土中 应 力 计 算
土力学课件 第3章 土中应力分布及计算.
计算如图所示水下地基土中的自重应力分布
水面 a 8m
粗砂 r=19KN/m3 rsat=19.5KN/m3
黏土r=19.３KN/m3 4m rsat=19.４KN/m3 W=20%,WL=55%,WP=24%
b 76KPa 176KPa c 253.2KPa
解：水下的粗砂层受到 水的浮力作用， 其有效重度： r , rsat rw 19.5 10 9.5 KN / m 3 粘土层因为W WP , 所以I L 0, 故认为土层 不受到水的浮力作用， 土层面上还受到 上面的静水压力作用。 a点：Z 0， CZ 0 KPa； b点：Z 8m, 该点位于粗砂层中，
应力符号规定
法向应力以压为正，剪应力方向的符号规定则与材料力 学相反。材料力学中规定剪应力以顺时针方向为正，土力学 中则规定剪应力以逆时针方向为正。
压为正，拉为负，剪应力以逆时针为正
土中的自重应力计算
土中应力按其起因可分为自重应力和附加应力两种。
自重应力是土受到重力作用产生的应力，自重应力一般是自 土体形成之日起就产生于土中。
二.成层土自重应力计算 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ri，则在深度z处土的自重应力计算公 式为：
cz i hi
i 1
n
z hi
i 1
n
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r值 发生变化的土层界面上。
◇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。
四．存在隔水层时土的自重应力计算
当地基中存在隔水层时，隔水层面以下土的自重应力应 考虑其上的静水压力作用。
第三章 土中应力
课程辅导 >>> 第三章、土中应力和地基应力分布第三章土中应力和地基应力分布一、内容简介土中应力是指自重、建筑物和构筑物荷载以及其他因素（如土中水的渗流、地震等）在土体中产生的应力。
土中应力过大时，会使土体发生破坏乃至发生滑动，失去稳定。
此外，附加应力会引起土体变形，使建筑物发生沉降、倾斜以及水平位移。
土是三相体，具有明显的非线性特征。
为简便起见，将地基土视作连续的、均匀的、各向同性的弹性半无限体，采用弹性理论公式计算土的应力。
这种假定同土体的实际情况有差别，不过其计算结果尚能满足实际工程的要求。
二、基本内容和要求1 ．基本内容（ 1 ）土中一点的应力状态；（ 2 ）弹性力学平衡方程及边界条件；（ 3 ）均匀满布荷载及自重应力作用下的应力计算；（ 4 ）垂直集中荷载、线状荷载、带状荷载、局部面积荷载作用下的应力计算；（５）基底接触压力；（６）刚性基础基底压力的简化计算方法。
2 ．基本要求★ 概念及基本原理【掌握】自重应力及附加应力； Winkler 假定；截面核心。
【理解】基底压力的分布规律。
★ 计算理论及计算方法【掌握】均匀满布荷载及自重作用下地基应力的计算；刚性基础基底压力简化算法的基本假定及计算；垂直集中、垂直线状荷载及带状荷载作用下地基应力的简化计算法；角点法；截面核心的计算。
三、重点内容介绍1 ．土中一点的应力状态土中一点的应力可用 6 个独立分量即、、、、、来表示。
其中，总可以找到三个相互正交的面，其上的 6 个剪应力分量均为 0 ，相应的法向应力称为主应力，并有。
对平面问题，设坐标系为x - z ，则有（ 3-1 ）最大主应力的作用方向与竖直线间的夹角θ由下式确定（ 3-2 ）2 ．弹性力学平衡方程设土体的重度为，则相应的平衡方程为在 x 轴方向（ 3 -3a ）在 y 轴方向（ 3-3b ）在 z 轴方向（ 3 -3c ）3 ．饱和土的有效应力原理外荷载在饱和土体内某点所产生的正应力由水和颗粒承担：其中，由水承担的应力称为孔隙水压力，颗粒之间的作用力所对应的应力称为有效应力，并有或（ 3-4 ）上式即为饱和土的有效应力公式。
土中应力计算的方法
力分布状况。
只有掌握了土中应力的计算方法和土中应力的分布规律，才 能正确运用土力学的基本原理和方法解决地基变形、土体稳 定等问题。因此，研究土中应力分布及计算方法是土力学的 重要内容之一。
二、土中应力计算的方法
目前计算土中应力的方法，主要是采用弹性理论，也就是把
地基土视为均质的、连续的、各向同性的半无限空间线弹性
