黃土地基沉降計(jì)算方法研究

1、<p>　　黃土地基沉降計(jì)算方法研究</p><p>　　摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)加大了對(duì)西部開(kāi)發(fā)的力度。由于西部屬于典型的濕陷性黃土地區(qū)，并且黃土具有自己獨(dú)特的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)以及所在地質(zhì)地貌的環(huán)境，使得工程在建設(shè)過(guò)程中，由于荷載不同或黃土地基自身性質(zhì)而引起差異沉降，使得上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而影響建筑物的結(jié)構(gòu)安全和建筑物的正常使用。因此，研究黃土地基的基礎(chǔ)沉降計(jì)算具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。 &l

2、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞：黃土地基 沉降計(jì)算方法 濕陷性 </p><p>　　黃土地基可分為非濕陷性黃土地基（老黃土地基）和濕陷性黃土地基。濕陷性黃土地基又分為自重濕陷性黃土地基（飽和黃土地基）和非自重濕陷性黃土地基（一般黃土地基）。它們的地基變形計(jì)算方法也不一樣，非濕陷性黃土地基無(wú)濕陷性，其地基變形計(jì)算方法主要考慮地基的壓縮變形，有時(shí)亦可采用考慮應(yīng)力歷史的計(jì)算方法。對(duì)于賦存較久的飽和黃

3、土地基（即自重濕陷性黃土），計(jì)算方法則主要考慮地基的增濕變形；而對(duì)非自重濕陷性黃土地基，則需要同時(shí)考慮壓縮變形和增濕變形，疊加得出最終的沉降量。本文介紹了幾種常見(jiàn)的計(jì)算方法。 </p><p><b>　　1 分層總和法 </b></p><p>　　地基的最終沉降量，通常采用分層總和法進(jìn)行計(jì)算。即在地基沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)劃分為若干分層計(jì)算各分層的沉降量，然后求其總和

4、。 </p><p>　　1.1 計(jì)算原理 分層總和法一般取基底中心點(diǎn)下地基附加應(yīng)力來(lái)計(jì)算各分層土的豎向壓縮量，認(rèn)為基礎(chǔ)的平均沉降量s為各分層上豎向壓縮量Δsi之和。在計(jì)算出Δsi出時(shí)，假設(shè)地基土只在豎向發(fā)生壓縮變形，沒(méi)有側(cè)向變形，故可利用室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)成果進(jìn)行計(jì)算。 </p><p>　　1.2 計(jì)算步驟 分層總和法其含義是將地基分為若干個(gè)水平土層，各土層的厚度分別為h1，h2，h3，

5、…，hn。S1，S2，S3…，Sn。然后累計(jì)起來(lái)，即為地基總的沉降量S。計(jì)算地基基礎(chǔ)沉降的最終沉降量S（m）按分層總和法計(jì)算公式如下： </p><p>　　S=S■+S■+S■+…S■=■S■（3-1） </p><p>　　Si可通用如下任一公式計(jì)算求得 </p><p>　　Si=■h■（3-2） </p><p>　　S■=■σ■h■

6、（3-3） </p><p>　　S■=■h■（3-4） </p><p>　　式中：σzi――第i層土的平均附加應(yīng)力，kpa；Esi――第i層土的側(cè)限壓縮模量，Mpa；Hi――第i層土壓縮厚度m，a――第i層土壓縮系數(shù)，Mpa-1；e1――第i層土壓縮前的孔隙比；e2――第i層土壓縮終止后的孔隙比。 </p><p>　　當(dāng)考慮應(yīng)力歷史計(jì)算沉降時(shí)，應(yīng)分如下兩種情況

7、。 </p><p>　　1.2.1 超固結(jié)土的沉降計(jì)算 </p><p>　　①當(dāng)附加應(yīng)力σz>（σc―rh）時(shí)的各分層的固結(jié)沉降量 </p><p>　　S=■■C■log■+C■log■（3-5） </p><p>　?、诋?dāng)附加應(yīng)力σz≤（σc―rh）時(shí)的各分層的固結(jié)沉降量 </p><p>　　S=■■C

8、■log■（3-6） </p><p>　　1.2.2 欠固結(jié)土的沉降計(jì)算 </p><p>　　S=■■C■log■（3-7） </p><p>　　式中：Cei――第i層土的回彈指數(shù)；Cci――第i層土的壓縮指數(shù)；σczi――第i層土的附加重應(yīng)力平均值；σzi――第i層土的附加應(yīng)力平均值；σci――第i層土的前期固結(jié)壓力； hi――第i層土的厚度；eoi――第i

