地基沉降计算的新方法
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Abstract：Based onin-situplate loading testP-Scurve,a new settlement computation isproposedin this paper.Supposing in-situ plate loading test P-Scurveis a hyperbola equivalent,a hyperbola model isbuilt,tangentmodulus and secant moduluscan be obtained from thishyperbolaequivalent, which should be used in the layer-wise summation method to compute the foundation settlements.For any other in-situ plate loading test P-S curve,the relationship between soil tangent modulus andloading levelis proposedandapplied in the layer-wise summation method.So based onundisturbed soiltangent modulus and secant modulus,new method of the foundation nonlinear settlementis formed.Becausedeformationparameterdeterminated in this waycan considerbetterundisturbed and nonlinearfor the foundation soil，the foundation nonlinear settlement can becalculatedmorecorrectly.This new method is used insettlement computation ofpilefoundation、raft foundation、complexembankment foundationand composite foundation, this may be agreatprogressfor settlement computation of the soil foundation.
（4）
当取 =0时，则：
（5）
显然，公式中地基土的极限荷载 与地基土、基础尺寸有关，公式中对土性只要知道地基土的强度参数c、φ和初始切线模量 ，用于不同尺寸的基础时则相应 和 不同，从而可以反映基础尺寸和埋深等的影响。可以计算基础和压板的非线性沉降曲线。实践中，可从压板试验得到原位土的c、φ和 ，文[10]已对不同地基土的压板试验结果进行验证，文[11]对残积土地基进行验证，实际效果良好，本文用该方法论[17]中的案例的沉降：
Key words：the settlement of soil foundation；settlement computation method；undisturbed soil；nonlinear
1引言
地基设计目前仍是以强度控制为主的承载力法，而上部结构对地基设计的要求在满足强度稳定条件下，关键是变形要求，而其中主要是沉降，未来地基设计的理论发展方向应是按变形控制的方法，但由于岩土的复杂性，对于地基的变形或沉降的计算的准确性仍较差，因此，要使地基设计理论有新的进展，关键是要发展新的沉降计算方法，解决地基的沉降变形的计算问题[1]。目前地基的沉降计算方法大致可划分为两大类，一类是以分层总和法为代表的工程实用计算方法，一类是可以考虑复杂本构模型的有限元等数值方法，实用计算法包括把土体当作均质弹性体的弹性理论法，以及对分层总和法和弹性理论法的各种改进方法[2,3]，如黄文熙[3]法，应力路径法等都是希望更好地考虑土的特性的实用计算方法。实用计算方法由于具有简便实用的特点，目前仍是工程设计中的主流方法，该方法的主要不足是参数主要是根据压缩试验等室内试验确定的，压缩试验确定参数的主要缺点是不能更好地考虑应力状态的影响，同时钻探取样扰动对其影响也很大，尤其对于结构性较强的硬土。