CN102071699A - 地基设计新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地基设计新方法，根据原位土压板试验的P-S曲线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双曲线模型方法，同时求得土体的切线和割线模量，把所求得的模量用于分层总和法进行基础和桩基的沉降计算，建立原位土的双曲线切线和割线模量法，建立土体切线模量与荷载水平的关系，由此形成以原位土切线和割线模量法的地基非线性沉降全过程计算新方法，由于这样确定的土体变形参数能较好地考虑地基土的原状性和非线性性，因而可以较准确地计算基础的非线性沉降过程，同时该发明所需土体参数较少，应用方便，实现地基设计的“缺多少，补多少”的最优化状态。

Description

地基设计新方法 

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体地说是一种基于切线模量的地基设计新方法。 

背景技术

传统地基设计方法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有一定的局限，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，不足之处则是误差大，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正。而误差大的主要原因是土的参数未能反应土体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，基于该沉降方法来设计基础。 

在竖向荷载的作用下，复合地基的沉降是由桩体、地基土体和褥垫层三者相互影响、相互协调的结果。影响其沉降的因素有很多，诸如地基土的性质、荷载水平以及加载历时、布桩方式、成桩工艺以及桩长、桩间距、桩数等等，都将对复合地基的沉降产生影响。由于复合地基受力的复杂性，及众多的影响因素，目前还没有一个计算方法能够反映上述各种因素的影响，在工程中主要还是采用经验公式方法计算。现有技术中把用变形模量进行沉降计算的方法列入了规范，说明采用原状土变形指标进行沉降计算已得到认可。但目前变形模量的确定一方面是经验值，另一方面是通过原位压板载荷试验，取对应于地基承载力特征值所对应的变形模量值。而实际上，变形模量是随着基底应力的不同而变化的，其反映的是压板下土体总体的一种等效的指标，并不是土体单元的变形指标。目前的方法一般是采用一个固定的变形模量值，从而不能合理反映不同深度处变形模量的不同。同时压板试验是小尺寸的试验，如何把试验结果用于大尺寸的基础沉降计算还需要深入研究。而真实地基的沉降过程是非线性的，因此，仅用单一的变形模量显然无法真实模拟地基直到极限状态时全过程的沉降计算。所以地基沉降计算的准确性，主要受土性参数的合理确定和土的变形特性影响，如何采用原状土力学参数或把原状土的试验用于地基设计是一个很有意义但仍是一个未彻底解决的问题。与此同时，现有的地基处理设计的桩土复合地基设计方法中，桩、土的荷载分配未考虑桩、土的非线性沉降及其分配结果的影响，因而不能使其设计达到充分发挥地基和桩的承载能力。 

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种采用原状土力学参数，基于发明者提出的切线模量地基沉降计算新方法并考虑桩、土非线性沉降及变形协调的方法来进行地基设计的新方法。可以实现“缺多少，补多少”的地基最优设计方案，具体包括下述步骤： 

本发明的目的是通过以下方案来实现的，具体包括下述步骤： 

1)根据已知的地质资料及基础尺寸，如果地基强度足够，直接运用发明者提出的切线模量法计算出地基的沉降，如果地基强度不足，利用切线模量法计算地基土的p-s曲线，并结合桩的沉降N-s曲线，根据变形协调原理实现“缺多少，补多少”的地基设计新方法； 

2)在原状土的荷载p_i时增加增量荷载Δp_i，则该深度h_j处分层厚度为Δh_j的土层产生的沉降为： 

其中：E_ij为p_i在h_j处原状土的等效切线模量，当增量荷载Δp过程中的土体变形是线性时，α为应力分布系数，Δp_iα表示Δp_i在E_ij处所产生的应力增量，Δh_j为土层分层厚度，则Δp_i所产生的沉降按照分层总和法计算，即 

