偏心荷载作用下基底压力推导
基底压力的分布规律地基土性质
cz = z
自重应力数值大小与土层厚度成正比
当地基有多个不同重度的土层组成时，则任意深度处的竖向自 重应力可按应力叠加的方法求得：
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
cz
cx
cz z
σcz= z
z
cy
1
1
z
土当地基由多个不同重度的土层（成层土）时：
x
W
R z
dz
dtzy dtyz dy dtyx dtzx
R r 2 z2
y M(x,y,z,) z
dtxy
dtxz dx
建筑荷载主要以竖向荷载为主，故只考虑竖向应力。
3P σz = 2π z3 3P 3 = c o s θ R 5 2πR 2
R = r2 + z2
3P z 3 σz = • 5 2π R
3P z3 3 1 P σz = = 2π (r 2 + z 2 )5 / 2 2π [( r / z)2 + 1]5 / 2 z 2
P z a 2 z
a-集中力作用下的竖向附加应力系数 查表3-1。
集中荷载产生的竖向附加应力存在着如下规律： 1.在集中力P的作用线上, z 沿P作用线上 的分布随深度增加而递减。 2.在r>0的竖直线上， 从零逐渐增大，至一定深度后又随着 z 的增加而逐渐变小。 z 3.在z为常数的水平面上， 随着深度z的增加，集中力作用线上的 减小，但随r的增加而逐渐减 小。 z 若在空间将 的点连成曲面，就可以得到 的等值线，其空间曲 z 面的性状如同泡状，所以也称为应力泡。 z
3.1 土层自重应力 3.2 基底压力 3.3 土中附加应力
基底压力的简化计算
二、基底压力的简化计算（一）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(图3-19)，其值按下式计算：对于矩形基础式中：p--基底压力(kPa)；P--作用于基础底面的竖直荷载(kN)；F--上部结构荷载设计值 (kN) ；G--基础自重设计值和基础台阶上回填土重力之和（kN），G=γ·A·D；γ--基础材料和回填土平均重度，一般取20kN/m3；A--基底面积 (m2 )；A=BL，B和L分别为矩形基础的宽度和长度 (m)；D--基础埋置深度 (m)。
对于条形基础，在长度方向上取1m计算，故有：式中：p--沿基础长度方向1m内相应的荷载值kN/m；其余意义同上。
（二）单向偏心荷载作用下矩形基础受偏心荷载作用时，基底压力可按材料力学偏心受压柱计算。
如果基础只受单向偏心荷载作用时，基底两端的压力为：式中：e--竖直荷载的偏心矩(m)；其余意义同上。
按式(3-16)计算，基底压力分布有下列三种情况：（1）当e<B/6时，p min为正值，基底压力为梯形分布(图3-20a)；（2）当e=B/6时，p min=0，基底压力按三角形分布(图3-20b)；（3）当e>B/6 时，p min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(图3-20c)。
这时，可根据力的平衡原理确定基础底面的受压宽度和应力大小(图3-20c)，有基础受压宽度：基础底面最大应力：式中：K=B/2-e，符号意义同前。
若条形基础受偏心荷载作用，同样可取长度方向上的一延米进行计算，则基底宽度方向两端的压力为：基底压力的具体求解方法参见例题3-4。
【例题3-4】柱基础底面尺寸为1.2×1.0m2，作用在基础底面的偏心荷载F+G=150kN，如下图所示。
如果偏心距分别为0.1m、0.2m、0.3m。
土力学四校合编课后习题答案解析
2-8单元1-1、砂类土和粘性土各有那些典型的形成作用？ 【答】土在其形成过程中有各种风化作用共同参与，它们同时进行。
砂类土主要是由于温度变化、波浪冲击、地震引起的物理力使岩体崩解、破碎形成。
粘性土主要是岩体与空气、水和各种水溶液相互作用形成。
2-2、有一饱和的原状土样切满于容积为21.7cm 3的环刀内，称得总质量为72.49g ，经105℃烘干至恒重为61.28g ，已知环刀质量为32.54g ，土粒比重为2.74，试求该土样的湿密度、含水量、干密度及孔隙比（要求汇出土的三相比例示意图，按三相比例指标的定义求解）。
