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。它是本章的一个重要组成部分。在工程实践中，往往需要确定施工期间和完工后某一时间的基础沉降量，以便控制施工速度，确定建筑物的使用措施，并要考虑建筑物有关部分之间的预留净空和连接方式，还必须考虑地基沉降与时间的关系。

§土中自重应力

土是由土粒、水和气所组成的非连续介质。若把土体简化为连续体，而应用连续体力学(例如弹性力学)来研究土中应力的分布时，应注意到，土中任意截面上都包括有骨架和孔隙的面积在内，所

以在地基应力计算时都只考虑土中某单位面积上的平均应力。

在计算土中自重应力时，假设天然地面是一个无限大的水平面，因而在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。如果地面下土质均匀，天然重度为γ(kN/m 3)，则在天然地面下任意深度z(m)处a-a 水平面上的竖向自重应力CZ σ(kPa)，可取作用于该水平面上任一单位面积的土柱体自重γz×1计算，

即：CZ σ=γz (书33页2-1)

CZ σ沿水平面均匀分布，且与Z 成正比，即随深度按直线规律分布[书34页图2-1(a)]。

地基中除有作用于水平面上的竖向自重应力外，在竖直面上还作用有水平向的侧向自重应力。由于CZ σ沿任一水平面上均匀地无限分布，所以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。从这个条件出发，根据弹性力学，侧向自重应力cx σ和cy σ应与cz σ成正比，而剪应

力均为零，即：

cz cy cx K σσσ0== (书34页2-3)

===zx yz xy τττ (书34页2-4) 式中比例系数0K 称为土的侧压力系数或静止土压力系数，见34页表2-1。

必须指出，只有通过土粒接触点传递的粒间应力，才能使土粒彼此挤紧，从而引起土体的变形，而且粒间应力又是影响土体强度的一个重要因素，所以粒间应力又称为有效应力。因此，土中自重应力可定义为土自身有效重力在土体中引起的应力。土中竖向和侧向的自重应力一般均指有效自重应力。对地下水位以下土层必须以有效重度γ′代替天然重度γ。为了简便起见，以后各章节中把常用的竖向有效自重应力cz σ，简称为自重应力，并改用符号c σ表示。

地基土往往是成层的，因而各层土具有不同的重度。如地下水位位于同一土层中，计算自重应力时，地下水位面也应作为分层的界面。如书34页图2-1（b ）所示，天然地面下深度z 范围内各层土的厚度自上而下分别为n i h h h h K K K K ,,,21，计算出高度为z 的土柱体中各层土重的总和后，可得到成层土自重应力计算公式：

∑==n i i

i c h 1γσ (书34页2-2)

式中 c σ—天然地下面任意深度z 处的竖向有效自重应力，kPa ；

n —深度z 范围内的土层总数；

i h —第i 层土的厚度，m ；

i γ—第i 层土的天然重度，对地下水位以下的土层取有效重度i 'γ，kN/m 3。

在地下水位以下，如埋藏有不透水层(例如岩层或只含结合水的坚硬粘土层)，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算。

自然界中的天然土层，一般形成至今已有很长的地质年代，它在自重作用下的变形早巳稳定。但对于近期沉积或堆积的土层，应考虑它在自重应力作用下的变形。

此外，地下水位的升降会引起土中自重应力的变化(书35页图2-2)。

例如在软土地区，常因大量抽取地下水，以致地下水位长期大幅度下降，使地基中原水位以下的有效自重应力增加[书35页图2-2(a)]，而造成地表大面积下沉的严重后果。至于地下水位的长时期上升[书35页图2-2(b)]，常发生在人工抬高蓄水水位地区(如筑坝蓄水)或工业用水大量渗入地下的地区，如果该地区土层具有遇水后发生湿陷的性质，必须引起注意。

§基底压力(接触应力)

建筑物荷载通过基础传递给地基，在基础底面与地基之间便产生了接触应力。它既是基础作用于地基的基底压力，同时又是地基反作用于基础的基底反力。因此，在计算地基中的附加应力以及设计基础结构时，都必须研究基底压力的分布规律。

基底压力分布是与基础的大小和刚度，作用于基础上荷载的大小和分布、地基土的力学性质以及基础的埋深等许多因素有关。根据弹性力学中圣维南原理，在地表下一定深度处，土中应力分布与基础底面上荷载分布的影响并不显著，而只决定于荷载合力的大小和作用点位置。因此，对于具有一定刚度以及尺寸较小的柱下单独基础和墙下条形基础等，其基底压力可近似地按直线分布的图形计算，即按下述材料力学公式进行简化计算。

2.3.1 基底压力的简化计算

2.3.1.1 中心荷载下的基底压力

中心荷载下的基础，其所受荷载的合力通过基底形心。

基底压力假定为均匀分布(书37页图3-5)，此时基底平均压力设计值(kPa)按下式计算：

A G

F p +=

(书37页2-5)

