CN110727988A - 基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法 - Google Patents

基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法 Download PDF

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王志勇
朱孟君
柏威伟
王哲
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Abstract

本发明公开了一种基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，根据软土区地层情况，将软土地基进行分层和分区；计算分层处地基竖向自重应力；计算地基附加应力，得到每个分层界面处地基附加应力；如果分区的厚度较大，再将区按间距分为层，通过层的上、下底面应力求平均计算每一个分层地基的自重应力与附加应力的平均值，确定地基压缩层深度，确定土层所在的分区，求得每一分层的软土地基主固结沉降量和计算总的主固结沉降量，计算总的最终沉降量；计算任意时刻地基固结度；对地基沉降量进行预测。本发明考虑深厚软土在不同深度上性质变化，提高了深厚软土地基沉降预测精度，实现深厚软土地区工程建设工后沉降预测与控制。

Description

基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法
技术领域
本发明属于岩土工程软土地基沉降计算领域，更具体一种基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法。
背景技术
随着粤港澳大湾区经济社会的迅速发展，工程开发建设不断推进，工程建设场地也由原来的地质情况较好的区域不断向深厚软土区扩展。软土具有含水率高，抗剪强度低，压缩性大等特点，往往容易引起较大的工后沉降和不均匀沉降，成为软土地区工程建设亟待解决的科学难题，准确计算软土地基的沉降，对于保障构筑物的安全使用和正常运营具有重要意义。
珠海西部中心城区和广州南沙万顷沙区域，是典型的深厚软土分布区，珠海西部中心城区淤泥平均厚度达30多米，目前钻孔揭露最大厚度达55.1m，广州南沙万顷沙区域平均厚度也达25m以上。以往软土地基沉降计算理论与实践中，通常认为同一土层(以淤泥为例)的物理力学特性是一致的，在设计时对于同一土层采用同样参数进行计算。然而，宋许根等通过大量的钻探资料、室内试验和原位测试分析发现，同一土层软土的物理力学特性随着深度的变化有着较大的差别，并总结出了软土物理力学特性的空间异性规律。而忽略软土特性的空间异性，必将影响软基沉降计算的准确性，得到与工程实际不一致的结果，给构筑物的正常运营和安全使用造成巨大隐患。针对上述情况，在充分分析软土参数空间异性的基础上，提出了一种考虑软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和计算法，本方法克服了以往对于同一土层全部采用同一参数计算的弊端，充分考虑了深厚软土在不同深度上物理力学性质的变化，提高了深厚软土地基沉降预测精度，对深厚软土地区工程建设工后沉降预测与控制具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，充分考虑了深厚软土在不同深度上物理力学性质的变化，提高了深厚软土地基沉降预测精度，对深厚软土地区工程建设工后沉降预测与控制具有重要意义。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，其特征在于，其包括如下步骤：
a、根据软土区地层情况，将软土地基进行分层和分区；计算每一分层处地基竖向自重应力σc；
b、计算地基附加应力，得到每个分层界面处地基附加应力σz大小；
c、如果分区的深度大，再将区按间距细分为层，通过层的上底面和下底面应力求平均计算每一个分层地基的自重应力与附加应力的平均值pi；
d、确定地基压缩层深度，确定计算土层所在的分区，求得每一分层的软土地基主固结沉降量和计算总的主固结沉降量，最后计算总的最终沉降量；
e、计算任意时刻地基固结度；对任意时刻地基沉降量进行预测。
进一步，步骤a中：根据公式σc＝γh计算每一分层处地基竖向自重应力。根据权利要求1所述的基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，其特征在于，步骤b中：一般基础的荷载，可视为均布矩形荷载。则在角点o下的任意深度z的M处由均布荷载引起的竖向附加应力为：
Figure BDA0002261945850000021
σz--竖向附加应力；
p--均布矩形荷载；
l--基础长度；
b--基础宽度；
对于路基的荷载，由于l>>b，可视为均布条形荷载。则任意深度z的M处由均布荷载引起的竖向附加应力为：
其中m＝z/b，n＝x/b，x为条形荷载p沿长度方向的坐标。
进一步，步骤c中，如果分区的深度大于2m，再将区按1～2m的间距细分为层，计算每一分层地基的自重应力与附加应力的平均值；每一分层地基的自重应力与附加应力的平均值为每一分层自重应力与附加应力上底面和下底面应力相加求平均，即：
Figure BDA0002261945850000032
进一步，步骤d中，根据前面步骤a计算所得的自重应力σc和步骤b计算得到的附加应力σz，当达到σz≤0.1σc时，所对应的深度h即为压缩层深度。
进一步，步骤d中根据室内压缩实验得到的不同分区软土的e-p曲线和步骤c所得的各个分层的自重应力与附加应力平均值pi，根据公式
Figure BDA0002261945850000033
求得每一分层的软土地基主固结沉降量，再根据
Figure BDA0002261945850000034
计算总的主固结沉降。