解：3/84.17.2154.3249.72cm g V m =-==ρ%3954.3228.6128.6149.72=--==S W m m ω 3/32.17.2154.3228.61cm g V m S d =-==ρ 069.149.1021.11===S V V V e 2-3、某原状土样的密度为1.85g/cm 3，含水量为34%，土粒相对密度为2.71，试求该土样的饱和密度、有效密度和有效重度（先推导公式然后求解）。
解：（1）VV m WV s sat ρρ⋅+=W S m m m += SW m m =ω 设1=S m ρω+=∴1VW S S S V m d ρ=WS W S S S d d m V ρρ⋅=⋅=∴1()()()()()()3W S S W S S W W satcm /87g .1171.20.341171.285.1d 11d 11d 111d 11111=+⨯+-⨯=++-=+++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=+-++=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-++=∴ρωρωρωρωρρωρρωρρρωρW S d 有（2）()3'/87.0187.1cm g VV V V V V V m V V m W sat W V Ssat WV W V W S S W S S =-=-=+-=-+-=-=ρρρρρρρρρ （3）3''/7.81087.0cm kN g =⨯=⋅=ργ 或3'3/7.8107.18/7.181087.1cmkN cm kN g W sat sat sat =-=-==⨯=⋅=γγγργ2-4、某砂土土样的密度为1.77g/cm 3，含水量9.8%，土粒相对密度为2.67，烘干后测定最小孔隙比为0.461，最大孔隙比为0.943，试求孔隙比e 和相对密实度Dr ，并评定该砂土的密实度。
土的自重应力、基底压力和地基附加应力
arctan
lb
2 l2 z2 b2 z2 l2 b2 z2
z l 2 b2 z2
角点下的地基附加应力：
取 m=l/b,n=z/b（注意其中b为荷载面的短边宽 度），令：
Kc
1
2
mn m2 2n2 1 m2 n2 12 n2 m2 n2
12
arctan n
剪应力：
xy
yx
3P
2
xyz
R5
1 2
3
xy(2R z)
R3
(
R
z
)2
yz
zy
3P
2
yz2 R5
3Py
2R3
cos2
xz
zx
3P
2
xz2 R5
3Px
2R3
cos2
x、y、z — 剪应力，其中前一脚标表示与它作用的微
面的法线方向平行的座标轴，后一脚标表示与它作用方 向平行的座标轴；
解:
cz1 1h1 19 2.0 38kPa cz 2 1h1 1'h2
38 (19.4 10) 2.5 61.5kPa
cz3
1h1
1'h2
' 2
h3
61.5 (17.4 10) 4.5 96.6kPa
w 2 (h2 h3 ) 10 7.0 70.0kPa
• 在深基坑开挖中，需 大量抽取地下水，以致 地下水位大幅度下降， 引起土的重度改变，从 而造成地表大面积下沉 的严重后果。 • 若地下水位长期上升， 会引起地基承载力的减 小、湿陷性土的陷塌现 象等，必须引起注意。
【例4-1】
试计算下图所示土层的自重应力及作用在基岩顶面的土自重 应力和静水压力之和，并绘制自重应力分布图。
土力学复习中国建工出版社(第三版)课后习题答案
1-8单元1-1、砂类土和粘性土各有那些典型的形成作用？【答】土在其形成过程中有各种风化作用共同参与，它们同时进行。
砂类土主要是由于温度变化、波浪冲击、地震引起的物理力使岩体崩解、破碎形成。
粘性土主要是岩体与空气、水和各种水溶液相互作用形成。