一、基底压力的实际分布规律
1．柔性基础 若一个基础作用着均布荷载，并假设基础是由许多小块组成， 如下图所示，各小块之间光滑而无摩擦力，则这种基础即为 理想柔性基础（即基础的抗弯刚度），基础上的荷载通过小 块直接传递到地基土上，基础随着地基一起变形，基底压力 均匀分布，但基础底面的沉降则各处不同，中央大而边缘小。
四、土中应力的种类
（1）自重应力：由土体重力引起的应力称为自重应力。自重应 力一般是自土形成之日起就在土中产生，因此也将它称为长 驻应力。
（2）附加应力： 由于外荷载（如建筑物荷载、车辆荷载、土中水的渗透力、 地震力等）的作用，在土中产生的应力增量。
自重应力存在于任何土体中，附加应力则存在于受荷载影响
在土中任取一单元体，如下图所示。 作用在单元体上的
3个法向应力（正
应力）分量分别为 ，六个剪应力分量 分别为。剪应力的 脚标前面一个表示 剪应力作用面的法 线方向，后一个表示剪应力的作用方向。
应特别注意的是，在土力学中法向应力以压应力为正，拉应 力为负，这与一般固体力学中的符号规定有所不同。剪应力 的正负号规定是：以外法线与坐标轴方向一致的面为正面， 反之为负面；在正面上剪应力与坐标方向相反者为正，反之 为负；在负面上剪应力与坐标方向相同者为正，反之为负。
的那部分土层中。
修建建筑物前，土中应力属于自重应力；修建建筑物后，
土力学与地基基础——第3章 地基土中的应力计算
2021/1/5
57.0kPa
80.1kPa
103.1kPa 150.1kPa
n
cz1h12h2nhn ihi i1
194.1kPa
第三节 基底压力分布和计算
基底压力：建筑物荷载通过基础传递给地基的压力，也是地 基作用于基础底面的反力，因此又称为地基反力。为计算上部荷载 在地基土层中引起的附加应力，必须首先研究基础底面处接触面的 压力大小与分布情况。
l
l/2-e e>l/6
2021/1/5
偏心荷载作用线
应与基底压力的
b
合力作用线重合
FG1 2pma x32l eb
pmax
2F G
3 l eb
2
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。
• 建筑物建造前，土中早已存在自重应力，天然土层在自重应力作用 下的变形早已结束，只有基底附加应力才能引起地基的附加应力和 变形
有集中力的，但它在土的应力计算中是一个基本公式，应用集中力的解 答，通过叠加原理或者数值积分的方法可以得到各种分布荷载作用时的 土中应力计算公式。
• 集中荷载作用下的附加应力 • 矩形分布荷载作用下的附加应力 • 条形分布荷载作用下的附加应力 • 圆形分布荷载作用下的附加应力
基本解 叠加原理
2021/1/5
砂性土： 应考虑浮力作用。 液性指数 IL >=1 流动状态，自由水，考虑浮力；
粘性土： 液性指数 IL <=0 固体状态，结合水，不考虑浮； 液性指数 0<IL <1塑性状态，难确定，按不利状态。
液性指数 IL <=0，认为是不透水层（坚硬粘土或岩层），对于不 透水层，由于不存在水的浮力，所以层面和层面以下的自重应力按 上覆土层的水土总重计算。
第3章土中应力计算
n z/b
角点法求矩形面积均布荷载下竖向应力 一般计算步骤 （1）将待求点水平投影在荷载作用面上； （2）过投影点将荷载作用面划分为若干矩形 面积，且投影点必须是各矩形的公共角点； （3）计算单个矩形作用下某深度处的附加应 力并求代数和。 （4）p55，见例3.3，3.4。
计算点在基础内部
p
III IV
3F
2
yz 2 R5
zx
3F
2
xz 2 R5
单个竖向集中力作用 集中力作用下的地基竖向
应力系数
oF
xq r
R
x y
M(x,y,0)
z
z
F z2
y M(x,y,z)
z
对竖向应力进行推导可得
3
1
2
1
(
r z
)
2
5
/
2F
2 z 2
1
1
(
r z
)
2
5
/
2
F
z2
（P52，例3.2）
（5）竖向集中力作用引起的附加应力向深部向四 周无限传播，在传播过程中，应力强度不断降低 （应力扩散）
力的叠加原理
由几个外力共同作用时所引起的某一参数（内力、 应力或位移），等于每个外力单独作用时所引起的该参 数值的代数和
F1
F2
两个集中力
作用下σz的
z
叠加
1
2
多个集中力及不规则分布荷载作用
