地基基础与上部结构共同作用下的地基模型

#
结语
地基基础和上部结构的共同作用是个复杂的课题。其中， 地
基模型建立的合理与否将影响整个共同作用分析的准确性。对 不同类别的土， 不同的岩土工程其地基模型是不同的， 这就需要 建立能反映某种情况下地基主体主要性状的工程实用模型， 以满 ຫໍສະໝຸດ Baidu工程分析需要， 这是研究的方向。同时， 对已建立的本构模型， 要加强其试验和工程实践的验证。
・ !% ・
第 *" 卷 第 ’ 期 ’ "") 年 !月
山
西
建
筑
PQ.HRS
.F6QS,?6, -F?
T4;U *" H4 U ’ V<9 U ’"")
文章编号： （’"")） !""#$%&’( "’$""!%$"’
地基基础与上部结构共同作用下的地基模型
王宇辉
摘 模型的优缺点， 确定了其应用范围。 关键词： 共同作用， 地基， 本构模型 中图分类号： , -)+" 文献标识码： . 考虑球张量和偏张量交叉影响的非线性弹性模型 （沈珠江， !#&%） 等。 789:;02 地基模型 （ !&%+） 是最简单的线弹性模型， 力学概念 明确， 简单实用； 建立于广义胡克定律基础上的各种非线性弹性 模型， 不能反映土的剪胀性， 如 A=9><9$63<9B 模型。 ） 土 的 弹 塑 性 模 型： 理 想弹塑性模型 （ C2<9DE;$F0=GG 模 型， ’ ， 剑桥模型， A2=>:02$C2<B02 模型， H432$64=;4IJ 模型） K<D0$A=9><9 （!#+(） 模型， 边界面模型等。 弹塑性模型能近似模拟土的应力—应变特性 （在等比例加载 条件下可以得到精确解） ， 较好地反映材料的硬化、 软化、 剪胀性 及土中主应力和应力路径的影响， 但模型参数求取较难， 且有限 元计算时的刚度矩阵不对称。并且， 建立于经典弹塑性理论基础 上的相关联或非关联流动法则的弹塑性模型， 由于其理论基础是 假定了塑性应变增量方向具有唯一性， 因此用由此理论建立的模 型来反映加荷方向对塑性应变增量方向的影响是困难的。 土的粘弹塑性模型： 粘弹性模型 （ /<L M0;; 模型， *） N0;O89 模 型， 三元件粘弹性模型） ， 粘塑性模型， 粘弹塑性模型等。 弹性、 塑性和粘性是土的三种基本性质。为了描述土体应力 —应变受时间的影响， 采用了与时间有关的粘弹塑性模型。蠕变 和应力松弛是土体粘弹性性质的表现形式。 /<L M0;; 模型即是松 弛模型， 可用来描述保持总应变不变的条件下， 应力随时间衰减 的松弛现象。 N0;O89 模型能描述土的蠕变规律。 土的内时塑性模型， 可用来描述土体加载一开始， 就产生 )） 塑性变形的特性。 土的损伤模型， 可考虑土结构的破坏过程。 (）
"
发展趋势
虽然在理论上现在可以用许多种不同的本构模 3=:>=? 认为， 型来计算各种复杂的相互作用。但在实际上关于如何选择模型 并确定其参数则是很困难的。因此， 需要在未来的研究工作中解 决下列问题： 判断土模型所需要的精密程度， 是否必须采用线 !） 性加载硬化的弹塑性模型， 较简单的弹塑性模型是否也能够解决 问题； 如何正确地选择和测定土的参数。因此， 必须进行大量 ’） 实际的观测工作， 并与理论计算对比。通过试验和工程实践的验 证， 研究分析各类本构模型的优缺点， 确定其应用范围。 目前， 要找到一个理想模型， 能全面考虑各种影响因素是否
!"#$% &’ (&#’$)"*&’ +&$,- #’$,. "/, *’",.)0"*&’ &( 1#21&*- (&#’$)"*&’ )’$ 1#3,.1".#0"#.,
4567 8#9/#* :;567 <*)’= （ "#$$%&% # ’ ( )*+,-%*-.)% /01 ",2,$ !0&,0%%),0& ，3+/0&+/, 4#) 5/$ 60,2%)7,-8 ，3+/0&+/, ’"!)!&，"+,0/） 521".)0"：,@8 @A?B=CD，<:CC8;B ?AB:4BA=;? 4;7 78E8>=FG8;B BC8;7 =H B@8 <=;?BAB:BAE8 G=78> =H H=:;74BA=; 4C8 G8;BA=;87 4;7 A; EA8I =H ?8E8C4> <=GG=; G=78>? B@8AC 47E4;B4J8? 4;7 7A?47E4;B4J8? 4C8 4;4>DK87 4? I8>> 4? B@8AC 4FF>A<4BA=; ?<=F8. >,% ?&.$1：A;B8C4<BA=;，H=:;74BA=;，<=;?BAB:BAE8 G=78>
第 +" 卷 第 ’ 期 ’ " ")年 !月 文章编号： （’"")） !""#$%&’( "’$""!*$"’
山
西
建
筑
LM0NOP
0QRMP,SR, -QS
T=>. +" N= . ’ U4; . ’"")
・ !* ・
锚杆锚固体的优化
薛飞鸿
摘 济的锚杆密度计算方法及其应用范围。 关键词： 锚杆， 锚固密度， 优化， 相似模拟 中图分类号： , -)!+ . % / ’ 文献标识码： 0 锚固体的应力—应变全程曲线， 从锚固体弹性阶段变形可求得锚 固体的弹性模量， 结果见表 !。
表!