2-2、有一饱和的原状土样切满于容积为21.7cm 3的环刀内，称得总质量为72.49g ，经105℃烘干至恒重为61.28g ，已知环刀质量为32.54g ，土粒比重为2.74，试求该土样的湿密度、含水量、干密度及孔隙比（要求汇出土的三相比例示意图，按三相比例指标的定义求解）。
解：3/84.17.2154.3249.72cm g V m =-==ρ %3954.3228.6128.6149.72=--==S W m m ω 3/32.17.2154.3228.61cm g V m S d =-==ρ 069.149.1021.11===S V V V e 2-3、某原状土样的密度为1.85g/cm 3，含水量为34%，土粒相对密度为2.71，试求该土样的饱和密度、有效密度和有效重度（先推导公式然后求解）。
解：（1）VV m WV s sat ρρ⋅+=W S m m m += SW m m =ω 设1=S m ρω+=∴1VW S S S V m d ρ=WS W S S S d d m V ρρ⋅=⋅=∴1()()()()()()3W S S W S S W W satcm /87g .1171.20.341171.285.1d 11d 11d 111d 11111=+⨯+-⨯=++-=+++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=+-++=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-++=∴ρωρωρωρωρρωρρωρρρωρW S d 有（2）()3'/87.0187.1cm g VV V V V V V m V V m W sat W V Ssat WV W V W S S W S S =-=-=+-=-+-=-=ρρρρρρρρρ （3）3''/7.81087.0cm kN g =⨯=⋅=ργ或3'3/7.8107.18/7.181087.1cmkN cm kN g W sat sat sat =-=-==⨯=⋅=γγγργ2-4、某砂土土样的密度为1.77g/cm 3，含水量9.8%，土粒相对密度为2.67，烘干后测定最小孔隙比为0.461，最大孔隙比为0.943，试求孔隙比e 和相对密实度Dr ，并评定该砂土的密实度。
土力学-第三章地基中的应力计算2
宽度积分
条形面积竖向均布荷载
圆形面积竖向均布荷载 水平集中力 矩形内积分 矩形面积水平均布荷载
特殊荷载：将荷载和面积进行分 解，利用已知解和叠加原理求解
20
附加应力的分布规律——以带状荷载为例
（1）自重应力及均匀 满布荷载作用下的附 加应力的计算公式利 用对称性获得。 （2）以Boussinesq解 为基础，可得到线状、 带状、局部面积荷载 作用下的附加应力。 （3）线状、带状、局 部面积荷载作用下的 附加应力在水平方向 及深度方向逐渐衰减， 而均匀满布荷载产生 的附加应力不变。
（4）o点位于矩形面积边缘
o
A
B
z (k A kB ) p
(5)o点位于矩形面积外边缘
h
i
d
g
z (kabef kcefd kafgh kdfgi ) p
a
o
f
b
c
e
18
6. 矩形面积三角形分布荷载作用下的附加应力计算
y
z
b
0
a z 0 d z z ( pt , b , b )
8
竖直集中力－布辛涅斯克解
z
3 1 P P K 2 2 [1 ( r / z ) 2 ]5 / 2 z 2 z
P
σz与α无关，呈轴 对称分布 P作用线上
在某一水平面上 在r﹥0的竖直线上 z等值线-应力泡
应力泡
0.1P 0.05P 0.02P 0.01P
9
对于多个竖直集中力作用时可采用叠加原 理求解附加应力
xy xz yz 0
xz yz z x y z
（也可直接建立土柱 的受力平衡关系得到）
双向偏心受压矩形基础基底压力的计算
双向偏心受压矩形基础基底压力的计算摘要:受双向偏心荷载作用基础,当基础底面出现零应力区时,传统的设计方法难以计算其基底压力,本文给出了矩形基础底面出现零应力区时,基底压力的计算公式,编制了计算表格并应用于工程实际。
分析表明,采用新的允出现零应力区的设计方法,双向偏心受压基础的安全性和经济性均有较大提高。