9、層土的初始孔隙比。分層總和法的基本假定是把地基視為一均勻、等向的半無(wú)限空間彈性體。 </p><p>　　在建筑物荷載作用下，土中的應(yīng)力與應(yīng)變呈直線關(guān)系。該法是在一維固結(jié)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析得來(lái)的，且受荷面積與土層厚度相比是很大的，是專(zhuān)門(mén)用于黏性土的。用該法預(yù)估獨(dú)立基礎(chǔ)或片筏基礎(chǔ)的沉降量時(shí)，會(huì)遇到一種反常的現(xiàn)象；在維一應(yīng)變狀態(tài)下，飽和土沒(méi)有瞬時(shí)沉降，而所有的基礎(chǔ)因土體的側(cè)向應(yīng)變的存在，都具有瞬時(shí)沉降量。 </p

10、><p><b>　　2 地基規(guī)范法 </b></p><p>　　該法的實(shí)質(zhì)是為了使地基沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)沉降相符合，并簡(jiǎn)化分層總和法的計(jì)算方法，如此引進(jìn)一個(gè)沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs，其計(jì)算公式為 </p><p>　　S=ψ■S′=ψ■■■Z■a■-Z■a■（3-8） </p><p>　　式中：S――地基最終變形量，mm；S

11、′――按分層總和法計(jì)算出的地基變形量；ψs――沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；n――地基變形計(jì)算沉降深度內(nèi)所劃分的土層數(shù)；po――對(duì)應(yīng)于荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合時(shí)的基礎(chǔ)底面處的附加壓力，kpa；Esi――基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，Mpa，應(yīng)取土的自重壓力至土的自重力與附加壓力之和的壓力段計(jì)算；zi，zi-1――基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面的距離；ai，ai-1――基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。 </p&

12、gt;<p>　　該法簡(jiǎn)便易行，但沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)需結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定，且對(duì)三維壓縮、基礎(chǔ)的剛度、回彈再壓縮等因素沒(méi)有考慮，所以計(jì)算的精度很難把握。 </p><p>　　3 線彈性分析方法 </p><p>　　該法由Schiecher（1926）提出，用以確定彈性半空間表面上任意點(diǎn)處由于圓形或矩形均勻荷載面積所發(fā)生的豎向沉降量。其計(jì)算通用公式如下： </p>

13、<p>　　S=■I（3-9） </p><p>　　式中：S――表面某點(diǎn)的沉降量；q――均布荷載量值；b――矩形基礎(chǔ)的寬度或圓形基礎(chǔ)的直徑；u――地基泊松比；E――地基彈性模量（或地基變形模量）；I――沉降影響系數(shù)，按基礎(chǔ)的剛度、底面形狀及計(jì)算點(diǎn)位置而定。 </p><p>　　自從SKemptn等（1955）提出黏性土層由于不排水畸變所引起的沉降量可以利用彈性理論來(lái)估算以來(lái)，

14、該法主要用來(lái)預(yù)估地基的瞬時(shí)沉降量，但用它來(lái)預(yù)估最終沉降量同樣是有效的[3]，只是彈性參數(shù)在計(jì)算瞬時(shí)沉降時(shí)選用不排水值，計(jì)算總的最終沉降時(shí)用排水值。因?yàn)樵摲俣◤椥詤?shù)為常數(shù)，所以有效使用式（6），必須在實(shí)際土的應(yīng)力――應(yīng)變曲線中，規(guī)定出它的線性化范圍，進(jìn)而確定該范圍內(nèi)的模量的泊松比。平板載荷試驗(yàn)中，計(jì)算地基的變形模量的公式即是由此演變而來(lái)的。 </p><p>　　4 葉果洛夫沉降計(jì)算方法 </p>

15、<p>　　該法是根據(jù)布辛奈斯問(wèn)題的豎向位移解推導(dǎo)得出的。布辛奈斯問(wèn)題的豎向位移表達(dá)式為： 　　ω=■■+21-μ■（3-10） </p><p>　　對(duì)于長(zhǎng)度比n=L/B的矩形基礎(chǔ)，其上作用均布荷載P，則均質(zhì)地基矩形角點(diǎn)處的沉降可由式（7）積分求得 </p><p>　　ω=■k（3-11） </p><p><b>　　式中： </

16、b></p><p>　　k=■I■-■I■（3-12） </p><p>　　I■=■In■+nln■（3-13） </p><p>　　I■=■tan■■（3-14） </p><p>　　n=L/B；d=Z/B </p><p>　　目前我國(guó)有三本規(guī)范納入了中國(guó)建筑科學(xué)院何牙頤華先生修訂的葉果洛夫沉降計(jì)算方