式中 F —作用在基础上的竖向力设计值，kN ，

G —基础自重设计值及其上回填土重标准值的总重，kN ，

G=Ad G γ 其中 G γ—为基础及回填土之平均重度，一般取20kN ／m 3，但在地下水位以下部分应扣

去浮力为10kN ／m 3，

d —为基础埋深，必须从设计地面或室内外平均设计地面算起，m ；

A —基底面积，m 2，

对矩形基础lb A =，l 和b 分别为矩形基底的长度和宽度。

对于荷载沿长度方向均匀分布的条形基础，则沿长度方向截取一单位长度的截条进行基底平均压力设计值P(kPa)的计算，此时式(2-5)中A 改为b(m)，而F 及G 则为基础截条内的相应值(kN ／m)。

2.3.1.2 偏心荷载下的基底压力

对于单向偏心荷载下的矩形基础如37页图2-7所示。设计时，通常基底长边方向取与偏心方向一致，此时两短边边缘最大压力设计值m ax p 与最小压力设计值min p (kPa)按材料力学短柱偏心受压公式计算：

W M lb G F p p ±+=???min max (书37页2-6)

式中F 、G 、l 、b 符号意义同式(2-5)；

M —作用于矩形基底的力矩设计值，kN ·m ；

W —基础底面的抵抗矩，3

2

,6m bl W =。

把偏心荷载(如图中虚线所示)的偏心矩

G F M e +=引入式(2-6)得： )61(min max l e lb G F p p ±+=???

由上式可见，当e l /6时，按上式计算结果，距偏心荷载较远的基底边缘反力为负值，即0min

2-7(c)中虚线所示]。

由于基底与地基之间不能承受拉力，此时基底与地基局部脱开，而使基底压力重新分布。因此，根据偏心荷载应与基底反力相平衡的条件，荷载合力F+G 应通过三角形反力分布图的形心[见图2-7(c)中实线所示分布图形]，由此可得基底边缘的最大压力m ax p 为：

bk G F 3)

(2p max += (书38页2-7)

式中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 。

2.3.2 基底附加压力

建筑物建造前，土中早已存在着自重应力。如果基础砌置在天然地面上，那未全部基底压力就是新增加于地基表面的基底附加压力。一般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。

实际上，一般浅基础总是埋置在天然地面下一定深度处，该处原有的自重应力由于开挖基坑而卸除。因此，由建筑物建造后的基底压力中扣除基底标高处原有的土中自重应力后，才是基底平面处新增加于地基的基底附加压力。

基底平均附加压力设计值0p 值(kPa)按下式计算(书38页图2-8)：

d p p p c 00γσ-=-= (书38页2-8)

式中p —基底平均压力设计值，kPa ，

c σ—土中自重应力标准值，基底处c σ=

d 0γ，kPa;

0γ—基础底面标高以上天然土层的加权平均重度，0γ=()2211K K ++h h γγ／)(21K K ++h h ，kN

／m 3，其中地下水位下的重度取有效重度，

d —基础埋深，必须从天然地面算起，对于新填土场地则应从老天然地面起算，

K K ++=21h h d ,m 。

有了基底附加压力，即可把它作为作用在弹性半空间表面上的局部荷载，由此根据弹性力学求算地基中的附加应力。实际上，基底附加压力一般作用在地表下一定深度(指浅基础的埋深)处，因此，假设它作用在半空间表面上，而运用弹性力学解答所得的结果只是近似的，不过，对于一般浅基础来说，这种假设所造成的误差可以忽略不计。

§ 地基附加应力

地基附加应力是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。

为了说明附加应力分布特点，我们可将构成地基的土颗粒看作是无数个直径相同的小圆球，如书39页图2-9所示。

设沿垂直面方向作用一线荷载Q=1，由图中可见，第二层两个小球各受1/2 的力；第三层共有三个小球受力，最右边的小球受力大小和左边的小球受的力相同，即承受第二层右边小球一半的力等于1/4 ，中间的小球因为它同时承受第二层两个小球传给它1/4的力，所以它受力为2*1/4=1/2 。第四层和以下几层小球所受力的大小，已经标注在小球上。为了表示清楚附加应力在地基中的分布规律，已将最下边一层小球受力大小按比例画在图上。

通过上面的分析，我们知道土中附加应力分布特点是：

1、地面下同一深度的水平面上的附加应力不同，沿力的作用线上的附加应力最大，向两边则逐渐减小。

2、距地面愈深，应力分布范围愈大，在同一铅直线上的附加应力不 同， 愈深则愈小。

计算地基附加应力，一般假定地基土是各向同性的、均质的线性变形体，而且在深度和水平方向

上都是无限延伸的，即把地基看成是均质的线性变形半空间，这就可以直接采用弹性力学中关于弹性半空间的理论解答。本节主要介绍竖向集中力下地基附加应力的布辛奈斯克解及矩形基础均布荷载、矩形基础三角形荷载、圆形基础均布荷载、条形基础均布荷载四种基础荷载组合的地基附加应力计算方法。