关键词:矩形基础双向偏心竖向力基底压力1 引言在石油工程设计中,设备基础受力情况复杂,多为双向偏心受压(见图1),且常出现偏心距较大的情况。
设计时,按双向偏心荷载作用计算更为合理。
在现行的《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002[1]中,并未给出双向偏心荷载作用下的基底压力值计算公式。
传统计算方法按不允许基底出现零应力区设计。
这种方法过于保守,因此准确计算出基础在双向偏心荷载作用下的基底压力具有实际价值。
2 基底不出现零应力区时基底压力的计算2.1计算假定1基础底面压力为平面分布基础底面压力为平面分布2基础底面与地基之间只能传递压力不可能传递拉力。
这样一来,就以零压力线为界,将基础底面划分为两个区域,零压力线以外部分为零压力区,该区域基础底面压力为零;另一部分为基础底面的压力区。
基础顶面上的竖向力F全部经由压力区传至地基。
3基础为矩形刚性基础,在受力过程中没有变形,基础满足抗弯、抗剪、抗冲切要求。
基底出现零应力区时,矩形基础基底压力的计算同样应符合上述假定。
2.2计算模型Ⅰ通常的计算方法根据基础底面压力为平面分布的基本假定,认为基底不出现拉力,基础全截面受压,基底应力如图2所示,公式如下:通过公式(1)可以求出基底最大压应力P1,最小压应力P3。
2.3适用条件使用上式计算基底应力时,必须满足计算得出的最小压力Pmin≥0的条件,即基础底面不能出现拉力。
此时偏心距满足:。
实际工程中,当作用在基础上的竖向力F较小,弯矩M较大时,偏心距往往大于上述计算要求,要想满足Pmin≥0的条件,势必要选用较大的基础底面。
基底压力的简化计算
二、基底压力的简化计算（一）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(图3-19)，其值按下式计算：对于矩形基础式中：p--基底压力(kPa)；P--作用于基础底面的竖直荷载(kN)；F--上部结构荷载设计值 (kN) ；G--基础自重设计值和基础台阶上回填土重力之和（kN），G=γ·A·D；γ--基础材料和回填土平均重度，一般取20kN/m3；A--基底面积 (m2 )；A=BL，B和L分别为矩形基础的宽度和长度 (m)；D--基础埋置深度 (m)。
对于条形基础，在长度方向上取1m计算，故有：式中：p--沿基础长度方向1m内相应的荷载值kN/m；其余意义同上。
（二）单向偏心荷载作用下矩形基础受偏心荷载作用时，基底压力可按材料力学偏心受压柱计算。
如果基础只受单向偏心荷载作用时，基底两端的压力为：式中：e--竖直荷载的偏心矩(m)；其余意义同上。
按式(3-16)计算，基底压力分布有下列三种情况：（1）当e<B/6时，p min为正值，基底压力为梯形分布(图3-20a)；（2）当e=B/6时，p min=0，基底压力按三角形分布(图3-20b)；（3）当e>B/6 时，p min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(图3-20c)。
这时，可根据力的平衡原理确定基础底面的受压宽度和应力大小(图3-20c)，有基础受压宽度：基础底面最大应力：式中：K=B/2-e，符号意义同前。
若条形基础受偏心荷载作用，同样可取长度方向上的一延米进行计算，则基底宽度方向两端的压力为：基底压力的具体求解方法参见例题3-4。
【例题3-4】柱基础底面尺寸为1.2×1.0m2，作用在基础底面的偏心荷载F+G=150kN，如下图所示。
如果偏心距分别为0.1m、0.2m、0.3m。
天大《土力学与基础工程》学习笔记三
σ cz = γ 1h1 + γ 1 ' h2 + γ 2 ' h3 = 35.3KPa
2.3 基底应力 定义—地基与基础作用面上的应力， 又称接触应力。 也可说基础底面给地基 的压力或说地基给基础底面的压力。
影响因素：荷载的大小和分布；地基土的力学性质；基础埋深 柱下单独基础或墙下条形基础按直线分布计算。 2.3.1 基底压力计算 (一)中心荷载下的基底压力 F +G p= A 式中：F—作用于基础上的竖向力； G—基础自重及其上回填土的总重；