等代荷载法
（3）侧限应力状态：侧向应变为0的状态。地基在
自重作用下的应力状态。对于半无限弹性体，同深度处的 土单元受力相同，仅能发生竖向变形，不能发生侧向变形； 任何竖直面均为对称面，故任何竖直面和水平面均不会有 剪应力存在。
3 土中应力计算
28
3.4 地基附加应力
• 地基附加应力----指建筑物荷重在土体中引起的附加 于原有应力之上的应力。它是使地基发生变形，引起 建筑物沉降的主要原因。 • 地基附加应力计算的假定 (1)土是均质，各向同性 (2)直采用弹性力学理论解答。 (3)基底压力不考虑基础刚度影响。
• 叠加原理 当地基表面同时作用有几个力时，可分别计算每 一个力在地基中引起的附加应力，然后每一个力 在地基中引起的附加应力累加求出附加应力的总 和。
38
39
（2）
40
（3）
二、矩形荷载荷载下的地基附加应力
设矩形荷载面的长度和宽度分别为l和b 作用于地基上的竖向均布荷载 p0(kPa)， 求矩形荷载面角点下的地基附加应力，然后运用角点法求得 矩形荷载下任意点的地基附加应力
（一）、均布的矩形荷载
42
式中Kc为均布矩形荷载角点下的竖向附加应力系 数，简称角点应力系数，可按m及n值由表查得。
五、土中的应力状态。
土内一点的应力状态是指土内一点各个方向上应力
的大小。
土中的应力状态可用一个正六面单元体上的应力来表 示，作用在单元体上的3个法向应力分量为x、 y 、 z ， 6个切应力分量为:
τxy=τyx
τyz=τzy
τxz=τzx
8
3.2
土中的自重应力计算
一、均匀地基
1、竖直向自重应力(kN/m2)
10
• (1)土中任意截面都包括有骨架和孔隙的面积，所 以在地基应力计算时考虑的是土中单位面积上的 平均应力。 • (2)假设天然土体是一个半无限体，地基中的自重应 力状态属于侧限应力状态，地基土在自重作用下只 能产生竖向变形，而不能有侧向变形和剪切变形。 地基中任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。 (3)土中竖向和侧向的自重应力一般均指有效自重应力。 为了简便起见，把常用的竖向有效自重应力 ，简 称为自重应力，并改用符号 表示。
土中应力计算__
第2章土中应力计算一、知识点：概述土中自重应力基底压力(接触应力)2.3.1 基底压力的简化计算基底附加压力地基附加应力2.4.1 竖向集中力下的地基附加应力 2.4.2 矩形基础下的地基附加应力2.4.3 线荷载和条形荷载下的地基附加应力非均质和各向异性地基中的附加应力地基沉降的弹性力学公式二、考试内容：重点掌握内容1．自重应力在地基土中的分布规律，均匀土、分层土和有地下水位时土中自重应力的计算方法。
2．基底接触压力的概念，基底附加压力的概念及计算方法。
3．基底附加压力的概念，基底附加压力在地基土中的分布规律。
应用角点法计算地基土中任意一点的竖向附加应力。
三、本章内容：§ 概述建筑物的建造使地基土中原有的应力状态发生变化，从而引起地基变形，出现基础沉降。
由于建筑物荷载差异和地基不均匀等原因，基础各部分的沉降或多或少总是不均匀的，使得上部结构之中相应地产生额外的应力和变形。
基础不均匀沉降超过了一定的限度，将导致建筑物的开裂、歪斜甚至破坏，例如砖墙出现裂缝、吊车轮子出现卡轨或滑轨、高耸构筑物倾斜、机器转轴偏斜以及与建筑物连接管道断裂等等。
因此，研究地基变形，对于保证建筑物的正常使用、经济和牢固，都具有很大的意义。
地基的沉降，必须要从土的应力与应变的基本关系出发来研究。
对于地基土的应力一般要考虑基底附加应力、地基自重应力和地基附加应力。
地基的变形是由地基的附加应力导致，变形都有一个由开始到稳定的过程。
我们把地基稳定后的累计变形量称为最终沉降量。
地基应力一般包括由土自重引起的自重应力和由建筑物引起的附加应力，这两种应力的产生条件不相同，计算方法也有很大差别。
此外，以常规方法计算由建筑物引起的地基附加应力时，事先确定基础底面的压力分布是不可缺少的条件。
从地基和基础相互作用的假设出发，来分析地基上梁或板的内力和变形，以便设计这类结构复杂的连续基础时，也要以本章的有关内容为前提。
地基土的变形都有一个由开始到稳定的过程，各种土随着荷载大小等条件的不同，其所需时间的差别很大，关于地基变形随时间而增长的过程是土力学中固结理论的研究内容。
地基中应力计算.
