常用的地基沉降计算方法.doc

6.3 常用的地基沉降计算方法 这里所讲的地基沉降量是指地基最终沉降量，目前常用的计算方法有弹性力学法、分层总和法、应力面积法和考虑应力历史影响的沉降计算法。所谓最终沉降量是地基在荷载作用下沉降完全稳定后的沉降量，要达到这一沉降量的时间取决于地基排水条件。对于砂土，施工结束后就可以完成；对于粘性土，少则几年，多则十几年、几十年乃至更长时间。 6.3.1 计算地基最终沉降量的弹性力学方法 地基最终沉降量的弹性力学计算方法是以Boussinesq课题的位移解为依据的。在弹性半空间表面作用着一个竖向集中力P时，见图6-5，表面位移wx, y, o就是地基表面的沉降量s （6-8） 式中 地基土的泊松比； E地基土的弹性模量（或变形模量E0）； 为地基表面任意点到集中力P作用点的距离，。 对于局部荷载下的地基沉降，则可利用上式，根据叠加原理求得。如图6-6所示，设荷载面积A内N（ξ，）点处的分布荷载为p0（ξ，），则该点微面积上的分布荷载可为集中力P p0（ξ，）dξd代替。于是，地面上与N点距离r 的M（x, y）点的沉降s（x, y），可由式（6-8）积分求得 （6-9） 图6-5 集中力作用下地基表面的沉降曲线图6-6 局部荷载下的地面沉降 （a）任意荷载面；（b）矩形荷载面 从式（6-9）可以看出，如果知道了应力分布就可以求得沉降；反过来，若沉降已知又可以反算出应力分布。 对均布矩形荷载p0（ξ，η） p0常数，其角点C的沉降按上式积分的结果为 （6-10） 式中 角点沉降影响系数，由下式确定 （6-11） 式中 ml/b。 利用式（6-10），以角点法易求得均布矩形荷载下地基表面任意点的沉降。例如矩形中心点的沉降是图6-6（b）中的虚线划分为四个相同小矩形的角点沉降之和，即 （6-12） 式中 中心沉降影响系数。 图6-7 局部荷载作用下的地面沉降 （a）绝对柔性基础；（b）绝对刚性基础 以上角点法的计算结果和实践经验都表明，柔性荷载下地面的沉降不仅产生于荷载面范围之内，而且还影响到荷载面之外，沉降后的地面呈碟形，见图6-7。但一般基础都具有一定的抗弯刚度，因而沉降依基础刚度的大小而趋于均匀。中心荷载作用下的基础沉降可以近似地按绝对柔性基础基底平均沉降计算，即 （6-13） 式中 A基底面积， sx, y点（x, y）处的基础沉降。 对于均布的矩形荷载，上式积分的结果为 （6-14） 式中 平均沉降影响系数。 可将式（6-10）、式（6-12）、式（6-14）统一成为地基沉降的弹性力学公式的一般形式 （6-15） 式中 b矩形基础（荷载）的宽度或圆形基础（荷载）的直径， 无量纲沉降影响系数，见表6-1。 基础沉降影响系数值 表6-1 基础形状 基础刚度 圆形 方形 矩 形（l/b） 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.1 100.0 柔 性 基 础 0.64 0.56 0.68 0.77 0.89 0.98 1.05 1.11 1.16 1.20 1.24 1.27 2.00 1.00 1.12 1.36 1.53 1.78 1.96 2.10 2.22 2.32 2.40 2.48 2.54 4.01 0.85 0.95 1.15 1.30 1.52 1.20 1.83 1.96 2.04 2.12 2.19 2.25 3.70 刚性基础 0.79 0.88 1.08 1.22 1.44 1.61 1.72 – – – – 2.12 3.40 刚性基础承受偏心荷载时，沉降后基底为一倾斜面，基底形心处的沉降（即平均沉降）可按式（6-15）取计算，基底倾斜的弹性力学公式如下 圆形基础 （6-16a） 矩形基础 （6-16b） 式中 θ基础倾斜角； P基底竖向偏心荷载合力； e偏心距； b荷载偏心方向的矩形基底边长或圆形基底直径； K计算矩形刚性基础倾斜的无量纲系数，按l/b取值，如图6-8，其中l为矩形基底另一边长。 图6-8 计算矩形刚性基础倾斜的系数K 通常按式（6-15）计算的基础最终沉降量是偏大的。这是由于弹性力学公式是按匀质线性变形半空间的假设得到的，而实际上地基常常是非均质的成层土，即使是均质的土层，其变形模量E0一般随深度而增大。因此，利用弹性力学公式计算沉降的问题，在于所用的E0值能否反映地基变形的真实情况。地基土层的E0值，如能从已有建筑物的沉降观测资料，以弹性力学公式反算求得，则这种数据是很有价值的。 图6-9 地基沉降计算系数和 此外，弹性力学公式可用来计算地基的瞬时沉降，此时认为地基土不产生体积变形，例如风或其它短暂荷载作用下，构筑物基础的倾斜可按式（6-16）计算，注意式中的E0应取为地基弹性模量，并取泊松比0.5。 在大多数实际问题中，土层的厚度是有限的，下卧坚硬土层。Christian和Carrier（1978）提出了计算有限厚土层上柔性基础的平均沉降计算公式 （6-17） 式中，取决于基础埋深和宽度之比D/b，取决于地基土厚度H和基础形状。取泊松比0.5时和如图6-9所示。对于成层土地基，可利用叠加原理来计算地基平均沉降。式（6-17）主要用于估计饱和粘土地基的瞬时沉降，由于瞬时沉降是在不排水状态下发生的，因此，适宜的泊松比应取0.5，适应的变形模量E0应取不排水模量Eu。 [例题6-1] 某矩形基础底面尺寸为4m2m，其基底压力p0150kPa，埋深1m，地基土第一层为5m厚的粘土，不排水变形模量Eu40MPa，第二层为8m厚的粘土，Eu75MPa，其下为坚硬土层。试估算基础的瞬时沉降。 解D/b0.5，查图6-9，0.94 考虑上层粘土，H/b4/22，l/b2，具有Eu40MPa 查图6-9，0.60 因此 考虑二层粘土均具有Eu75MPa H/b12/26，l/b2，查图6-9，0.85 因此 考虑第一层粘土，具有Eu75MPa，则 因此，总的瞬时沉降为 6.3.2 计算地基最终沉降量的分层总和法 （一）一维压缩课题 在厚度为H的均匀土层上面施加连续均匀荷载p，见图6-10a，这时土层只能在竖直方向发生压缩变形，而不可能有侧向变形，这同侧限压缩试验中的情况基本一样，属一维压缩问题。 施加外荷载之前，土层中的自重应力为图6-10b中OBA；施加p之后，土层中引起的附加应力分布为OCDA。对整个土层来说，施加外荷载前后存在于土层中的平均竖向应力 图6-10 土层一维压缩 分别为p1H/2和p2p1p。从土的压缩试验曲线（图6-10c）可以看出，竖向应力从p1 增加到p2，将引起土的孔隙比从e1减小为e2。因此，可求得一维条件下土层的压缩变形s 与土的孔隙比e的变化之间存在如下关系 （6-18） 这就是土层一维压缩变形量的基本计算公式。式（6-18）也可改写成 （6-19） 或 （6-20） 或 （6-21） 式中 压缩系数； 图6-11 分层总和法沉降计算图例 体积压缩系数； Es压缩模量； H土层厚度； A附加应力面积，ApH。 （二）沉降计算的分层总和法 1 基本原理 分别计算基础中心点下地基各分层土的压缩变形量si，认为基础的平均沉降量s等于si的总和，即 （6-22） 式中 n计算深度范围内土的分层数。 计算时si，假设土层只发生竖向压缩变形，没有侧向变形，因此可按式（6-18）～式（6-21）中的任何一个公式进行计算。 2 计算步骤 1）选择沉降计算剖面，在每一个剖面上选择若干计算点。在计算基底压力和地基中附加应力时，根据基础的尺寸及所受荷载的性质（中心受压、偏心或倾斜等），求出基底压力的大小和分布；再结合地基土层的性状，选择沉降计算点的位置。 2）将地基分层。在分层时天然土层的交界面和地下水位面应为分层面，同时在同一类土层中分层的厚度不宜过大。一般取分层厚hi≤0.4b或hi1～2m，b为基础宽度。 3）求出计算点垂线上各分层层面处的竖向自重应力（应从地面起算），并绘出它的分布曲线。 4）求出计算点垂线上各分层层面处的竖向附加应力，并绘出它的分布曲线，取0.2（中、低压缩性土）或0.1（高压缩性土）处的土层深度为沉降计算的土层深度。 5）求出各分层的平均自重应力和平均附加应力，见图6-11 式中 、第i分层土上、下层面处的自重应力； 、第i分层土上、下层面处的附加应力。 6）计算各分层土的压缩量si。认为各分层土都是在侧限压缩条件下压力从增加到所产生的变形量si，可由式（6-18）～式（6-21）中任一式计算。 7）按式（6-22）计算基础各点的沉降量。基础中点沉降量可视为基础平均沉降量；根据基础角点沉降差，可推算出基础的倾斜。 [例题6-2]某柱基础，底面尺寸lb42m2，埋深d1.5m。传至基础顶面的竖向荷载N1192KN，各土层计算指标见例表6-1和例表6-2。试计算柱基础最终沉降量。假定地下水位深dw2m。 土层计算指标 例表6-1土层侧限压缩试验e–p曲线 例表6-2 土层 kN/m2 a MPa–1 Es MPa pkPa 土层 0 50 100 200 ①粘土 19.5 0.39 4.5 ①粘土 0.820 0.780 0.760 0.740 ②粉质粘土 19.8 0.33 5.1 ②粉质粘土 0.740 0.720 0.700 0.670 ③粉砂 19.0 0.37 5.0 ③粉砂 0.890 0.860 0.840 0.810 ④粉土 19.2 0.52 3.4 ④粉土 0.850 0.810 0.780 0.740 解基底平均压力p 基底附加压力p0 取水的重度≈10kN/m3，则有效重度，基础中心线下的自重应力和附加应力计算结果见例图6-1。到粉砂层层底，14.4kPa0.20.291.918.3kPa，因此，沉降计算深度取为H2.04.01.57.5m，从基底起算的土层压缩层厚度为Zn7.5–1.56.0m。 例图6-1 土层自重应力和附加应力分布 按hi≤0.4b0.420.8m分层。h10.50m，h2～h60.80m，h7h80.75m。柱基础最终沉降量计算结果如下 （1）按公式计算。 