（岩土工程专业论文）弦线模量法在黄土地基变形计算中的适用性研究.pdf

摘要 地基基础设计合理与否是关系到整个工程结构安全与经济的重大问题，在地基设计 中既要使其满足强度要求，也要使其满足变形要求，特别是在软土地基上建造房屋，变 形条件显得更为重要，因此，研究地基的变形计算，对于合理进行地基基础设计，有着 重要的意义。本文主要研究的是黄土地基的变形问题。 黄土及黄土状土在我国西北、华北等地区分布很广，遍及十几个省区，总面积达6 4 万平方千米，其中湿陷性黄土约占黄土分布总面积的3 4 ，与工程建设的关系十分密切。 在以往的地基设计中，都是依据建筑地基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 中的压缩 模量和湿陷性黄土地区建筑规范( g b 5 0 0 2 5 2 0 0 4 ) 中的湿陷系数和自重湿陷系数进 行沉降计算，但实践证明，其计算值与实际结果相差很大。焦五一老师通过多年的研究， 提出将弦线模量引进地基变形计算中，并依此为基础，提出了地基沉降计算的弦线模量 法，该方法经工程实例证明，在一些工程应用中比较符合实际情况。鉴于工程界对弦线 模量法存在一些争议，本文对该方法进行系统和深入地研究，可以有助于对该地基沉降 计算方法的迸一步认识。 ， 一。， 一本文依据弦线模量计算地基沉降的基本原理，利用d e l p h i 语言编写了新的黄土地基 变形计算软件，分别用来计算饱和黄土自重湿陷变形、地下水上升时黄土地基的增湿变 形和地面浸水时黄土地基的增湿变形。然后应用软件对几种不同情况下的黄土地基沉降 计算值进行了验算，并与实测值进行了比较，从而对弦线模量是否能代替载荷试验而直 接得出压力一沉降曲线的问题作了进一步探讨。 ； 通过对比分析得出：对于地面浸水引起自重湿陷变形、地下水上升引起增湿变形和 地面浸水引起增湿变形的情况，计算结果与实测结果相符，但有些情况下还是有一定的 出入。由此可知，采用弦线模量法来计算黄土地基的增湿变形还需进行更多的实例研究 验证，才能更好的用于实际工程中。 ，一 。 关键词：湿陷性黄土，弦线模量，压缩变形，增湿变形，自重湿陷，程序 a b s t r a c t t h er e a s o n a b l eo ff o u n d a t i o nd e s i g ni sab i gp r o b l e mw h i c hr e l a t e dt ot h es a f e t yo ft h e p r o j e c ta n dt h ee c o n o m y i nt h ef o u n d a t i o nd e s i g nn o to n l yt om e e tt h es t r e n g t hr e q u i r e d ，b u t a l s om u s ts a t i s f yt h ed e f o r m a t i o nr e q u i r e m e n t e s p e c i a l l yw h e nb u i l th o u s e so nt h es o f ts o i l f o u n d a t i o n ，d e f o r m a t i o nc o n d i t i o nb e c o m em o r ei m p o r t a n t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ft h e f o u n d a t i o nd e f o r m a t i o nc a l c u l a t i o nh a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c et ot h ed e s i g no ft h ef o u n d a t i o n i nn o r t h w e s ta n dn o r t hc h i n ar e g i o nl o e s sa n dl o e s s - l i k es o i l si sw i d e l yd i s t r i b u t e d t h r o u g h o u ts e v e r a lp r o v i n c e s ，w i t hat o t a la r e ao f6 4 0 ，0 0 0s q u a r ek i l o m e t e r s ，c o l l a p s i b l el o e s s d i s t r i b u t i o no ft h et o t a la r e ao fa b o u t3 4 ，a n dh a st h ec l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n s t r u c t i o n i n t h ep a s t ，t h ef o u n d a t i o nd e s i g ni sb a s