第36卷第13期西建筑Vol.36No.13山2010年5月May.2010SHANXIARCHITECTURE
文章编号:10096825(2010)13008404
分层总和法计算地基沉降浅析
王勇
摘要:分析了现行国家规范法计算地基沉降与弹性理论解在理论上的差异以及与工程实测沉降产生偏差的根本原因,
阐明了基础宽度、基础埋深、土的泊松比等因素对地基沉降的影响,并提出程序计算方法和修正的计算公式,以期指导工程设计。
关键词:分层总和法,地基沉降,地基计算深度中图分类号:TU463
文献标识码:A
给出Harr弹性理论解析解答,从而与分层总和法进行比较分析。
1概述
近年来,国内不少学者提出按国家规范GB500072002建筑地基基础设计规范(以下简称国家规范)计算深基础沉降时,常出现计算值比实测值高出很多的情况,因此有许多学者提出按基于Mindlin解的积分解求解比基于Boussinesq解的国家规范法要符合实际得多。但是不管是基于Mindlin解还是基于Boussinesq解的解答,都需要求出地基附加应力,然后按分层总和法计算地基的变形,然而关于按Mindlin解求解后,再按分层总和法计算沉降时所需确定的地基变形计算深度及土层分层厚度等这些更为实际的问题,却少有学者对此做出探讨,所见文献都是继续按照国家规范的方法确定地基计算深度,也没有对土层进行合理分层,如文献[1][2]等。笔者通过电算与弹性理论解分析比较后发现,这样计算将会与弹性理论解产生较大偏差,甚至会产生危险。因而本文旨在此问题上做比较深入的探讨,以期给工程人员设计计算时提供一些参考,下面先就分层总和法进行论述。
3Harr弹性位移解
1966年,Harr给出均质半无限空间弹性体矩形面积表面上,受竖向均布荷载作用下,深度为z处的矩形角点下竖向位移解答(见图1),基于此解答国内极少见到,本文在此给出具体解析表达式(原文可参考文献[5]):
z=Pb(1-v2)(B-1-2vA),
E1-vn1-1m1A=tan,22n11+m21+n1
1
B=ln
2
21+m21+n1+m121+m21+n1-m1
+m1ln
21+m21+n1+121+m21+n1-1
,
m1=L/b,n1=z/b。
其中,L为基础长度;b为基础宽度;E为弹性模量;z为计算
点深度。
2分层总和法的缺陷
现行国家规范计算地基沉降的方法基础都是分层总和法,本法计算的物理概念清楚,计算方法也很容易,易于在工程单位推广应用。但该方法本身一些假定与工程实际不符,同时也与经典弹性解答的假定不一致。关键体现在假定土的变形条件为侧限条件,即在建筑物荷载作用下,地基土层只产生竖向压缩变形,侧向不能膨胀变形,与经典弹性理论的假定不一致,也与实际土有一定的差距。从本文下文可看出,当地基土的泊松比为0.4时,分层总和法计算沉降的结果比以Boussinesq为基础的弹性理论解小18.5%左右,也就是说,完全忽略侧向变形分层总和法将产生18.5%左右的误差。因此在运用分层总和法计算地基沉降时,需要减小地基计算深度,当然也不是越小越好,它存在一个临界值,这个临界计算深度将直接决定本方法的计算精度。由此国家地基规范给出了两个计算地基变形深度的经验公式,应该说,这两个公式基本上能满足工程要求,但是,从国家规范文献[3]197页给出的图表可看出,计算的结果仍然具有较大的离散性,本文在下述中将对此做出分析,并为Mindlin积分解确定地基变形深度奠定基础。
另外,文献[4]提出分层总和法还存在假定基础为完全柔性基础的缺陷,此问题Schleicher(1926年)曾做过分析,并指出刚性基础的沉降比柔性基础的沉降平均小7%左右,且列出了不同基础形状的具体差异,可参考文献[5],由于这个缺陷弹性理论同样存在,本文不做更多探讨。
为了能更清楚地说明分层总和法与弹性理论解的差异,本文
收稿日期:20100105
作者简介:王勇(1975),男,工程师,山东省烟台市建设工程质量监督站,山东烟台2001
4分层总和法与弹性位移解的比较
为了能更清晰说明问题,特举实例如下:设一矩形基础,基础埋深为0,承受P=100MPa竖向均布压力,基础长和宽相等,L=