进一步，步骤d，最终沉降量计算公式为：S＝Sd+SC+SS，Sd为瞬时沉降，SS为次固结沉降。其中
Figure BDA0002261945850000035
式中，p0为路堤底面中点的最大垂直应力，E--由无侧限抗压强度试验得到的弹性模量的平均值，F为中心线沉降系数；
Figure BDA0002261945850000036
式中，hi为各土层的厚度，tci主固结完成所需的时间，eci为主固结完成时土的孔隙比，tA为计算次固结变形所需的总时间，Iai为次固结系数。
进一步，在步骤e中，竖向固结条件下，地基平均固结度UV按以下公式计算：以及
Figure BDA0002261945850000038
式中：a-排水面附加应力与不透水面处附加应力之比；CV-竖向固结系数(m2/s)；H-孔隙水最大渗径(m)；t-固结时间(s)；当地基中有砂井或其他竖向排水体时，径向固结度为
Figure BDA0002261945850000041
此时，砂井的平均固结度为：U＝1-(1-Ur)(1-UV)。
进一步，步骤e中，地基沉降量预测公式为：St＝Sd+USc+SS
进一步，，软土地基包括：填土、淤泥、淤泥质土、黏土和砂层，其中淤泥和淤泥质土为软土；将软土顶部以上填土分为一个区，软土中的淤泥按一定距离划分一个区，淤泥质土按每隔一定厚度划分一个区，地下水界面为分区面，不同土层的界面也要作为分区面。
本发明的技术效果在于：1、本发明软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法克服了以往对于同一土层全部采用同一参数计算的弊端，充分考虑了深厚软土在不同深度上物理力学性质的变化，提高了深厚软土地基沉降预测精度，对深厚软土地区工程建设工后沉降预测与控制具有重要意义。
2、随着粤港澳大湾区经济社会的迅速发展，工程开发建设不断推进，工程建设场地也由原来的地质情况较好的区域不断向深厚软土区扩展。软土具有含水率高，抗剪强度低，压缩性大等特点，往往容易引起较大的工后沉降和不均匀沉降，成为软土地区工程建设亟待解决的科学难题，准确计算软土地基的沉降，对于保障构筑物的安全使用和正常运营具有重要意义。本发明的计算方法提高了深厚软土地基沉降预测精度，对深厚软土地区工程建设工后沉降预测与控制具有重要意义。
附图说明
图1是本发明基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法的结构示意图；
图2是本发明基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法的e-p曲线图；
图3是本发明基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法的中心地基沉降系数；
图4本发明基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法的改进方法与原方法预测结果与实测对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下面结合附图和珠海某软基工程实例对本发明做进一步详细描述：
(1)根据地质勘察资料，本场分地层包括填土、淤泥和砂层，素填土层厚度1m，淤泥厚度45.5m，砂层厚5.5m。因此，可将软土层顶部以上填土分为一个区，软土中的淤泥按大约每5m划分一个区，淤泥层共划分为9个区，地下水水位于地下1m，地下水分区面与素填土分区面重合。
(2)根据公式计算每一分层处地基竖向自重应力，素填土重度＝18kN/m3，淤泥重度＝16kN/m3，计算结果如表1和图1所示。
(3)计算地基附加应力，得到每个分层界面处地基附加应力大小。路基荷载l/b>10，因此，可视为均布条形荷载。则在角点o下的任意深度z的M处由均布荷载引起的竖向附加应力为：
Figure BDA0002261945850000051
σz--竖向附加应力；
p--均布矩形荷载；
l--基础长度；
b--基础宽度；
m＝z/b，n＝x/b，x为条形荷载p沿长度方向的坐标，计算得到附加应力结果如表1和图1所示。
(4)再将分区进行细分为层，素填土只有1m厚，分为一层，淤泥按1m的间距细分为层。计算每一分层地基的自重应力与附加应力的平均值，每一分层地基的自重应力与附加应力的平均值为每一层自重应力与附加应力上底面和下底面应力相加求平均，即：
Figure BDA0002261945850000052
计算结果见表1和图1。
(5)确定地基压缩层深度，根据前面步骤(2)计算所得的自重应力和步骤(3)计算得到的附加应力，当达到时，计算得到压缩层深度为35m。
(6)确定计算土层所在的分区，根据室内压缩实验得到的不同分区软土的e-p曲线(图2所示)和步骤(4)所得的各个分层的自重应力与附加应力平均值pi，根据公式
Figure BDA0002261945850000061
求得每一分层的软土地基主固结沉降量，如表1所示，再根据
Figure BDA0002261945850000062
计算总的主固结沉降，得到Sc＝162.64cm。
(7)计算总的最终沉降量。计算公式为：S＝Sd+SC+SS，Sd为瞬时沉降，SS为次固结沉降。其中
Figure BDA0002261945850000063
式中，p0-路堤底面中点的最大垂直应力，E-由无侧限抗压强度试验得到的弹性模量的平均值，F-中心线沉降系数(如图3所示)；式中，hi-各土层的厚度，tci-主固结完成所需的时间，eci-主固结完成时土的孔隙比，tA-计算次固结变形所需的总时间，Iai-次固结系数，计算得到S＝162.64+11.52+10.26＝184.42cm。
(8)计算任意时刻地基固结度。竖向固结条件下，地基平均固结度按以下公式计算：
Figure BDA0002261945850000065
式中：a-排水面附加应力与不透水面处附加应力之比；CV-竖向固结系数(m2/s)；H-孔隙水最大渗径(m)；t-固结时间(s)。当地基中有砂井或其他竖向排水体时，径向固结度为