e do nt h ec o m p r e s s i o nm o d u l u st h a ti nt h et h ed e s i g n c o d ef o rb u i l d i n gf o u n d a t i o n ( g b5 0 0 0 7 - 2 0 0 2 ) a n dt h ec o l l a p s i b l ec o e f f i c i e n ta n dt h e c o l l a s p s i b i l i t yc o e f f i c i e n tt h o s ei nt h ec o l l a p s i b l el o e s sa r e a sb u i l d i n gc o d e s ( g b 5 0 0 2 5 - 2 0 0 4 ) b u tt h ep r a c t i c ep r o v e st h a tt h ec o m p u t e dv a l u ea n dp r a c t i c a lr e s u l t sv a r yc o n s i d e r a b l y m r j i a ot h r o u g hy e a r so fr e s e a r c h ，i n t r o d u c et h ec h o r dm o d u l u st ot h ef o u n d a t i o nd e f o r m a t i o n c a l c u l a t i o na n dp r o p o s eu s et h ec h o r dm o d u l u st oc a l c u l a t i o nt h es e t t l e m e n to ft h e f o u n d a t i o n t h i sm e t h o di sp r o v e db yp r o j e c te x a m p l e s ，i ns o m ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ni s t a l l y 、析t i lt h ea c t u a ls i t u a t i o n i nv i e wo ft h ee n g i n e e r i n go nt h ec h o r dm o d u l u sm e t h o dh a s s o m ec o n t r o v e r s y , s y s t e m a t i ca n di n d e p t hs t u d yo ft h em e t h o di nt h i sp a p e rc o u l dh e l p f u r t h e ru n d e r s t a n d i n gc a l c u l m i o nm e t h o d s 、 t h i sp a p e ri sb a s e do nt h es t r i n g sm o d u l u sc a l c u l a t i o np r i n c i p l eo ft h ef o u n d a t i o n s e t t l e m e n t u s i n gd e l p h il a n g u a g ew r i t i n g an e ws e to fl o e s sf o u n d a t i o nd e f o r m a t i o n c a l c u l a t i o ns o f t w a r e ，t oc a l c u l a t e rs e l f - w e i g h tc o l l a p s eo ft h es a t u r a t e dl o e s sf o u n d a t i o n ， c o l l a p s es e t t l e m e n to ft h ec o l l a p s i b l el o e s sf o u n d a t i o nw h e ng r o u n d w a t e rr i s e sa n dc o l l a p s e s e t t l e m e n to ft h ec o l l a p s i b l el o e s sf o u n d a t i o nw h e ng r o u n dh a sw a t e r a n da p p l i c a t i o n s o f h v a r eo ns e v e r a ld i f f e r e n tc a s e so fl o e s sf 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 n s ，a n dc o m p a r e d w i t ht h em e a s u r e dv a l u e s ，t og a v