计算地基附加应力时，都把基底压力看成是柔性荷载，而不考虑基础刚度的影响。按照弹性力学，地基附加应力计算分为空间问题和平面问题两类。本节先介绍属于空间问题的集中力、矩形荷载和圆形荷载作用下的解答，然后介绍属于平面问题的线荷载和条形荷载作用下的解答，最后，再概要介绍一些非均质地基附加应力的弹性力学解答。

2.4.1 竖向集中力下的地基附加应力

2.4.1.1布辛奈斯克解

在弹性半空间表面上作用一个竖向集中力时，半空间内任意点处所引起的应力和位移的弹性力学解答是由法国J.布辛奈斯克(Boussinesq ，1885)作出的。书上图39页的一系列公式。

建筑物作用于地基上的荷载，总是分布在一定面积上的局部荷载，因此理论上的集中力实际是没有的。但是，根据弹性力学的叠加原理利用布奈斯克解答，可以通过积分或等代荷载法求得各种局部荷载下地基中的附加应力。

这六个应力分量和三个位移分量的公式中，竖向正应力z σ和竖向位移w 最为常用，以后有关地基附加应力计算主要是针对 z σ而言的。

2.4.1.2 等代荷载法

如果地基中某点M 与局部荷载的距离比荷载面尺寸大很多时，就可以用一个集中力P 代替局部

荷载，然后直接应用式(3-12c)计算该点的z σ。为了计算的方便，以22z r R +=代入书上39页式

(2-9c)，则：

[]22/522/52231)/(123)(23z P z r z r z P z +=+=ππσ (书40页2-12)

令[]

2/521)/(123+=z r K π，则上式可改写为： 2z P

K

z =σ

式中 K —集中力作用下的地基竖向附加应力系数，简称集中应力系数，按r/z 值由40页表2-2查用。 若干个竖向集中力),2,1(n i P i K K =作用在地基表面上，按叠加原理则地面下z 深度处某点M 的附加应力z σ应为各集中力单独作用时在M 点所引起的附加应力之总和，即：

∑∑====n i l i n i i i z P K z z P K 12121σ (书41页2-14)

式中 i K —第i 个集中应力系数，按z r i /由书40页表2-2查得，其中i r 是第i 个集中荷载作用点到M 点的水平距离。

2.4.2 矩形基础和圆形基础下的地基附加应力

2.4.2.1 矩形基础均布荷载

设矩形基础均布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(例如中心荷载

下的基底附加压力)为0p 。先以积分法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。

以矩形荷载面角点为坐标原点o(书42页图2-15)，在荷载面内座标为(y x 、)处取一微面积dxdy ，并将其上的分布荷载以集中力dxdy p 0来代替，则在角点o 下任意深度z 的M 点处由该集中力引起的竖向附加应力z d σ，按书39页式(2-9c)为：

dxdy z y x z d z 2/522230)(23++=ρπσ (书42页2-15)

将它对整个矩形荷载面A 进行积分：积分的过程见 (书43页2-16) 令

????????+++++++++=2222222222222arctan ))(()2(21z b l lb z b l z b z l z b l lbz K c π 得：0z p K c =σ c 43α的即是书中c K (书43页2-18)

又令,/,/b z n b l m ==(注意其中b 为荷载面的短边宽度)则：

????????+++++++++=1arctan 1)1)(()12(21222222222n m n m n m n n m n m mn K c π

c K 为矩形基础均布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 值由书43页表2-5查得。

对于矩形基础均布荷载附加应力计算点不位于角点下的情况，就可利用书43页式（2-18）以角点法求得。

（a ）计算点o 在荷载面边缘； （b ）计算点o 在荷载面内；

（c ）计算点o 在荷载面边缘外侧；（d ）计算点o 在荷载面角点外侧

书44页 图2-16 以角点法计算均布矩形荷载下的地基附加应力

见书44页图2-16，计算点不位于矩形荷载面角点下有四种情况（在图中o 点以下任意深度z 处）。计算时，通过o 点把荷载面分成若干个矩形面积，这样，o 点就必然是划分出的各个矩形公共角点，然后再按书43页式（2-18）计算每个矩形角点下同一深度z 处的附加应力z σ，并求其代数和。四种情况的算式分别如下：

（a ）计算点o 在荷载面边缘

0)(p K K cII cI z +=σ

式中cI K 和cII K 分别表示相应于面积I 和II 的角点应力系数。必须指出，查43页表2-5时所取用边长l 应为任一矩形荷载面的长度，而b 则为宽度，以下各种情况相同，不再赘述。

（b ）计算点o 在荷载面内 0)(p K K K K cIV cIII cII cI z +++=σ

如果o 点位于载载面中心，则cIV cIII cII cI K K K K ===，得04p K cI z =σ，此即利用角点法求均布的矩形荷载面中心点下z σ的解，亦可直接查中点应力系数表（略）。