+Y
2
Ʊ Z 2 = Z / cos θ
θ —R 线与 z 坐标轴夹角；
γ —M 点至集中力作用点的水平距离；
E—弹性模量； M —泊松比。
以上公式中 σ Z , w 常用，点 O 点，R=0 代入结果无穷大。
(二)等代荷载法
荷载面积小，而 M 点距该荷载面大很多时用 pi 代替局部荷载
土力学与基础工程—学习笔记三
1．应力计算
σz =
K=
3P Z 3 3 P Z3 3 1 P P = = =K 2 5 5 5 2 2π R 2π (γ 2 + Z 2 ) 2 2π [(γ / Z ) 2 + 1] 2 Z Z
3 1 ，集中作用力下的 附加应力系数 2π [(γ / Z ) 2 + 1] 5 2
k CI ~ ohce k CII ~ ohbf k CIII ~ ogde k CIV ~ ogaf
土力学与基础工程—学习笔记三
(二)三角形分布的矩形荷载
p=
x dxdyp 0 b
在整个面积积分， 得 σ z = k t1 p0 (荷载零点)
均质土的自重应力二
w
h w
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：s cz h 0
b
s
点：
cz 1h1
18.6 1
18.6kpa
s cz 1h1 2h2
c 点： 18.6 (18.8 10) 1
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) γ w=10kN/m3或9.8kN/m3
二、 成层地基土的自重应力
s cz 1h1 2h2 3h3 i hi
成层土地基中，竖 直向自重应力也是 随深度的增加而增 大，但沿铅垂线的 分布图是一条折线， 转折点在不同土层 的分界面上
应力的变化？如何影响？
第三节 基础底面压力
建筑物荷载通过基础传递给地基的压力称为 基底压力，与此相对应的地基土对基础底面的 反作用力称为地基反力。
F
基础
G
地基
第三节 基础底面压力
建筑物荷载通过基础传递给地基的压力称为
基底压力，与此相对应的地基土对基础底面的
反作用力称为地基反力。
F
基础
基础
基底压 力
2、偏心荷载作用下基底压力:
A
pmax F G M F G ( 1 6e )
pmin
AW
lb
b
Fk—作用在基础顶面形心的竖向力值. Gk-基础自重及台阶回填土总重，
Gk G Ad G 20kN / m 3
式中l，b为基底平面的长边与宽边尺寸。
在b方向偏心.
荷载偏心方向边长为b.
3.3_基底压力计算
p max
2( F + G ) = l 3b( − e) 2
F+G
（3-9）
a
d My Mx l d p2 a pmin b b
y
c x
b
（2）双向偏心荷载 如图 3-10 所示，矩形基础在双向偏心荷 载作用下，若基底最小压力 p min ≥ 0 ，则矩 形基底边缘四个角点处的压力计算式为：
c pmax
若条形基础在宽度方向上受偏心荷载作用，同样可在长度方向取 1 延米进行 计算，则基底宽度方向两端的压力为：
pmax =
min
F + G ⎛ 6e ⎞ ⎜1 ± ⎟ b ⎝ b ⎠
41
（3-12）
式中 3.3.3
e —— 基础底面竖向荷载在宽度方向上的偏心矩。
基础底面附加压力计算 基底附加压力是指建筑物荷载引起的超出原有基底压力的压力增量。建筑物
p m ax
p m in >0 F +G e=l/6
b）
p min = 0 F +G e>l/6 p m in <0
3k=3 ( 1/2-e )
p m ax k
c）
pmax =
min
F +G M ± bl W
（3-7）
p m ax
式中 M —— 作用于基础底面处的力矩（kN.m） ；
图 3-9 矩形基础单向偏心荷载下 W ——基础底面处弯矩抵抗矩（m3） ， 基底反力分布 W = bl 2 / 6 ； l ——为力矩作用方向的基础边长（m） ； b ——矩形基础底面的短边长度（m） 。 将偏心荷载的偏心矩 e = M /( F + G ) 代入公式（3-7）得：
土力学及地基基础第7讲基底压力解析
