（岩土工程专业论文）地基基础沉降计算方法及可视化研究.pdf

f o u n d a t i o ns e t t l e m e n tc a l c u l a t i o na n d -i v i s u a l i z a t l o nr e s e a r c n ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：m i n g y u ej i a n g s u p e r v i s o r ：b a o j i a nl i u c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：藉明另久 劢年月r 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蒋】钥星久缈年厂月j ，日 铷签硎保绝助嘶，日 摘要 基础沉降计算是高等级公路建设中的一个难点问题。随着我国高等级公路的发展， 对工程质量要求更高，基础沉降的计算方法需要我们不断的深入研究，以满足现有高等 级公路的发展需求。同时，随着计算机的普及，将基础沉降计算同计算机软件结合起来， 实现基础沉降计算的可视化及电算化，对基础沉降计算的研究具有十分重要的意义。 本文以路堤及建筑物等不同工况下自重应力和附加应力的计算理论及公式，以及考 虑应力历史的e - - i g p 曲线分层总和法和割线模量分层总和法计算基础沉降的计算理论 及公式为依据，阐述其中一些基本参数的确定方法，并利用v i s u a lb a s i c 软件对不同工 况下的自重应力和附加应力，以及上述两种沉降计算方法进行模块化编程，实现对地基 中应力和沉降计算的可视化；以黄土增湿变形的基本理论以及相关的计算公式为依据， 对黄土增湿变形计算进行编程，形成可执行的增湿变形计算程序。 关键词：自重应力、附加应力、地基沉降、v i s u a lb a s i c 、黄土增湿变形 a b s t r a c t t h ec a l c u l a t i o no fb a s es e d i m e n t a t i o ni sad i f f i c u l ti s s u ei nt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a yi no u rc o u n t r y , i ti sm u c hs t r i c t e ro nt h eq u a l i t yo ft h e e n g i n e e r i n g ，a n dw es h o u l ds t u d yh a r do nt h ew a y so ft h ec a l c u l a t i o no fb a s es e d i m e n t a t i o n c o n t i n u o u s l yt of u l f i l l t h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h w a y i nt h es a m et i m e ，谢t ht h e p o p u l a r i z a t i o n ，i ti sm u c hm o r es i g n i f i c a n c e f o rt h er e s e a r c ho nb a s es e d i m e n t a t i o nt o c o m b i n et h ec a l c u l a t i o no fb a s es e d i m e n t a t i o n 、析t hc o m p u t e rs o f t w a r et or e a l i z ev i s u a l i z a t i o n o ft h ec a l c u l a t i o no fb a s es e d i m e n t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nt h e o r i e sa n df o r m u l ao fd e a d w e i g h t s t r e s sa n de x t r a - s t r e s s i nd i f f e r e n ts i t u a t i o no fb u i l d i n g ，a n dt h ec a l c u l a t i o nt h e o r i e sa n df o