室内设计地面
F +0.00
G
b p
(a)
d d
+0.00
F
室外设计地面 G
b
p
(b)
（二）偏心荷载下的 基底压力
单向偏心荷载下的矩形
基础如图所示。设计时通常 取基底长边方向与偏心方向 一致，此时两短边边缘最大 压力设计值pmax与最小压力设 计值pmin (kPa)按材料力学短 柱偏心受压公式计算：
3.1 土中自重应力
研究目的：确定土体的初始应力状态. 研究方法：土体简化为连续体，应用连 续体力学 (例如弹性力学)方法来研究 土中应力的分布。
3.1.1 均质土的自重应力
假设天然土体是一个半无限体，地面以下土质
均匀，天然重度为 (kN/m3)，则在天然地面下任意
深度z(m)处的竖向自重应力cz(kPa)，可取作用于 该深度水平面上任一单位面积上土柱的重量z l计
基底压力重新分布
根据偏心荷载应与
基底反力相平衡的条件，
荷载合力应通过三角形
反力分布图的形心[图(c)
中实线所示分布图形]，
由此可得基底边缘的最
大压力pmax为：
pmax
2(F G) 3bk
ｋ— 单向偏心
荷载作用点至
具有最大压力
的基底边缘的 距离(m)。
K=l/2-e
3.2.3 基底附加压力
一般情况下，建筑物建造前天然土层在自重 作用下的变形早已结束。因此，只有基底附加 压力才能引起地基的附加应力和变形。
而剪应力均为零，即
天然地面
cx= cy= K0cz
xy=yz=zx＝０
cz
z
1、土体中的应力计算
σ z α cp
z
M
m=L/B, n=z/B
（推倒公式见课本P18
z
查表1-3
L z c f ( B , L, z ) f ( , ) f ( m , n) B B
矩形面积垂直均布荷载角点下的应力分布系数αc
§1.3 地基附加应力 1.3.2 矩形荷载和圆形荷载作用时的地基附加应力
1.1.1 均质土中自重应力（σcz、σcx）
1.定义：自重应力—由土体自重在土中产生的力。 它是单位土体截面积上的平均应力。 2.计算: 基本假定:地面水平,地基是均质的各向同性的 半无限的直线变形体。
§1.1 土中自重应力
1.1.1 均质土中自重应力
σc z
A Z r rZ A
地面沉降使汛期河水外溢，全镇四周筑堤围堰形成“大包 围”，每年有半年时间靠排水站开泵排水，才能保证镇上 不被淹。 ——苏州东吴市盛泽镇
§1.1 土中自重应力 1.1.4 土质堤坝自身的自重应力
(有限构筑物的自重应力)
计算 面
计算 面
H γH1 H1 γH γH 0
地面
0
计算 面
§1 土中应力
3. 斜向偏心荷载下的基底压力
(参考其他土力学书籍)
将倾斜偏心荷载的合力分解成 竖向分量和水平分量。 竖向分量引起的基底压力按竖 直偏心荷载的计算公式计算 水平分量引起的基底压力按下 式计算 P Pv
Ph
矩形基础:
条形基础:
§1.2 基底压力 1.2.2 基底压力的简化计算
3. 斜向偏心荷载下的基压应力
M′
zm c p ( c1 c 2 )
（2）矩形荷载面边缘内一点的σz
土力学第四章 土中应力计算
建 筑
上部结构 （a）理想柔性基础； （b）路堤下的基底压力
物
设
基础
计
地基
（2）刚性基础。基底压力大小、分布状况与上部荷载的大小、分布状况 不相同。
例如：砂土地基 黏性土地基
— 荷载较小 — 荷载较大
砂性土地基
— 接近弹性解 — 马鞍型 — 抛物线型 — 倒钟型
粘性土地基
三、基底压力的简化计算
1、中心荷载下的基底压力
1H1
sz
2H2
2H3
sy
sx
z
说明：
1.地下水位以上土层采用天然重度，地下水位以下土层采用浮重度 2.非均质土中自重应力沿深度呈折线分布
均质地基
1 (1 2)
2
2
成层地基
例题分析
【例4.1】某地基土层情况及其物理性质指标如下图所示，试计算 a、b、c三个点 处的自重应力，并画出应力分布图。 【解】 首先确定各层土的重度。 粗砂：在水下且透水，采用浮重度，有
2）基础的刚度、平面形状、尺寸大小、埋置深度有关；
3）作用在基础上的荷载性质、大小和分布情况有关；
4）地基土的性质有关。
二、基底压力的分布规律
基础按刚度分为：（1）柔性基础（抗弯曲变形能力为0） （2）刚性基础（抗弯曲变形能力为∞） （3）有限刚性基础（弹性地基上梁板分析方法）
土力学 第三章、土的应力计算(2)
z2
arctan z
lb 令 m =l/b,n = z/b
l 2 b2 z2
c
1 2
m2
mn m2 2n2 1 n2 12 n2 m2 n2
12
arctan
n
m
m2 n2 1
z c p0
任意点的应力应力计算—角点法
利用角点下的应力计算公式和应力叠加 原理，推求地基中任意点的附加应力的方法 称为角点法。
1 2
3
R2 Rz z2 R3(R z)
x2 (2R z)
R3
(R
z)2
布辛奈斯克解 y
3P
2
y2z
R5
1 2
3
R2 Rz z2 R3(R z)
y2(2R z)
R3
(R
z)2
z
3P
2
z3 R5
3P
2R 2
cos3
xy
yx
3P
2
xyz
R5
1 2
3
xy(2R z)
3 土中应力计算
3.2.3 基底附加压力
一般情况下，建筑物建造前天然土层在自重 作用下的变形早已结束。因此，只有基底附加 压力才能引起地基的附加应力和变形。
p0= p - cd = p- 0d
0 ihi / hi
基础砌置天然地面 : 全部基底压 力=基底附加压力。 埋置一定深度，扣除基底标高处 原有的土中自重应力
1.在集中力P作用线上的z分布 2.在r＞0的竖直线上的z分布 3.在z ＝常数的水平面上i
Z
M Z
等代荷载法计算 z
z
1
F1 z2
2
F2 z2
地基中的应力计算
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第二节基底压力的计算
建筑物荷载通过基础传给地基，基础底面传递到地基表面的 压力称为基底压力，而地基支承基础的反力称为地基反力。 基底压力与地基反力是大小相等、方向相反的作用力与反作 用力。基底压力是分析地基中应力、变形及稳定性的外荷载， 地基反力则是计算基础结构内力的外荷载。因此，研究基底 压力的分布规律和计算方法具有重要的工程意义。
(2-2)
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第一节土体自重应力的计算
若有地下水存在，则水位以下各层土的重度 i 应以浮重
度层)，'i 则 在 m不i 透水w 层代层替面。处若浮地力下消水失位，以此下处存的在自不重透应水力层等(如于岩
全部上覆的水土总重，如图2-1 (b)所示。
四、有效自重应力
有效应力是接触面上接触应力的平均值，即是通过骨架传
三 、--成--侧土层压的土力泊地系松基数比自，;重应力计ccxz 算 1
。
当地基由成层土组成，如图2-1
了，重度为
式所示:
i
时，则在深度
z
(n az)i所处示的，自任重意应层力i的厚c度z 如为下zi
i 1
n
cz 1z1 2 z2 3z3 n zn i zi i 1
第一节 建筑工程地基的基本要求及地 基加固方法
与上部结构相比,地基与基础设计和施工中 的不确定因素较多,需要更多地依靠经验特 别是当地经验去解决实际问题.地基基础的 设计需同时满足强度和变形的要求,因为地 基基础的各种事故都是“强度”问题和 “变形”问题的反映.