各分层土沉降量计算程序 例表6-3 土层 分层 him p1ikPa e1i P2ikPa e2i simm 粘土① 0–1 0.50 34.2 0.7995 180.7 0.7439 15.45 粉质粘土② 1–2 2–3 3–4 4–5 5–6 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 42.9 50.8 58.4 66.2 74.0 0.7228 0.7197 0.7166 0.7135 0.7104 165.9 136.6 115.8 105.4 102.0 0.6802 0.6890 0.6953 0.6984 0.6994 19.78 14.28 9.93 7.05 5.14 粉砂③ 6–8 7–8 0.75 0.75 81.6 88.4 0.8474 0.8446 102.7 104.9 0.8392 0.8385 3.33 2.48 因此，sΣsi77.44mm （2）按公式计算 各分层土沉降量计算程序 例表6-4 土层 分层 him p1ikPa e1i σzikPa aMPa–1 simm 粘土① 0–1 0.50 34.2 0.7995 146.5 0.39 15.85 粉质粘土② 1–2 2–3 3–4 4–5 5–6 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 42.9 50.8 58.4 66.2 74.0 0.7228 0.7197 0.7166 0.7135 0.7104 123.0 85.8 57.4 39.2 28.0 0.33 18.85 13.17 8.83 6.04 4.32 粉砂③ 6–8 7–8 0.75 0.75 81.6 88.4 0.8474 0.8446 21.1 16.5 0.37 3.17 2.48 因此 sΣsi72.44mm （3）按公式计算 6.3.3地基沉降量计算的应力面积法 图6-12 应力面积的概念 建筑地基基础设计规范所推荐的地基最终沉降量计算方法是另一种形式的分层总和法。该方法采用了“应力面积”的概念，因而称为应力面积法。 一） 土层压缩变形量Δs的计算及应力面积的概念 假设地基是均匀的，即土在侧限条件下的压缩模量Es不随深度而变，则从基底至地基 任意深度z范围内的压缩量为（见图6-12） （6-23） 式中 土的侧限压缩应变，； A深度z范围内的附加应力面积， 。 因为，为基底下任意深度z处的附加应力系数。因此，附加应力面积A为 （6-24） 为便于计算，引入一个竖向平均附加应力（面积）系数。则式（6-23）改写为 （6-25） 式（6-25）就是以附加应力面积等代值引出一个平均附加应力系数表达的从基底至任意深度z 范围内地基沉降量的计算公式。由此可得成层地基沉降量的计算公式（见图6-13） （6-26） 式中 和zi和zi–1深度范围内竖向附加应力面积Ai和Ai–1的等代值。 因此，用式（6-26）计算成层地基的沉降量，关键是确定竖向平均附加应力系数。 由竖向平均附加应力系数的定义，均布荷载p0作用于矩形（2a2b）土表，相对其形心，在坐标（x, y）处，从土表到z深处，可导出的解析式如下 图6-13 成层地基沉降计算的概念 6-27 其中（表示取的整数部分） （6-28a） （6-28b） 为便于计算，均布矩形荷载角点下的列于表6-2；利用式（6-24）也可以求出均布三角形荷载角点、圆形面积均布荷载中心点和周边点下的值，并列于表6-3至表6-5，以供查用。 为了提高计算准确度，地基沉降计算深度围内的计算沉降量，尚须乘以一个沉降计算经验系数。建筑地基基础设计规范规定的确定方法为 （6-29） 式中 利用地基沉降观测资料推算的最终沉降量。 各地区宜按实测资料制定适合于本地区各类土的值，而建筑地基基础设计规范提供了一个采用表值，见表6-6。 综上所述，建筑地基基础设计规范推荐的地基最终沉降量s的计算公式如下 （6-30） 式中，n地基沉降计算深度范围内所划分的土层数。 均布矩形荷载角点下的平均竖向附加应力系数 表6-2 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 5.0 10.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2500 0.2496 0.2474 0.2423 0.2346 0.2500 0.2497 0.2479 0.2437 0.2372 0.2500 0.2497 0.2481 0.2444 0.2387 0.2500 0.2498 0.2483 0.2448 0.2395 0.2500 0.2498 0.2483 0.2451 0.2400 0.2500 0.2498 0.2484 0.2452 0.2403 0.2500 0.2498 0.2485 0.2454 0.2407 0.2500 0.2498 0.2485 0.2455 0.2408 0.2500 0.2498 0.2485 0.2455 0.2409 0.2500 0.2498 0.2485 0.2455 0.2409 0.2500 0.2498 0.2485 0.2455 0.2410 0.2500 0.2498 0.2485 0.2455 0.2410 0.2500 0.2498 0.2485 0.2456 0.2410 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0.2252 0.2149 0.2043 0.1939 0.1840 0.2291 0.2199 0.2102 0.2006 0.1912 0.2313 0.2229 0.2140 0.2049 0.1960 0.2326 0.2248 