eaf u r t h g te x p l o r e da b o u tw h e t h e rt h ec h o r dm o d u l u sc a n d i r e c t l yi n s t e a do fl o a d i n gt e s tt og e tp r e s s u r e - s e t t l e m e n tc u l w e o b t a i n e db yc o m p a r i n gt h ea n a l y s i s ：t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so ft h ec o l l a p s ed e f o r m a t i o n w h i c hc a u s e db yg r o u n dw a t e rr i s e ，w e i g h tc o l l a p s i b l eg r o u n dd e f o r m a t i o nw h i c hc a u s e db y g r o u n dw a t e ra n dt h ei n c r e a s e dd e f o r m a t i o nw h i c h c a u s e db ys u r f a c ef l o o d i n gi sm a t c ht ot h e m e a s u r e dr e s u l t s b u tt h ec a l c u l a t i o ni ns o m ec a s e sh a ss o m ed i s t a n c eb e t w e e nt h em e a s u r e d r e s u l t s i tc a l lb e e m u s et h ec h o r dm o d u l u st oc a l c u l a t et h ei n c r e a s e dd e f o r m a t i o no fl o e s s f o u n d a t i o nn e e dm o r er e s e a r c h , t h e nc a nb e t t e ru s e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：c o l l a p s i b l el o e s s ，c h o r dm o d u l u s ，c o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o n , i n c r e a s e d d e f o r m a t i o n ，s e l f - w e i g h tc o l l a p s e ，p r o c e d u r e l i i 长安大学硕l 学位论文 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出t 第一章绪论 地基基础设计合理与否是关系到整个工程结构安全与经济的重大问题。地基基础设 计不当，会导致重大的工程事故。如著名的意大利比萨斜塔，由于建造在不均匀的高压 缩性土上，致使产生不均匀沉降；我国苏州虎丘塔由于地基原因，自明代( 1 3 6 8 年1 6 4 4 年) 起，就向西北倾斜，塔顶中心偏离底层中心线2 3 2 米，斜度2 0 4 0 ，被称之“东方比 萨斜塔”，1 9 5 6 年苏州市政府邀请古建筑专家采用铁箍灌浆的办法对其进行加固修整， 终于保住了这座古塔；上海锦江饭店采用桩基础建造在软土地基上，由于未按设计桩数 施工，造成大幅度沉降，致使原底层陷入地下成了半个地下室，严重影响使用；加拿大 特朗斯康谷仓，由于设计前未勘察到基础下有厚达1 6 米的软粘土层，建成后初次贮存 谷物时，基底平均压力超过了地基承载力，致使一侧陷入土中8 8 米，另一侧抬升1 5 米，倾斜2 7 0 ；1 9 5 8 年1 月3 0 日南美洲巴西一座1 1 层的大楼建成后还未使用，就在2 0 s 内倒塌，经调查，其原因是地基土为沼泽土，因桩基础的设计桩长不够，桩身悬浮在软 土层中，致使承载力不足造成倒塌。同时，由于地基基础设计的不当，还会造成材料和 资金的严重浪费。地基基础属于隐蔽工程，一旦发生，补救非常困难。从造价或施工工 期上看，基础在建筑物中所占比例也很大，可达到3 0 ，甚至更多。因此，地基基础设 计在岩土工程中的重要性是显而易见的。 一般而言，地基的设计是按承载力极限状态和正常使用极限状态分别进行承载力验 算和变形验算的，但在工业与民用建筑工程中，地基的强度问题一般不大，常常以变形 作为控制条件。由于岩土的复杂性，对于地基变形或沉降计算的准确性至今仍然较差， 因此，要使地基设计理论有新的进展，关键是如何合理的建立计算模型与选取计算参数， 发展新的沉降计算方法，解决地基变形的计算问题。 地基沉降计算方法归纳起来大体为弹性理论法、工程实用法、半理论半经验法和数 值计算法等四类。