自重应力
说明：当基坑平面尺寸和深度较大 时，应考虑坑底的回弹和再压缩而 增加沉降。
p0 p cd
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•例题分析
【例】已知如图所示柱基础所受荷载(相 应于荷载效应标准组合)为Fk= 700 kN ，Hk= 20 kN，Mk= 77.8kN·m；若基 础底面尺寸l×b = 1.6 m×2.4 m，室外 设计地面距基底距离为1.0 m，室内 设计地面高出室外设计地面0.3 m。 试求基底平均压力、基底最大压力和 基底最小压力。
pk max
2(Fk Gk )
3bl / 2 e
注意：e=Mk/(Fk+Gk)
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三、基底附加压力
一般情况下，由于土在自重作用下已经固结，只有新增的建筑 物荷载，才会引起地基压缩变形。当基础埋置于地面下一定深 度后，计算附加应力时用到的地面荷载强度不是基底压力的全 部，而应该将基底处原有的自重应力扣除。
分布形态无关，只与其合力的大小和作用点位置有关。 对于具有一定刚度以及尺寸较小的基础，其基底压力近似
视为线性分布，按材料力学公式进行简化计算。对于较复 杂的其他基础，一般需考虑上部结构和基础的刚度以及地 基土的力学性质的影响，按弹性地基梁板的方法计算。
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砂土
粘性土
基底压力影响因素：基础的形状、大小、刚度，埋深，基础上作 用荷载的性质（中心、偏心、倾斜等）及大小、地基土性质。
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二、基底压力简化计算
刚性基础的基底压力呈非线性分布，荷载越大，越均匀。 圣维南原理：基底下一定深度处的附加应力与基底荷载的
W——基础底面的抵抗矩；矩形截面 W=bl2/6。
双向偏心受压矩形基础基底压力的计算
双向偏心受压矩形基础基底压力的计算摘要:受双向偏心荷载作用基础,当基础底面出现零应力区时,传统的设计方法难以计算其基底压力,本文给出了矩形基础底面出现零应力区时,基底压力的计算公式,编制了计算表格并应用于工程实际。
分析表明,采用新的允出现零应力区的设计方法,双向偏心受压基础的安全性和经济性均有较大提高。
关键词:矩形基础双向偏心竖向力基底压力1 引言在石油工程设计中,设备基础受力情况复杂,多为双向偏心受压(见图1),且常出现偏心距较大的情况。
设计时,按双向偏心荷载作用计算更为合理。
在现行的《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002[1]中,并未给出双向偏心荷载作用下的基底压力值计算公式。
传统计算方法按不允许基底出现零应力区设计。
这种方法过于保守,因此准确计算出基础在双向偏心荷载作用下的基底压力具有实际价值。
2 基底不出现零应力区时基底压力的计算2.1计算假定1基础底面压力为平面分布基础底面压力为平面分布2基础底面与地基之间只能传递压力不可能传递拉力。
这样一来,就以零压力线为界,将基础底面划分为两个区域,零压力线以外部分为零压力区,该区域基础底面压力为零;另一部分为基础底面的压力区。
基础顶面上的竖向力F全部经由压力区传至地基。
3基础为矩形刚性基础,在受力过程中没有变形,基础满足抗弯、抗剪、抗冲切要求。
基底出现零应力区时,矩形基础基底压力的计算同样应符合上述假定。
2.2计算模型Ⅰ通常的计算方法根据基础底面压力为平面分布的基本假定,认为基底不出现拉力,基础全截面受压,基底应力如图2所示,公式如下:通过公式(1)可以求出基底最大压应力P1,最小压应力P3。
2.3适用条件使用上式计算基底应力时,必须满足计算得出的最小压力Pmin≥0的条件,即基础底面不能出现拉力。
此时偏心距满足:。
实际工程中,当作用在基础上的竖向力F较小,弯矩M较大时,偏心距往往大于上述计算要求,要想满足Pmin≥0的条件,势必要选用较大的基础底面。