專利名稱：地基非線性沉降計算的修正切線模量法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及基礎工程中地基及基礎的沉降計算問題，屬于土木工程領域。二、 背條技術地基沉降計算是基礎工程設計的核心問題，也是至今未能圓滿解決的世界性難題。目前 我閨廣泛應用的是以壓縮模量為計算指標的規(guī)范法，該方法是按分層總和法計算地基總沉降 并對計算結(jié)果根據(jù)經(jīng)驗進行修正。壓縮模量是依據(jù)土樣的室內(nèi)壓縮試驗得到，受取樣擾動等 因素影響，與實際原狀土有較大差異，導致計算結(jié)果精度低且可靠性差，只好用一個沉降計 算經(jīng)驗系數(shù)^，來修正，^的變動范圍很大，在0.2 1.4之間，大小相差竟達7倍之多。載荷試驗被認為是最可靠的原位試驗，用載荷試驗資料獲得的變形模量預測基礎沉降己 ^在筏板基礎及高層建筑箱形基礎工程設計中得到應用。變形模量是依據(jù)地基的均質(zhì)彈性體 假設由載荷試驗成果推求得到的，是--個定值，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 基土體本身的復雜性，土的本構(gòu)模型通常較復雜，需要的計算參數(shù)較多，受試驗條件限制及 土樣擾動的影響，模型參數(shù)無法準確測定。而有限元法計算結(jié)果的精度受模型參數(shù)精度的制 約，計算結(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際工程中的應用。由于考慮地基非均質(zhì)非線性特征的應力分布計算極為困難， 一般地基附加應力是按均質(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力的基本公式是Boussineq U885)垂 直集中力作用下半無限彈性體內(nèi)的應力解，由于地基真實的應力分布很復雜，與基礎形狀、 埋深、土體非均質(zhì)性等因素有關，因此根據(jù)該應力解計算得到的應力分布與實際情況有偏差。 采用載荷試驗確定的非線性變形模量計算地基沉降會更加符合實際情況。焦五-和楊光 華分別提出依據(jù)載荷試驗曲線求解土體在不同附加應力的弦線模量和切線模量，按分層總和 法計算出地基的沉降變形。弦線模量法只考慮了豎向附加應力的影響，未考慮模量隨深度增 加而增加的情況；切線模量法雖然按Prandti極限承載力的理論公式考慮了模量的深度效應， 但未考慮初始切線模量隨深度增加而增加的情況，且理論公式本身會給計算結(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附加應力進行修正，導致計算模量偏小，沉降 汁算結(jié)果偏大。此外，無論是弦線模量法還是切線模量法，均未能解決基礎的尺寸效應問題,即如何將小尺寸的載荷試驗成果，應用于大基礎的沉降計算。準確計算地基沉降的關鍵在于1)獲得可靠的變形計算參數(shù)；2)獲得可靠的應力分布； 3》正確考慮基礎的尺寸效應。目前還沒有任何沉降計算方法能夠完善解決上述三個關鍵問題 或問題之 ，本發(fā)明從原位試驗成果出發(fā)，很好地解決了這三個問題。三、發(fā)明內(nèi)容提出了土體非線性變形模量一修正切線模量的計算公式(修正切線模量方程，又稱雙 曲線切線模量方程)，該公式是對載荷試驗曲線進行雙曲線擬合后由該擬合曲線反求得出，并依據(jù)最后一級荷載沉降試驗值對Boussineq應力解進行修正，依據(jù)修正切線模量方程計算得 到的壓板沉降與試驗曲線完全吻合，說明修正切線模量是計算地基非線性沉降變形的理想?yún)?數(shù)。