弹性理论法是将土体视为弹性体，测定其弹性常数，再用弹性理论计 算土体中的应力与土体的变形量。虽然在某些符合弹性理论基本假设的理想条件下可以 采用，但对于一般地基，天然土很少是均质的，各处的弹性参数也随处变化，尤其是针 对影响范围较广较深的大面积基础，不易考虑到各种实际复杂的边界条件。另外，计算 第一章绪论 范围达到无限深，常使计算结果偏大。工程实用法是按弹性理论计算土体中的应力，借 试验提供各项变形参数，结合分层叠加原理，可以方便地考虑到土层的非均质、应力一 应变关系的非线性以及地下水位变动等实际存在的复杂因素。但不足的是它把地基假设 成直线变形体，直接应用弹性理论来解答，而且土的压缩性指标的选定主要根据压缩试 验等室内试验确定，不能更好地考虑应力状态的影响，同时钻探取样扰动对其影响也很 大。而对于软土，若压缩试验过高估计了压缩模量，会使计算沉降偏小，因此，规范中 在分层总和法沉降计算中采用了变化范围为o 2 1 4 的一个经验修正系数，对硬土的经 验修正系数小于1 0 ，对软土，则大于1 o ，也说明了理论沉降计算的准确性是很不够的。 半理论半经验法大多采用现场测试结果，从若干实际工程中积累沉降实测数据，进行统 计分析，确定理论值和实测值之间的经验系数。它是借经验系数，求得土的压缩性指标， 再代入理论公式求解。数值方法理论上较为完善，可以考虑非线性、弹塑性、非均质和 应力状态等，但其最大的困难在于土的本构模型的合理建立，且参数同样来源于室内试 验，难以克服取样扰动等的影响，同时计算复杂，建立本构模型也复杂，虽然计算是相 当精确的，但由于本构模型和参数得误差大，最终结果也难以准确。 目前，在实际工程中，一般采用建筑地基基础设计规范、湿陷性黄土地区建筑 规范中推荐的计算方法，利用压缩模量和湿陷系数来计算地基的沉降。但由于土是非 线性变形材料，目前所用的压缩模量和湿陷系数都不能准确地反映土的非线性变形特 性，都存在一定的局限性。基于此种情况，为了提高计算的准确性，本文引用了新的参 数弦线模量来代替建筑地基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 中的压缩模量和湿陷 性黄土地区建筑规范( g b 5 0 0 2 5 2 0 0 4 ) 中的湿陷系数。弦线模量是根据现场载荷试验 沉降曲线上某一段压力增量和沉降增量计算的，相当于该压力的非线性模量，利用变形 曲线分段计算变形，叠加而得总变形，该法较好地反映了地基变形的非线性特征。用弦 线模量计算软件对载荷试验进行仿真分析，可以代替载荷试验确定地基承载力和地基容 许变形值及地基极限变形值等各级荷载的变形值，进行地基变形控制设计。本文主要对 用弦线模量法计算饱和黄土地基的自重湿陷变形和一般黄土地基的增湿变形两种情况 进行探讨。， l 1 2 课题的研究意义 伴随着我国经济的快速发展，各个行业的基础设施建设也随之大规模的展开。在道 路工程( 包括铁路、公路) 、城市建设、以及水利水电工程建设等项目日益增多。与此 2 长安大学硕士学位论文 同时，随着国家经济政策向西部倾斜，西北各省区的基础设施建设也将会日益增加，这 些项目的实施，对地基沉降计算要求也将会不断提高，因此，革新或改进地基沉降的计 算方法具有重要的学术价值与社会效益。 弦线模量是地基变形计算的等效参数，它综合了反映岩土性质的多因素相互作用及 施工加载等实际情况的影响。弦线模量法是一种来源于载荷试验的工程实用模型，它是 在处理地基载荷试验的p s 曲线时，用分段弹性来表示宏观的非线性，克服了压缩模量、 湿陷系数等在理论和实践上存在的问题，对工程上地基变形，尤其是黄土地基变形的计 算问题有着巨大的发展前景和经济效益。 弦线模量计算地基变形在理论上的科学和正确及在实际应用上的成功，可以弥补现 行湿陷性黄土地区建设规范无法计算黄土增湿变形的空白，而且以弦线模量理论设计地 基基础与现行规范方法相比，可以节约工程造价，如果弦线模量全面用于我国地基规范， 首先是湿陷性黄土地区建筑规范，以压缩和湿陷两种计算变形控制设计，可以节约 工程总造价在1 - - 一一2 之间。同时，如果弦线模量法能够准确计算地基的变形，那么将 能够实施地基按变形控制进行设计。因此，对弦线模量法需做进一步的探讨与研究，具 有重要的意义。 1 2 课题的研究现状及存在的问题 1 2 1 课题的研究现状 一般地基变形的计算是从1 9 2 5 年y e r z a g h i 提出一维固结理论开始，主要应用弹性 力学的方法来计算基础沉降问题。1 9 3 4 年，f r o h l i c k 建立了地基沉降计算方法；1 9 3 6 年， r e n d u l i c 在固结过程中总应力不变的假设下，把一维固结问题推广到三维情况；1 9 4 1 年， b i o t 建立了严格的固结理论并于1 9 5 6 年又推广到动力问题。与此同时提出各种地基沉 降计算方法。1 9 7 0 年，s c k r n e r t m a n n 提出一个半经验的计算砂土地基沉降的公式，经实 际工程检验，比较符合实际。 关于土体本构模型的研究，周镜、卢肇钧等学者均指出，几十年来，各国学者建立 了数百个土的本构模型，但在工程中应用的极少。