17、法，即①?lài)?guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑形與筏形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》（JGJ6―99），②國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑巖土工程勘察規(guī)范》（JGJ72――90）[7]，③地方標(biāo)準(zhǔn)《深圳地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)試行規(guī)程》（SJG1――88）。規(guī)范中公式的基本形式為 </p><p>　　S=P■bη■■（3-15） </p><p>　　式中：Pk――長(zhǎng)期效應(yīng)組合下的基礎(chǔ)底面處的平均壓力標(biāo)準(zhǔn)值；b――基礎(chǔ)底南寬度；δi

18、-1，δi――與基礎(chǔ)長(zhǎng)寬比L/B及基礎(chǔ)底面至第i層和第i―1層土底面的距離深度z有關(guān)的無(wú)因次系數(shù)；Eoi――基礎(chǔ)底面下第i層土變形模量；η――修正系數(shù)。 </p><p>　　該方法的主要特點(diǎn)是：①考慮了地基在載荷作用下的三向壓縮變壓器形；②采用基底總壓力計(jì)算沉降，克服了分層總和法采用附加壓力不能考慮基礎(chǔ)超補(bǔ)償問(wèn)題的不足；③考慮了基礎(chǔ)剛度對(duì)地基沉降的調(diào)節(jié)作用；④理論基礎(chǔ)相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)，計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)際情況較少。 <

19、;/p><p><b>　　5 典型模量法 </b></p><p>　　該法是對(duì)彈性理論方法的改進(jìn)，因?yàn)閺椥岳碚摲椒☉?yīng)力水平如何，都采用單一的模量和泊松比，這樣的表示明顯具有缺陷。典型模量法的計(jì)算步驟如下：①取一有代表性的土樣放在三軸壓力室或K0盒中，先在軸向應(yīng)力等于豎向有效應(yīng)力（覆蓋壓力）的情況下進(jìn)行固結(jié)。②用彈性理論計(jì)算基礎(chǔ)中心豎直線上各點(diǎn)的應(yīng)力增量。③根據(jù)各點(diǎn)的應(yīng)

20、力增量進(jìn)行排水或不排水加荷，量測(cè)土樣的軸向位移及全積變化。④計(jì)算排水或不排水情況的彈性模量和泊松比。 </p><p><b>　　排水情況 </b></p><p>　　Eu=■，？自u(píng)=0.5（3-16） </p><p><b>　　不排水情況 </b></p><p><b>　　

21、Ed=■ </b></p><p>　??？自■=■ （3-17） </p><p>　?、萦?jì)算第i層土的瞬時(shí)沉降量 </p><p>　　ΔS■=■Δσ■-2？自■Δσ■（3-18） </p><p>　?、抻?jì)算第i層土的最終沉降量 </p><p>　　ΔS■=■Δσ′■-2？自■Δσ′■（3-19） &

22、lt;/p><p>　?、叻謱涌偤?，即可計(jì)算出地基的瞬時(shí)沉降及最終沉降量。 </p><p><b>　　6 有限單元法 </b></p><p>　　當(dāng)由于荷載所引起的附加應(yīng)力在整個(gè)土層內(nèi)變化特別明顯，以致于壓縮模量不能假定為恒值時(shí)，采用線性彈性理論就不合適了，在這種情況下，可以利用數(shù)值方法如有限單元來(lái)進(jìn)行分析，這個(gè)方法能考慮模量隨深度以及橫向位

23、置而變化，雖然這個(gè)方法已取得相當(dāng)成功，但由于模型參數(shù)的確定和計(jì)算工作量較大，并且這種方法目前所積累的技術(shù)儲(chǔ)備較少，因此還不適用于常規(guī)設(shè)計(jì)。其主要計(jì)算步驟是：①把荷載或者位移增量應(yīng)用于地基分析中，然 </p><p>　　后用室內(nèi)試驗(yàn)得到的初始模量進(jìn)行一次線性有限元分析；②根據(jù)步驟①所確定的應(yīng)力狀態(tài)以及室內(nèi)獲得的模量與應(yīng)力水平的相關(guān)資料，再計(jì)算各個(gè)結(jié)點(diǎn)的模量；③按照修正后的模量值，再重新計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)，然后重復(fù)步驟②

24、，并得到第二次修正了的應(yīng)力狀態(tài)。 </p><p>　　重復(fù)進(jìn)行上述計(jì)算過(guò)程，直到滿(mǎn)足收斂性要求為止。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]付偉.呂貽波地基沉降分析方法的研究與發(fā)展[J].黑龍江八一農(nóng)墾.大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，14（2），50-52. </p><p>　　[2]中

25、國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002. </p><p>　　[3]喬國(guó)峰.淺談濕陷性黃土地基加固施工技術(shù)，山西建筑.山西太原：中鐵六局太原鐵路建設(shè)有限公司，2007. </p><p><b>　　作者簡(jiǎn)介： </b></p><p>　　常雷（1990-），男，陜西榆林人，