b,并从1m变化到20m,基础下为均质土,土的弹性模量E=7MPa,为了与分层总和法的假定一致,令土的泊松比 =0,使用分层总和法计算时,令地基深度分别取到基底以下10m,100m,1000m深处,计算基础中心点的竖向位移,两种方法计算结果见表1。
表1分层总和法与Harr弹性位移解的比较
基础宽度/m
10分层总和法
Harr解
1001000
115.416.016.016.0
229.331.832.032.1
453.463.0.0.1
888.0123.9127.8128.3
14115.9211.1223.1224.4
mm
20128.7293.5317.9320.6
从解答结果很明显可以证明两种解答在理论上的一致性,即当土的计算深度趋近于无穷大时,分层总和法计算结果与弹性位移解答一致。另外一点,比较基础宽度为20m时,取不同计算深
第36卷第13期
王勇:分层总和法计算地基沉降浅析2010年5月
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度的计算结果,也说明了基础宽度的大小对计算深度的取值有很大影响。继上述例子,再比较泊松比 取不同值的情况,令 分
别为0,0.2,0.4,运用Harr弹性位移解计算结果见表2。
表2不同 值时Harr位移解的比较
基础宽度/m =0 =0.2 =0.4
116.015.413.5
232.030.826.9
4.061.653.9
8127.8123.1107.7
14223.1215.5188.5
6基于Mindlin积分解的应力解和位移解及两种解答之间的比较
1957年徐志英首次提出了Mindlin竖向应力解对矩形面积荷载积分的解答,1995年,袁聚云等又提出了其他应力方向的积分解答,具体解析表达式可参考文献[1]或文献[2],本文引用文献[1]中解答。基于Mindlin积分解的矩形面积位移解由张子明于1986年提出,并运用影响函数法推导出了圆形、环形等面积上作用竖向均布荷载时地基位移的一般计算式,具体计算式可参见文献[8],而后陈于1996年提出了非均布荷载(三角形面积)的位移解答,可参考文献[9],本文引用该文献中均布荷载的解答。为方便叙述,本文将徐志英提出的基于Mindlin积分解的竖向应力解简称为XZY应力解,张子明提出的基于Mindlin积分解的竖向位移解称为ZZM位移解。为确定XZY应力解运用分层总和法计算竖向位移时所需确定的地基计算深度,同上文,本文给出具体计算实例进行分析说明,先比较两种方法。
问题描述同上,增加基础埋深,设基础埋深为3m,同上述比较方法,在XZY应力解基础上用分层总和法计算基础沉降时分别取基础变形计算深度为10m,100m,1000m,另外为了计算比较精确,本文取分层厚度为0.25m,两种方法计算时,泊松比都取为0,计算结果见表4。
表4XZY应力解与ZZM位移解的比较
基础宽度/m
10XZY应力解
1001000
16.26.86.96.916.0
212.515.115.415.432.1
425.635.636.636.7.1
849.386.490.390.8128.3
1472.6169.6181.6183.0224.4
mm
20317.9307.8269.3
比较表2中计算结果, =0时的计算结果比 =0.4的计算结果高出18.5%,即不考虑侧向变形的分层总和法( =0)比弹性理论解(一般工程上计算常取土的 =0.4左右)高出18.5%左右。因此,在运用分层总和法时,不能将计算深度取到无限大,而是要取到一个合理深度,才能与弹性理论和工程实际一致。计算结果也能证明文献[6]中的说法是不恰当的,文献[6]提到, 沉降计算的深度,理论上应计算至无限大,工程上!!在受压层(计算深度处)以下的土层附加应力很小,所产生的沉降量可忽略不计∀。显然这种说法不恰当,分层总和法计算至某一深度的根本原因是分层总和法本身不能考虑侧向变形引起的。