r m u l ao fw a y so ft h e e - - l g pc u r v el a y e r - b u i l ts u m m a t i o na n ds e c a n tm o d u l u sl a y e r - b u i l ts u m m a t i o nw h i c ha r eu s e d t oc a l c u l a t et h es e d i m e n t a t i o no ff o u n d a t i o n , t h i sa r t i c l es t a t et h ew a y so fc o n f i r ms o m eb a s i c p a r a m e t e r s a n d 、) ，i t ht h eu s eo ft h es o f t w a r eo fv i s u a lb a s i c ，i tc o m p i l eap r o g r a m 诵m t h e m e t h o d so fc a l c u l a t i o no f d e a d w e i g h t s t r e s s 、e x t r a - s t r e s sa n dt w os e d i m e n t a t i o no fb a s e m e n t t or e a l i z et h ev i s u a l i z a t i o no fc a l c u l a t i o no fs t r e s sa n ds e d i m e n t a t i o n a c c o r d i n gt ot h e c a l c u l a t i o nt h e o r i e sa n df o r m u l a , c o m p i l eap r o g r a mo nt h ed i s t o r t i o no fy e l l o ws o i lw i t h e x t r a - w a t e r , a n dp r o d u c eae x e c u t a b l ep r o g r a mt oc a l c u l a t et h ed i s t o r t i o no fy e l l o ws o i l k e yw o r d ：d e a d w e i g h t - s t r e s s 、e x t r a - s t r e s s 、f o u n d a t i o ns e d i m e n t a t i o n 、v i s u a lb a s i c 、d i s t o r t i o n o fw e ty e l l o ws o i l i i 目录 第一章绪论1 1 1 沉降计算方法的研究的必要性l 1 2 影响沉降量大小的因素1 1 3 基础沉降计算是地基基础工程中的三大难题之一。2 1 4 土体最终沉降量计算方法的现状3 1 4 1 弹性理论法3 1 4 2 半理论半经验沉降计算方法( 修正的分层总和法) 3 1 4 3 应力路径法5 1 4 4 数值计算方法6 1 4 5 考虑变形特征进行的计算6 1 4 6 概率统计分析法7 1 4 7 地基沉降计算的综合法。7 1 5 本文主要研究内容与方法7 第二章v i s u a lb a s i c 与工程软件9 2 1 概述9 2 2 工程软件开发的规则及特点9 2 2 1 工程软件的技术文档9 2 2 2 工程软件的开发的特点9 2 3 采用v i s u a lb a s i c 语言作为开发工具1 0 2 3 1 选择v i s u a lb a s i c 的原因1 0 2 3 2v i s u a lb a s i c 的关键技术1 1 2 4 本章小结1 1 第三章地基自重应力和附加应力计算1 2 3 1 概j 苤1 2 3 2 自重应力计算原理及公式1 3 3 2 1 自重应力基本计算公式1 3 3 2 2 土体成层时及有地下水时的计算公式1 3 i i i 3 3 附加应力计算原理及公式1 4 3 3 1 基底压力的简化计算1 4 3 3 2 基底矩形面积均布荷载作用时土中竖向应力1 5 3 3 3 基底矩形面积三角形分布荷载时，土中竖向应力。1 6 3 3 4 三角形分布条形荷载作用时应力计算1 7 3 4 路堤下自重应力在v i s u a lb a s i c 中的计算。