CN106777629A - 一种基于工程边界条件的膨胀土计算模型及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土勘察设计技术领域，尤其是一种基于工程边界条件的膨胀土计算模型及其应用方法，其特征在于：所述计算模型包括拟建建筑物、膨胀土层和下卧土层三部分，所述膨胀土层位于所述下卧土层上方，所述拟建建筑物设置在所述膨胀土层的上方，所述计算模型以断面为研究对象用于评判所述膨胀土层对拟建建筑物的影响，所述计算模型的建立条件至少包括所述拟建建筑物的尺寸、所述拟建建筑物的载荷、所述膨胀土层的分布宽度和分布深度，所述下卧层的分布宽度和分布深度。本发明的优点是：计算模型通用性强，可适应不同的工况，具有可广泛使用的优势；计算结果精确，计算过程简便；可为拟建建筑物后续的设计、施工提供可靠的指导，具有分析意义。

Description

一种基于工程边界条件的膨胀土计算模型及其应用方法

技术领域

本发明涉及岩土勘察设计技术领域，尤其是一种基于工程边界条件的膨胀土计算模型及其应用方法。

背景技术

近年来国家基础建设步伐稳健，建筑主体结构形式多样，技术标准日益严谨。铁路、水利、工民建等行业的建址选择，逐渐脱离传统的基础制约因素，更多受政府导向、城市功能定位及土地规划限制。一定意义上淡化了工程地质条件对建址选择的影响力度，加大了地基处理、结构设计等基础工程的投入。我国在广西、云南、河南、湖北、四川、陕西、河北、安徽、江苏等地均有不同范围的膨胀土分布。该土具有吸水膨胀、失水收缩、往复变形的性质，其对建筑地基的破坏是不易修复的。为了保证地基土在长时间内特性稳定、结构完整，达到安全使用的目的，必须解决因膨胀土而造成的一系列工程问题。

作为一种富含亲水性矿物的高塑性黏土，膨胀土常被进行地基处理，以保证其上建筑物的结构安全。工程设计人员往往通过采取原状土样及室内试验的方法，测定其膨胀力学指标，并结合指标范围选取相应的地基处理方式。由于膨胀土在我国分布范围广泛，不同地貌单元区的成土广度、深度差异显著，因此不同区域内膨胀力学指标相同的土体，对建筑的力学影响未必相似。若设计人员单纯依靠室内试验指标选取处理方式，在无法针对典型工点受力特性对症下药的同时，不可避免的造成经济浪费。

鉴于此，各科研院校、建筑企业研究机构等对膨胀土的特性研究从未停止过。目前国内外亦发表或出版了大量论文、专著以及技术规范，已形成了全面和深入的体系。既有研究多从膨胀土的定义、性质、分类、工程地质、矿物组成、土体抗剪强度理论、裂隙发育形态及其对土体强度的影响等方面入手，并结合膨胀土改良效果进行客观论述，研究体系完善，各研究成果环环相扣，对微观膨胀土理论意义重大。

但是就工程应用而言，针对膨胀土改良方式选择依据的研究较为片面。传统设计人员在进行地基处理方式选择过程中，主要参照拟设区域的膨胀土固有力学指标，采用以经验为主、计算为辅、重效果、轻优化的地基处理设计思想。未能针对拟处理土体的空间分布形态，结合建筑物结构力学特性，开展以计算为主、经验为辅、重效果、重优化的节能设计思路，缺乏实际意义。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种基于工程边界条件的膨胀土计算模型及其应用方法，通过建立膨胀土的空间分布组合模型，研究各模型工程边界条件，进而对建筑物受力进行分析。以分析对比成果为准则，指出各组合模型的力学影响要点与地基处理重点。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于工程边界条件的膨胀土计算模型，其特征在于：所述计算模型包括拟建建筑物、膨胀土层和下卧土层三部分，所述膨胀土层位于所述下卧土层上方，所述拟建建筑物设置在所述膨胀土层的上方，所述计算模型以断面为研究对象用于评判所述膨胀土层对拟建建筑物的影响，所述计算模型的建立条件至少包括所述拟建建筑物的尺寸、所述拟建建筑物的载荷、所述膨胀土层的分布宽度和分布深度，所述下卧层的分布宽度和分布深度。

