[發(fā)明專利]地基非線性沉降計(jì)算的修正切線模量法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710004615.1
• 申請(qǐng)日: 2007-01-10
• 公開（公告）號(hào): CN101220600A
• 公開（公告）日: 2008-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李仁平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 李仁平
• 主分類號(hào): E02D33/00
• 分類號(hào): E02D33/00;E02D1/00;G06F17/00;G06F19/00
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一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基礎(chǔ)工程中地基及基礎(chǔ)的沉降計(jì)算問題，屬于土木工程領(lǐng)域。

二、背景技術(shù)

地基沉降計(jì)算是基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)的核心問題，也是至今未能圓滿解決的世界性難題。目前我國(guó)廣泛應(yīng)用的是以壓縮模量為計(jì)算指標(biāo)的規(guī)范法，該方法是按分層總和法計(jì)算地基總沉降并對(duì)計(jì)算結(jié)果根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正。壓縮模量是依據(jù)土樣的室內(nèi)壓縮試驗(yàn)得到，受取樣擾動(dòng)等因素影響，與實(shí)際原狀土有較大差異，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果精度低且可靠性差，只好用一個(gè)沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψ_s來修正，ψ_s的變動(dòng)范圍很大，在0.2～1.4之間，大小相差竟達(dá)7倍之多。

載荷試驗(yàn)被認(rèn)為是最可靠的原位試驗(yàn)，用載荷試驗(yàn)資料獲得的變形模量預(yù)測(cè)基礎(chǔ)沉降已經(jīng)在筏板基礎(chǔ)及高層建筑箱形基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。變形模量是依據(jù)地基的均質(zhì)彈性體假設(shè)由載荷試驗(yàn)成果推求得到的，是一個(gè)定值，而地基土體具有非均質(zhì)、非線性特征，其荷載沉降曲線是非線性的，變形模量法只能分析荷載沉降關(guān)系曲線起始段沉降變形較小的情況，而無法分析地基加載至極限狀態(tài)的全過程，有著很大的局限性。

采用有限元法等數(shù)值方法分析地基的沉降變形是目前研究者經(jīng)常采用的方法，但由于地基土體本身的復(fù)雜性，土的本構(gòu)模型通常較復(fù)雜，需要的計(jì)算參數(shù)較多，受試驗(yàn)條件限制及土樣擾動(dòng)的影響，模型參數(shù)無法準(zhǔn)確測(cè)定。而有限元法計(jì)算結(jié)果的精度受模型參數(shù)精度的制約，計(jì)算結(jié)果的精度不可能超過參數(shù)本身的精度，因此采用有限元法計(jì)算地基的沉降變形一般難以取得理想結(jié)果，這也限制了有限元法在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

由于考慮地基非均質(zhì)非線性特征的應(yīng)力分布計(jì)算極為困難，一般地基附加應(yīng)力是按均質(zhì)彈性半空間地基考慮。推求均質(zhì)彈性半空間地基附加應(yīng)力的基本公式是Boussineq(1885)垂直集中力作用下半無限彈性體內(nèi)的應(yīng)力解，由于地基真實(shí)的應(yīng)力分布很復(fù)雜，與基礎(chǔ)形狀、埋深、土體非均質(zhì)性等因素有關(guān)，因此根據(jù)該應(yīng)力解計(jì)算得到的應(yīng)力分布與實(shí)際情況有偏差。

采用載荷試驗(yàn)確定的非線性變形模量計(jì)算地基沉降會(huì)更加符合實(shí)際情況。焦五一和楊光華分別提出依據(jù)載荷試驗(yàn)曲線求解土體在不同附加應(yīng)力的弦線模量和切線模量，按分層總和法計(jì)算出地基的沉降變形。弦線模量法只考慮了豎向附加應(yīng)力的影響，未考慮模量隨深度增加而增加的情況；切線模量法雖然按Prandtl極限承載力的理論公式考慮了模量的深度效應(yīng)，但未考慮初始切線模量隨深度增加而增加的情況，且理論公式本身會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來新的誤差。無論是弦線模量法還是切線模量法均未對(duì)附加應(yīng)力進(jìn)行修正，導(dǎo)致計(jì)算模量偏小，沉降計(jì)算結(jié)果偏大。此外，無論是弦線模量法還是切線模量法，均未能解決基礎(chǔ)的尺寸效應(yīng)問題，即如何將小尺寸的載荷試驗(yàn)成果，應(yīng)用于大基礎(chǔ)的沉降計(jì)算。

準(zhǔn)確計(jì)算地基沉降的關(guān)鍵在于：1)獲得可靠的變形計(jì)算參數(shù)；2)獲得可靠的應(yīng)力分布；3)正確考慮基礎(chǔ)的尺寸效應(yīng)。目前還沒有任何沉降計(jì)算方法能夠完善解決上述三個(gè)關(guān)鍵問題或問題之一，本發(fā)明從原位試驗(yàn)成果出發(fā)，很好地解決了這三個(gè)問題。

三、發(fā)明內(nèi)容

提出了土體非線性變形模量——修正切線模量的計(jì)算公式(修正切線模量方程，又稱雙曲線切線模量方程)，該公式是對(duì)載荷試驗(yàn)曲線進(jìn)行雙曲線擬合后由該擬合曲線反求得出，并依據(jù)最后一級(jí)荷載沉降試驗(yàn)值對(duì)Boussineq應(yīng)力解進(jìn)行修正，依據(jù)修正切線模量方程計(jì)算得到的壓板沉降與試驗(yàn)曲線完全吻合，說明修正切線模量是計(jì)算地基非線性沉降變形的理想?yún)?shù)。

提出了考慮基礎(chǔ)尺寸效應(yīng)的沉降計(jì)算方法，該方法是利用某一土層壓板試驗(yàn)分析得到的修正切線模量方程，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果(SPT)或其他原位測(cè)試資料，根據(jù)線性相關(guān)關(guān)系假定，確定出該土層不同深度不同位置測(cè)試點(diǎn)的修正切線模量方程，再用分層總和法求解大面積地基或基礎(chǔ)的非線性沉降。

一)修正切線模量法的技術(shù)特征

1.采用壓板載荷試驗(yàn)或螺旋板載荷試驗(yàn)確定地基土體的修正切線模量或修正切線模量方程；

2.根據(jù)土層修正切線模量方程結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)、靜力觸探試驗(yàn)(CPT)或旁壓試驗(yàn)(PMT)確定任意測(cè)試點(diǎn)的修正切線模量方程，進(jìn)而利用各分層土的修正切線模量方程按照分層總和法計(jì)算大面積地基或基礎(chǔ)的沉降；

3.計(jì)算參數(shù)全部來自現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試結(jié)果，根據(jù)載荷試驗(yàn)曲線對(duì)計(jì)算得到的附加應(yīng)力分布進(jìn)行修正，附加應(yīng)力修正系數(shù)β值介于0.85～1.0之間；

4.計(jì)算參數(shù)全部來自現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，參數(shù)來源可靠，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，無需再經(jīng)過人工經(jīng)驗(yàn)修正，能極大地滿足以變形控制為目標(biāo)的基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)需要；