二、地基加固方法 对已有地基基础加固的方法有基础补强注
土中应力计算
中心荷载作用下的基础，上部结构荷载P与基础自重G的合力Fv通过基 底形心，基底压力为均匀分布。平均基底压力为 集中力 P 矩形基础 P 线荷载
条形基础
P p b
p
分布荷载
第二章 土体应力计算
（二）偏心荷载下的基底压力 对于单向偏心荷载作用下的矩形面 积基底的刚性基础如图（a）、（b ）所示。 两端边缘最大压力pmax与最小压力 pmin可按下式计算：
式中
第二章 土体应力计算
根据叠加原理，易于推得角点2下的附加应力
σz2=（Ks－Kt1）pt=Kt2pt
附加应力系数Kt1，Kt2均是m=l/b，n=z/b的函 数，已制成表2－3，可供直接查用。
pt 2 x b z pt*x/b x
第二章 土体应力计算
（三）矩形面积基底受水平荷载作用时角点下的竖向附加应力
同理
这就是著名的符拉蒙（Flamant）解答。
第二章 土体应力计算
（二）条形基底均布荷载作用下地基附加应力 设条形基底宽度为b，作用有均布基底净压力pn，则由符拉蒙解答可得地 基中任意M点的竖向附加应力为
同理可求得σx，τxz的表达式如下
注意：积分是0
b, 要求：
原点在角点；X轴正向与荷载分布方向一致
第二章 土体应力计算
（四）条形基底受水平荷载作用时的附加应力
第二章 土体应力计算
2-1 概 述
支承建筑物荷载的土层称为地基。
与建筑物基础底面直接接触的土层称为持力层。
将持力层下面的土层称为下卧层。 土体的应力按引起的原因分为自重应力和附加应力；
按土体中土骨架和土中孔隙（水、气）的应力承担作用原理或应力传 递方式可分为有效应力和孔隙应（压）力。
有效应力——由土骨架传递（或承担）的应力。
工程地质与地基基础_03土中应力和沉降
变形模量E0
•土在无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值
。 变形模量与压 缩模量之间关系
土的泊松比， 一般0～0.5之间
其 中
§3.5地基最终沉降量
地基最终沉降量指地基变形稳定后基础底面的沉降
• 一量、分层总和法
1.基本假设
地基是均质、各向同性的半无限线性 变形体，可按弹性理论计算土中应力
一、竖向自重应力
• 土体中任意深度处的竖向自重应力等于单位面积上土 柱的有效重量
•天然地面
cz
•σcz= z
•1 •1
•z
•z
二、成层土的自重应力计算
•天然地面
•说明：
•h1 •1
•1.非均质土中自重应 力沿深度呈折线分布
•1 h1
•2.地下水位以下透水
土层采用浮重度
•h2 •2 •水位
面
•1 h1 +
•111.2kPa
•80.9kPa
•地基附加应 力分布曲线
•62.3kPa
•§3.4土的压缩性
•土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性。
压缩量的组成：
固体颗粒的压缩 土中水的压缩
占总压缩量的1/400不到 ，忽略不计
空气的排出
压缩量主要组成部分
水的排出
•说明：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果
•均布荷载情况
•p
•b/2 •b/2
•x •z
•x
•M
•z •三角形荷载情况
•pt
•b
•x
•z
•x
•M
•z
•Ksz ,Ktz条形基底竖向附 加应力系数, 均为m ,n的 函数，其中m=x/b， n=z/b，可查表得到
土体中的应力计算
2021/4/14
3
4.2 土体自重应力大小计算
1、深度z处单元体的竖向自重应力
cz:
cz = z (kpa)
水平方向法向应力,即侧压力cx:
cx= cy=k0 cz
k0 :静止侧压力系数, 与土的性质有关, 0.33---0.72
单元体各面上的剪应力均为零:
xy= yz= zx=0 成层土及有地下水时时的计算 cz = Σihi 2、主应力 和主平面: 为零的平面上的法向应力是 主应力,法向应力作用的平面称为主平面.