锚杆布置密度 ! 1 234 无锚杆 ’&" . & ’ ’&’ . (&
康立勋
杨双锁
要： 结合一系列的模拟试验， 对锚杆锚固密度与锚固体的各项性质的关系作了分析， 并通过优化锚杆密度， 提出了经
引言
在目前的边坡稳定设计理论中， 所使用的边坡岩体的参数都 只考虑了岩体自身的一些参数而忽略了使用加固措施后这些参 数的变化。以下在讨论锚杆锚固使锚固体各参数提高的基础上， 对锚固力的需求进行重新计算， 从而获得更高的经济效益。为了 验证锚杆对岩体的强化作用， 进行了一系列的相似模拟试验。模 型试验的原型是边坡坡面上 “取出” 的岩体， 其尺寸的大小能代表 锚固体的一般状态， 实验采用平面应变加载， 非加载面采用刚性 约束， 使测杆的两侧接近平面应变状态， 此外， 留设一个自由面， 模拟岩石表面。试验中测定不同锚固强度的锚固体力学参数变 化， 按照锚杆 布 置 常 用 的 间 排 距 大 小， 依次选用锚杆间排距为 ! . )， ! . ’， ! . "， " . #， " . &， " . * 等间排距进行模拟。按照相似比大小 知锚杆体中与上述锚杆间排距相对应的锚杆根数分别为 ’， +， )， (， %， & 根。
!
试验结果及分析
锚固体弹模的变化。通过单轴试验和平面应变实验测得 !）
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
（!#*(） 模型。这种模型把土体视为加载硬化 +） 6478$9:;<4; 材料， 材料服从不相关联流动准则， 硬化规律采用塑性加载硬化 规律。在加载时， 总应变等于弹性应变和塑性应变之和， 在卸载 时， 不产生塑性应变， 卸载过程的总应变等于弹性应变。 现实。土体本构模型的建立须考虑其合理性和实用性。土的本 构理论研究目前有两种倾向， 一种是为了建立用于解决实际工程 问题的实用模型， 另一种是为了进一步揭示土体某些应力应变特 性的内在规律比较精细的理论模型。建立本构模型的原则是： 理 论的数学模型 （本构关系） 与实际情况是否近似及近似的程度； 模 型参数能否易于测定及测定的精确程度。
锚固体弹性模量
+ ’&) . ’) ) ’&& . ’) ( ’#+ . #* % ’#+ . %# & +!"
由表 ! 可以看出， 安装锚杆后， 锚固体的弹性模量有较大提 高， 并且随锚杆布置密度的增加而增加。 需特别指出的是： 在弹性阶段， 沿锚杆轴向方向并不发生变 化， 但安装锚杆对锚固体的 ! 已经产生影响， 说明只要安装锚杆， 即使在非预应力条件下， 其对围岩的变形已产生作用。 锚固体破坏前 " 、 ’） ! 值的变化。根据实验结果得到锚固体 破坏前的 " 、 可见， 安装锚杆对锚固体的值均有影响， 但影 ! 值， 响程度不一样， 从测试结果可以看出， 安装锚杆对锚固体的变化 影响不大， 在实验条件下可将岩体的 " 值提高 !" 5 左右， 但对锚 固体的 ! 值影响较大， 且随着锚杆布置密度的增加而增加， 但增 加的幅度逐渐减小。
张
强
要： 综述了地基本构模型发展的历史、 现状以及未来趋势， 介绍了工程上常用的几种地基模型， 并通过分析各类本构
!