提出了考慮基礎尺寸效應的沉降計算方法，該方法是利用某- -土層壓板試驗分析得到的 修正切線模量方程，結(jié)合標準貫入試驗成果(SPT)或其他原位測試資料，根據(jù)線性相關關 系假定，確定出該土層不同深度不同位置測試點的修正切線模量方程，再用分層總和法求解 大面積地基或基礎的非線性沉降。一) 修正切線模量法的技術特征1. 采用壓板載荷試驗或嫘旋板載荷試驗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)合標準貫入試驗(SPT)、靜力觸探試驗(CPT)或旁 壓試驗(PMT)確定任意測試點的修正切線模量方程，進而利用各分層土的修正切 線模量方程按照分層總和法計算大面積地基或基礎的沉降；3. 計算參數(shù)全部來自現(xiàn)場原位測試結(jié)果，根據(jù)載荷試驗曲線對計算得到的附加應力分 布進行修正，附加應力修正系數(shù)P值介于0.85 1.0之間4. 計算參數(shù)全部來自現(xiàn)場原位試驗，參數(shù)來源可靠，計算結(jié)果準確，無需再經(jīng)過人工 經(jīng)驗修正，能極大地滿足以變形控制為目標的基礎工程設計需要；5. 無需鉆探取樣及室內(nèi)土工試驗分析，大大簡化了勘察手段，并能大量節(jié)省勘察時間 和勘察費用；6. 能進行基礎加載至極限狀態(tài)的全過程分析，廣泛適用于各類地基(包括復合地基) 及基礎(包括剛性基礎和柔性基礎)的沉降計算。二) 條正切線模量方程及沉降計算公式首先用雙曲線來擬合淺層壓板或深層螺旋板載荷試驗P S曲線，擬合方程為<formula>formula see original document page 5</formula> (1) 式中fl、 A為雙曲線擬合參數(shù)。當s — oo時，得到最大破壞荷載;;,.=1/6。假定地基極限承載力為/7 ,且/7 //7, = ~ ,及f稱為破壞比。依據(jù)壓板載荷試驗曲線反求出的原狀土修正切線模量方程為<formula>formula see original document page 5</formula>、及,A /&均表示地基附加應力影響范圍之內(nèi)任意深度Z的附加應力水平?！?。稱為初始切線模量，￡。=Qd/fl， d為承壓板的直徑或邊長。n跟壓板形狀及土體泊松比/i有關， 對于方形壓板，Q = 0.88(1-//2)，對圓形壓板取Q = 0.79(1+ ;/2)。 /5為附加應力修正系數(shù)， 根據(jù)末級荷載(或其它某級荷載)下的沉降計算值與試驗值相等為條件計算得到，；ff值一般 在0.85 1.0之間，說明理論解較真實應力解偏高幅值在15%以內(nèi)。分層土在附加應力作用下產(chǎn)生的壓縮變形為<formula>formula see original document page 5</formula>, (4)附加應力分布采用Boussineq彈性體應力解原始積分公式直接求解，假設地基壓縮層共 分n層，各分層厚度為A^，分層中間點附加應力為/^,，修正切線模量為A,則地基總的沉 降計算公式為如^ (5)<formula>formula see original document page 5</formula>,，為了準確計算大面積地基或基礎的沉降，需要確定地基任意深度土層的修正切線模量。 標準貫入試驗(SPT)、靜力觸探試驗(CPT)或旁壓試驗(PMT)是一般實際工程常用的原 位試驗方法，通常土性越硬，試驗得到的SPT標貫擊數(shù)、CPT錐尖阻力及旁壓模量E^、旁 壓破壞荷載p,越大，其初始切線模量五。及地基極限承載力A也越大；對于土性完全相同的 土，隨深度的增加，^及A也會增加，其變化規(guī)律也與SPT、 CPT及PMT試驗結(jié)果的變化 規(guī)律一致，故可假定fi。及/v與標貫擊數(shù)JV、錐尖阻力&、旁壓模量￡ 或旁壓破壞荷載/7,間 存在著線性相關關系<formula>formula see original document page 5</formula>