附加应力：附加应力的概念：由建筑物重量或其它作用在土层中引起的
应力，记为σx σy σz(表示不同方向的附加应力）
1)应力的基本概念 6个应力分量: 3个正应力, 3个剪应力可表示土体中一点的应力状态. 应力正负的约定: 法向应力以压为正, 以拉为负; 剪应力方向与坐标轴反向者为正,同向者为负. 2)土的材性 非均匀连续材料,工程上近似采用材料力学中关于应力的概念和表述方法
• 2.计算方法：
• p0= p - *d
• p0: kpa • p: 同前，kpa
• d: 同前，kpa
• :基础底面以上土的天然重度，KN/m3
• 释义：在基底接触压力中相当于土的自重应力部分 不会产生沉降，剩余部分是使地基产生沉降的原因。
• 2剩021/余4/14部分即基础底面附加压力础，取1延米计算：
P=(N+G)/ b N:上部结构传至基础顶面的荷载设计值，
KN/m G: 同上， KN/m G=20*d*1*b d:基础的埋深，m. 同上。 b:条基的宽度，m
P:kp2a021/4/14
9
• 2)偏心受荷 • N, M共同作用，M=N*e • 计算公式：pmax=N/F+M/W=N/F[1+6e/b]
土力学计算公式
土的不均匀程度:d 60CU = -d10式中d 60——小于某粒径颗粒含量占总土质量的 60%寸的粒径，该粒径称为 限定粒径d io---------------------------- 小于某粒径颗粒含量占总土质量的 10%寸的粒径，该粒径称为有效粒径。
C U 小于5时表示颗粒级配不良，大于10时表示颗粒级配良好 -1、土的密度p 和土的重力密度丫p = m (t/m 3 或 g/cm 3)v丫 = p g(KN/m 3) —般 g=10m/s 2p 表示土的天然密度称为土的湿密度丫表示天然重度。
天然状态下土的密度和重度的变化范围较大，一般p =1.62.2 (t/m 3), 丫 =16――22 (KN/用)2、土粒比重ds (相对密度)m s ds=v (s wp W 水的密度， 可取1t/m 33 土的含水量mo =x 100%m s换算指标4、土的孔隙比ev ve=v s5、土的孔隙率nn=W 100%6、土的饱和度SrvSr= V w V?7、土的干密度p叫(t/m 3)v3Y d—pd g(KN/m)8、土的饱和密度sat_ m s + V v P sat —PW 3—(t/m 3)饱和重度9、土的有效密度,和有效重度,ms-V/wp(t/m ) —p sat — p wg—Y sat - 丫w土的三相比例指标换算公式名称符号表达式常用换算公式单位密度PmP =—v含水量33 = --- x ioo^^m s土粒比重dsd s 二旦一V s^w孔隙比ee=V vV s孔隙率n n=V ^xioo%V饱和度SrSr= V w VV干土密度P dm s p d = V饱和土密度p satm+讥 p sat —V浮密度p，—m s-V\fwP =V10I P = 3 L - 3 P （不要百分号）液性指数I LDr=11、塑性指数I P-■ - ■ -P1L_ ------------------ ■ ■ L - ■3 L液限3 P塑限12、灵敏度：S=q u t = 一 qJq u ――原状土的无侧限抗压强度，kpa q u ――重塑土的无侧限抗压强度，kpa 13、湿陷性土h z - h zh oS zs ――自重湿陷系数；h o ――试样原始高度；h z ---------- 在饱和自重压力下试样变形稳定后的高度；h z ——在饱和自重压力作用下试样浸水湿陷变形稳定后的高度; 14、达西定律Q =』一 h 2 A=kiALi=v ---- 渗透速度；m/d(cm/s)k ---- 渗透系数，与土的渗透性能有关的系数， m/d(cm/s) i ――水力坡度水头梯度，或称水头梯度；nVd(cm 3/s) Q ――单位时间内的渗流量， L ---- 渗流距离，mh 1,h 2――两测压管水头m A ――渗流过水截面积，mV=k(i- i 0)i 0 ――初始水力坡降15、渗透系数的测定 常水头渗透试验VhQ= =kiA=k A F L变水头试验v=¥=kiK=— h vL tA22r 2 ■: (h2 -hi )lgr ihi, h2 ――抽水稳定后观测井内的地下水位， mri,r 2——观测井至抽水井的距离，m Q ――井的涌水量m 3/d K ---- 渗透系数，m/d 16、渗透力J=P i -P 2= Y 3 (h i -h 2)A单位渗透力临界水力坡降:=sat 4 = ds - 1cr - --------— I —y i +ewI7、土中应力(1)均质土的自重应力丫 一一土的重度，KN/mA ——土柱体的底面积 W ——土柱体的重量 KN; (2) 成层土的自重应力不同性质的土，各层土的自重不同，设第丫 i ,则第i 层底面处土的自重应力计算公式为：nQ z - 丫 i h i + 丫 2h 2+ 丫 3h 3+ •…+ Y n h n-' i h ii d地下水对自重应力的影响: 水的浮重度：Qv — Y此时土的自重应力为:Q z - Q w注：不透水层对自重应力的影响：若在地下水以下埋藏有不透水层(完整的 岩层或密实黏土层等)，因不透水层中不存在浮力，其重度要以天然重度计，而 且透水层中的范围内的水重也要作用在不透水层上， 即透水层与不透水层的临界 面处，自重应力发生突变，增加一个地下水的水压力。