龚晓南也指出，自r o s c o e 创建剑桥 模型至今，各国学者已发展了数百个土体的本构模型，但得到工程界普遍认可的极少， 严格地说尚没有。他还指出，由于土的变形特性是非常复杂的，企图建立适用于各类岩 土工程的理想的本构模型是很困难的，或者说是不可能的。 由于三轴试验中圆柱形土样的直径为3 8 c m , - 一1 0 0 c m ，高度为直径的2 倍，土样尺 第一章绪论 寸小，试验时受土样的扰动和试验条件的限制，土性参数的获得非常困难，计算的地基 沉降值与实测值之间会存在较大差异，因此很难在工程中应用。 依据三轴试验或其他有关试验，获取土的变形参数，计算地基沉降，常见的有以下 几种情况。 ( 1 ) d u n c a n - c h a n g 弹性非线性模型，计算切线模量、切线泊松比需要c ，q ，r e 等8 个土性参数。，。 ， ，o u n g a n c h a n g 模型是双曲线模型，由三轴试验得出的弹性参数建立切线模量和切 线泊松比计算式，但该模型不能反映主应力对变形的影响、土的剪胀性、变形软化、加 荷、卸载对泊松比的影响、固结压力增加与沉降的差别及各向异性等变形特性。 c( 2 ) 用修正的剑桥模型计算竖向弹性应变增量和塑性应变增量需要比 d u n c a n - c h a n g 模型更多的参数。用剑桥模型计算上海1 0 5 0 号油罐地基的沉降量，误差 较大- 一 总的来看，剑桥模型是一种尚待发展的理论方法，目前还存在较大的局限性：剑 桥模型只适用于正常固结土或弱超固结土，应用范围较窄；至今的试验论证只限于重 塑土，对于原状土，有待进一步积累经验。 ( 3 ) j e 波勒斯 美 提出的计算弹性沉降的方法是通过三轴试验获取侧向应力和竖 向应力后，查应力一应变关系曲线，得到应变和变形模量，再以应变积分法、平均弹性模 量和平均应力按弹性理论公式计算地基沉降。有人对同一工程用几种方法计算沉降的结 果分别为：1 6 8 c m ，1 5 3 c m 和2 4 0 c m 。可见，计算方法不同，计算结果差异很大。 o ( 4 ) 几十年来，沈珠江等人提出过多种土的本构模型。近年来又提出弹塑性损伤模 型。实测资料表明：用二元介质模型计算陕西省东雷q 3 黄土增湿变形为2 0 5 7 c m ，其值 明显偏小：用弹塑性损伤模型计算湛江淤泥在( 2 0 0 - - 4 0 0 ) k p a 的高压力下的沉降量为 ( 8 5 3 6 o ) c m ；有数量级的误差。 。 ， 杨光华提出的原状土切线模量法是直接根据原位承压板载荷试验曲线确定原状土 体切线模量并将其用于分层总和法计算地基沉降的一种方法。该方法把持力土层的切线 模量与分层土的切线模量混为一谈，这显然是错误的，是不能成立的。一： 一 我国对弦线模量的研究是从1 9 6 3 年开始的，因为在1 9 5 8 年以后，西安和兴平地区 地下水位持续上升，影响到的建筑物普遍发生了沉降和裂缝，因此，在1 9 6 3 年，- 由西 北建筑工业设计院和陕西省建筑科学研究院等单位组成了研究小组来研究这一问题，重 点是研究沉降量的计算。研究小组对4 0 0 多栋建筑物进行了沉降和水位观测、裂缝测绘， 4 长安大学硕士学位论文 并且在西安交通大学场地做了4 台模拟地下水上升的载荷试验。焦五一老师也参加了该 项研究，他经过1 0 0 多项工程的沉降计算，看到问题不在于计算方法而在于模量，所以 在探索新的模量时发现了弦线模量。 。 1 9 6 9 年，西安市机瓦厂烟囱因浸水而倾斜，依据弦线模量值来计算烟囱施工期间各 个阶段的沉降量，其与实测值是高度吻合的，据此他提出了1 5 1 t 的加载反压处理方案， 该方案实施后烟囱恢复到原位。随后他依据大量的载荷试验实测数据，建立了关中地区 一般黄土的弦线模量与物理指标的关系表，即一般湿陷性黄土弦线模量表，并设想了该 表的预期效果：“在陕西关中地区，黄土的液限、塑限基本相同，则在各级压力下的e c h ( 即弦线模量) 值主要与孔隙比和含水量有关。按照不同的孔隙比、含水量查得各级压 力下的e c h 值，从而依据分层总和法可计算出地基的最终沉降量。当地下水位上升或建 筑物地表浸水引起地基的含水量有较大幅度的变化时，根据表中e c h 值的变化，可计算 得附加的沉降量”。 继关中地区一般黄土弦线模量表以后，又建立了软土的弦线模量表。依据该表计算 了我国上海、天津、武汉、浙江2 0 个大型油罐的沉降量，包括罐边、罐中和地基分层 变形值，这2 0 项的计算值与实测值的相关系数为o 9 8 ，平均值分别为6 2 9 0 和6 4 1 l e m 。 意大利比萨斜塔的倾斜的治理也是采用该表计算，从1 2 7 2 年发生倾斜开始到1 9 9 0 年8 个阶段的倾斜值，计算结果与实测结果的相关系数接近于1 0 ，平均值分别为3 9 9 8 。和 3 5 2 。根据计算结果，他提出了对比萨斜塔的反压治理方案，意大利采用了反压治理 方案，反压加到9 0 0 t 后，斜塔停止了倾斜，最终拯救了比萨斜塔。 随后，他又用4 本规范承载力对弦线模量表进行了验证。