（c ）计算点o 在荷载面边缘外侧

此时荷载面abcd 可看成是由Ｉ（ofbg ）与Ⅱ（ofah ）之差和Ⅳ（oecg ）与Ⅲ（oedh ）之差合成的，所以

0)(p K K K K cIV cIII cII cI z +--=σ （d ）计算点o 在荷载面角点外侧

把荷载面看成由Ｉ（ohce ）、Ⅳ(ogaf)两个面积中扣除Ⅱ(ohbf)和Ⅲ(ogde)而成的，所以

0)(p K K K K cIV cIII cII cI z +--=σ 2.4.2.2 矩形基础三角形分布荷载

2.4.2.3 圆形基础均布荷载

2.4.3 线荷载和条形荷载下的地基附加应力

2.4.4 非均质和各向异性地基中的附加应力

以上介绍的地基附加应力计算都是考虑柔性荷载和均质各向同性土体的情况，而实际上往往并非如此，如地基中土的变形模量常随深度而增大，有的地基土具有较明显的薄交互层状构造，有的则是由不同压缩性土层组成的成层地基等等。对于这样一些问题的考虑是比较复杂的，目前也未得到完全的解答。但从一些简单情况的解答中可以知道：把非均质或各向异性地基与均质各向同性地基相比较，其对地基竖向正应力z σ的影响，不外乎二种情况：一种是发生应力集中现象[书58页图2-27(a)]，另一种则是发生应力扩散现象[书58页图2-27(b)]。

1、变形模量随深度而增大的非均质地基

在天然地基中，土层在自重应力作用下已压缩稳定，自重应力的分布随深度增大而增大，因而土的变形模量E 0也常随地基深度增大而增大，在砂土中这种情况最明显。与通常假定的均质地基比较，

沿荷载中心线下，前者的地基中附加应力z σ将发生书58页图2-27中所示的应力集中现象。这种现象在现场测试和理论上都得到了证明。

2、各向异性地基

由于土层在生成过程中，各个时期沉积物成分上的变化，土层会出现水平薄交互层现象，这种层理构造对很多土来说都很明显，往往导致土层沿铅直方向的变形模量时，出现应力集中现象；当水平方向的变形模量小于铅直方向的变形模量时，出现应力扩散现象。

3、双层地基

天然形成的地基有两种情况，一种是岩层上覆盖着不太厚的可压缩土层，另一种则是上层坚硬、下层软弱的双层地基。前者将发生应力集中现象，而后者将发生应力扩散现象。

四、本章重点难点：

一、重点：

矩形和条形荷载面积下的附加应力计算。土的压缩性及其指标的确定。最终沉降量的计算。 熟练掌握土的自重应力计算，基底附加压力的计算。记住中心荷载作用下和偏心荷载作用下基底压力及基底附加压力的计算公式。运用角点法计算地基中附加应力。要求建立地基弹性体内应力扩散概念、掌握几种典型规则的分布荷载下附加应力计算、会利用学过知识求不规则荷载作用下的附加应力；要求记住几个主要公式、条形均布荷载下应力分布规律、非均质和各向异性地基对附加应力有何影响。

能够正确使用教材的图表、计算附加应力。了解地基中附加应力分布规律和载荷试验确定变形模量的方法。

二、难点：

矩形和条形荷载面积下的附加应力计算。土的压缩性及其指标的确定。最终沉降量的计算。 地基中附加应力分布规律和载荷试验确定变形模量的方法。

五、本章常见问题：

1、常见问题3-2 简述影响土中应力分布的因素。

答案：（1）非线性材料的影响，土体实际是非线性材料的影响，对竖向应力计算值有影响；

（2）成层地基的影响，天然土层的松密、软硬程度往往不相同，变形特性可能差别较大，如可压缩土层覆盖在刚性岩层上；

（3）变形模量随深度增大的影响；

（4）各向异性的影响，由于天然沉积土因沉积条件和应力状态不同，在水平方向和垂直方法的E就不同，土的各向异性也会影响土层中的附加应力分布。

2、常见问题3-4-1 “角点法”的含义？

答案：利用矩形面积角点下的附加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。

3、常见问题3-4-2 基底压力、基底附加压力的含义及它们之间的关系？

答案：基底压力：基础底面传给地基表面的压力。由于基底压力作用于基础与地基的接触面上故也称基底接触应力。

基底附加应力：由于指建筑物荷重是基底增加的压力称为基底附加应力。

它们之间的关系是：基底压力减去基础底面处原有的自重应力就是基底附加应力。

六、本章例题分析：

1、题型：简答题题目：研究地基变形的目的是什么？

答案及分析：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。

2、题型：计算题

题目：【例题3-1】某建筑场地的地质柱状图和土的有关指标列于例图3-1中。试计算地面下深度为2.5m，5m和9m处的自重应力，并绘出分布图。

答案及分析：【解】本例天然地面下第一层粉土厚6m，其中地下水位以上和以下的厚度分别为3.6m 和2.4m；第二层为粉质粘土层。依次计算2．5m，3．6m、5m、6m、9m各深度的土中竖向自重应力，计算过程及自重应力分布图一并列于例图3-1中