另外,表1中计算结果,当计算深度取至无限大时,运用分层总和法应力解求出的沉降与直接位移解求出的沉降相等,也证实了Harr解是均质地基的正确解答。既然Harr解是均质地基的正确解答,对于均质地基来说,Harr解也就可以检验国家规范所给出的计算方法的正确性。
mm
2084.5251.1275.5278.3320.6
5国家规范法与Harr解的比较
问题描述同上,因一般工程计算中,常取泊松比 =0.4左右,这里也取 =0.4。设按国家规范5.3.6条确定的计算深度的方法称为方法1,按国家地基规范5.3.7条确定的计算深度的方法称为方法2,计算结果见表3。
表3国家规范法与Harr弹性位移解的比较
基础宽度/m方法1方法2Harr解
114.713.413.5
228.226.126.9
453.450.653.9
6.397.0107.7
14152.2162.3188.5
ZZM位移解Harr解
mm
20199.6223.4269.3
从表4中计算结果可发现两种解答在理论上的一致:只要计算深度无穷增大,基于XZY应力解的分层总和法将和ZZM弹性位移解完全相等,计算的结果同分层总和法与Harr位移解的比较(见第4节描述)结果完全一样,从而在理论上也证明了两种解答的正确性。因而,ZZM解也就可以检验按分层总和法计算地基沉降的XZY应力解的正确性,从而可确定地基的计算深度。下面给出不同计算深度时按分层总和法计算工程实际地基沉降( =0.4)的XZY应力解和ZZM弹性位移解的比较,从而为确定地基计算深度有一个比较清晰的认识。
问题描述同上,基础埋深为3m,泊松比取0.4,分层厚度仍然取0.25m,基础计算深度分别取10m,100m,1000m,运用基于XZY应力解的分层总和法计算基础中心点沉降,ZZM位移解作为检验方法,计算结果见表5。
表5 =0.4时不同计算深度XZY应力解的比较
基础宽度/mXZY应力解
10100
17.58.28.37.4
215.118.018.316.4
430.1.742.738.6
857.398.3102.392.0
1474.5187.2199.4176.6
比较表3中数据可看出,当基础宽度较小(b#4m)时,三种方法计算结果相差较小,当基础宽度超过4m时,国家规范计算的结果比Harr位移解要小;当基础较宽超过8m时,三种方法差异较大,就是国家规范规定的两种方法之间都有不小的差距;在基础宽度为20m时,相差达11.9%,国家规范方法1比Harr解小34.9%,而且这种差距随着基础宽度增大呈上升趋势,即基础宽度越大,差距越大。
不过由此而判断国家规范给出的计算深度的方法比实际工程计算的结果偏小也是比较武断的,因为实际工程的基础都有一定的埋深,即使是浅基础也不例外。根据Mindlin解可以知道,基础埋深可使地基竖向应力显著减小。由于国家规范方法是以Boussinesq积分解来计算地基竖向附加应力的,即它不考虑基础埋深对竖向附加应力显著减小的效应,从而使得国家规范计算的结果要比Mindlin解计算的结果偏大。
综上分析可知,相对弹性理论而言,国家规范方法计算深度取得较小,使得计算结果偏小;实际基础的埋深,又使得计算结果偏大,两者综合起来就使得规范比较符合实际,但同时也使得计算结果离散性较大,即有时会偏大,有时偏小,基础宽度较小、地基埋深较浅时会偏大,反之则会偏小。
至此,可以很清晰地理解分层总和法与地基计算深度之间的关系,从而为Mindlin积分解确定地基深度提供了理论依据。
mm
2087271.6296.3260.0
1000
ZZM位移解
比较表4与表5可发现泊松比对深基础沉降的影响并不大,泊松比取0.4时仅比泊松比取0时小7%左右,不及表面荷载作用差距大,因影响较小,在此不再详细叙述泊松比的影响。从表5计算结果中可看出,基础计算深度的大小对计算结果影响很大。当计算深度为10m时,基于XZY应力解的分层总和法计算结果要比弹性位移解小,当计算深度为100m时,又比弹性位移解要大。因此同半无限体表面问题一样,要使两者解答一致,同样存在一个临界计算深度问题。为同国家规范方法相比较,下面给出按规范方法确定计算深度的计算结果。