^為線性相關系數(shù)。假設某試驗點1的標貫擊數(shù)是W,，試驗點2 的標貫擊數(shù)是A^，試驗點1載荷試驗確定出的修正切線模量方程為f:, =(1-^77j2^/々，依 據(jù)h述線性相關關系得到試驗點2的土體修正切線模量為'<formula>formula see original document page 5</formula>同理，對于靜力觸探試驗(CPT)及旁壓試驗(PMT)，相應的計算公式分別為￡ 二(l-腳J: ") cA'一 (9) '一 (10)類似地，可確定出同一土層內(nèi)其它任意SPT、 CPT或PMT測試點的的修正切線模量。 根據(jù)彈性理論，大面積剛性基礎如箱形基礎或筏板基礎的基礎中心沉降&比柔性基礎中 心沉降s,略小，二者關系為=肌，=0〉 ^1^1~■'-"1 A" (11)ffl為剛性基礎的形狀系數(shù)，方形取0.88,圓形取0.79。利用應力疊加原理，調(diào)整基礎尺 t或基底接觸壓力可以使相鄰基礎計算沉降相等，或使大面積基礎沉降計算值處處相等，從 而達到基礎設計以沉降變形為控制目標的目的。四、附困說明

圖1各級荷載作用下壓板實測沉降與計算沉降的比較(圖中Pl—荷載，Sl —壓板穩(wěn)定沉降) 閣2各級荷載作用下修正切線模量隨深度的關系曲線(圖中Et—修正切線模量，Z —深度)圖3基礎基底接觸壓力與基礎沉降的關系曲線(圖中P2 —基礎荷載，S2 —基礎中心穩(wěn)定沉降)五具體實施方式
一)程序?qū)崿F(xiàn)本方法需要借助專門的計算程序，應用MATLAB7.0或其它計算機語言可實現(xiàn)上述算法 的計算機編程，計算步驟為(1) 輸入各土層載荷試驗各級荷載下的實測數(shù)據(jù)(P,， 應用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行雙曲線擬合；(2) 輸出雙曲線擬合參數(shù)a、 6;(3) 計算各級荷載下地基中的附加應力分布；(4) 選擇附加應力修正系數(shù)y8的收斂步長，應用地基沉降公式(5)迭代求解各級荷載 下的地基沉降，直至末級荷載(或其它某一級荷載)下壓板的計算沉降與載荷試驗實際沉降 近似相等，輸出;8;(5) 依據(jù)線性關系假定及公式(8) (10)計算地基內(nèi)住意測試點的修正切線模量， 并計算實際工程基礎或地基的應力分布，再應用公式(11)計算地基或基礎總沉降，并繪計 算成果圖。(6) 應用計算成果進行基礎工程設計，調(diào)整基礎尺寸或基底接觸壓力使相鄰基礎計算沉 降相等，或使大面積基礎的沉降計算值處處相等，從而達到基礎設計以沉降變形為控制目標 的R的。二)工程應用舉例輇證某小高層建筑地面以上12層，地下室2層，基坑開挖深度12.0m,采用筏板基礎型式， 筏板壓縮層厚度20m,基底面附近壓板試驗(采用直徑0.8111的圓形壓板)成果如圖l所示。 計算得到的附加應力修正系數(shù)/ =0.899，其修正切線模量方程為<formula>formula see original document page 7</formula> (12)i:式中的附加應力分布/;-根據(jù)圓形均布荷載下Boussineq應力解原始積分公式計算得 到，利用式(12)和(5)計算得到的壓板荷載沉降曲線見圖l。圖1表明，各級荷載下的沉 降的計算結(jié)果都與試驗曲線完全吻合。圖2表示各級荷載下土體修正切線模量隨深度Z的變 化情況，其規(guī)律是附加應力水平越大、深度越淺，修iF.切線模量越小。按照規(guī)范，該建筑工程的筏板基礎可按40.0X40.0 m方形基礎簡化處理，根據(jù)方形基礎 均布荷載下Boussineq應力解原始積分公式計算得到地基的附加應力分布，壓縮層厚度根據(jù) 地質(zhì)情況取20.0m?？