0.2164 0.2079 0.1994 0.2335 0.2260 0.2190 0.2099 0.2018 0.2340 0.2268 0.2191 0.2113 0.2034 0.2346 0.2278 0.2204 0.2130 0.2055 0.2349 0.2282 0.2211 0.2138 0.2066 0.2351 0.2285 0.2215 0.2143 0.2073 0.2352 0.2286 0.2217 0.2146 0.2077 0.2352 0.2287 0.2218 0.2148 0.2079 0.2353 0.2288 0.2220 0.2150 0.2082 0.2353 0.2289 0.2221 0.2152 0.2084 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 0.1746 0.1659 0.1578 0.1503 0.1433 0.1822 0.1737 0.1657 0.1583 0.1514 0.1875 0.1793 0.1715 0.1642 0.1574 0.1912 0.1833 0.1757 0.1686 0.1619 0.1938 0.1862 0.1789 0.1719 0.1654 0.1958 0.1883 0.1812 0.1745 0.1680 0.1982 0.1911 0.1843 0.1779 0.1717 0.1996 0.1927 0.1862 0.1799 0.1739 0.2004 0.1937 0.1873 0.1812 0.1753 0.2009 0.1943 0.1880 0.1820 0.1763 0.2012 0.1947 0.1885 0.1825 0.1769 0.2015 0.1952 0.1890 0.1832 0.1777 0.2018 0.1955 0.1895 0.1838 0.1784 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 0.1369 0.1310 0.1256 0.1205 0.1158 0.1449 0.1390 0.1334 0.1282 0.1234 0.1510 0.1450 0.1394 0.1342 0.1293 0.1556 0.1497 0.1441 0.1389 0.1340 0.1592 0.1533 0.1478 0.1427 0.1378 0.1619 0.1562 0.1508 0.1456 0.1408 0.1658 0.1602 0.1550 0.1500 0.1452 0.1682 0.1628 0.1577 0.1528 0.1482 0.1698 0.1645 0.1595 0.1548 0.1502 0.1708 0.1657 0.1607 0.1561 0.1516 0.1715 0.1664 0.1616 0.1570 0.1526 0.1725 0.1675 0.1628 0.1583 0.1541 0.1733 0.1685 0.1639 0.1595 0.1554 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 0.1114 0.1073 0.1035 0.1000 0.0967 0.1189 0.1147 0.1107 0.1070 0.1036 0.1248 0.1205 0.1164 0.1127 0.1091 0.1294 0.1251 0.1210 0.1172 0.1136 0.1332 0.1289 0.1248 0.1209 0.1173 0.1362 0.1319 0.1279 0.1240 0.1204 0.1408 0.1365 0.1325 0.1287 0.1250 0.1438 0.1396 0.1357 0.1319 0.1283 0.1459 0.1418 0.1379 0.1342 0.1307 0.1474 0.1434 0.1396 0.1359 0.1324 0.1485 0.1445 0.1407 0.1371 0.1337 0.1500 0.1462 0.1425 0.1390 0.1357 0.1516 0.1479 0.1444 0.1410 0.1379 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 0.0935 0.0906 0.0878 0.0852 0.0828 0.1003 0.0972 0.0943 0.0916 0.0890 0.1057 0.1026 0.0996 0.0968 0.0941 0.1102 0.1070 0.1039 0.1010 0.0983 0.1139 0.1106 0.1075 0.1046 0.1018 0.1169 0.1136 0.1105 0.1076 0.1047 0.1216 0.1183 0.1152 0.1122 0.1094 0.1249 0.1217 0.1186 0.1156 0.1128 0.1273 0.1241 0.1211 0.1181 0.1153 