例图3-1

3、题型：简答题 题目：土中应力计算的基本假定及理由有那些？

答案及分析：目前土中应力的计算方法，主要是采用弹性力学公式，也就是把地基土视为均匀的、各向同性的半无限弹性体。其计算结果能满足实际工程的要求，其原因有：（a ）建筑物基础底面尺寸远远大于土颗粒尺寸，同时考虑的也只是计算平面上的平均应力，而不是土颗粒间的接触集中应力。因此可以近似地把土体作为连续体来考虑，应用弹性理论。（b ）土在形成过程中具有各种结构与构造，使土呈现不均匀性。同时土体也不是一种理想的弹性体。但是，在实际工程中土中应力水平较低，土的应力应变关系接近于线性关系。因此，当土层间的性质差异并不大时，采用弹性理论计算土中应力在实用上是允许的。（c ）地基土在水平方向及深度方向相对于建筑物基础的尺寸而言，可以认为是无限延伸的，因此可以认为地基土是符合半无限体的假定。

4、题型：选择题 题目：大面积均布荷载在地基土中引起的竖向附加应力z σ沿深度呈_____分布。

A.曲线形

B.三角形

C.梯形

D.矩形 答案及分析：D

5/题型：计算题

题目：有一均布荷载p =l00kPa ，荷载面积为2m 1m ，如图所示。求荷载面上角A 、边点E 、中心点O 、以及荷载面外F 点和G 点各点下z =1m 深度处的附加应力。利用计算结果说明附加应力的扩散规律。

答案及分析：解题思路：该题需求荷载面角点下、中点下、边点下及荷载面外某些点下的附加应力，计算范围较广。求附加应力时，计算公式都十分简单，关键在于应用“角点法”，掌握好角点法的“三要素”。这三要素是：（1）划分的每一个矩形都要有一个角点位于公共角点下；（2）所有划分的矩形面积总和应等于原有的受荷面积；（3）查附加应力表时，所有矩形都是长边为l ，短边为b 。

[解] 直接列表计算。

用角点法计算附加应力值

详细计算过程如下：

角点A ：

212==b l 111==b z

c

= p c z ασ==20kPa

边点E ：如图，划分为2个相等小矩形：

111==b l 111==b z 174.0='c

α p c z ασ'?=2=2100=35kPa 中点O ：划分为4个相等的小矩形：

25.01==b l 25.01==b z 120.0='c

α p c

z ασ'?=4=48kPa F 点：(作辅助线如图) z =2(c Ⅰ-c Ⅱ) p =2 其中：c Ⅰ为矩形FHAG 应力系数，

65.03==b l 25.01==b z c Ⅰ137.0=

c Ⅱ为矩形FIBG 应力系数，

25.01==b l 25.01==b z c Ⅱ120.0=

G 点：z = (c Ⅰ-c Ⅱ)p = 其中：c Ⅰ为矩形GJDA 应力系数，

313==b l 111==b z c Ⅰ=203.0

c Ⅱ为矩形GJCB 应力系数，

111==b l 1=b z c Ⅱ=175.0

从以上计算结果说明：在地面下同一深度处，荷载面中点O 下附加应力最大，其附近边点E 的附加应力次之，角点A 附加应力最小；而荷载面积之外的F 、G 点也作用有附加应力。可见，附加应力是扩散分布的。

土中 应 力 计 算

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 ，τ xy =τ yx 、τ yz =τ zy 、τ zx =τ xz ， 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 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 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

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、 2 ==h cz γσkpa h cz 6.1816.1811=?==γσkpa h h cz 4.271)108.18(6.182 211=?-+=+=γγσ kpa h h h cz 6.523)104.18(4.273 32211=?-+=++=γγγ σ0==h cz γσkpa h cz 3621811=?==γσ h h cz 5.613)105.18(362211=?-+=+=γγσkpa h h h w w cz 5.913105.612211=?+=++=γγγσkpa h h h h w w cz 5.1292195.913 32211=?+=+++=γγγγσ

第三章 土中应力计算习题与答案

第三章-土中应力计算习题与答案． 第三章土中应力计算一、填空题由土筑成的梯形断面路堤，因自重引起的基底1.