如对于广东地区的残积土，理论上应是压缩模量大于变形模量的，但目前工程实践中发现，变形模量可以是压缩模量的6~10倍，由此导致沉降变形计算差异较大，硬土计算沉降偏大。而对于软土，由于压缩试验过高估计了压缩模量，因而使计算沉降偏小，因此，国家建筑地基规范[4]中在分层总和法沉降计算中采用了变化范围达0.2~1.4的一个经验修正系数，对硬土其经验修正系数小于1，对软土，经验修正系数大于1，相差达7倍之大，说明理论沉降计算的准确性是很不够的。对此，广东[5]、深圳[6]地基规范中对残积类土地基建议采用变形模量指标用于分层总和法计算地基的沉降，国家筏箱基规范也已采用[7]。为克服取样扰动的影响，目前的方向是尽量利用原位试验参数，如北京规范[8]统计了该地区压板试验结果，采用双折线模型[9]，焦五一利用压板试验曲线的弦线模量法[10]，杨光华较早采用的双曲线模型法[11，12，13]等都是充分利用原位试验解决地基沉降计算所做的工作，对软土，杨光华把邓肯模型引入分层总和法[14，15]，以解决应力水平引起的非线性问题，这些工作使实用方法得到了进一步的发展。
该筏基尺寸近似按B=40m矩形基础，P=210kPa， =1000kPa， =74MPa，取μ=0.3，ω=0.88由（3）式又得：
代入（5）式则得：
考虑到该工程有限压缩层具有约20m，而这里按半无限弹性体地基计算的，因此，计算沉降量是偏大的，还应乘以一个小于1的系数，根据半无限弹性体理论和有限压缩层的关系，可考虑乘以0.4，则沉降量为4.5cm，实测筏板平均沉降约4cm，两者结果是接近的。该方法特点是简便，参数简单，只需知道c、φ及初始土体切线模量 和基础设计参数，可以进行基础的非线性沉降计算，也可用于桩的非线性沉降计算[13]， 也可以根据常规的变形模量参数来确定[11]，c、φ最好是原状土的试验参数。
关键词：地基沉降；沉降计算方法；原状土；非线性
中图分类号：O 319.56文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)01–0001–03
A NEW SETTLEMENT COMPUTATION METHOD OF THE SOIL FOUNDATION
YANGGang-hua
(Guangdong Provincial Research Institute of Water Conservancy and Hydropower,Guangzhou510610)
假设原位压板试验的荷载P与沉降S的关系为一双曲线方程，则可得到压板底处原状土体的切线模量为[17]：
（6）
为原状土体的初始切线模量，
为对应压板或基础的地基极限承载力，
P为相应的荷载，
为相应荷载为P时土体的切线模量，
为类似于邓肯模型的破坏比。
显然，由压板试验曲线确定的这一切线模量是源于原位土的试验，能较好地反应原位土的变形特性。如图２所示，显然同一土层的土体，当处于不同埋深的A、B处时，在压板或基础底部处的荷载P经扩散到达A、B处时，P值变小，而A、B处埋深增加，相应处的土体极限承载力 增大，因而， 将随深度而非线性增加，不同深度处土体的切线模量 即可应用于分层总和法进行沉降计算：
正如上所述，影响实用方法计算精度一方面是计算模型的简化误差，而最主要的则是土的参数采用与实际相差较大，从而造成计算误差大，而土力学的发展从1925年沙基土力学诞生以来到现在已80多年，但地基沉降变形计算的准确性仍是一个没有很好解决的问题。
针对传统沉降计算方法的优点和不足，本文介绍一个新的沉降计算方法。该方法依据原位压板试验曲线确定土的非线性变形参数——原位土的切线模量或割线模量，然后用于分层总和法，该法参数来源于原位土，可克服传统取样扰动的影响，同时，切线模量或割线模量可考虑荷载水平的影响，这是目前采用变形模量法所不能考虑的，文中同时介绍了该方法在筏板、桩基、复合地基、堤坝地基等的初步应用。初步应用表明，这是一个具有较高精度的地基沉降计算方法。
图2荷载随深度扩散切向模量随之增加
Fig.2Loading diffuseness and tangent modulus increasing as depபைடு நூலகம்hincreasing
某一分层土 在荷载P时增加一荷载增量 时