当所述拟建建筑物的基础埋深为0m时，所述计算模型为场地未进行地基土开挖计算模型；当所述拟建建筑物的基础埋深不为0m时，所述计算模型为场地进行地基土开挖计算模型。

利用所述计算模型计算所述拟建建筑物特征点的应力、膨胀土层的膨胀力和膨胀变形量，从而分析所述拟建建筑物特征点应力、应变状态与所述膨胀土层分布特性之间的关系；所述拟建建筑物特征点为拟建建筑物的基地中心位置。

所述拟建建筑物特征点的应力通过公式

计算，式中γ₀为所述拟建建筑物的结构平均固有重度，H₁为所述拟建建筑物的地面高度，所述H₄为所述拟建建筑物在所述膨胀土层中的基础埋置深度，所述γ₁为所述膨胀土层的固有重度，所述P₂为所述拟建建筑物所受到的所述膨胀土层的膨胀力。

通过公式

计算P₂即所述拟建建筑物所受到的所述膨胀土层的膨胀力，式中A为常数，根据所述膨胀土层的压应力与膨胀量之间的关系曲线的极限趋势线位置确定，为所述膨胀土层的自由膨胀率，h=H₂-H₄，其中H₂为所述膨胀土层的分布深度，H₄为所述拟建建筑物在所述膨胀土层中的基础埋置深度，相关函数关系可从所述膨胀土层的压应力与膨胀量的关系曲线得出。

本发明的优点是：计算模型通用性强，可适应不同的工况，具有可广泛使用的优势；计算结果精确，计算过程简便；可为拟建建筑物后续的设计、施工提供可靠的指导，具有分析意义。

附图说明

图1为本发明中场地未进行地基土开挖计算模型；

图2为本发明中场地进行地基土开挖计算模型；

图3为本发明中膨胀力计算分析模型。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：以建筑物基础是否进行地基土开挖，建立计算模型如图1、图2所示。其中图1仅为极端工况条件下（基础埋深为0m）的应力分布对比示意。本实施例的应力计算模型依据，利用图2即可满足所有工况要求。

如图2所示，计算模型设定拟建建筑物宽L₁，高H₁，拟建建筑物对基底的平均压应力为P₁。模型在不影响计算目的的情况下，假定地基土呈二元结构分布：上部膨胀土层为本模型的主要研究对象，厚度为H₂，底部下卧土层性质稳定，承载力较好，厚度为H₃。二元结构地基土层的计算宽度均为L₂。

由于计算模型主要为了评判膨胀土空间分布对拟建建筑物的影响，进而确定合适的地基处理方式。故设定拟建建筑物在膨胀土层中的基础埋置深度为H₄，所受的膨胀力为P₂。膨胀土层和下卧土层的固有重度γ₁、γ₂。为了便于计算，本模型中地下水位均按与地表齐平考虑。图1、2中，膨胀土层和下卧土层的浮重度为γ₁’、γ₂’，可直接用于地下水位以下土体的应力计算，各土层的粘聚力及内摩擦角值标注如上图1、2所示。

同时，计算模型亦结合计算成果，建立了应力计算次生模型，如图3。

该模型计算主要从应力计算、膨胀力分析、应变变形计算三个方面出发，为了有效评判膨胀土对建筑物的影响力度，从垂向与水平向两个角度对二维模型进行力学分析，模型垂直于页面方向的广度特性，暂按均质土考虑，模型具体假设经讨论分析可得，膨胀土因自身特性，对建筑物的影响成效主要体现在应力与位移两种行为上，具有包括以下分析步骤：

1）拟建建筑物的应力、膨胀土层的膨胀力计算：

本实施例中的计算模型分析，目的是得出拟建建筑物特征点应力、应变状态与膨胀土分布特性的关系，故模型所采用的应力假设均为土力学中最基本的分布状态。

根据模型应力计算分析，求得拟建建筑物特征点E为拟建建筑物基地中心位置的特征点）的附加应力为：

（1），

式中γ₀为拟建建筑物的结构平均固有重度，H₁为拟建建筑物的地面高度，H₄为拟建建筑物在膨胀土层中的基础埋置深度，γ₁为膨胀土层的固有重度。

建筑物基底E的有效附加作用力为：

（2），

式中P₂为拟建建筑物所受到的膨胀土层的膨胀力。

随后结合公式需求，对膨胀力P₂的计算进行分析，结合图3的膨胀力分析模型，指出P₂的大小，与基底以下膨胀土层的厚度有关。求得膨胀土层的膨胀力的计算公式如下：

（3），

式中式中A为常数，根据膨胀土层的压应力与膨胀量之间的关系曲线的极限趋势线位置确定，为膨胀土层的自由膨胀率，h=H₂-H₄，其中H₂为膨胀土层的分布深度，H₄为拟建建筑物在膨胀土层中的基础埋置深度，相关函数关系可从膨胀土层的压应力与膨胀量的关系曲线，即从图3中得出。