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第36卷第13期
2010年5月
山西建筑
7国家规范法与ZZM解的比较
问题描述同上,基础埋深仍为3m,泊松比取0.4,分层深度仍取每层0.25m,按国家规范5.3.6条确定的计算深度的方法称为方法1,按国家规范5.3.7条确定的计算深度的方法称为方法2,直接按地基规范法(不考虑基础埋深,也不考虑土的泊松比)的计算结果称为方法3,计算结果见表6。
表6国家规范法与ZZM弹性位移解的比较
基础宽度/m方法1方法2方法3ZZM解
17.26.514.77.4
215.113.728.216.4
433.631.453.438.6
874.074.496.392.0
14133.6141.8152.2176.6
埋深对沉降计算的影响。问题描述同上,土的泊松比取0.4,基础埋深分别取0m,3m,6m,10m时,弹性位移解的计算结果见表8。
表8基础埋深对地基沉降的影响
基础宽度/mZZM弹性位移解
规范方法
03610
113.57.47.06.814.7
226.916.414.814.128.2
453.938.632.930.353.4
8107.792.077.268.296.3
14188.5176.6156.1136.8152.2
mm
20269.3260.0240.3214.6199.6
mm
20184.7206.1199.6260.0
从表8中数据可看出,地基沉降随基础的埋深显著减小,从基础埋深为0m到基础埋深为3m时,基础埋深对地基沉降的减小作用非常明显,3m~6m时,埋深对地基沉降影响不如在0m~3m范围内大,但仍有较大的影响,而6m~10m时,埋深对地基沉降的影响已较弱,仅在基础宽度较大时,才有较大的影响。另外,从与国家规范方法计算结果比较也可看出,国家规范方法由于不能考虑基础埋深、土的泊松比而与弹性解有很大的出入。
比较方法1,方法2与ZZM弹性解可看出按规范方法确定地
基计算深度的计算结果比ZZM弹性位移解要小,尤其是基础宽度较大时,最大差距达到28.9%,如果按此进行设计,很有可能会发生危险,因此,这一点足以引起工程设计人员的广泛重视与注意。比较方法3与ZZM弹性位移解,可明显看出,当基础宽度不大时,直接按国家规范法计算,将使结果偏大2倍左右,但当基础宽度在8m左右时,计算结果反而比较接近弹性位移解,当大于8m时,又会使计算结果偏小,当然,这仅是针对基础埋深为3m的情况,如果基础埋深更大,这种差距也会继续增大。
综上分析可知,运用在XZY应力解基础上用分层总和法计算基础沉降时,地基计算深度受到多方面的影响,包括基础宽度、基础埋深、土的泊松比以及其他一些本文未涉及的因素:如土的物理性质等诸多因素,要想得出一个合理的沉降计算深度公式非常不易。根据本文叙述的逻辑方式,只能通过程序实现,即先在均质地基的情况下,使基于XZY应力解的分层总和法与ZZM位移解相等,由此确定地基的计算深度,再根据确定的计算深度,在XZY应力解基础上用分层总和法计算基础沉降。程序的编制并不难,在电算较为普及的今天用这种方法计算应该不成问题。另外,从表6也可看出,如按规范法确定地基深度并给出一定的修正系数也应该能够满足工程要求。
10结语
1)本文从分层总和法本身存在的缺陷出发,分析了现行国家规范法计算地基沉降与弹性理论解在理论上的差异以及与工程实测沉降产生偏差的根本原因,阐明了基础宽度、基础埋深、土的泊松比等因素对地基沉降的影响,并证实了基于Mindlin积分解的徐志英解比基于Boussinesq解的积分解合理得多,因后者没有考虑基础的埋深、土的泊松比对分层总和法的影响。在运用徐志英解求出各分层的竖向附加应力之后,本文提出继续按国家规范所给出的地基变形深度计算公式将不再适合徐志英解,应该按本文所介绍的方法编制程序确定地基计算深度,同时也推荐了修正的计算公式。
2)从本文给出的算例可清楚看出,基于Mindlin解的徐志英解比基于Boussinesq解的积分解合理得多,但仍然存在地基变形深度确定的问题,本文虽然给出了推荐计算公式,但并不十分合理,这需要结合理论计算结果和工程实测结果进行统计分析,对理论计算结果进行修正,才能更加适合工程要求,当然如果能按本文介绍方法进行编程计算,结果应该会相当合理。