α为应力分布系数， 为对应于荷载P时在该土层处的切线模量，按（6）式计算，此时（6）式中 则相当于假设基础埋深于该土层处时的极限荷载。
文[10，11]把地基和压板试验曲线采用双曲线函数表示：
（1）
根据双曲线方程的特点，可以推导得到[10，11]：
（2）
式中 为地基的极限承载力， 为临塑承载力， 为曲线在 前的切线刚度，假设 前为线性状态，如 前土的线弹性模量为 ，则：
（3）
B为基础尺寸宽度，μ为土的泊松比，ω为基础几何形状系数，A为基础面积，当取 =0时， ， 为地基土的初始切线模量。由此可得基础或压板的非线性沉降曲线为：
Fig.3Comparisonofplate loading testsettlementwithhyperbola tangent modulus methodandmeasured settlement
2原位土的双曲线模型法
如图1所示，P~S曲线为压板试验所得的荷载沉降曲线，由于压板试验能较真实反映原状地基的变形特性，如何将压板试验曲线应用于地基的沉降计算是新的计算方法的核心问题，也将可能使地基沉降计算取得突破的关键。
图1压板试验P-S曲线
Fig.1Plate loading test P-S
由于压板尺寸相对较小，实际基础尺寸较大，该方法关键是如何从压板的P~S曲线求得实际基础的P~S曲线。
某一土层的沉降求得后，即可按分层总和法求得在荷载增量 下的总沉降量
（7）
文[17]应用该方法对压板试验曲线进行了计算验证如图３所示，对一筏板基础工程的沉降计算与实测及采用压缩模的规范计算方法结果比较如表1所示，可见该方法可以模拟压板的非线性沉降并较准确地计算了筏板基础的沉降。
图3双曲线切线模型法计算的压板试验沉降与实测沉降比较
3原位土的双曲线切线模量法
以上直接用双曲线表示地基土的非线性沉降计算方法对于常见的分层地基土的应用则有一定的局限性，同时对于压缩层为有限深度的地基也不够完备，而目前工程中最常用的沉降计算方法为分层总和法。分层总和法的特点是简便，不足则是误差大，其计算结果是对硬土偏大，软土偏小，因而要采用经验系数进行修证。而误差大主要原因是土的参数未能反应土体的原状性和应力水平影响产生的非线性，为此，采用原位压板试验曲线确定土的变形参数用于分层总和法将可以克服以上缺点，从而产生一个较精确的实用沉降计算方法。
数值方法理论上较为完善，可以考虑非线性、弹塑性、非均质和应力状态等，但其最大的困难在于土的本构模型的合理建立，在建模理论方面虽有一定的发展[16]，但其参数同样来源于室内试验，难以克服取样扰动等的影响，同时由于数值方法中计算复杂，建立本构模型也复杂，数值方法计算是相当精确的，但由于本构模型和参数误差大，因而最终结果也难以准确，因而在一般的工程应用中实用方法仍是主流应用的方法。
地基沉降计算的新方法
杨光华
(广东省水利水电科学研究院，广州510610)
摘要：本文根据原位土的压板试验的P～S曲线来建立沉降计算的新方法。在假设压板试验P～S曲线为双曲线方程时，建立了双曲线模型方法，同时通过双曲线求得土体的切线模量和割线模量，用于分层总和法进行沉降计算，对压板试验为其他任意曲线时，建立了土体切线模量与荷载水平的关系，用于分层总和法，由此形成了以原位土切线模量法和割线模量法的地基非线性沉降计算新方法。由于这样确定的变形参数能较好地考虑了地基土的原状性和非线性，因而可以较准确地计算基础的非线性沉降过程，并分别应用于桩基、筏基以及复杂的路堤地基和复合地基的沉降计算，这可能是地基沉降计算的一个重大进展。
（4）
当取 =0时，则：
（5）
显然，公式中地基土的极限荷载 与地基土、基础尺寸有关，公式中对土性只要知道地基土的强度参数c、φ和初始切线模量 ，用于不同尺寸的基础时则相应 和 不同，从而可以反映基础尺寸和埋深等的影响。可以计算基础和压板的非线性沉降曲线。实践中，可从压板试验得到原位土的c、φ和 ，文[10]已对不同地基土的压板试验结果进行验证，文[11]对残积土地基进行验证，实际效果良好，本文用该方法论[17]中的案例的沉降：
Key words：the settlement of soil foundation；settlement computation method；undisturbed soil；nonlinear
1引言