3)根据土体的结构特性，E_ij主要取决于该点处的应力水平，设定土体的压板试验p-s曲线为一双曲线方程 则该曲线任意点的切线导数为 

当s→∞时， 

其中：p_u为压板试验的极限荷载， 

可得曲线的初始切线模量a为 

其中：D为试验的压板直径，μ为土的泊松比，ω为沉降影响系数，E₀为原状土的初始切线模量； 

4)当荷载Δp为增量线性时，则压板试验引起的沉降增量为： 

其中：E_t为压板底部在荷载p处增加一增量荷载Δp时的土体等效切线模量，则可得出： $E_t=\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\Δs}}\·D(1-{\mathrm{\μ}}^2)\·\mathrm{\ω};$

5)令 

压板底处土体的切线模量为： 

此时引入一个破坏比 系数R_f，则得出： 

其中：p/p_u一项是压板底面处所受压力p与极限荷载p_u的比值。 

6)确定建筑物的允许沉降值或沉降目标控制值[s]，根据2)～5)步计算的地基土的p-s曲线确定沉降量为[s]时地基土所能承担的荷载p_s，则p_s×A(A为地基面积)即为沉降量为[s]时地基土能发挥的反力； 

7)计算桩须分担的力N_p＝N-p_s×A，根据单桩的N-s曲线确定沉降量为[s]时单桩分担的力[N]，则可以算出需要的桩数n＝(N-p_s×A)/[N]。 

8)如果桩的刚度不合适，则地基土承担的荷载不等于地基土的允许承载力，则重新设计桩基调节桩的刚度曲线N-S。根据桩、土变形协调，使地基土承担的荷载刚好是地基的允许承载力，则此时多余的荷载就由所补的桩承担，实现了“缺多少，补多少”的目的。 

原状土切线模量的方法土体之所以产生非线性变形，主要是应力水平的影响，而不仅是附加垂直应力σ₁。对于不同基础、不同深度，随着深度的增加，基底应力扩散后的附加应力越少，而极限荷载大，则相应的切线模量也就越大，因而随着深度的增加，沉降收敛会越快。原状土切线模量法是根据原状土的压板试验曲线来确定土的变形计算参数，能反映原状地基土的特点，同时考虑荷载水平的影响，在计算沉降量过程中采用增量法进行计算，反映了土的非线性特点。本发明计算方法是利用原位压板试验建立的，以应力水平好地获得原状土体的切线模量，用于地基沉降计算具有较好的精度和合理性。 

本发明基于切线模量的地基沉降计算新方法的优点在于：可以更准确地计算地基的沉降，并且在地基设计中，考虑变形的非线性，桩、土的变形协调，桩土荷载根据实际沉降来分配，而不是通常按照桩、土的承载力来分配，可使结果最优，更合理。由于压板试验曲线可能会因土质的不同而呈现不同的形式，可直接应用压板试验的p-s曲线，建立荷载水平β与原状土体切线模量Et关系的方程，并应用分层总和法计算地基的沉降。应用该方法对压板下的沉降进行计算，并与实测比较取得较好的结果。同时也通过工程实例进行验证，将小尺寸的压板试验的结果应用到大尺寸基础的沉降计算中。这样，原状土切线模量法就可以适应于任意型式的试验曲线，从而扩大了切线模量法的应用范围，使其可以应用于一般的岩土地基沉降计算。由于切线模量是随着荷载水平的不同而呈现非线性特点的，所以本计算方法可以计算接近地基极限承载力时的沉降，是以原位土切线模量法的地基非线性沉降全过程的计算新方法。本方法能较好地考虑地基土的原状性和非线性性，因而可 以较准确地计算基础的非线性沉降过程，同时该方法所需土体参数较少。桩、土荷载分担考虑非线性沉降及变形协调，可充分发挥地基的承载力具有重大的社会经济效益。通过实际工程的检验，验证该方法的实用性和有效性，本发明是地基设计方法的一个重大进步。 

附图说明

图1为本发明地基沉降的计算方法计算的压板载荷试验p-s曲线； 

图2为本发明地基沉降的计算方法计算的3#试验点s/p-s关系线； 

图3和图4是基于变形协调来确定地基土和桩的承载力的图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明地基沉降的计算方法做进一步说明. 

