地基沉降量计算的其他方法.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流地基沉降量计算的其他方法.精品文档.地基沉降量计算的其他方法摘要：介绍了四种地基沉降量的计算方法：弹性理论法、应力历史法、斯肯普顿比伦法以及应力路径法，并讨论了各种方法的适用情况。 关键词：弹性理论；应力历史；斯肯普顿比伦；应力路径中图分类号：TU478 文献标识码：AAbstract：This article gives four current computational methods of the foundation settlement: elastic theory, stress history , A.W.SkemptonL.Bjerrum and stress path. It also introduces applicable cases of these four methods .Key word：elastic theory ; stress history ; A.W.SkemptonL.Bjerrum ; stress path0 引 言基础沉降计算从来就是地基基础工程中三大难题之一，在进行基础设计时，不仅要满足强度要求，还要把基础的沉降和沉降差控制在一定范围内。地基沉降的计算在建筑物的施工和使用阶段都非常重要地。基沉降量是指地基土在建筑荷载作用下达到压缩稳定时地基表面的最大沉降量。目前计算地基沉降的常用方法除了有分层总和法、规范法之外，还有弹性理论法、应力历史法（e-lgp曲线法）以及斯肯普顿比伦法（变形发展三分法）。1 弹性理论法弹性公式法采用弹性半空间地基模型，使用地基附加应力，按照圣维南原理计算，不考虑基础刚度的影响。在弹性半空间表面作用着一个竖向集中力P时，半空间内任意点M(x,y,z)处产生的竖向位移w(x,y,z)的解答式为：w(x,y,z)= 其中：P作用于坐标原点的竖向集中力；rM点到坐标原点的距离；E弹性模量（或土力学中专用的地基变形模量）；泊松比。如果取M点z坐标为0，那么所得到的半空间表面任意点的竖向位移w(x,y,0)就是地基表面的沉降s=w(x,y,z)=其中：r=。1图1 竖向集中力作用下地基表面的沉降曲线将上述公式推广到一般情况，应用布森涅斯克竖向位移解答，地表面上任一点的沉降在地表面局部面积A范围内作用分布荷载，积分得到地基沉降量的表达式图2 均布荷载作用地表面任一微元的沉降对矩形面积均布荷载，即为常数，则按上式积分求解后得到其中，土的变形模量； b 矩形基础宽度或圆形基础直径； 地基沉降影响系数，与基础刚度、形状、尺寸及计算点位置等因素有关。 表1 沉降影响系数值注：分别为完全柔性基础（均布荷载）角点、中点和平均值的沉降影响系数；为刚性基础在轴心荷载下的沉降影响系数。地基沉降量计算的弹性力学的公式是按均质线性变形半空间体的假设作出的, 而实际上地基土是非均质的，地基土的压缩层厚度总是有限的, 所以计算结果偏大，并且变形模量随深度定变化而变化，而弹性公式法中E的值没有随深度变化而变化，这些都对计算结果有很大的影响。只有在荷载较小和基础底面积较大的情况下, 且无相邻荷载的影响因素, 计算结果才接近于实际。2 应力历史法（e-lgp曲线法）天然土层在历史上所经受过不同的固结压力(指土体在固结过程中所受的有效压力)，称为先(前)期固结压力Pc。因此, 土具有不同的压缩曲线, 尤其粘性土, 应考虑土的应力历史, 恢复土的原始压缩曲线来计算地基的最终沉降量才能得出较为准确的结果。按照它与现有压力相对比的状况，可将土(主要为粘性土和粉土)分为正常固结土、超固结土和欠固结土三类。正常固结土层在历史上所经受的先期固结压力等于现有覆盖土重 ( 竖向有效自重应力 )；超固结土层历史上曾经受过大于现有覆盖土重的先期固结压力；而欠固结土层的先期固结压力则小于现有覆盖土重。