形，桥梁墩台等梯压力分布图形是刚性基础在中心荷载作用下，基底的沉降是 的。相同曲线地基中附加应力分布随深度增加呈2 点下中减小，同一深度处，在基 附加应力最大。 3.单向偏心荷载作用下的矩形基础，e >当偏心，产生 l/6时，基底与地基局脱 。重分

在地基中，矩形荷载所引起的附加应力，其影4.比相，浅响深度比相同宽度的条形基 础 深。同宽度的方形基础上层坚硬、下层软弱的双层地基，在荷载作用5.现象，反之，将发扩散下，将发生应力现象。生应力集中附和 6.土中应力 按成因可分为自重应力 加应力。 7.计算土的自重应力时，地下水位以下的重度应取有效重度（浮重度）。导致地下水位大幅度下降，长期抽取地下水位，8. 增从而使原水位以下土的有效自重应力 的严重后地基沉降，而造成 加果。

9 饱和土体所受到的总应力为有效应力 隙水压力之和。 二、名词解释 1.基底附加应力：基底压应力与基底标高处原土层自重应力之差。 2.自重应力：由土层自身重力引起的土中应力。 3.基底压力：建筑物荷载通过基础传给地基，在基础底面与地基之间的接触应力。

三、选择题 1.成层土中竖向自重应力沿深度的增大而 发生的变化为：（ B ） （A）折线减小（B）折线增大（C）斜线减小（D）斜线增大 2.宽度均为b，基底附加应力均为P的基础，同0一深度处，附加应力数值最大的是：（ C ）（A）方形基础（B）矩形基础（C）为直径）b）圆形基础（D（条形基础． 3.可按平面问题求解地基中附加应力的基 础是：（ B ） （A）柱下独立基础（B）墙下条形基 础

第三章土中应力计算习题及答案解析

第三章土中应力计算 一、填空题 1.由土筑成的梯形断面路堤，因自重引起的基底压力分布图形是梯形，桥梁墩台等刚性基础在中心荷载作用下，基底的沉降是相同的。 2.地基中附加应力分布随深度增加呈曲线减小，同一深度处，在基底中心点下，附加应力最大。 3.单向偏心荷载作用下的矩形基础，当偏心距e > l/6时，基底与地基局部脱开，产生应力重分部。 4.在地基中，矩形荷载所引起的附加应力，其影响深度比相同宽度的条形基础浅，比相同宽度的方形基础深。 5.上层坚硬、下层软弱的双层地基，在荷载作用下，将发生应力扩散现象，反之，将发生应力集中现象。 6.土中应力按成因可分为自重应力和附加应力。 7.计算土的自重应力时，地下水位以下的重度应取有效重度（浮重度）。 8.长期抽取地下水位，导致地下水位大幅度下降，从而使原水位以下土的有效自重应力增加，而造成地基沉降的严重后果。 \ 9.饱和土体所受到的总应力为有效应力与孔隙水压力之和。 二、名词解释 1.基底附加应力：基底压应力与基底标高处原土层自重应力之差。 2.自重应力：由土层自身重力引起的土中应力。 3.基底压力：建筑物荷载通过基础传给地基，在基础底面与地基之间的接触应力。 三、选择题 1.成层土中竖向自重应力沿深度的增大而发生的变化为：（B ） （A）折线减小（B）折线增大（C）斜线减小（D）斜线增大 — 2.宽度均为b，基底附加应力均为P0的基础，同一深度处，附加应力数值最大的是：（C ）（A）方形基础（B）矩形基础（C）条形基础（D）圆形基础（b为直径） 3.可按平面问题求解地基中附加应力的基础是：（B ） （A）柱下独立基础（B）墙下条形基础（C）片筏基础（D）箱形基础 4.基底附加应力P0作用下，地基中附加应力随深度Z增大而减小，Z的起算点为：（A ）（A）基础底面（B）天然地面（C）室内设计地面（D）室外设计地面 5.土中自重应力起算点位置为：（B ） （A）基础底面（B）天然地面（C）室内设计地面（D）室外设计地面6.地下水位下降，土中有效自重应力发生的变化是：（A ） （A）原水位以上不变，原水位以下增大（B）原水位以上不变，原水位以下减小》 （C）变动后水位以上不变，变动后水位以下减小 （D）变动后水位以上不变，变动后水位以下增大 7.深度相同时，随着离基础中心点距离的增大，地基中竖向附加应力：（D ） （A）斜线增大（B）斜线减小（C）曲线增大（D）曲线减小 8.单向偏心的矩形基础，当偏心距e < l/6（l为偏心一侧基底边长）时，基底压应力分布图简

《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σc z（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γ 为土的重度，κN/μ3 ；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h i，重度为γi，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1.0 m，计算土中自重应力并绘出分布图。