Figure BDA0002261945850000067
此时，砂井的平均固结度为：U＝1-(1-Ur)(1-UV)。
表1分层沉降计算结果
Figure BDA0002261945850000068
Figure BDA0002261945850000071
(9)对任意时刻地基沉降量进行预测。公式为：St＝Sd+USc+SS，将计算得到任意时刻沉降St随时间变化曲线绘制成图4，可以看出，考虑软土空间异性计算方法与实测结果更加吻合。
本方法克服了以往对于同一土层全部采用同一参数计算的弊端，充分考虑了深厚软土在不同深度上物理力学性质的变化，提高了深厚软土地基沉降预测精度，对深厚软土地区工程建设工后沉降预测与控制具有重要意义。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，其特征在于，其包括如下步骤：
a、根据软土区地层情况，将软土地基进行分层和分区；计算每一分层处地基竖向自重应力σc；
b、计算地基附加应力，得到每个分层界面处地基附加应力σz大小；
c、如果分区的厚度大，再将区按间距细分为层，通过层的上底面和下底面应力求平均计算每一个分层地基的自重应力与附加应力的平均值pi；
d、确定地基压缩层深度，确定计算土层所在的分区，求得每一分层的软土地基主固结沉降量和计算总的主固结沉降量，最后计算总的最终沉降量；
e、计算任意时刻地基固结度；对任意时刻地基沉降量进行预测。
2.根据权利要求1所述的基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，其特征在于，步骤a中：根据公式σc＝γh计算每一分层处地基竖向自重应力。
3.根据权利要求1所述的基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，其特征在于，步骤b中：
一般基础的荷载，可视为均布矩形荷载。则在角点o下的任意深度z的M处由均布荷载引起的竖向附加应力为：
Figure FDA0002261945840000011
σz--竖向附加应力；
p--均布矩形荷载；
l--基础长度；
b--基础宽度；
对于路基的荷载，由于l>>b，可视为均布条形荷载。则任意深度z的M处由均布荷载引起的竖向附加应力为：
Figure FDA0002261945840000021
其中m＝z/b，n＝x/b，x为条形荷载p沿长度方向的坐标。
4.根据权利要求1所述的基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，其特征在于，步骤c中，如果分区的深度大于2m，再将区按1～2m的间距细分为层，计算每一层地基的自重应力与附加应力的平均值；每一层地基的自重应力与附加应力的平均值为每一分层自重应力与附加应力上底面和下底面应力相加求平均，即：
5.根据权利要求1所述的基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，其特征在于，步骤d中，根据前面步骤a计算所得的自重应力σc和步骤b计算得到的附加应力σz，当达到σz≤0.1σc时，所对应的深度h即为压缩层深度。
6.根据权利要求1所述的基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，其特征在于，步骤d中根据室内压缩实验得到的不同分区软土的e-p曲线和步骤c所得的各个分层的自重应力与附加应力平均值pi，根据公式
Figure FDA0002261945840000023
求得每一分层的软土地基主固结沉降量，再根据
Figure FDA0002261945840000024
计算总的主固结沉降。
7.根据权利要求1所述的基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，其特征在于，步骤d中，最终沉降量计算公式为：S＝Sd+SC+SS，Sd为瞬时沉降，SS为次固结沉降。其中
Figure FDA0002261945840000025
式中，p0为路堤底面中点的最大垂直应力，E为由无侧限抗压强度试验得到的弹性模量的平均值，F为中心线沉降系数；
Figure FDA0002261945840000026
式中，hi为各土层的厚度，tci为主固结完成所需的时间，eci为主固结完成时土的孔隙比，tA为计算次固结变形所需的总时间，Iai为次固结系数。
8.根据权利要求1所述的基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，其特征在于，在步骤e中，竖向固结条件下，地基平均固结度UV按以下公式计算：
Figure FDA0002261945840000031
以及
Figure FDA0002261945840000032
式中：a-排水面附加应力与不透水面处附加应力之比；CV-竖向固结系数；H-孔隙水最大渗径；t-固结时间；当地基中有砂井或其他竖向排水体时，径向固结度为
Figure FDA0002261945840000033
Figure FDA0002261945840000034
此时，砂井的平均固结度为：U＝1-(1-Ur)(1-UV)。
9.根据权利要求1所述的基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，其特征在于，步骤e中，地基沉降量预测公式为：St＝Sd+USc+SS。
10.根据权利要求1所述的基于软土参数空间异性的深厚软基固结沉降分层总和算法，其特征在于，软土地基包括：填土、淤泥、淤泥质土、黏土和砂层，其中淤泥和淤泥质土为软土；将软土顶部以上填土分为一个区，软土中的淤泥按一定距离划分一个区，淤泥质土按每隔一定厚度划分一个区，地下水界面为分区面，不同土层的界面也要作为分区面。
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