0.1291 0.1259 0.1229 0.1200 0.1172 0.1304 0.1273 0.1243 0.1215 0.1187 0.1325 0.1295 0.1265 0.1238 0.1211 0.1348 0.1320 0.1292 0.1266 0.1240 6.0 6.2 6.4 6.6 6.8 0.0805 0.0783 0.0762 0.0742 0.0723 0.0866 0.0842 0.0820 0.0799 0.0779 0.0916 0.0891 0.0869 0.0847 0.0826 0.0957 0.0932 0.0909 0.0886 0.0865 0.0991 0.0966 0.0942 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0.0652 0.0634 0.0599 0.0568 0.0695 0.0675 0.0656 0.0621 0.0589 0.0714 0.0694 0.0674 0.0639 0.0607 0.0730 0.0709 0.0690 0.0654 0.0621 0.0759 0.0738 0.0719 0.0682 0.0649 0.0813 0.0793 0.0774 0.0739 0.0707 14.4 15.2 16.0 18.0 20.0 0.0367 0.0349 0.0332 0.0297 0.0269 0.0398 0.0379 0.0361 0.0323 0.0293 0.0425 0.0404 0.0385 0.0345 0.0312 0.0448 0.0426 0.0407 0.0364 0.0330 0.0468 0.0446 0.0425 0.0381 0.0345 0.0486 0.0463 0.0442 0.0396 0.0359 0.0516 0.0492 0.0469 0.0422 0.0383 0.0540 0.0515 0.0492 0.0442 0.0402 0.0561 0.0535 0.0511 0.0460 0.0418 0.0577 0.0551 0.0527 0.0475 0.0432 0.0592 0.0565 0.0540 0.0487 0.0444 0.0619 0.0592 0.0567 0.0512 0.0468 0.0677 0.0650 0.0625 0.0570 0.0524 三角形分布的矩形荷载角点下的平均竖向附加应力系数 表6-3 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 角点1 角点2 角点1 角点2 角点1 角点2 角点1 角点2 角点1 角点2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.0000 0.0112 0.0179 0.0207 0.0217 0.2500 0.2161 0.1810 0.1505 0.1277 0.0000 0.0140 0.0245 0.0308 0.0340 0.2500 0.2308 0.2084 0.1851 0.1640 0.0000 0.0148 0.0270 0.0355 0.0405 0.2500 0.2333 0.2153 0.1966 0.1787 0.0000 0.0151 0.0280 0.0376 0.0440 0.2500 0.2339 0.2175 0.2011 0.1852 0.0000 0.0152 0.0285 0.0388 0.0459 0.2500 0.2341 0.2184 0.2030 0.1883 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0.0217 0.0212 0.0204 0.0195 0.0186 0.1104 0.0970 0.0865 0.0779 0.0709 0.0351 0.0351 0.0344 0.0333 0.0321 0.1461 0.1312 0.1187 0.1082 0.0993 0.0430 0.0439 0.0436 0.0427 0.0415 0.1624 0.1480 0.1356 0.1247 0.1153 0.0476 0.0492 0.0495 0.0490 0.0480 0.1704 0.1571 0.1451 0.1345 0.1252 0.0502 0.0525 0.0534 0.0533 0.0525 0.1746 0.1621 0.1507 0.1405 0.1313 2.0 2.5 3.0 5.0 7.0 10.0 0.0178 0.0157 0.0140 0.0097 0.0073 0.0053 0.0650 0.0538 0.0458 0.0289 0.0211 0.0150 0.0308 0.0276 0.0248 0.0175 0.0133 0.0097 0.0917 0.0769 0.0661 0.0424 0.0311 0.0222 0.0401 0.0365 0.0330 0.0236 0.0180 0.0133 0.1071 0.0908 0