土力学第三章土体中的应力计算

第五章土体中的应力计算 第一节概述 大多数建筑物是造建在土层上的，我们把支承建筑物的这种土层称为地基。由天然土层直接支承建筑物的称天然地基，软弱土层经加固后支承建筑物的称人工地基，而与地基相接触的建筑物底部称为基础。 地基受荷以后将产生应力和变形，给建筑物带来两个工程问题，即土体稳定问题和变形问题。如果地基内部所产生的应力在土的强度所允许的范围内，那么土体是稳定的，反之，土体就要发生破坏，并能引起整个地基产生滑动而失去稳定，从而导致建筑物倾倒。地基中的应力，按照其因可以分为自重应力和附加应力两种： 自重应力：由土体本身有效重量产生的应力称为自重应力。一般而言，土体在自重作用下，在漫长的地质历史上已压缩稳定，不再引起土的变形（新沉积土或近期人工充填土除外）。 附加应力：由于外荷（静的或动的）在地基内部引起的应力称为附加应力，它是使地基失去稳定和产生变形的主要原因。 附加应力的大小，除了与计算点的位置有关外，还决定于基底压力的大小和分布状况。 一、应力～应变关系的假定 真实土的应力～应变关系是非常复杂的，目前在计算地基中的附加应力时，常把土当成线弹性体，即假定其应力与应变呈线性关系，服从广义虎克定律，从而可直接应用弹性理论得出应力的解析解。 1、关于连续介质问题 弹性理论要求：受力体是连续介质。而土是由三相物质组成的碎散颗粒集合体，不是连续介质。 为此假设土体是连续体，从平均应力的概念出发，用一般材料力学的方法来定义土中的应力。 2、关于线弹性体问题 理想弹性体的应力与应变成正比直线关系，且应力卸除后变形可以完全恢复。 土体则是弹塑性物质，它的应力应变关系是呈非线性的和弹塑性的，且应力卸除后，应变也不能完全恢复。为此进行假设土的应变关系为直线，以便直接用弹性理论求土中的应力分布，但对沉降有特殊要求的建筑物，这种假设误差过大。 3、关于均质、等向问题 理想弹性体应是均质的各向同性体。 而天然地基往往是由成层土组成，为非均质各向异性体。 为此进行假设，天然地基作为均质的各向同性体。 二、地基中的几种应力状态 计算地基应力时，一般将地基当作半无限空间弹性体来考虑；即把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。（见教材P66图3－2）常见的地基中的应力状态有如下三种：

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。它是本章的一个重要组成部分。在工程实践中，往往需要确定施工期间和完工后某一时间的基础沉降量，以便控制施工速度，确定建筑物的使用措施，并要考虑建筑物有关部分之间的预留净空和连接方式，还必须考虑地基沉降与时间的关系。 § 土中自重应力 土是由土粒、水和气所组成的非连续介质。若把土体简化为连续体，而应用连续体力学(例如弹性力学)来研究土中应力的分布时，应注意到，土中任意截面上都包括有骨架和孔隙的面积在内，所

土中基底应力与附加应力计算[详细]

土中应力计算 1 土中自重应力 地基中的 应力分: 自重应力——地基中的 自重应力是指由土体本身的 有效重力产生的 应力. 附加应力——由建筑物荷载在地基土体中产生的 应力,在附加应力的 作用下,地基土将产生压缩变形,引起基础沉降. 计算土中应力时所用的 假定条件: 假定地基土为连续、匀质、各向同性的 半无限弹性体、按弹性理论计算. 地基中除有作用于水平面上的 竖向自重应力外,在竖直面上还作用有水平向的 侧向自重应力.由于沿任一水平面上均匀地无限分布,所以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. 3.1.1均质土的 自重应力 a 、假定:在计算土中自重应力时,假设天然地面是一个无限大的 水平面,因而在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在.可取作用于该水平面上任一单位面积的 土柱体自重计算. b 、均质土层Z 深度处单位面积上的 自重应力为: 应力图形为直线形. z cz γσ= σcz 随深度成正比例增加;沿水平面则为均匀分布. 必须指出,只有通过土粒接 触点传递的 粒间应力,才能使土

粒彼此挤紧,从而引起土体的 变形,而且粒间应力又是影响土体强度的 —个重要因素,所以粒间应力又称为有效应力.因此,土中自重应力可定义为土自身有效重力在土体中引起的 应力.土中竖向和侧向的 自重应力一般均指有效自重应力.并用符号σcz 表示 . 3.1.2成层土的 自重应力 地基土往往是成层的 ,成层土自重应力的 计算公式:∑== n i i i cz z 1 γ σ 结论:土的 自重应力随深度Z ↑而↑.其应力图形为折线形. 自然界中的 天然土层,一般形成至今已有很长的 地质年代,它在自重作用下的 变形早巳稳定.但对于近期沉积或堆积的 土层,应考虑它在自重应力作用下的 变形.此外,地下水位的 升降会引起土中自重应力的 变化(图2—4). 3.1.3 1、地下水对自重应力的 影响 地下水位以下的 土,受到水的 浮力作用,使土的 重度减轻.计算时采用水下土的 重度(w sat γγγ-=') 2、不透水层的 影响