2考虑应力历史影响的地基只要在地基沉降计算通常采用的 ( 单向压缩 ) 分层总和法中，将土的压缩系数a改从原始压缩曲线e-logp确定压缩指数Cc，就可考虑应力历史对沉降的影响了。 （1）正常固结土的沉降计算 首先整理实验资料确定原始压缩曲线，并从原始压缩曲线上得到压缩指数Cc后，按下式计算最终沉降量（如图5）： 其中： Pu第 i 层土附加应力平均值（有效应力增量）； Pi第 i 层土自重应力平均值； e0i第 i 层土的初始孔隙比； Cci从原始压缩曲线上确定的第 i 层土压缩指数。 图 5 正常固结土的原始压缩曲线（2）超固结土的沉降计算 首先由原始压缩曲线和再压缩曲线分别确定土的压缩指数 和回弹指数 （如图6），然后按下式计算沉降量： 对于那些 ，即 的分层土，其总沉降量 为： 对于那些 ，即 的分层土，其总沉降量 为图6超固结土的原始压缩曲线整个土层的总沉降量 s 为上述两部分之和，即：（3）欠固结土的沉降计算 可近似的按与正常固结土一样的方法求得原始压缩曲线（如图7），沉降计算公式如下： 图7 欠固结土的原始压缩曲线 若按正常固结土的上述公式近似计算欠固结土的沉降，所得的结果可能远小于实际观测的沉降。33 斯肯普顿比伦法（变形发展三分法）根据对粘性土地基，在外荷载作用下，实际变形发展的观察和分析，可以认为地基土的总沉降量s是由三个分量组成(图8)，即 其中 瞬时沉降(畸变沉降)； 固结沉降(主固结沉降)； 次压缩沉降(次固结沉降)。 图8 地基表面某点总沉降量的三个分量示意图此分析方法是斯肯普顿(A.W.Skempton)地基沉降的三分量示意图和比伦(L.Bjerrum) 提出的比较全面计算总沉降量的方法，称为计算地基最终沉降量的变形发展三分法，也称斯肯普顿比伦法。 瞬时沉降是紧随着加压之后地基即时发生的沉降，地基土在外荷载作用下其体积还来不及发生变化，主要是地基土的畸曲变形，也称畸变沉降、初始沉降或不排水沉降。斯肯普顿提出粘性土层初始不排水变形所引起的瞬时沉降可用弹性力学公式进行计算，饱和的和接近饱和的粘性土在受到中等的应力增量的作用时，整个土层的弹性模量可近似地假定为常数。而无粘性土的弹性模量明显地与其侧限条件有关，线性弹性理论的假设已不适用。通常用有限元法等数值解法，对土层内采用相应于各点应力大小的弹性模量进行分析，即无粘性土的弹性模量是根据介质内各点的应力水平而确定的。所谓应力水平是指实际应力与破坏时的应力之比。无粘性土地基由于其透水性大，加荷后固结沉降很快，瞬时沉降和固结沉降已分不开来，而且次压缩现象不显著，更由于其弹性模量随深度增加，应用弹性力学公式分开来求算瞬时沉降不正确。对于无粘性土的最终沉降量，可采用施默特曼(J.H.Schmertmann)提出的半经验法计算。粘性土地基上基础的瞬时沉降 ，按下式估算： 其中,b 基础的宽度； E、分别为土的弹性模量和泊松比。一般取 ，则上式变为 确定弹性模量E的适当数值更为困难，它必须在体积变化为零 的条件下测定一般由三轴压缩试验或无侧限的单轴压缩试验侧得的应力应变曲线上确定的初始切线模量或相当于现场条件下的再加荷模量 。 也可近似采用 。 其中，三轴不排水试验破坏时的主应力差； 不排水抗剪强度。 固结沉降是由于荷载作用下随着超孔隙水压力的消散、有效应力的增长而完成的。斯开普敦建议固结沉降量 由单向压缩条件下计算的沉降量 乘上一个考虑侧向变形的修正系数 确定，即：式中 按正常固结、超固结土的 曲线确定； 固结沉降修正系数， 。 次固结被认为与土的骨架蠕变有关，它是在超孔隙水压力已经消散、有效应力增长基本不变之后仍随时间而缓慢增长的压缩。在次压缩沉降过程中，土的体积变化速率与孔隙水从土中流出速率无关，即次压缩沉降的时间与土层厚度无关。 