将公式（3）代入公式（2），得出建筑物基底E的有效附加作用力为

（4）

根据公式（4）可以看出，拟建建筑物基础特征点E的受力，与拟建建筑物基础埋置深度H₄和膨胀土层厚度H₂有关。

2）应变（变形）计算

模型垂向除建筑物自重外、无附加平衡力作用，故异于水平向应变，膨胀土垂直向应变对建筑物的影响，主要体现在位移上。为了将建筑物的位移安全度监测放到最大，计算模型选取位于建筑物顶部的A、B、C三点作为计算对象，如土1所示。上节中通过应力计算，得出了建筑物基底E点的应力计算公式，该力亦为上部建筑物产生沉降变形的主要实施者。

因建筑结构为偏刚性设计，其自身微量变形为客观存在，故可将建筑物因自身结构因素而产生的变形，作为次要考虑条件。可将其平均应变确定为ε₁，则自身结构变形可粗略估算为：

（5），

式中H₁为拟建建筑物的地面高度，H₄为拟建建筑物在膨胀土层中的基础埋置深度。

因为由公式（3）可得，任一深度H_i的膨胀力值为：

（6），

式中参数含义均与公式（3）中的参数含义相同。

根据既有工作经验，由公式（1）可得，任一深度H_i处的有效垂向应力为：

（7），

式中参数与公式（1）中的参数相同。

求得计算点的潜在膨胀力、有效垂向应力后，可根据土力学中附加应力沉降计算原理，计算不同厚度H_i的膨胀变形量，结合公式（5）、（7），进一步求得建筑物A、B、C三点的沉降变形量。

3）根据计算模型的计算结果进行分析：

设计应力分析：

公式（4）算得建筑物基础底部E点的有效附加作用力P附加’，实际工程中可根据以下各式，求得基础埋至深度H4和膨胀土层厚度H2的组合关系，了解拟建建筑物基础底部的受力状况。

工况1：当P_附加’＞0时，拟建建筑物自重将大于土体向上的最大膨胀力，设计过程中可不考虑建筑物基础因膨胀土作用而承受向上作用力的影响。

工况2：当P_附加’＝0时，拟建建筑物自重刚好等于膨胀土体向上的最大膨胀力，设计过程中可以此作为设计标准，将此标准拓展应用，通过实际工程的H2、H4组合状态，初步判定建筑物基础底部的受力状况。

工况3：当P_附加’＜0时，拟建建筑物自重小于膨胀土体向上的最大膨胀力，设计过程中需注意建筑物底部土体膨胀力的影响，可根据沉降验算等选择合适的地基处理方式，减缓膨胀力对建筑稳定性的影响。

工况1多出现在高层民用建筑中，建筑结构自重较大，结构基础区域性分布，埋深亦较大。工况2多出现在一般工业建筑中，结构层高适中，基础埋深一般。工况3则多出现在铁路路基工程中，该类工程的上部附加荷载较小，基础呈长带状分布。上述总结多是根既有经验粗略估计，设计过程中需充分考虑膨胀土土层厚度，对公式（4）进行有效计算，最终确定基础底部的应力状态，从而选取合适的地基处理方式，使得设计方案经济合理。

设计应变（变形）分析：

根据公式（6）和公式（7）的力学计算成果，可将建筑物沉降变形概括为以下三种。其中H_i为膨胀土层内任意点的埋置深度，将H_i取值为计算模型中的H₂，即可求得最大埋置深度处的沉降状况。

工况1：P_i’＞ P_i，该计算深度H_i处的膨胀力小于向下的总作用力，膨胀力不会引起膨胀量的释放，该深度范围内的膨胀土，不对建筑物造成向上的沉降变形。设计过程中可不考虑该深度范围内土体对建筑物的上移影响。

工况2：P_i’= P_i，该计算深度H_i处的膨胀力等于向下的总作用力，此时计算点土体处于应力平衡状态。设计可将此时的计算深度，作为变形验算的边界考虑，做到心中有数。