地基基础与上部结构共同作用
常规设计方法是把地基、 基础和上部结构分开计算， 计算上
部结构时不考虑基础刚度及地基变形对其产生的影响； 计算基础 时也不考虑上部结构形式及其刚度的影响， 这样所得的结果是基 础设计偏于保守， 造成基础材料的浪费， 而上部结构则可能偏于 不安全。工程实践检验也证实了这一点， 例如在框架—筏基结构 中， 忽略基础变形和共同作用， 容易造成上部结构的开裂， 特别是 低层柱和边梁， 而在软弱地基上框架刚度较小的低矮建筑中表现 得更为明显。由于常规设计方法的局限性， 于是一些学者转向了 共同作用的研究。!#)+ 年， /0102345 提出基础与上部结构共同工 作的概念， 从此， 共同作用课题受到国内外工程界的广泛重视。 地基基础与上部结构共同作用， 是把上部结构、 基础、 地基三 者作为一个整体考虑， 并且三者之间须同时满足静力平衡和变形 协调。只有这样， 才能揭示它们在外荷作用下相互制约、 彼此影 响的内在联系， 从而达到安全、 经济的设计目的。目前， 对共同作 用的解决方法有： 整体分析法， 等代法， 子结构分析方法等。 有些国家已经将共同作用的内容列入相应的设计规范中， 如 我国建筑抗震设计规范、 高 !#+& 年美国 .,6 建筑抗震暂行规定、 层建筑箱形基础设计与施工规程和建筑桩基技术规范等。 要达到共同作用分析的准确性， 就应找到正确反映结构刚度 影响的分析理论， 和正确反映土的变形特性的地基计算模型及其 参数。其中， 地基本构模型问题是地基、 基础和上部结构共同作 用分析中的难题之一。
"
共同作用下地基模型的发展历史与现状
本构模型是用数学手段体现试验中所揭示的土体应力应变
#
工程中常用的几种地基模型
对于同一工程， 采用不同的地基模型， 其计算结果差异较大。
特性的。土的力学特性是复杂的， 具有非线性、 弹塑性、 剪胀 （缩） 性、 压密性、 蠕变性、 各向异性， 还受应力水平、 应力状态和应力历 史的影响。 关于土体本构模型的发展可分为三个阶段： 线弹性和刚塑性 模型， 非线性弹性和弹塑性模型， 结构性模型。 电子计算机和数值分析方法给求解复 ’" 世纪 %" 年代以来， 杂的土力学问题提供了数学工具， 从而可把土的应力—孔压—变 形—强度—时间联系起来， 使弹塑性和粘弹塑性本构关系的计算 成为可能。国际学术界纷纷研究提出了各种不同的本构关系建 议， 各国学者所发表的土的本构模型已达数百种。大体可分为以 下几类： 土的弹性模型： （ !&%+ ） ， 理想弹性模型， !） 789:;02 地基模型 非线性弹性模型 （ 6<=>31 弹性模型， 超弹性模型， 次弹性模型， ?— ， 同时考虑各向异性和非线性的弹性模型 （龚晓南， ， @ 模型） !#&)）
收稿日期： ’""*$!"$’(
因此在选用地基模型时， 应考虑工程的地质情况， 所受荷载， 施工 速度和基础类型等。下面是工程设计中经常用的几种地基模型。 理想弹性地基模型。各向同性的理想弹性体模型是最简 !） 单的力学本构模型， 相应的本构方程就是广义的胡克定律。在此 模型中， 独立的弹性参数只有两个， 弹性模量和泊松比。 （ !#+"， ’） A=9><9$63<9B 的 ?$@ 模型。 A=9><9$63<9B 等 !#&"） 建立的 ?$@ 非线性弹性模型是国内外应用得较多的模型之一。 采用双曲线方程表示由三轴试验得到的土体应力—应变曲线。 此模型共有 & 个参数， 可通过常规三轴试验测定。当采用有效应 力分析时， 采用三轴排水压缩试验测定参数； 当采用总应力分析 时， 采用三轴不排水压缩试验测定参数。 ?$@ 模型是建立在广义 胡克定律基础上的， 因此它只适用于土体破坏以前， 不能反映土 的剪胀性， 也不能反映土中主应力对模量的影响。
作者简介： 王宇辉 （!#+)$ ） ， 女， 硕士， 助教， 上海师范大学建筑工程学院， 上海 ’""’ 年毕业于太原理工大学岩土工程专业， 张 强 （!#+($ ） ， 男， 博士， 工程师， 上海师范大学建筑工程学院， 上海 ’""! 年毕业于中国农业大学建筑工程专业， 万方数据
’"!)!& ’"!)!&