实施例：一种地基设计的方法：本设计方法采用原状土的力学参数计算，具体包括下述步骤：1)根据已知的地质资料及基础尺寸，如果地基强度足够，直接运用发明者提出的切线模量法计算出地基的沉降，如果地基强度不足，利用切线模量法计算地基土的p-s曲线，并结合桩的沉降N-s曲线，根据变形协调原理实现“缺多少，补多少”的地基设计新方法；2)在原状土的荷载p_i时增加增量荷载Δp_i，则该深度h_j处分层厚度为Δh_j的土层产生的沉降为： 

其中：E_ij为p_i在h_j处原状土的等效切线模量，当增量荷载Δp过程中的土体变形是线性时，α为应力分布系数，Δp_iα表示Δp_i在E_ij处所产生的应力增量，Δh_j为土层分层厚度，则Δp_i所产生的沉降按照分层总和法计算，即 

3)根据土体的结构特性，E_ij主要取决于该点处的应力水平，设定土体的压板试验p-s曲线为一双曲线方程 

则该曲线任意点的切线导数为 

当s→∞时， 

其中：p_u为压板试验的极限荷载，可得曲线的初始切线模量a为 

其中：D为试验的压板直径，μ为土的泊松比，ω为沉降影响系数，E₀为原状土的初始切线模量；4)当荷载Δp为增量线性时，则压板试验引起的沉降增量为： 

其中：E_t为压板底部在荷载p处增加一增量荷载Δp时的土体等效切线模量，则可得出： 

令 

压板底处土体的切线模量为： 

此时引入一个破坏比系数R_f，则得出： 

其中：p/p_u一项是压板底面处所受压力p与极限荷载p_u的比值。6)确定建筑物的允许沉降值或沉降目标控制值[s]，根据2)～5)步计算的地基土的p-s曲线确定沉降量为[s]时地基土所能承担的荷载p_s，则p_s×A(A为地基面积)即为沉降量为[s]时地基土能发挥的反力；7)计算桩须分担的力N_p＝N-p_s×A，根据单桩的N-s曲线确定沉降量为[s]时单桩分担的力[N]，则可以算出需要的桩数n＝(N-p_s×A)/[N]。 

具体方法就是根据实测数据绘制p-s曲线，直接在曲线上求不同压力处p的斜率 

然后再由公式 

计算E_t。对于某一压板试验曲线，对应某一荷载时p的切线模量E_t是一定的，但对不同基础尺寸，不同埋深处切线模量的确定不仅取决于荷载p值，也取决于极限荷载p_u值，合理的确定应采用荷载水平β＝p/p_u确定，即不同基础尺寸、埋深当其β值相同时，所对应的土体切线模量E_t值相同，其实由原状土切线模量法可知土体在相同的荷载水平下有相同的切线模量，因此，可通过压板试验曲线，直接建立荷载水平β＝p/p_u与土体切线模量E_t的关系。不同深度处土体的切线模量E_t则根据其荷载水平β值来确定，然后再用分层总和法求各级荷载增量下的地基沉降量Δs_i，叠加即可得地基在最终荷载作用下的总沉降量 

而β与E_t的关系则可以直接采用试验曲线由插值或拟合等方法确定，如指数曲线拟合、多项式拟合法等，而不限于采用双曲线模型。从而可以把切线模量法推广于压板试验曲线为任意曲线形状的情况，扩大了原状土切线模量法的适用范围。 

由于压板试验的p～s曲线是一个边值问题，当采用分层总和法计算压板试验的p～s曲线时，关键是要合理确定土体不同位置处土体的切线模量，作为检验以上方法的正确性，可以对一个压板试验的p～s曲线，根据试验曲线确定E₀、P_u值，再由 可得反映不同荷载水平的土体切线模量，以其代替传统分层总和法的压缩模量，采用分层总和法，计算压板荷载下的p～s曲线，与实测的p～s曲线进行比较，从而检验方法的可行性。 