工况3：P_i’＜ P_i，该计算深度H_i处的膨胀力小于向下的总作用力，此时计算点上部建筑物作用力及土体的有效自重应力，已不足以抵抗该厚度处膨胀土的膨胀力，从而部分多余膨胀力得以释放，引起相应膨胀量的产生。上覆建筑物亦将产生可检测的向上位移。设计过程中需充分考虑该类位移值对建筑物稳定性的影响，从而采取针对位移变量的地基处理方式或结构设计形式。

根据分析，设计者可结合公式（6）、（7），计算出工况2状态下H₂、H₄、H_i的关系式。确定特定基础埋深下对建筑物有明显沉降变形影响的膨胀土厚度H_i，结合实际膨胀土层厚度H₂，初步算得是否需考虑膨胀特性对建筑物沉降变形的影响。从而在前期设计阶段，便能从地基处理、优化设计结构、进行概念设计等多方面选择设计思路，确定设计重点，做到设计方案有的放矢、有效适应工程实际。

设计方案选择：

因不同建筑基础底部的应力状态，与基础埋置深度和膨胀土层厚度息息相关。上覆建筑物的沉降变形状况，与结构自重、沉降计算深度、膨胀土层厚度等关系密切。故设计人员可分别根据应力、应变变形计算结果，判定是否需要考虑建筑物基础因膨胀土作用而承受向上作用力的影响，从而做到设计思路与拟建工程的完美结合。确定最不利工况下场地土体是否会对建筑沉降变形产生影响，从而做好设计定位，明确地基处理重点和设计要点。

指导施工：

设计方案提交施工单位，施工方可根据优化处理后的设计方案，结合拟建建筑物结构形式及拟建场地膨胀土分布厚度，选取合适施工工艺，从而在保证工程满足规范要求的前提下，合理规划施工方案，针对典型工点受力特性对症下药，优化工程经济投入，节约投资。

Claims (5)

1.一种基于工程边界条件的膨胀土计算模型，其特征在于：所述计算模型包括拟建建筑物、膨胀土层和下卧土层三部分，所述膨胀土层位于所述下卧土层上方，所述拟建建筑物设置在所述膨胀土层的上方，所述计算模型以断面为研究对象用于评判所述膨胀土层对拟建建筑物的影响，所述计算模型的建立条件至少包括所述拟建建筑物的尺寸、所述拟建建筑物的载荷、所述膨胀土层的分布宽度和分布深度，所述下卧层的分布宽度和分布深度。

2.根据权利要求1所述的一种基于工程边界条件的膨胀土计算模型，其特征在于： 当所述拟建建筑物的基础埋深为0m时，所述计算模型为场地未进行地基土开挖计算模型；当所述拟建建筑物的基础埋深不为0m时，所述计算模型为场地进行地基土开挖计算模型。

3.一种涉及权利要求1-2所述的基于工程边界条件的膨胀土计算模型的应用方法，其特征在于：利用所述计算模型计算所述拟建建筑物特征点的应力、膨胀土层的膨胀力和膨胀变形量，从而分析所述拟建建筑物特征点应力、应变状态与所述膨胀土层分布特性之间的关系；所述拟建建筑物特征点为拟建建筑物的基地中心位置。

4.根据权利要求3所述的一种基于工程边界条件的膨胀土计算模型的应用方法，其特征在于：所述拟建建筑物特征点的应力通过公式

计算，式中γ₀为所述拟建建筑物的结构平均固有重度，H₁为所述拟建建筑物的地面高度，所述H₄为所述拟建建筑物在所述膨胀土层中的基础埋置深度，所述γ₁为所述膨胀土层的固有重度，所述P₂为所述拟建建筑物所受到的所述膨胀土层的膨胀力。

5.根据权利要求4所述的一种基于工程边界条件的膨胀土计算模型的应用方法，其特征在于：通过公式

计算P₂即所述拟建建筑物所受到的所述膨胀土层的膨胀力，式中A为常数，根据所述膨胀土层的压应力与膨胀量之间的关系曲线的极限趋势线位置确定，为所述膨胀土层的自由膨胀率，h=H₂-H₄，其中H₂为所述膨胀土层的分布深度，H₄为所述拟建建筑物在所述膨胀土层中的基础埋置深度，相关函数关系可从所述膨胀土层的压应力与膨胀量的关系曲线得出。