1 7 3 4 1 全填路堤自重应力计算参数1 8 3 4 2 全填路堤自重应力计算界面和步骤18 3 5 构造物下自重应力在v i s u a lb a s i c 中的计算2 0 3 5 1 构造物下自重应力计算参数2 1 3 5 2 构造物下自重应力程序计算步骤及界面2 l 3 6 路堤中附加应力在v i s u a lb a s i c 中的计算2 3 3 6 1 全填路堤中附加应力计算参数2 3 3 6 2 全填路堤附加应力程序计算步骤及界面。2 3 3 7 构造物下附加应力在v i s u a lb a s i c 中的计算2 6 3 7 1 构造物下附加应力基本参数2 6 3 7 2 构造物下附加应力计算步骤及界面2 7 3 8 本章小结2 9 第四章地基沉降计算。 4 1 地基沉降概述31 4 1 1 前期固结压力31 4 1 2 原始压缩曲线3 2 4 1 3 利用分层总和法计算地基沉降时的假设条件3 3 4 2 e - - l g p 曲线分层总和法计算地基固结沉降3 4 4 2 1e - - l g p 曲线分层总和法的计算原理及公式3 4 4 2 2e - - i g p 曲线分层总和法的程序计算参数3 7 4 2 3e - - l g p 曲线分层总和法的程序计算步骤及界面3 7 4 3 割线模量法计算地基沉降4 0 4 3 1 概述4 0 w 4 3 2 割线模量分层总和法的计算原理及公式。4 1 4 3 3 割线模量分层总和法的程序计算参数4 3 4 3 4 割线模量分层总和法的程序计算步骤及界面4 3 4 4 本章小结4 6 第五章黄土增湿本构模型在v i s u a lb a s i c 程序中的应用4 7 5 1 黄土增湿变形模型4 7 5 1 1 黄土增湿变形模型的计算原理及公式4 7 5 1 2 增湿本构模型的特点5 0 5 2 黄土增湿变形模型参数5l 5 3 黄土增湿变形的程序计算界面5 1 5 4 本章小结5 2 第六章沉降计算程序说明及应用 6 1 沉降计算程序说明5 3 6 1 1 程序编制的原则5 3 6 1 2 程序总体构架5 3 6 2 沉降计算实例5 4 结论与建议 l 主要研究成果和结论5 8 2 进一步研究的建议5 8 参考文献。6 0 ；g !谢6 2 v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 沉降计算方法的研究的必要性 截止目前，我国高速公路的总里程将近6 5 万公里，这些高速公路路堤的平均高度 在3 m 以上，而且高填方路堤的高度多在2 0 m 以上，根据目前已运行的高速公路的后期 观测，路堤沉降的问题最为严重。路堤中存在的主要病害有路面裂缝，路面下陷，桥头 跳车，下穿构造物出现断裂破坏等问题，并且随着路堤填土高度的增加，这些病害也愈 加严重。目前公路工程界已认识到路基的沉降差和沉降变形是产生这些病害的主要原 因。因此，研究路堤沉降的计算方法具有十分重要的工程意义i i j 。 地基沉降是土力学的主要研究课题之一，究其原因，可主要概括为以下三个方面： 一、对技术人员的素质和工程测试手段提出很高要求，并且新的理论和技术不成熟。虽 然有限元技术为分析地基沉降提供了一种非常有用的手段，但是即使在将来，也不可能 在工程中完全取代经典的分析法。二、地基沉降的计算与分析需要理论与实践的密切配 合，而且工程技术人员也要求地基沉降的计算方法简便直观，试验参数少且易确定，从 而保证对各种工况均具有良好的适应性，这也就难免使地基沉降分析计算中需要加入经 验成份。三、地基沉降的分析与计算中包含外荷载、土中应力、土体固结度、土体变形 的计算，以及土体试验参数的选用等多个环节，各环节之间互有影响，其相互关系也随 时间而变化。 1 2 影响沉降量大小的因素 高速公路的路基沉降主要由两部分组成，包括地基土的沉降和路堤填土的沉降。对 于软土地基来说地基土的沉降要占主要部分，对于高填方路堤来说路堤本身的沉降占相 当大的比例。至于路基在交通荷载作用下的沉降，由于其外部动荷载是运动的，地基土 体的受力状况很复杂。计算沉降时可以将荷载折算为一定厚度的土层进行处理，但行车 荷载产生的压应力约为0 9 8 x 1 0 4p a ，据此就可以进行折算，张留俊认为对高路堤来讲， 行车荷载对沉降的影响比较小，可以不考虑。 根据离心模型和最近几年的沉降计算研究，沉降量大小主要取决于使土体产生变形 的外部因素和土体本身性状两个方面，影响路基沉降量大小的因素主要有：地基的环境条 件、地基土的应力历史和物理力学性质、地基处理方法及施工质量、路堤填土的工程性 质、路堤的填筑高度、路堤的压实度、上部荷载等。 第章绪论 1 3 基础沉降计算是地基基础工程中的三大难题之一 基础沉降计算一直以来都是地基基础工程中三大难题之一。