我国地基规范( 6 6 、7 8 黄土规范和( 7 4 、8 9 地基规范) 中黄土、一般粘性土、老粘性土、粉土和淤泥的1 7 8 个承载力值，按所对应的物理指标取弦线模量值，将承载力作为基底压力，计算3 m 宽 方形压板的沉降量s 和压板宽度b 之比值s b 。用弦线模量表全面验证了4 本规范的承 载力；反过来说也是用4 本规范的承载力验证了弦线模量表。 随着对弦线模量的深入研究，在处理工程设计问题时发现了垫层和复合地基的双层 地基特性。在用基础宽度不能调整基础沉降时，对比较大的差异沉降量，用垫层厚度调 整取得了良好的效果。 总的看来，国内外对地基变形理论与计算的研究已取得了不断的进展，但由于地基 变形问题十分复杂，地区性显著，在许多情况下要因地制宜地处理问题，涉及到的规范 较多，一些地区性的规范、规程或规定具有非常重要的作用，因此，地基变形研究的侧 第一章绪论 重点也各不相同，成果至今仍显分散，宏观研究较多，系统深入不够，远不能满足工程 结构抗灾设计的需要。 i， 1 2 2 课题存在的问题 现今，弦线模量法已经成功地应用于2 0 0 多项实际工程中，并取得了成功，如果将 其运用于现有规范中，将节省大量的工程造价，对工程上的地基变形，尤其是黄土变形 的计算问题有着巨大的发展前景和经济效益。为此，焦五一老师提出了改革现行地基勘 察设计方法的建议，但在学术界引起较大的反响和争议，专家们有的支持，有的表示疑 义，有的却反对，结果迟迟未被大多数权威专家接受，而未被写入规范中。争议的焦点 在于：计算所用新参数弦线模量在理论和实践上是否比压缩模量和湿陷系数有所创 新，有所改进，能否在工程实践中全面推广应用。而且弦线模量表中的数据是否具有普 遍性，其能否适用于所有土层，对以上问题只有通过进一步验证才能回答。因此，要想 让弦线模量法进行推广，广泛应用于工程领域，仍需进一步的研究及验证。 j、t ， 1 3 课题的研究思路、方法及主要内容 1 3 1 课题的研究思路 ：1 ： 一 - 7 ：一 由于黄土种类繁多，结构复杂，在工程实践中常常遇到有关黄土湿陷的一些不同现 象和特征。如结构和成分相同的黄土，有的湿陷，有的则不湿陷；有的黄土遇水立即湿 陷，有的则在一定压力作用下浸水才发生湿陷。因此对黄土地基的研究一直是工程界所 关注的问题。当然，研究黄土地基，其重要内容之一就是解决变形问题，也就是沉降量 的准确计算问题。在实践工程中，目前采用压缩模量、湿陷系数来计算都不能更确切的 r 。反映地基变形特征。基于此种情况，改进地基变形计算的症结就在于寻求能表示压力和 变形关系的新参数。为了提高计算的准确性，焦五一老师提出了采用新的参数弦线模量 来计算地基变形问题，并运用弦线模量计算软件对载荷试验进行仿真分析。本文在以往 研究的基础上，编写了饱和黄土地基变形软件和一般湿陷性黄土地基变形软件，通过收 集关中地区蒲城工点和宁夏地区固原工点试坑浸水试验、西安交通大学场地的载荷试 验、西安南郊载荷试验及浸水试验的资料，对饱和黄土地基和一般湿陷性黄土地基的变 形情况进行了验证。 “ ， 一j 1 3 2 课题的研究方法及研究内容 1 3 2 1 研究方法 6 长安大学硕七学位论文 以弦线模量法为基础收集已有的应用实例，对不同情况下的黄土地基沉降量进行了 计算，并与实测值进行对比分析，以此验证弦线模量法的适用性。 1 3 2 2 研究内容 ( 1 ) 依据弦线模量法的基本原理，利用d e l p h i 语言编写一套新的黄土地基变形计 算软件，依据土的基本物理指标计算了饱和黄土地基的自重湿陷变形和一般湿陷性黄土 地基的增湿变形。 ( 2 ) 依据关中蒲城和宁夏固原两个工点的试坑浸水试验资料，验算了饱和黄土的 弦线模量值。 一 。 ( 3 ) 依据在西安交通大学场地做的地下水上升载荷试验及西安南郊载荷试验和浸 水载荷试验的数据，验算了关中地区一般黄土的弦线模量值。 ( 4 ) 对载荷试验的实测沉降与采用弦线模量法计算的沉降值进行对比分析，研究 了它们的符合程度及合理性。 7 第二章影响黄土地基变形计算的因素 第二章影响黄土地基变形计算的因素 2 1 黄土土体变形特点 黄土是在第四纪干旱、半干旱的气候环境下形成的一种特殊的陆相松散堆积物。由 于地理、堆积环境、地质和气候条件的不同，致使其在堆积厚度、土的物理力学性质等 方面都有明显的差别，是一种典型的非饱和结构性土。其容重小，以粉土颗粒为主要组 成成分，颜色一般为黄色或褐黄色，富含碳酸钙，无层理，孔隙度高，发育有大孔隙和 垂直节理，在我国的分布面积约为6 4 万k m 2 ，其中湿陷性黄土约占3 4 。 黄土是在天然状态下结构比较强的土质，它常处于欠压密状态，弹性变形极小，主 要为压密变形，而压密变形又表现为压缩变形和增湿变形，而且增湿变形是黄土在被水 浸湿后，在土的自重压力或土在附加压力和自重压力的共同作用下，由于颗粒活动，骨 架挤紧，土体结构迅速破坏而产生的，其发展较快，量也很大，往往使建筑物发生严重 变形甚至破坏，对工程产生的危害很严重。黄土分为非湿陷性黄土和湿陷性黄土。而湿 陷性黄土按照湿陷形式分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土两种。 