如图1所示为一地质剖面在基础基底面高程进行的三个压板试验所得的p～s曲线，其中 

为试验沉降线、 

为试验沉降线、 

为试验沉降线，压板直径为D＝80cm的圆形压板，为确定 的E₀及P_u值，对 

式改写为 对#3试验点拟合得 

结果如图2地基沉降的计算方法#3试验点s/p-s关系线所示，其中： 

$\frac{s}{p}=0.000987+0.007795$

R²＝0.990271 

由此可得：a＝0.007795，b＝0.000987， 

本发明计算的沉降量与实测结果较接近，而用压缩模量Es按规范的分层总和法计算的沉降则明显偏大很多，说明本发明的计算方法是符合实际的。 

图3是地基土P——S曲线，图4是单桩N——s曲线，图3和图4是切线模量法计算出沉降，考虑桩、土及垫层的变形协调作用，充分利用天然地基及桩的承载力，来确定桩的数量，从而达到“缺多少，补多少”的最优状态。 

综上所述以上实施例不过是本发明地基沉降的计算方法的最佳实施方案，不可理解为对本发明保护范围的限定，对于该领域的技术工作人员根据本发明的实施例所做的不超出本发明技术方案的调整和改动，应认为落在本发明的保护范围内。 

Claims (1)

1.一种地基设计新方法，其特征在于：本设计方法采用原状土的力学参数计算，根据变形协调原理实现“缺多少，补多少”的地基设计新方法，具体包括下述步骤：

1)根据已知的地质资料及基础尺寸，如果地基强度足够，直接运用发明者提出的切线模量法计算出地基的沉降，如果地基强度不足，利用切线模量法计算地基土的p-s曲线，并结合桩的沉降N-s曲线，根据变形协调原理实现“缺多少，补多少”的地基设计新方法；

2)在原状土的荷载p_i时增加增量荷载Δp_i，则该深度h_j处分层厚度为Δh_j的土层产生的沉降为：

其中：E_ij为p_i在h_j处原状土的等效切线模量，当增量荷载Δp过程中的土体变形是线性时，α为应力分布系数，Δp_iα表示Δp_i在E_ij处所产生的应力增量，Δh_j为土层分层厚度，则Δp_i所产生的沉降按照分层总和法计算，即

3)根据土体的结构特性，E_ij主要取决于该点处的应力水平，设定土体的压板试验p-s曲线为一双曲线方程

则该曲线任意点的切线导数为

当s→∞时，

其中：p_u为压板试验的极限荷载，

可得曲线的初始切线模量α为

其中：D为试验的压板直径，μ为土的泊松比，ω为沉降影响系数，E₀为原状土的初始切线模量；

4)当荷载Δp为增量线性时，则压板试验引起的沉降增量为：

其中：E_t为压板底部在荷载p处增加一增量荷载Δp时的土体等效切线模量，则可得出： $E_t=\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\Δs}}\·D(1-{\mathrm{\μ}}^2)\·\mathrm{\ω};$

5)令

压板底处土体的切线模量为：

此时引入一个破坏比系数R_f，则得出：

其中：p/p_u一项是压板底面处所受压力p与极限荷载p_u的比值。

6)确定建筑物的允许沉降值或沉降目标控制值[s]，根据2)～5)步计算的地基土的p-s曲线确定沉降量为[s]时地基土所能承担的荷载p_s，则p_s×A(A为地基面积)即为沉降量为[s]时地基土能发挥的反力；

7)计算桩须分担的力N_p＝N-p_s×A，根据单桩的N-s曲线确定沉降量为[s]时单桩分担的力[N]，则可以算出需要的桩数n＝(N-p_s×A)/[N]。

8)如果桩的刚度不合适，则地基土承担的荷载不等于地基土的允许承载力，则重新设计桩基调节桩的刚度曲线N-S，根据桩、土变形协调，使地基土承担的荷载刚好是地基的允许承载力，则此时多余的荷载就由所补的桩承担，实现了“缺多少，补多少”的目的。

Images