土中应力计算

3 土中应力计算 学习目的和要求 通过本章的学习，深刻理解自重应力和附加应力的概念，掌握附加应力在水平和竖向的分布规律，熟练掌握自重应力、基底压力的计算，掌握基底集中荷载、均布矩形载荷、三角形荷载作用下竖向附加应力的计算。 考核知识点 ?土的自重应力概念与计算 ?基底压力的概念与计算 ?地基附加应力概念与计算 考核要求 ?土的自重应力概念与计算 识记：土的自重应力概念。 简单应用：地下水位升降及填土对土中自重应力影响。 综合应用：轴心和单向偏心荷载作用下基底压力的计算。 ?基底压力的概念和计算 识记：基底压力的概念。 简单应用：基底压力的计算。 综合应用：轴心和单向偏心荷载作用下基底压力的计算。 ?地基附加应力概念与计算 识记：地基附加应力的概念。 领会：地基附加应力的分布规律（应力扩散和应力叠加）；地基主要受力层 的概念。 综合应用：基底集中荷载、均布矩形载荷、三角形荷载作用下竖向附加应力的计算。 （查表确定竖向附加应力系数）。 3.1 土中自重应力 地基中的应力分： 自重应力——地基中的自重应力是指由土体本身的有效重力产生的应力。 附加应力——由建筑物荷载在地基土体中产生的应力，在附加应力的作用下，地基土将产生压缩变形，引起基础沉降。 计算土中应力时所用的假定条件： 假定地基土为连续、匀质、各向同性的半无限弹性体、按弹性理论计算。 地基中除有作用于水平面上的竖向自重应力外，在竖直面上还作用有水平向的侧向自重应力。由于沿任一水平面上均匀地无限分布，所以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。 3.1.1均质土的自重应力 a 、假定：在计算土中自重应力时，假设天然地面是一个无限大的水平面，因而在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。可取作用于该水平面上任一单位面积的土柱体自重计算。 b 、均质土层Z 深度处单位面积上的自重 应力为： 应力图形为直线形。 z cz γσ= σcz 随深度成正比例增加；沿水平面则为均匀分布。 必须指出，只有通过土粒接 触点传递的粒间应力，才能使土 粒彼此挤紧，从而引起土体的变形，而且粒间 应力又是影响土体强度的—个重要因素，所以粒间应力又称为有效应力。因此，土中自重应力可定义为土自身有效重力在土体中引起的应力。土中竖向和侧向的自重应力一般均指有效自重应力。并用符号σcz 表示 。 3.1.2成层土的自重应力 地基土往往是成层的，成层土自重应力的计算公式：∑== n i i i cz z 1 γ σ 结论：土的自重应力随深度Z ↑而↑。其应力图形为折线形。 自然界中的天然土层，一般形成至今已有很长的地质年代，它在自重作用下的变形早巳稳定。但对于近期沉积或堆积的土层，应考虑它在自重应力作用下的变形。此外，地下水位的升降会引起土中自重应力的变化(图2—4)。

土中应力的计算

第2章土中应力分布及计算 一、思考题 1、自重应力，附加应力的大小与地基土的性质是否相关？ 2、自重应力与附加应力在地基中的分布各有何特点？ 3、基底压力分布的主要影响因素有哪些？ 4、在基底总压力不变的前提下，增大基础埋深对土中应力分布有什么影响？ 5、宽度相同的矩形和条形基础，其基底压力相同，在同一深度处，哪一个基础下产生的附加应力大？ 6、地下水位升降，对土中应力分布有何影响？ 7、自重应力，附加应力计算时的起算点是否相同？ 二、选择题 1、有两个不同的基础，其基础总压力相同，问在同一深度处，哪一个基础产生的附加应力大？（） A、宽度小的基础产生的附加应力大 B、宽度小的基础产生的附加应力小 C、宽度大的基础产生的附加应力小 D、两个基础产生的附加应力相等 2、某场地自上而下的土层分布为：第一层粉土，厚3m，重度γ=18kN/m3；第二层粘土，厚5m，重度γ=18.4kN/m3，饱和重度γsat =19kN/m3，地下水位距地表5m，试求地表下6m处土的竖向自重应力（） A、99.8kPa B、109.8kPa C、111kPa D、109.2kPa 3、成层地基土中的自重应力（） A、均匀分布 B、直线分布 C、曲线分布 D、折线分布 4、有一基础埋置深度d＝1.5m，建筑物荷载及基础和台阶土重传至基底总压力为100KN/m2，若基底以上土的重度为18 KN/m2，基底以下土的重度为17 KN/m2，地下水位在地表处，则基底竖向附加压力为多少（） A、85 KN/m2 B、73 KN/m2 C、88 KN/m2 5、一矩形基础，短边b＝3m，长边l＝4m，在长边方向作用一偏心荷载F＋G=1200KN，偏心距为多少时，基底不会出现拉应力（） A、0.5m B、0.57m C、0.67m 6、由建筑物荷载或其它外载在地基内产生的应力称为（） A、自重应力 B、附加应力 C、基底压力 D、基底附加压力 7、土的自重应力计算中假定的应力状态为（） A、σ z ≠0、σ x ≠0、τ xz ≠0 B、σ z ≠0、σ x ≠0、τ xz =0 C、σ z ≠0、σ x =0、τ xz =0 8、当上部结构荷载的合力不变时，荷载偏心距越大，则基底压力平均值（） A、越大 B、越小 C、不变