地基设计目前仍是以强度控制为主的承载力法，而上部结构对地基设计的要求在满足强度稳定条件下，关键是变形要求，而其中主要是沉降，未来地基设计的理论发展方向应是按变形控制的方法，但由于岩土的复杂性，对于地基的变形或沉降的计算的准确性仍较差，因此，要使地基设计理论有新的进展，关键是要发展新的沉降计算方法，解决地基的沉降变形的计算问题[1]。目前地基的沉降计算方法大致可划分为两大类，一类是以分层总和法为代表的工程实用计算方法，一类是可以考虑复杂本构模型的有限元等数值方法，实用计算法包括把土体当作均质弹性体的弹性理论法，以及对分层总和法和弹性理论法的各种改进方法[2,3]，如黄文熙[3]法，应力路径法等都是希望更好地考虑土的特性的实用计算方法。实用计算方法由于具有简便实用的特点，目前仍是工程设计中的主流方法，该方法的主要不足是参数主要是根据压缩试验等室内试验确定的，压缩试验确定参数的主要缺点是不能更好地考虑应力状态的影响，同时钻探取样扰动对其影响也很大，尤其对于结构性较强的硬土。如对于广东地区的残积土，理论上应是压缩模量大于变形模量的，但目前工程实践中发现，变形模量可以是压缩模量的6~10倍，由此导致沉降变形计算差异较大，硬土计算沉降偏大。而对于软土，由于压缩试验过高估计了压缩模量，因而使计算沉降偏小，因此，国家建筑地基规范[4]中在分层总和法沉降计算中采用了变化范围达0.2~1.4的一个经验修正系数，对硬土其经验修正系数小于1，对软土，经验修正系数大于1，相差达7倍之大，说明理论沉降计算的准确性是很不够的。对此，广东[5]、深圳[6]地基规范中对残积类土地基建议采用变形模量指标用于分层总和法计算地基的沉降，国家筏箱基规范也已采用[7]。为克服取样扰动的影响，目前的方向是尽量利用原位试验参数，如北京规范[8]统计了该地区压板试验结果，采用双折线模型[9]，焦五一利用压板试验曲线的弦线模量法[10]，杨光华较早采用的双曲线模型法[11，12，13]等都是充分利用原位试验解决地基沉降计算所做的工作，对软土，杨光华把邓肯模型引入分层总和法[14，15]，以解决应力水平引起的非线性问题，这些工作使实用方法得到了进一步的发展。
该筏基尺寸近似按B=40m矩形基础，P=210kPa， =1000kPa， =74MPa，取μ=0.3，ω=0.88由（3）式又得：
代入（5）式则得：
考虑到该工程有限压缩层具有约20m，而这里按半无限弹性体地基计算的，因此，计算沉降量是偏大的，还应乘以一个小于1的系数，根据半无限弹性体理论和有限压缩层的关系，可考虑乘以0.4，则沉降量为4.5cm，实测筏板平均沉降约4cm，两者结果是接近的。该方法特点是简便，参数简单，只需知道c、φ及初始土体切线模量 和基础设计参数，可以进行基础的非线性沉降计算，也可用于桩的非线性沉降计算[13]， 也可以根据常规的变形模量参数来确定[11]，c、φ最好是原状土的试验参数。
关键词：地基沉降；沉降计算方法；原状土；非线性
中图分类号：O 319.56文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)01–0001–03
A NEW SETTLEMENT COMPUTATION METHOD OF THE SOIL FOUNDATION
YANGGang-hua
(Guangdong Provincial Research Institute of Water Conservancy and Hydropower,Guangzhou510610)
假设原位压板试验的荷载P与沉降S的关系为一双曲线方程，则可得到压板底处原状土体的切线模量为[17]：
（6）
为原状土体的初始切线模量，
为对应压板或基础的地基极限承载力，
P为相应的荷载，
为相应荷载为P时土体的切线模量，
为类似于邓肯模型的破坏比。
显然，由压板试验曲线确定的这一切线模量是源于原位土的试验，能较好地反应原位土的变形特性。如图２所示，显然同一土层的土体，当处于不同埋深的A、B处时，在压板或基础底部处的荷载P经扩散到达A、B处时，P值变小，而A、B处埋深增加，相应处的土体极限承载力 增大，因而， 将随深度而非线性增加，不同深度处土体的切线模量 即可应用于分层总和法进行沉降计算：
正如上所述，影响实用方法计算精度一方面是计算模型的简化误差，而最主要的则是土的参数采用与实际相差较大，从而造成计算误差大，而土力学的发展从1925年沙基土力学诞生以来到现在已80多年，但地基沉降变形计算的准确性仍是一个没有很好解决的问题。