如前所述，黄土地基压密变形有两种：压缩变形和增湿变形，前者是一种必然性、 渐进性、连续性的变形，后者是一种突变性、非连续性、不可逆性的变形，有时这两种 变形交织在一起，同时产生，难以分开，从而增加了计算的困难。 2 2 影响黄土压缩变形的因素 黄土在压力作用下产生压缩变形，是由于土粒、水和气体相对移动，孔隙体积被压 缩的结果。影响黄土压缩性的主要因素决定于两大方面，一是黄土本身的成分和结构等 内在因素，二是受力条件等外部因素，包括外力性质、大小，速率等。而在计算地基沉 降时，还要考虑土体所受荷载及其所处边界条件等因素。 1 土性指标因素的影响 以往研究表明，影响黄土的压缩性的内部因素主要为土的成分和结构的影响。土的 成分包括：土的粒度成分和矿物成分，含水量( 饱和度) ，密实度、孔隙比，液限，塑 性指数，天然容重，粘性土的离子交换及种类和胶结物种类等。土的结构状态影响着土 的连结强度。从而使压缩也不一样。 2 构造特征的影响 8 长安大学硕士学位论文 由于沉积历史的原因，天然土体一般都是各向异性、非均质、成层的、有孔隙的土 体，如何合理的考虑它们对变形的影响，尤其是对地基中应力分布的影响，尚待进一步 研究。就地基而言，建筑物施加的通常是局部荷载，除上下方向的压缩外，同时也有不 同程度的侧向膨胀，土体构造也将对土的模量、土的上下方向的压缩以及侧向变形产生 影响。 3 应力历史的影响 细粒土前期固结压力的影响是很显著的。当其它条件相同时，超压密粘性土的压缩 性往往较低。黄土一般为欠压密状态，所以其压缩性往往较高。因此，结合土的受荷历 史来研究黄土的压缩性，考虑前期固结压力影响，才能得出更符合实际的结果。 4 应力路径的影响 研究表明，变形不仅与应力有关，还随着应力路径的变化而变化，应力路径对土的 变形模量也有影响。 ， r 5 上部结构，荷载大小及作用形式的影响 i 动静荷载、增荷率和加荷速度、加卸载、偏心与中心荷载对沉降必然产生不同的影 响结果。 6 基础形式、尺寸及埋深的影响 基础形式、尺寸不同，以及考虑上部结构、基础、地基三者相互作用，必将影响基 底压力的分布，而埋深的影响在于基础的补偿性以及基础侧向土的过载约束作用。 7 施工扰动因素、使用维护状况等的影响 因具体情况、条件不同，这些影响也不同，所以难以具体描述。 总之，黄土的压缩性的高低决定于土本身的性质，即土的物质组成、结构和构造特 征；同时，压缩量的大小还要受土的受力条件( 如性质，外力大小等) 的影响。因此， 黄土压缩变形的计算应考虑多环节因素，只有合理地考虑这些因素，才会得出较为接近 实际的计算方法和计算结果。 2 3 影响黄土增湿变形的因素 黄土的特殊性在于其具有结构性、欠压密性和非饱和性，而它对水作用显示出的特 殊敏感性即湿陷性是这些特殊性的综合表现。黄土的增湿变形是内因和外因综合作用的 结果。内因包括黄土的骨架颗粒形态、排列方式、孔隙特征和颗粒胶结形式等，外因包 括水的浸入、上覆压力、外部荷载等。增湿变形具有突变型、非连续性和不可逆性等特 9 第二章影响黄土地基变形计算的因素 点。黄土的湿陷性又分为非自重湿陷、自重湿陷两种，下面简单分析影响黄土湿陷性的 一些影响因素： ( 1 ) 地质时代、埋藏深度、成因的影响 。 形成年代较早的老黄土具有良好的工程性质，土质致密、低压缩性，强度高，其湿 陷性较弱或不具湿陷性；新黄土的强度一般，分布广泛，具有湿陷性或强烈湿陷性；新 近堆积黄土土质疏松，压缩性高，湿陷性变化范围大，强度低。 ( 2 ) 骨架颗粒的影响 组成黄土的颗粒骨架为单个的粉粒及由碎屑颗粒粘结成的集粒。除此之外，还有少 数片状和棒状颗粒。这些单个的颗粒和集粒一般是颗粒间的点接触，或少数的以面胶结 接触。从而形成比较特殊的粒状架空体系。 ( 3 ) 孔隙特征的影响 赵景波认为，大、中孔隙是黄土湿陷产生的主要原因，微小孔隙含量越多湿陷性越 小。孔隙比是黄土中总孔隙的反映，而湿陷性不仅与孔隙的总体积有关，也与其大小和 形态有关。因此，只能说湿陷性与孔隙比有一定的相关性。湿陷性黄土的孔隙比变化在 0 8 5 - 1 2 4 之间，大多数在1 0 - - 1 1 之间，其是影响黄土湿陷性的主要指标之一。 ( 4 ) 粘粒含量的影响， 影响关中地区黄土湿陷性的粘粒含量有一峰值，大约在1 5 - 2 5 之间，中值约 2 0 。当粘粒含量 2 0 时，湿 陷性随粘粒含量升高而减小。这是因为当粘粒含量过少时，没有足够的粘粒充当黄土颗 粒间的胶结物，黄土就形成不了足够的架空孔隙，从而湿陷性很小；而粘粒含量过多时， 一些孔隙被粘粒充填，而且遇水膨胀，使黄土压缩性变大，湿陷性变小。 ( 5 ) 可溶盐的影响 黄土中的易溶盐在天然含水状态下就己经处于溶解状态，它在湿陷发生时是通过胶 溶作用产生的。而中溶盐和难溶盐，特别是碳酸盐，在黄土中既可起骨架作用，又可起 胶结作用，胶结作用使其明显减小和延缓了黄土的湿陷性。所以在考虑可溶盐对湿陷性 的影响时，同时要考虑它的含量和分布形式。 ( 6 ) 天然含水量和饱和度的影响 大多数情况下，黄土的天然含水量都较低。