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第2章 土中 应 力 计 算自重应力：由土体重力引起的应力附加应力：由于建筑物荷载在土中引起的应力 要求：正确理解自重应力、附加应力、基底压力、基底附加压力的概念及影响因素。
掌握各种应力的计算公式、计算方法及分布规律。
第一节 土中应力状态法向应力以压应力为正，拉应力为负；剪应力以逆时针方向为正，顺时针方向为负。
σx 、σy 、σz ，τxy =τyx 、τyz =τzy 、τzx =τxz ，第二节 土中的自重应力由土体重力引起的应力称为自重应力。
一般是自土体形成之日起就产生于土中。
一、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。
因此只有竖向自重应力σc z ，其值等于单位面积上土柱体的重力W 。
深度z 处土的自重应力为： 式中 γ为土的重度，kN/m 3 ；F 为土柱体的截面积m 2。
σcz 的分布:随深度z 线性增加，呈三角形分布。
二、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h i ，重度为γi ，则在深度z 处土的自重应力计算公式地下水位以上的土层取天然重度γ，地下水位以下的土层取有效重度γ`( γ` = γsat- γw) γw=10kN/m3 三、土层中有不透水层时的自重应力在地下水位以下，如果埋藏有不透水层（坚硬的粘土、基岩），该层面处的自重应力应按上覆土层的水土总重计算。
四、水平向自重应力式中K 0为侧压力系数，也称静止土压力系数ZF ZFF W cz γγσ===∑=+++=ii cz h h h h γγγγσ 332211wwii czhh ∑+=γγσ例题 2-1某土层及其物理性质指标如图所示，地下水位在地表下1.0 m ，计算土中自重应力并绘出分布a 点：b 点：c 点：d 点：例题 2-2某地基土层的地质剖面如图所示，计算各土层的自重应力并绘出分布 50m 处：48m 处：45m 顶：45m 不透水层面：43m 处：【课堂讨论】• 土的性质对自重应力有何影响?• 地下水位的升降是否会引起土中自重应力的变化？如何影响？作业1、20==h cz γσkpa h cz 6.1816.1811=⨯==γσkpa h h cz 4.271)108.18(6.182211=⨯-+=+=γγσz18.6kpa 27.4kpa52.6kpakpah h h cz 6.523)104.18(4.27332211=⨯-+=++=γγγσ0==h cz γσkpah cz 3621811=⨯==γσkpa h h cz 5.613)105.18(362211=⨯-+=+=γγσkpah h h ww cz 5.913105.612211=⨯+=++=γγγσkpah h h h w w cz 5.1292195.91332211=⨯+=+++=γγγγσzkpa36kpa5.61kpa 5.91kpa5.129cz第二节 基底压力的简化计算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。
一、基底压力的分布基底压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，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。
对刚性基础，在外荷载作用下，开始时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。
（a ）理想柔性基础 （b ）路堤下地基反力分布（a ）马鞍形 （b ）抛物线形 (c)钟形二、基底压力的简化计算实用上，通常将基底压力假设为线性分布情况按下列公式进行简化计算：中心荷载作用下的基底压力：偏心荷载作用下的基底压力： 地基反力FG基底压力p)be61(lb G F W M A G F pp minmax±+=±+=AG F p +=F --荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值.G -基础自重及回填土总重， 式中l ，b 为基底平面的长边与短边尺寸。
在l 方向偏心.偏心荷载作用下的基底压力：1）当 e <b/6 时，基底压力呈梯形分布，p min ＞0； 2）当e ＝b/6 时，基底压力呈三角形分布，p min ＝0；3）e >b/6 时，即荷载作用点在截面核心外，p min ＜0；基底地基反力出现拉力。
此时基底与地基土局部脱开，使基底压力重新分布。
根据偏心荷载与基底压力的平衡条件，得p max 为：a 为竖向荷载作用点至最大压力边缘的距离a=b/2-e（a ）中心荷载下 （b ）偏心荷载e<b ／6时 （c ）偏心荷载e=b ／6时（d ）偏心荷载e>b ／6时三、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p 0。
因此，基底附加压力是上部结构和基础传到基底压力与基底处原先存在于土中的自重应力之差，按下式计算：d-从天然地面算起的基础埋深。
例2-3：已知某基础的底面尺寸为3m ×2m ，基底中心处的偏心力矩Mk =147KN.m ，竖向力F k +G k =490kN,求基底压力。