多年来，许多专家学者 对这方面做出过很多贡献，但是由于深基础中不少问题弄不清楚，未知并且不确定因素 很多，因此，地下工程的确比地上工程困难。目前解决此问题的方法有【1 l ：。 1 解析法 假定地基是线弹性的连续体，以弹性理论为基础，在半无限体表面和半无限体内作 用各种荷载时，就可以得到地基应力计算公式和地基变形分析的解析解。但是由于弹性 力学受到初始边界条件的限制，只有在很少的情况下才可以得到精确地解析解。由于地 基土的物理力学特性和本构关系十分的复杂，也很难满足弹性力学的要求。因此沉降计 算的各种解析解与工程的实测值差别较大。 2 数值分析法 计算机技术发展后，以有限单元为代表的数值计算分析方法发展迅速。数值分析方 法可以有效地模拟地基中的非线性、非连续、非弹性性质，处理不同的边界条件，利用 可靠软件可以计算得到不同荷载下，不同边界条件下的应力场和位移场。虽然数值分析 解法有如此多的优点，但是对计算参数的要求非常严格，并且很难满足，因此地基沉降 的计算结果难以令人满意，与工程的实测值有一定的差别。 3 半解析半数值法 有限元进一步发展以后，现有多种计算方法如：限条法、无限元法、边界元法、加 权残数法、样条函数法等。对于半无限地基沉降计算来说，边界元法与有限元法结合很 有潜力。这些年来，考虑土的非线性、非连续、非弹性性质，模拟各种不同的边界条件， 将解析解与数值分析解结合起来得到无限元，再与有限元法或边界元法耦合，模拟半无 限地基沉降计算。在研制高精度的单元后，将无限元和有限元法耦合起来就可以计算平 面问题，也可应用于复杂的空间问题。应用这些方法计算时也可以得到满意的结果。虽 然计算方法很不错，但是他们受计算参数的限制。 4 半理论半经验方法 地基沉降计算的半理论半经验方法以弹性理论计算土体中应力及分布，以试验确 定的土塑性变形参数为计算依据。这种沉降计算方法的计算结果肯定接近实测值。国内 外的“规范”编制多数采用这种方法。在我国地基基础规范中，地基的沉降计算也是采用 这种方法。 2 长安大学硕十学位论文 由以上的分析中可以得出，地基变形或者沉降计算涉及多个学科，且与地质条件、 土的物理性质密切相关，到目前为止，没有很好的方法使地基计算理论值和沉降实测值 相同或者接近。所以，第三和第四个方法就显得非常的重要，同时，这两种方法也是目 前工程中最常用的非常有效的方法。 到目前为止，虽然有以上多种沉降计算的方法，但是地基沉降计算问题还远没有解 决，其中的一个难点就是计算参数的测试问题。 1 4 土体最终沉降量计算方法的现状 构筑物的沉降量以及构筑物的差异沉降量，是判断构筑物安全及地基稳定的重要因 素，构筑物修建在地基上，肯定会引起地基中应力的变化，使地基发生变形从而引起构 筑物的下沉。因此，沉降的计算是土力学中一个十分重要的研究课题。一直以来，许多 的学者总结出了很多的最终沉降计算的方法，现在介绍几种常见的方法【l j ： 1 4 1 弹性理论法 弹性理论法计算沉降是以半无限弹性体的布西奈斯克解为依据，所以其假定地基 是线弹性、各向同性的、均质的半无限体。布西奈斯克课题研究的是荷载作用下地表 的情形，所以近似可以用来研究荷载作用深度较浅的情况，但当荷载作用位置深度较 大时( 如箱基础、桩基础等深基础) ，则该用明德林课题的位移解得出的弹性理论法进 行计算。由于地基土是成层的，并非是均质且各向同性的，所以弹性理论法计算沉降 在现实工程中难以得出十分精确的结果。 1 4 2 半理论半经验沉降计算方法( 修正的分层总和法) 分层总和法计算地基沉降是目前实际工程中使用频率最多的一种，这种方法具有综 合性、可靠性和实用性的特点，从而使其具有了地区性的特点。这种方法既能保证符合 各个地区的实际需要，同时又可解决工程设计问题，几乎各个交通土建行业的规范都将 其列入规范算法，足以说明它的重要性和实用性。它假定地基材料是弹性的、应力分布 符合布西奈斯克解，但同时又假设地基材料是弹塑性的，其变形特性符合侧限一维压缩 情况。用分层总和法计算最终沉降变形又做了如下两个假定： ( 1 ) 一般取基底中心下地基附加应力来计算各分层体的竖向压缩量，并认为基础 一 的平均沉降量s 为各分层竖向压缩量血，之和，即s = y a s t ，式中n 为沉降计算深度范 第一章绪论 围内的分层数。 ( 2 ) 计算厶。时，假定地基土只有在竖向发生压缩变形，而没有侧向变形，故没有 侧向变形，故可以利用室内侧限压缩试验的成果进行计算，进而有( 应用e p 曲线) ： 年惫耳2 筹e 且第i 分层土的厚度； 瓦第i 分层对应于a ，一仍，段的压缩模量；a ，、见，分别是土层自重应力平均值、附 加应力与自重应力之和的平均值。 