3)本文给出的所有例子都是在均质地基上计算的,但针对的问题都是非均质地基,因为这是分层总和法较弹性位移解优越的根本所在。如果是均质地基,直接应用ZZM位移解将非常方便,ZZM位移解也可以对分层总和法计算结果进行验证。
4)在应用基于Mindlin解的积分解时,本文在引言中曾提到了分层问题,但在文中并未加以讨论,给出的计算结果都是在取分层厚度为0.25m的基础上计算而来,实际计算时,分层厚度的取值对结果会有一定的影响,尤其当分层厚度超过1m时会有较大偏差,究其原因在于,当用角点法计算竖向附加应力时,不同于规范给出的 平均附加应力系数∀方法,理解了规范给出的两种附加应力系数之间的差异,就不难理解分层厚度的影响,建议按文献[1]29页表5.3.6选取。另外,本文仅讨论了矩形面积的积分解,其他形状的积分解可参考文献[6]。
参考文献:
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8规范方法确定地基计算深度的修正
笔者通过多次试算,认为按规范法确定地基计算深度可以借
鉴,但需进行一些修正。试算结果认为,地基深度宜符合下式要求:
!S∃n#0.005
i=1
%!S∃i。
n
其中,!S∃n为在计算深度范围内第i层土的计算变形值;!S∃i
为在由计算深度向上取厚度为!z的土层计算变形值,!z的涵义可参考文献[1],依此计算式与ZZM弹性位移解的比较见表7。
表7本文推荐方法与ZZM弹性位移解的比较
基础宽度/m本文方法ZZM解
17.87.4
216.816.4
438.438.6
8.092.0
14167.3176.6
mm
20241.7260.0
比较表7中数据可看出,当基础宽小于4m时,本文推荐方法比弹性解要大,差异最大不超出6%,当基础宽度大于4m时,本文方法比弹性解要小,在基础宽度20m范围内,差异最大不超过7%。按照此式可根据基础宽度的不同给出修正系数,如宽度为1m时,修正系数为0.95,宽度为20m时,修正系数为1.05等,如能结合具体工程实例进行统计分析,将能给出更为恰当的修正系数,在此不再多议。
9基础埋深对地基沉降的影响
本文运用弹性位移解,分析使规范计算偏大的因素&&&基础
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文章编号:10096825(2010)13008702
某地下车库抗浮设计
蒋清华
摘要:结合具体工程实例,针对结构设计过程中的主要问题,对高水位、超长地下室结构设计过程进行了论述,提出了该类工程的基本设计方法,为类似工程的抗浮设计积累了经验。关键词:抗浮,超长结构,锚杆,地下室中图分类号:TU921
文献标识码:A
板厚)。
水浮力为5.35+10=53.5kN/m2>32.13kN/m2。故地下室整体抗浮不满足要求,本工程采取满堂设置抗浮锚杆的措施以解决该问题。
抗浮锚杆的荷载设计值Nk=1.2+53.5-32.13=32.07kN/m2。本工程中锚杆布置多数为2.5m+(2.5~2.7)m及3m+(2.5~2.7)m网格,极个别为3m+2.8m网格,以3m+2.8m计算,每根锚杆应提供抗拔力设计值。
Nt=32.078+2.8+3=269.47kN,取270kN计算。根据CECS22,2005锚杆杆体钢筋面积(HRB335级钢筋fyk=300N/mm2)。
As−
KtNt1.6+270+103
==1440mm2。fyk300
1工程概况
本工程位于成都市锦江区,北侧为牛沙路,南侧毗邻其他单
位用地。地上24层为住宅,地下2层为停车库及设备用房。总建筑面积38118m2,其中地上建筑面积为29136m2,地下建筑面积为m2。主楼部分采用剪力墙结构,纯地下室部分为框架结构。地下1层层高为4.2m,地下2层层高为3.8m。地下室顶板设计标高为-1.85m。∋0.00绝对标高为494.90m。根据甲方提供的中国冶金建设集团成都勘察研究总院的(勘察技术报告),本工程场地内地质层自上而下依次为:杂填土,素填土,粉土,淤泥质粉土,细砂,中砂,松散卵石层,稍密卵石层,中密卵石层,密实卵石层,强风化泥岩,中风化泥岩,建筑场地类别为∗类。抗浮设计水位为490.00m。主楼采用钢筋混凝土筏板基础,纯地下室部分采用钢筋混凝土基础加抗水板。