许多室内试验和现场测试的结果都表明，在主固结完成之后发生的次固结的大小与时间关系在半对数孔隙比与时间的关系数图上接近于一条直线，如图9所示。因而次压缩引起的孔隙比变化可近似地表示为： 其中，C a 半对数图上直线的斜率，称为次压缩系数； t 所求次压缩沉降的时间， ； 相当于主固结度为 100 的时间，根据 e logt 曲线外推而得。地基次压缩沉降的计算公式如下： 根据许多室内和现场试验结果， C a 值主要取决于土的天然含水量 ，近似计算时取 。 34 应力路径法应力路径是指在外力作用下土中某点的应力变化过程在应力坐标土中的移动轨迹。1964年T. W. Lambe提出的应力路径法。应力路径法是用应力轨迹表示现场在施工前、施工中以及完工后地基土中某点的应力变化情况。在荷载作用下，地基土中各点的主应力值及方向都随荷载和时间而变化，因而各点固结过程中的应力状态有显著差异，即应力路径不同。具体计算如下：1、在地基土中选择需要计算沉降的点；2、对这些点计算其初始自重应力及附加应力(包括垂直和水平应力)；3、做三轴试验，土样先在自重应力下固结,然后加上附加应力，量取在固结应力作用下固结前、后的垂直应变；4、用量得的两种应变差分别乘以土层的厚度,即得地基沉降固结下降。4为采用增量理论原理对变形模量和泊松比按应力路径进行修正,作如下假设:相同初始应力比、不同固结压力、相同应力增量比的实验曲线可用平均固结压力进行归一,不同初始应力比、相同固结压力、相同应力增量比的实验曲线函数关系彼此相似,其差别在于起点不同。相同初始应力比、相同固结压力、不同应力增量比实验的关系均可用曲线模拟,其极限值的倒数之间符合线性关系。施加第j 期荷载后变形模量为: 泊松比为: 对每一级荷载增量都求出了与之相对应的变形模量和泊松比,地基土的竖向沉降可将每级荷载引起的沉降累加,再用分层总和法得到: 其中， 地基土中第j 期荷载增量引起的竖向应力增量； 地基土中第j 期荷载增量引起的水平应力增量；第i 层土层厚度，下标i 表示第i 个土层；M土层总数； N荷载总级数(层数)。55 结 束弹性理论计算方法较简单，适用于均匀地基的沉降估算或计算瞬时沉降，其假定地基为均质、线弹性、半无限变形体，而实际上地基常常是非均质的成层土，其变形模量E0一般随深度而增大，所以用土的变形模量E0代替来估算最终沉降所得的结果往往偏大。天然土层在地质历史上经历了不同的先期固结压力，具有不同的压缩曲线，尤其粘性土，应考虑土的应力历史，恢复土的原始压缩曲线来计算地基的最终沉降量才能得出较为准确的结果。变形发展三分法全面考虑了地基变形发展工程中由三个分量组成，将瞬时沉降、固结沉降及次固结沉降分开来计算，然后叠加。此法计算的三类固结土层各自的固结沉降，再叠加瞬时沉降和次固结沉降后更趋于实际最终沉降，考虑侧向变形修正后的固结沉降，提高了计算精度，但只是用于粘性土层。应力路径法再土的强度问题中有较强的理论价值和实际应用，但用来计算地基表面沉降并不方便。可见计算地基沉降的每种计算方法都有一定的适用范围，只有条件相当的情况下，应用相对应的计算方法，才能求出与实际较为相符的计算结果，避免由于计算结果不准确而导致沉降过大或沉降不均，引起建筑物开裂、倾斜甚至破坏。参考文献：1张海霞.地基沉降量计算方法的探讨J.中国高新技术企业, 2009,21:147.2邓洪亮.地基沉降量计算方法探讨J.洛阳大学学报,1998,13(2):59.3范文.土力学M.长安大学出版社.4王猛,岳建伟,刘占通.软土地基沉降量计算方法探讨J.河南大学学报(自然科学版),2004,34(3):100.5钱坤,尹新生.几种不同地基沉降量计算方法的分析J.山西建筑,2005,31(24):98.作者简介：姓名：刘慧丽；学号：08121640