针对传统沉降计算方法的优点和不足，本文介绍一个新的沉降计算方法。该方法依据原位压板试验曲线确定土的非线性变形参数——原位土的切线模量或割线模量，然后用于分层总和法，该法参数来源于原位土，可克服传统取样扰动的影响，同时，切线模量或割线模量可考虑荷载水平的影响，这是目前采用变形模量法所不能考虑的，文中同时介绍了该方法在筏板、桩基、复合地基、堤坝地基等的初步应用。初步应用表明，这是一个具有较高精度的地基沉降计算方法。
图2荷载随深度扩散切向模量随之增加
Fig.2Loading diffuseness and tangent modulus increasing as depபைடு நூலகம்hincreasing
某一分层土 在荷载P时增加一荷载增量 时
α为应力分布系数， 为对应于荷载P时在该土层处的切线模量，按（6）式计算，此时（6）式中 则相当于假设基础埋深于该土层处时的极限荷载。
文[10，11]把地基和压板试验曲线采用双曲线函数表示：
（1）
根据双曲线方程的特点，可以推导得到[10，11]：
（2）
式中 为地基的极限承载力， 为临塑承载力， 为曲线在 前的切线刚度，假设 前为线性状态，如 前土的线弹性模量为 ，则：
（3）
B为基础尺寸宽度，μ为土的泊松比，ω为基础几何形状系数，A为基础面积，当取 =0时， ， 为地基土的初始切线模量。由此可得基础或压板的非线性沉降曲线为：
Fig.3Comparisonofplate loading testsettlementwithhyperbola tangent modulus methodandmeasured settlement
2原位土的双曲线模型法
如图1所示，P~S曲线为压板试验所得的荷载沉降曲线，由于压板试验能较真实反映原状地基的变形特性，如何将压板试验曲线应用于地基的沉降计算是新的计算方法的核心问题，也将可能使地基沉降计算取得突破的关键。
图1压板试验P-S曲线
Fig.1Plate loading test P-S
由于压板尺寸相对较小，实际基础尺寸较大，该方法关键是如何从压板的P~S曲线求得实际基础的P~S曲线。
某一土层的沉降求得后，即可按分层总和法求得在荷载增量 下的总沉降量
（7）
文[17]应用该方法对压板试验曲线进行了计算验证如图３所示，对一筏板基础工程的沉降计算与实测及采用压缩模的规范计算方法结果比较如表1所示，可见该方法可以模拟压板的非线性沉降并较准确地计算了筏板基础的沉降。
图3双曲线切线模型法计算的压板试验沉降与实测沉降比较
3原位土的双曲线切线模量法
以上直接用双曲线表示地基土的非线性沉降计算方法对于常见的分层地基土的应用则有一定的局限性，同时对于压缩层为有限深度的地基也不够完备，而目前工程中最常用的沉降计算方法为分层总和法。分层总和法的特点是简便，不足则是误差大，其计算结果是对硬土偏大，软土偏小，因而要采用经验系数进行修证。而误差大主要原因是土的参数未能反应土体的原状性和应力水平影响产生的非线性，为此，采用原位压板试验曲线确定土的变形参数用于分层总和法将可以克服以上缺点，从而产生一个较精确的实用沉降计算方法。
数值方法理论上较为完善，可以考虑非线性、弹塑性、非均质和应力状态等，但其最大的困难在于土的本构模型的合理建立，在建模理论方面虽有一定的发展[16]，但其参数同样来源于室内试验，难以克服取样扰动等的影响，同时由于数值方法中计算复杂，建立本构模型也复杂，数值方法计算是相当精确的，但由于本构模型和参数误差大，因而最终结果也难以准确，因而在一般的工程应用中实用方法仍是主流应用的方法。
地基沉降计算的新方法
杨光华
(广东省水利水电科学研究院，广州510610)
摘要：本文根据原位土的压板试验的P～S曲线来建立沉降计算的新方法。在假设压板试验P～S曲线为双曲线方程时，建立了双曲线模型方法，同时通过双曲线求得土体的切线模量和割线模量，用于分层总和法进行沉降计算，对压板试验为其他任意曲线时，建立了土体切线模量与荷载水平的关系，用于分层总和法，由此形成了以原位土切线模量法和割线模量法的地基非线性沉降计算新方法。由于这样确定的变形参数能较好地考虑了地基土的原状性和非线性，因而可以较准确地计算基础的非线性沉降过程，并分别应用于桩基、筏基以及复杂的路堤地基和复合地基的沉降计算，这可能是地基沉降计算的一个重大进展。