加压力,即导致地基中产生附 加应力的那部分基底压力 F
实际情况 F d 基底附加压力在数 值上等于基底压力 扣除基底标高处原 有土体的自重应力
基底附加压力
p0 p 0 d
自重应力
基底压力呈梯形分布时, 基底附加压力
B
P 6e p max 1 B B min
分解为竖直向和水平向荷 载,水平荷载引起的基底 水平应力视为均匀分布
条形基础竖直偏心荷载
倾斜偏心荷载
其它荷载
进德修业 知行合一
例:如图所示基础尺寸为
4m×2m,集中外荷载 F=680kN,基础(混凝土、
土体)的平均重度为
20kN/m3,试求基底平均压 力pmax、pmin。
194.1kPa
第4层
顶板处:
cz cz 3 w (h2 h3 )
103.1 10 (2.2 2.5) 150.1kPa
底板处:
cz 4 cz 4h4 150.1 22 2 194.1kPa
§4.4 基底压力计算
轴对称问题 常规三轴试验 侧限压缩试验
特殊应力状态
一维问题
2、应力计算时的基本假定 1)连续性假定 2)均质、各向同性假定 3)线性变形体假定 4)半无限体假定
§4.1 应力状态及应力应变关系
碎散体 非线性 弹塑性
连续介质 (宏观平均) 线弹性体 (应力较小时) 均质各向同性体 (土层性质变化不大)
进德修业 知行合一
侧限应力状态——一维问题
水平地基半无限空间体; 半无限弹性地基内的自重应 力只与Z有关; 土质点或土单元不可能有侧 向位移侧限应变条件; 任何竖直面都是对称面 应变条件
y x 0;
xy yz zx 0
o x
A B
y
z
sA sB
• 均质地基:
cz z
地面
• 成层地基: cz i Hi 水平向自重应力: cx cy K0 cz
1 H1 2 H2 3 H3 sy
地下水
z
sz sx

容重: 地下水位以上用天然容重 地下水位以下用浮容重
土体的自重应力
进德修业 知行合一
p0 max p0 min
pmax 0d pmin
例:某水池剖面如下图所示,基础底板面积A=8×10m2,池高
4m,其上总重量为3200kN。杂填土层的厚度为1米.试计算基 底埋置深度d分别为2m和4m时的基底平均附加压力的大小。
解:基底压力:
F G 3200 p 40kPa A 8 10
2( F G ) 3bk
§4.4 基底压力计算
进德修业 知行合一
竖直中心 矩 形
P B L
竖直偏心
P x y o B L
倾斜偏心
P B L
pP A
P M y My x p(x, y ) x A Ix Iy
P Pv Ph
P
P
P B
P Mx p( x ) B I
应力条件
xy yz zx 0;
x y ; x
x y z 0; E E
独立变量


z , z F(z)
x y
z K 0 z ; 1
K0:侧压力系数
进德修业 知行合一
三、土的应力-应变关系的假定
1、室内测定方法及一般规律

加载
线弹性
成层土 各向异性
卸载
ε
p
ε
e

理论:弹性力学解求解“弹性”土体中的应力 方法:解析方法优点:简单,易于绘成图表等
应力计算时的基本假定
§4.2 自重应力
进德修业 知行合一
定义:在修建建筑物以前,地基中由土体本身 的有效重量而产生的应力 目的:确定土体的初始应力状态 假定:水平地基 半无限空间体 半无限弹性体 有侧限应变条件 一维问题 计算: 地下水位以上用天然容重 地下水位以下用浮容重
讨论:
pmax F G 6e 1 pmin bl l
当e<l/6时,pmax,pmin>0,基底压力呈梯形分布 当e=l/6时,pmax>0,pmin=0,基底压力呈三角形分布 当e>l/6时,pmax>0,pmin<0,基底出现拉应力,基底压力重分布
pmax
pmin e<l/6
基底压力的分布
§4.4 基底压力计算
进德修业 知行合一
圣维南原理:
基底压力的 分布形式十 分复杂
基底压力分布的影响仅限于一定深 度范围,之外的地基附加应力只取 决于荷载合力的大小、方向和位置
简化计算方法: 假定基底压力按直线分布的材料力学方法
基底压力的简化计算
一、中心荷载作用下的基底压力
取室内外平 均埋深计算
暂不考虑上部结构的影 响,用荷载代替上部结 构,使问题得以简化
•大小 荷载条件: •方向 •分布
基础条件:
• • • •
刚度 形状 大小 埋深
• 土类 地基条件: • 密度 • 土层结构等
基底压力的影响因素
§4.4 基底压力计算
进德修业 知行合一
弹性地基,完全柔性基础
基础抗弯刚度EI=0
基础变形能完全适应地基表面的变形 基础上下压力分布必须完全相同,若 不同将会产生弯矩
G= GAd
若是条形基础, F,G取单位长度 基底面积计算
F G p A
二、偏心荷载作用下的基底压力
F+G
e e b l pmax pmin
作用于基础底面 形心上的力矩 M=(F+G)∙e
pmax F G M pmin A W
基础底面的抵 抗矩;矩形截 面W=bl2/6
pmax F G 6e 1 pmin bl l
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