若已知基础埋深2.0米，γ=16kN/m3，计算基底附加压力。
解：3G Gm /kN 20hA G ==γγd p p p cz 0γσ-=-=m 5.06l m 3.010********G F M e 33k k k =<=⨯⨯=+=2k k min k max k m /kN 67.3267.130)33.061(23490)b e 61(bl G F p p =⨯±⨯=±+=2min k min 02max k max 0m /kN 67.021667.32d p p m /kN 67.9821667.130d p p =⨯-=-==⨯-=-=γγ6lb W 2=al3)G F (2p max +=例2―4 某柱基础，作用在设计地面处的柱荷载、基础尺寸、埋深及地基条件如图示，计算基底压力和基底附加压力。
解=G Ad G γkN 4833.25.30.320=⨯⨯⨯=GF Me +=∑m 169.048310503.267105=+⨯+=m583.065.36b ==<kpa 7.103kpa 3.188)5.3169.061(0.35.34831050)b e 61(bl G F p pmin max =⨯±⨯+=±+=3212211m /kN 69.168.05.18.0185.116h h h h =+⨯+⨯=+⨯+⨯=γγγ2min min 02max max 0m /kN 3.653.269.167.103d p p m /kN 9.1493.269.163.188d p p =⨯-=-==⨯-=-=γγ第四节 土 中 附 加 应 力1、土中附加应力是由建筑物荷载在地基内引起的应力。
2、由基底附加应力引起的地基中任一点的附加应力如何确定？ 在计算地基中的附加应力时，一般均假定： ①基础刚度为零，即基底作用的是柔性荷载； ②地基是连续、均匀、各向同性的线性变形体。
③地基是半无限空间弹性体 采用弹性力学解答。
一、竖向集中力P 作用下的地基附加应力以集中力P 的作用点为原点,以P 的作用线为Z 轴建立起三轴坐标系(Oxyz)，则M 点的坐标为(x,y,z )α—集中力作用下土中附加应力系数，可由表查得。
附加应力在地基中的分布规律如图集中力在地基中引起的附加应力是向深部、四周传播. 1.在集中力Ｆ作用线上,σz 随深度增加而递减； 2、在地面下水平面上,σz 向两侧逐渐减小；3、在r ＞０的竖直线上，随ｚ的增加，σz 从小增大，至一定深度后又随ｚ的增加而变小；4、距离地面越远，附加应力分布的范围越广POxyzM(x,y,z)rz R θ mxyθππσ3253z cos R2P 3R 2Pz 3==2225253z z Pz P z r 1123R 2Pz 3αππσ=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+==2z z P ασ=252z r 1123⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛+=πα当地基表面作用有几个集中力时，可分别算出各集中力在地基中引起的附加应力，然后根据应力叠加原理求出附加应力的总和。
在实际工程中，建筑物荷载都是通过一定尺寸的基础传递给地基的。
对于不同的基础形状和基础底面的压力分布，都可利用布氏公式，通过积分法或等代荷载法求得地基中任意点的附加应力值σz。
具体求解时又分为空间和平面问题的附加应力。
若基础的长度与宽度之比l/b＜10时，地基中的附加应力计算问题属于空间问题。
二、矩形面积受均布荷载作用下的附加应力计算角点O下z深度处的附加应力σz可按下式计算。
式中αc—均布垂直荷载作用下矩形基底角点下的竖向附加应力分布系数，由l/b、z/b查表得到，l恒为基础长边，b为基础短边。
对于均布矩形荷载下的附加应力计算点不位于角点下的情况，可利用上式以角点法求得。
角点法：通过O点将荷载面分成若干个矩形面积，O点就必然是各个矩形的公共角点，然后再计算每个矩形角点下同一深度z处的附加应力σz，并求其代数和。
1、O点在荷载面边缘：2、O点在荷载面内：3、O点在荷载面边缘外侧：4、O点在荷载面角点外侧：应用角点法时应注意的问题：①划出的每一个矩形，都有一个角点为O 点；②所有划出的各矩形面积的代数和，应等于原有受荷的面积； ③所划出的每一个矩形面积中，l 为长边，b 为短边。
例2-5 某矩形基础，长2.0 m ，宽1.0ｍ，基底的附加压力为100 kPa ，如图所示，计算此矩形面积的角点A 、边点E 、中点O ，矩形面积外F 点和G 点下，深度z =2.0ｍ处的附加应力。
(1)计算角点A 下的附加应力:查得αc =0.1202(2)计算边点E 下的附加应力作辅助线IE ，将原来的矩形ABCD 划分为两个相等的小矩形EADI 和EBCI 。
查得αc =0.084=2×0.0840×100=16.8 kPa (3) 计算中点O 下的附加应力作辅助线JK ，IE 将原来的矩形ABCD 划分为四个相等的小矩形OEAJ 、OJDI 、OICK和OEBK 。
查得αc =0.0474=4×0.0474×100≈19 kPa (4) 计算矩形面积外F 点下的附加应力作辅助线CH 、JF 、BG 和HG ，将原来的矩形ABCD 划分为两个相等的长矩形FHDJ 、FGAJ 和两个小矩形FHCK 、FGBK 。