辈熨Y料顯示基礎底板下深度0 6m、 6 10m、 10 14m、" 18m、 18~20m的SPT標貫擊數(shù)分別為13.6擊、16.5擊、20.2擊、17.5擊、17.1擊，利用公式(12)、 (8)和(11)計算方形剛性基礎的沉降，得到基礎底板加載全過程的荷載沉降曲線如圖3所 示.圖中在荷載p-210.0kPa處的對應沉降為39.7mm，與實測的40.0mm結(jié)果極為吻合，表 明圖3所示的荷載沉降曲線有著極高的準確性，可直接應用于該工程基礎方案的沉降變形控 制設計。而規(guī)范法中采用壓縮模量指標計算得到的沉降是880mm，為實際沉降的22倍。棊底面附近土體的修正附加應力水平僅為^>0.00088534p: =0.1859,表明該地基承 載潛力仍然很大，因此，采用新方法進行基礎方案設計更加科學，有助于大幅降低基礎工程 造價。采用本方法進行基礎工程設計，由于計算參數(shù)全部來自現(xiàn)場載荷試驗及標準貫入試驗， 無需鉆探取樣進行室內(nèi)各種土工試驗，大大簡化了勘察手段，并能大量節(jié)省勘察時間和勘察費用。
權(quán)利要求
1. 本發(fā)明新技術的特征A.采用壓板載荷試驗或螺旋板載荷試驗確定地基土體的修正切線模量或修正切線模量方程；B.根據(jù)土層修正切線模量方程結(jié)合標準貫入試驗(SPT)、靜力觸探試驗(CPT)或旁壓試驗(PMT)確定任意測試點的修正切線模量方程，進而利用各分層土的修正切線模量方程按照分層總和法計算大面積地基或基礎的沉降；C.計算參數(shù)全部來自現(xiàn)場原位測試結(jié)果，根據(jù)載荷試驗曲線對計算得到的附加應力分布進行修正，附加應力修正系數(shù)β值介于0.85～1.0之間；D.計算參數(shù)全部來自現(xiàn)場原位試驗，參數(shù)來源可靠，計算結(jié)果準確，無需再經(jīng)過人工經(jīng)驗修正，能極大地滿足以變形控制為目標的基礎工程設計需要；E.無需鉆探取樣及室內(nèi)土工試驗分析，大大簡化了勘察手段，并能大量節(jié)省勘察時間和勘察費用；F.能進行基礎加載至極限狀態(tài)的全過程分析，廣泛適用于各類地基(包括復合地基)及基礎(包括剛性基礎和柔性基礎)的沉降計算。
2、 請求保護范圍A. 采用壓板載荷試驗或嫘旋板載荷試驗確定地基土體的修正切線模量或修正切線模量 方程；B. 采用修正切線模量或修正切線模量方程按照分層總和法計算地基非線性沉降；C. 利用土層修正切線模量方程結(jié)合標準貫入試驗(SPT)、或靜力觸探試驗(CPT)、或 旁壓試驗(PMT)確定任意測試點的修正切線模量方程，進而計算大面積地基或基礎 的沉降；D. 采用修正切線模量法進行各類地基(包括復合地基)的非線性沉降計算分析及利用本 發(fā)明方法設計各類地基或基礎工程。
全文摘要
利用載荷試驗成果經(jīng)過雙曲線擬合確定出某一土層地基土的修正切線模量方程E_l＝(1-βbp_z)²E₀/β或E_l＝(1-βR_fp_z/p_u)²E₀/β再根據(jù)標準貫入試驗或其他原位試驗測試參數(shù)按線性相關關系假設，確定該土層不同深度各分層土的修正切線模量；最后依據(jù)分層總和法求解大面積地基或基礎的非線性沉降。該方法的特點是能進行加載至極限狀態(tài)的全過程非線性沉降分析，計算原理簡單，計算參數(shù)來源可靠，附加應力依據(jù)壓板試驗成果進行修正，計算結(jié)果準確，廣泛適用于土木工程領域以沉降控制為目標的各類地基基礎工程的設計。
文檔編號E02D33/00GK101220600SQ20071000461
公開日2008年7月16日 申請日期2007年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月10日
發(fā)明者李仁平 申請人:李仁平