2设计过程中的主要问题
1)地下室底板板面标高为-9.85m,相当于绝对标高485.05m。底板厚400mm,板底绝对标高即为484.65m,抗浮设计水头为5.35m。主楼之外纯地下室部分有整体抗浮不满足及地下室底板承受水浮力较大的问题。
2)地下室长92.60m,宽61.97m,不设永久缝,均属于超长结构,存在混凝土因温度应力而收缩产生裂缝的问题。
选用3∀25,As=1470mm2>1440mm2,满足设计要求。根据选筋情况,锚杆锚固段的钻孔直径D取180mm,锚固段注浆浆体强度为M30。
根据地勘报告,该工程地基中稍密卵石层、中密卵石层、密实卵石层与锚杆锚固段注浆体之间的粘结强度分别为160kPa,230kPa,270kPa,取160kPa计算,则锚杆锚固段长度La>KNt2.2+270+103
==6.57m。
Dfmg#3.14+0.18+160+103KNt2.2+270+103
==1.29m。
nd∃fms#3+3.14+0.025+0.85+2.3+106故建议锚固段长度大于6.6m,施工中以实验结果为准。另La>
2)抗水底板计算。社,2004.
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1990,18(2):2531.[9]陈.均质地基中的桩基础沉降计算[J].岩土力学,1996,17(1):6170.
3解决方案
1)地下室整体抗浮。
塔楼以外纯地下室部分平均压重为:[(0.4+0.12+0.16+
0.1)+25+0.9+18]+0.9=32.13kN/m2(注:0.1为梁柱折合[5]HarryG.Poulos,EdwardH.Davis.Elasticsolutionsforsoiland
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[6]JosephE.Bowles.Foundationsanalysisanddesign(thethird
edition)[M].NewYork:McGrawHillBookCompany,1982.[7]陈希哲.土力学地基基础[M].第4版.北京:清华大学出版
Onanalysisofcalculatingfoundation
settlementbasedonlayerwisesummationmethod
WANGYong
Abstract:Thepaperanalyzesthetheoreticaldifferencesbetweenthenationalregulationmethodandtheflexibletheoryincalculatingthefoundationsettlement,andthefundamentalreasonsfortheerrorsinmeasuringsettlement,indicatestheinfluenceofthefoundationwidth,foundationdepthandpoissonratio,andpointsouttheprogramcalculationmethodsandmodificationmethods,soastodirecttheprojectdesign.Keywords:layerwisesummationmethod,foundationsettlement,foundationdepthcalculation
收稿日期:20100102
作者简介:蒋清华(1982),男,助理工程师,中国建筑西南设计研究院有限公司,四川成都610081
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