岛在e p 曲线中对应于应力a ，和见。的空隙比的差值； 关于分层总和法的几点讨论【3 1 ： 1 分层总和法假设地基土在侧向不能变形，而只有竖向发生压缩。这种假设当压 缩土层厚度同基地和在分布面积相比很小时才比较接近。如当不可压缩岩层上压缩土层 厚度h 不大于基底宽度的一半时，由于基底摩阻力及岩层层面阻力对可压缩土层厚度的 限制作用，土层压缩只出现很少的侧向变形。高填方的公路地基一般符合这种情况。 2 假定地基土侧向不能变形引起的计算结果偏小，取基底中心点下的地基中的附 加应力来计算基础的平均沉降导致结果又偏大。因此，总体看在某种程度上得到了一定 的补偿。 3 当需要考虑相邻荷载对基础沉降影响时，通过将相邻荷载在基底中心的地基中 心下个分层深度处引起的附加应力叠加到基础本身引起的附加应力中去来进行计算。 4 在分层总和法计算应力的过程中，附加应力的计算采用了取平均值的方法。这 对于附加应力为线性分布的情况是精确的。但是附加应力的分布是非线性的，这对于土 分层厚度很大的情况，仍采用传统的分层总和法上、下面层的附加应力的平均值来作为 该分层平均的附加应力，就会造成很大误差。在此种情况下，有人基于同样假设条件下 提出应用应力面积法来计算沉降变形。它由于采用了精确地“应力面积”的概念( 实质就 是对附加应力在计算深度内进行积分) ，就可以划分比较少的层数，一般可以按地基土 的天然层面划分就可以了，从而使得计算量得到简化，计算精度得到改善。 在进行构筑物地基沉降变形计算时，土的应力历史的影响也很明显。忽视了土的应 力历史可能是很多工程中计算值与实测值相差很大的原因。由于地层的变动，河流的冲 刷、基坑开挖和人工堆填等原因，现场的土在其地质历史上一般受过某一最大压力， 4 长安大学硕士学位论文 这一压力就往往不一定等于目前现场的有效应力r ，为此可将粘土分为3 类，当e c - - 昂 时称为正常固结土；当 e o 时称为超固结土。这三类土的 沉降公式都可以引用公式( 1 1 ) ，只是公式中e 的计算方法不同而已。不同固结状态 土的压缩曲线的形状是不同的。对于正常固结土有： 鸲：q l g ( 逊) ( 1 一1 ) 鳓 其中舰和g 分别为第i 层的附加应力增量和压缩指数。 对于超固结土沉降量的计算可以用原位压缩曲线和再压缩曲线分别确定土的压缩 指数和回弹指数( 再压缩指数) 并且区分了以下两种情况： 1 ) 对于卸 ( p c 一) 的各层土： a e ，：a e + a e w = e 。l g ( 丝) + 巳( 业) ( 1 2 ) po ip c t 2 ) 对于卸 ( p c 一风) 的各层土 a e , ：巳l g ( 地) ( 1 - - 3 ) p n i 将q 代入公式( 1 一1 ) 中，就得到了利用e _ - l g p 曲线计算沉降的表达式。 1 4 3 应力路径法 应力路径法计算地基沉降时用地基内部的应力变化轨迹来表示建筑现场在施工前、 施工期间以及完工后地基内部的应力变化情况。应力路径法能清楚地阐明了土力学中地 基沉降与稳定两大课题的计算公式的内涵，并且把两者有机的联系起来。同时，应力路 径法有助于认识目前常用的土工试验及分析计算方法。土体中某一单元的应变、空隙压 力和强度都与应力路径有关，所以能够应用应力路径法从土体内部应力变化推测土的变 形和强度。利用有效路径法来计算沉降，其具体步骤如下： ( 1 ) 在现场荷载下估计几种某些有代表性土体单元的有效路径。 ( 2 ) 在实验室做这些土体单元的室内试验，复制现场有效应力路径，并同时量测 试验各阶段的垂直应变。 ( 3 ) 将各阶段的垂直应变乘以土层厚度，即得到了初始及最终沉降值。 5 第一章绪论 应力路径法实质上就是应用模拟现场实际应力路径的室内试验方法对预估沉降量 做出分析，能够考虑加载方式和加载速率的影响。但是应力路径法特别要求高标准的 取样，过多的依赖于室内试验，试验工作量相当大，且对试验技术要求也很高，与此 同时，应力路径法同其他方法一样，无法避免用弹性理论来计算土体中的应力增量， 这就使他的实际应用受到很大的限制。 1 4 4 数值计算方法 这些年来，由于计算机的日益广泛的应用，促进了计算技术和计算方法的进步， 从而使很多复杂的土工问题得到一定程度的解决。由于解析法计算地基沉降误差较大， 而且很难考虑复杂边界条件、初始条件，也很难或不可能考虑地基土的非线性、非连 续性和不确定性，因此采用有限差分法、有限元法应该说可能解决十分复杂条件下的 地基沉降计算，可以计算任何时期的固结沉降和最终沉降。由于有限元的发展，研究 出各种应用单元和高精度单元，同时在土工计算中引入数值计算方法，使具有非线性 的应力应变关系、非均质和各向异性的土体在复杂边界条件下求解成为可能，这给地 基沉降计算带来了生机。但是，所有这些方法，都有一个共同困难即计算参数如何确 定的问题，往往由于土的性质极为复杂使计算参数选择不当，导致地基沉降计算结果 常出现非常大或非常小的不合理情况。随着数值计算软件的逐步完善，在做好计算参 数的前提下，在面对情况复杂的土质情况时，利用数值计算方法计算沉降值是一个非 常实用且易用的计算方法。 1 4 5 考虑变形特征进行的计算 在荷载作用下，总沉降的计算分为三部分：初始沉降、主固结沉降和次固结沉降。 初始沉降也称为瞬时沉降，是由于土体在附加应力作用下产生的瞬时弹性变形引起的； 固结沉降是土体在附加应力作用下产生固结变形引起的，这部分变形采用固结理论进 行计算；次固结沉降是土体蠕变引起的沉降变形。在计算初始沉降时，一般采用弹性 力学方法，计算参数采用不排水试验确定的初始切线模量和不排水试验确定的泊松比。 次固结沉降由于在主固结沉降已开始，并有剪切蠕变和压缩蠕变，很难分开。初始固 结沉降、主固结沉降和次固结沉降是在荷载作用下分的三个步骤，区分三个步骤的方 式并非十分的明朗。需要我们再深入的研究。 6 长安大学硕： ：学位论文 1 4 6 概率统计分析法 由于土工参数的可变性，外加荷载的大小、分布情况以及描述应力分布和变形数 学模型假设的不准确性，因此，即使采用最先进的计算方法，准确预估地基的沉降也 可能会失败。所以，在大多数的概率统计分析中，我们均把表示压缩性和外荷载的量 看作是随机变量或者变量函数，这些都具有确定的从合适数据中导出的概率分布，然 后将这些随机变量代入沉降变形的计算公式中，就可以得到沉降量的分布，从而就可 以应用概率统计的分析方法来分析沉降变形了。 1 4 7 地基沉降计算的综合法。 近年来，由于地基应力一应变模型的研究、计算参数测定方法的研究、计算方法 的研究发展很快，实测沉降数据积累越来越多、经验也越来越丰富。很多学者和工程 界都已按综合法的思路做过研究和应用。这给我们一个重要启示并明确提出：利用实 测沉降数据同计算机用多种方法计算出多种沉降结果，进行比较、分析和综合，最后 确定地基沉降的预估值，提供给结构工程师作设计用。这就是地基沉降计算的综合法。 实践证明，该法在计算机普遍应用后已有强大的生命力，随着计算机技术的广泛应用， 地基沉降计算综合法将在地基沉降计算中普遍应用。 1 5 本文主要研究内容与方法 本文主要讨论了基础沉降和变形的各种计算方法和基础沉降计算的研究现状，并 利用v i s u a lb a s i c 软件对基础下的不同工况的应力计算和沉降计算进行了编程，形成可 执行的应力和沉降计算的可视化的计算软件。 1 考虑到沉降计算中应力计算的繁琐性，本文依据自重应力和附加应力的计算理论 及公式，推导不同工况下地基中的应力计算公式，利用这些公式，依托v i s u a lb a s i c 软 件对土中应力计算进行编程，形成可视化的软件，方便了实际工程中沉降分析的应力 计算。 2 依据p _ l g p 曲线推出的原位压缩曲线，结合分层总和法，推导考虑土体应力历 史情况下土体总体沉降的计算理论及公式，利用v i s u a lb a s i c 软件对该沉降计算方法进 行编程，形成可视化的程序，方便了沉降计算。依据割线模量分层总和法沉降计算的 理论及公式，同样利用v i s u a lb a s i c 软件对该方法进行基础沉降计算的编程，从而实现 了基础沉降和变形计算的可视化，大大方便了基础沉降和变形的计算。 7 第一章绪论 3 黄土增湿变形对地基的稳定性有极大的危害，本文简要描述黄土增湿变形的理 论，并推导了黄土增湿变形的计算公式，同时，依托v i s u a lb a s i c 软件对黄土的增湿变 形进行编程，形成了可执行的计算程序，方便了对黄土增湿变形量的计算。 8 长安人学硕二 ：学位论文 2 1 概述 第二章v i s u a lb a s i c 与工程软件 s u a lb a s i c 6 0 是m i c r o s o f t 公司推出的一种可视化得编程工具1 5 。对于非计算机专 业的人来说，用c ，f o r t r a n 和p a s c a l 等传统的语言设计w i n d o w s 环境下的应用程序将面 临着很大困难，v i s u a lb a s i c 的出现，大大改善了这种情况。v i s u a lb a s i c 继承了其先辈 所具有的程序设计语言简单易用的特点，又在其编程系统中引入了面向对象的机制，用 一种巧妙的方法把w i n d o w s 编程的复杂性程序封装起来，提供了一种可视界面的设计方 法。用户直接使用窗体和控件设计应用程序界面，极大提高了应用程序开发的效率。 v i s u a lb a s i c 提供的集成开发环境，使编程更加灵活，可以与其他应用程序进行接口。 2 2 工程软件开发的规则及特点 工程软件的开发虽然不是当代计算机应用的主流，但是软件开发人员也必须掌握正 确的开发手段，了解工程软件开发的主要过程，特别是了解工程软件开发中的相关技术， 只有这样，才能对多开发的软件有清醒的认识，才能达到事半功倍的效果。 2 2 1 工程软件的技术文档 一般软件项目在开发前都有系统任务书，主要规定软件的开发目标，主要任务、功 能、性能指标等，作为系统设计开发和验收的基本依据。但是任务书只是工程软件项目 的一个基本要求，针对具体情况，软件开发人员就要对软件项目的细节进行具体的分析， 然后写出系统的需求，最后提出系统的技术构架，对系统的功能、性能等主要指标作描 述，对实现方法和要求最规定，这是对系统详细设计的依据，所以系统分析报告首先确 定系统的总体方案，然后要制定系统设计说明。 开发者一定要了解本行业的工程软件应用现状，对所选的开发平台、软件的应用平 台要十分的清楚。同时要把平台的发展考虑进去，否则即使软件功能再完善，界面再完 美，软件的应用价值也会等于零。 2 2 2 工程软件的开发的特点 工程软件的开发有其自身的专业特点，这主要体现在两个方面：软件的功能框图和 软件开发工具机软件接口【5 1 。 1 工程软件的功能 9 第二章v i s u a lb a s i c 与工程软件 虽然工程的领域很多，但专业软件涉及的内容主要在结构的分析计算、绘制施工图 纸和效果图、计算书和文档的输出、工程数据的管理和采集以及工程信息的网上交流等 方面，因此，工程软件系统功能框图有共同的特征，如下图所示。 2 工程软件开发工具及软件的接口 工程软件开发语言的选择因人而异，虽然传统的开发语言如p a s c a l 、c 、c + + 也能够 开发工程软件，但工程类软件项目很少涉及直接访问的硬件和操作系统的低级功能，而 任何工程类软件项目都受到经费和开发进度的限制，所以选择一种能在较少的时间内完 成开发任务的语言非常重要，而v i s u a lb a s i c 能够充分的满足要求。 2 3 采用v i s u a lb a s i c 语言作为开发工具 2 3 1 选择v i s u a lb a s i c 的原因 1 v i s u a lb a s i c 的特点 b a s i c 语言是计算机技术发展史上应用最为广泛和持久的一种语言l l l l 。工程专业人 员可以用v i s u a lb a s i c 实现他所需要的任何编程功能，从开发个人使用的应用程序到大 型工程软件应用系统，都可以在v i s u a lb a s i c 提供的工具中得到支持。a c t i v e x 技术可 使用其他w i n d o w s 应用程序提供的功能，在应用程序内很容易通过网络访问文档和应用 程序或者创建i n t e m e t 服务器应用程序。 2 v i s u a lb a s i c 的版本 v i s u a lb a s i c 有学习版、专业版和企业版三种版本，可以满足不同的开发需要。 1 0 长安大学硕：i 二学位论文 v i s u a lb a s i c 学习版可以使编程人员轻松开发w i n d o w s 的应用程序。 v i s u a lb a s i c 专业版为专业的编程人员提供了一整套功能完备的开发工具。该版本 包含学习版的全部功能以及a c t i v e x 控件等功能。 v i s u a lb a s i c 企业版使专业编程人员能够开发功能强大的组内分布式应用程序。该 版本包含专业版的全部功能以及b a c ko f f i c e 工具等。 2 3 2v i s u a lb a s i c 的关键技术 通常来讲，工程类专业的程序涉及的主要内容有：分析计算，计算机自动绘图，自 动生成计算书和技术文档、网上信息互动以及与数据库开发相关的技术。因此，利用 v b 开发工程数据库相关技术、a u t o c a d 软件的接口、o f f c e 软件的接口及开发动态网 页等是工程类应用软件的关键技术。本篇论文并未涉及所有技术，只进行了分析计算和 计算自动绘图等功能。 2 4 本章小结 本章着重讨论了工程软件的开发工具，开发功能以及开发步骤。对v i s u a lb a s i c 进 行了简要的概述，并叙述了本论文应用v i s u a lb a s i c 作为开发工具的主要原因以及v i s u a l b a s i c 的关键技术。 第三章地基自重虑力和附加应力计算 3 1 概述 第三章地基自重应力和附加应力计算 任何建筑物都建造在地层上弘j ，受到荷载的影响的土层为地基，所以，地基是保证 建筑物安全和满足使用要求的关键之一。为了保证安全，地基必须满足两个条件：1 地 基的土体稳定，具有一定的承载力；2 地基的变形不超过建筑物的容许变形值。为了保 证上述两个条件的成立，必须考虑地基中的应力计算，从而在最大限度上保证建筑物的 使用安全。 土中应力是指土体在自重应力、构造物荷载以及其他因素作用下，土中所产生的应 力。土中应力包括自重应力和附加应力，前者是因土受到土的重力作用而产生，其大小 随深度的增加而增加，因其一般随土的形成就存在，因此也将它称为长驻应力；后者是 因受到建筑物等外荷载作用而产生的。一般认为，在建筑工程中，应力增量不大，附加 应力可以按弹性力学理论进行计算，此时假设地基为一均匀的、各向同性的半无限变形 体。在岩土工程中，为了使附加应力的计算更加方便，多采用以参数表示的公式，公式 简单，便于设计人员使用。由于产生的条件不同，因此，分布规律和计算方法也不同。 在计算建筑物引起的附加应力时，基础底面的压力分布是不可缺少的条件。 天然地基中往往由成层土组成，还可能具有交错层理的构造，即使是同一厚层土其 变形性质也随深度而变。因此地基土的非均质性是很显著的。目前在计算地基变形的方 法上，先把地基看成是均质的线性变形体，从而直接引用弹性力学公式来计算地基中的 附加应力。然后利用某些简化假设( 包括土的压缩性指标的选用) 来解决成层土地基的 沉降问题。 土中应力增量将引起土的变形，从而使建筑物发生下沉，倾斜以及水平位移等，如 果这种变形过大，往往会影响建筑物的正常使用。此外，土中应力过大时，也会导致土 的强度破坏，甚至是土体发生滑动而失去稳定。因此，研究土体的变形、强度及稳定 性等力学问题时，都必须先掌握土中应力状态。所以计算土中应力分布十分重要。本章 介绍了路堤和构造物下自重应力和附加应力的计算方法和程序应用。 1 2 长安大学硕士学位论文 3 2 自重应力计算原理及公式 32 1 自重应力基本计算公式 若土体是均质的半无限体3 1 ，土体在自身重力作用下任一竖直切面都是对称面，因 此切面上不存在剪应力( f = 0 ) 。如图3 - 1 所示， 考虑长度z ，截面积f - - 1 的土体，取隔离体，考 虑z 的方向的平衡，设土柱体重为w ，底截面 上的应力大小为仃。 则 t ：f = 矿= y z f ( 3 一1 ) 即 吒。= 弦 图3 - 1 均匀土的自重应力分布 上式就是自重应力计算公式，可以看出，自 重应力随深度呈线性增加，并呈三角形分布。 3 2 2 土体成层时及有地下水时的计算公式 当土体成层时，设各层土体厚度及重度分别为h ，和y 。( f - 1 ，2 ，以) ，类似式( 3 一1 ) 的推导，这时土柱体总重量为n 段小柱体之和，则在第1 1 层土的底面，自重应力计算公 式舻：仃。= ) ，。h l + ) ，：办：+ “+ y 。勿。= 骞) ，。h 。 ( 3 - 2 ) 图3 2 给出了两层土的情况，因y 值不同， ，j 故自重应力沿深度的分布呈折线形状。 当地下有地下水时，在计算地下水位以下土 的自重应力时，应根据土的性质确定是否需要考 虑水的浮力作用。通常认为砂性土是应该考虑浮 力作用的，粘性土则视其物理状态而定。般认 为，若水下的粘性土其液性指数i ，l ，则土处于 流动状态，土颗粒间存在着大量的自由水，此时 图3 - 2 成层土的自重应力分布 可以认为土体受到浮力作用；若i l 0 ，则土体处于固体状态，土中自由水受到土颗粒间 第三章地基自重应力和附加应力计算 结合水膜的阻碍不能传递静水压力，故认为土体不受水的浮力作用；若0 i 。 1 ，土处 于塑性状态时，土颗粒是否受到水的浮力作用就较难肯定，一般在实践中均按不利状态 考虑。 若地下水位以下的土受到水的浮力作用，则水下部分土的重度应该浮重度，来计 算，其计算方法如同成层土的情况。 在地下水位以下，如埋藏有不透水层，由于不透水层中不存在水的浮力，所以层面 及层面以下的自重应力应按上覆土层的水土总重计算。 3 3 附加应力计算原理及公式 3 3 1 基底压力的简化计算 建筑物的荷载通过基础传给地基 4 1 ，基础面向地基施加的压力称为接触压力。基底 接触压力的大小和分布是计算地基中附加应力和进行基础设计的前提，也是基础的沉降 或差异沉降的重要影响因素，因此研究接触压力的大小和分布形式具有重要的工程意 义。土中的附加应力是由建筑物荷载作用所引起的应力增量，而构造物下的荷载是通过 基础传到土中的，它既是基础作用于地基的基底压力，同时又是地基反作用于基