当其他条件相同时，天然含水量越高， 黄土的湿陷性越低，它们之间呈负相关。当天然含水量相同时，黄土的湿陷性也随增湿 l o 长安大学硕士学位论文 程度的增大而增大。另外，饱和度愈小，黄土的湿陷系数愈大，较密的饱和黄土的湿陷 性很弱或不具湿陷性。 ( 7 ) 压力的影响 黄土的湿陷必须在一定的压力下才会发生。在一定的压力下，黄土的湿陷量随增湿 程度的增大而增大。在含水量相同的条件下，随着外荷压力的增大，湿陷量也将增大。 ( 8 ) 天然容重的影响 土的容重与土的结构、所含水分的多少有关，也与土的矿物成分有关。因为特殊土 或区域性土往往具有更强烈或特殊的结构性，所以天然容重与黄土的湿陷性也有关。 ( 9 ) 液限、塑限、塑性指数的影响 液限、塑限、塑性指数反映了水对土的性状的影响，尤其液限是决定黄土力学性质 的一个重要指标。当液限大于3 0 时，黄土的湿陷性较弱，而当液限小于3 0 时，黄土 的湿陷性较强。塑性指数在一定程度上综合反映了影响细粒土特征的各种主要因素。但 应注意到液限、塑限是由重塑土测得的，并不反映原状土的水对土的性状的影响，只是 近似的反映。 ( 1 0 ) 浸水面积及其可能性、机率的影响 这些因素反映了湿陷变形具有突变性、偶发性。 ( 1 1 ) 基础的补偿性及荷载的影响性 “ 填、挖方、建成使用、维护情况，这些影响会因具体情况、条件不同而异，难以具 体描述，一般只能根据具体情况加以分析。 综上所述，黄土的湿陷性并不是受某个单一因素控制，而是多个因素综合控制的结 果。黄土的大孔性、多孔性和架空结构，为黄土的增湿变形提供了良好的空间条件；在 水与压力等诸多因素共同作用下发生的化学、物理化学作用导致粘粒胶结的强度降低， 是黄土产生湿陷的基本原因。 2 4 黄土地基变形计算方法分析 黄土地基可分为非湿陷性黄土地基( 老黄土地基) 和湿陷性黄土地基。湿陷性黄土 地基又分为自重湿陷性黄土地基( 饱和黄土地基) 和非自重湿陷性黄土地基( 一般黄土地 基) 。它们的地基变形计算方法也不一样，非湿陷性黄土地基无湿陷性，其地基变形计 算方法主要考虑地基的压缩变形，有时亦可采用考虑应力历史的计算方法。对于赋存较 久的饱和黄土地基( 即自重湿陷性黄土) ，计算方法则主要考虑地基的增湿变形；而对 第二章 影响黄土地基变形计算的因素 非自重湿陷性黄土地基，则需要同时考虑压缩变形和增湿变形，叠加得出最终的沉降量。 2 4 1 分层总和法的原理 地基的最终沉降量，通常采用分层总和法进行计算。即在地基沉降计算深度范围内 划分为若干分层计算各分层的沉降量，然后求其总和。所谓的地基沉降计算深度是指自 基础底面向下需要计算变形所需达到的深度。该深度以下土层的变形值很小，可以忽略 不计。沉降计算深度内的分层厚度一般取0 4 b ( b 为基础宽度) 或1 , - 一2 m ，成层土的层面和 地下水面必须当作分层面。 计算地基基础沉降的最终沉降量s ( m ) 按分层总和法计算公式如下： 一 、一 s = a s ，= 毛e ：( 2 1 ) 一一 式中：蝇为第i 分层的压缩量；岛为第i 分层的沉降应变；h j 为第i 分层的厚度， 因为 所以 ( 2 2 ) 式中：卸，为第i 分层的平均附加压力；e ，为第i 分层的模量值。 用分层总和法计算地基沉降变形的关键有两点：( 1 ) 模量的确定；( 2 ) 附加应力的确 定。其中第二点一般采取基底中心点下的附加压力确定，尤以第一点最为重要。改进地 基变形计算的症结在于寻求能表示压力和变形关系的新参数，在分层总和法里目标是找 到能较准确地反映土的非线性变形特征的模量取值。目前在地基变形计算中所用模量有 多种，且各值差异很大，探求能反映变形特性的基本模量是需要深入研究的重要课题， 在各种模量中，用的最多的是：压缩模量、变形模量、湿陷系数和弦线模量等。下面对 这几种模量及其相应的地基变形计算方法分别加以讨论。 。i 、i ： 2 4 2 不同模量及其变形计算方法分析 ， 2 4 2 1 压缩模量 ( 1 ) 定义 与弹性材料的弹性模量相似，是土在完全侧限的条件下竖向应力增量与相应的应变 日 蛾一e 也他 。 岛 耻 长安大学硕士学位论文 增量的比值。土的j 盘绢模量小仅反映土的弹性燹形，向且逊同时反映了土的残余焚彤， 是一个随压力而变化的数值，以此模量来建立应力应变关系，应属非线性弹性增量模 型，能反映材料的非线性的性质。 e ( 口一6 ) = 等= 旦盟( 1 + 巳) ( 2 3 ) - e d e b 式中： 乞，吃为起始压力和总压力( 起始压力与附加压力之和) 的孔隙比； 见，岛为起始压力和总压力； 巨( 口一6 ) 为与之相应的压缩模量。 ： ( 2 ) 基本公式 单层的基本公式 s i 昔啦紫忽 ( 2 4 ) ，分层总和法公式 s = 虮掣红 ( 2 5 ) x - , s ( a 一6 ) 规范法公式 s = 虮窆争( z ，i 嘲石) ( 2 6 ) i = ld s f ( 3 ) 存在问题 压缩模量是土的侧限压缩试验的结果，b 价6 ) 是侧限压缩模量，其前提是假设地基 土体不发生侧向变形，这与建筑物在地基上的局部加载导致的三向变形的实际情况不 符。另外，压缩模量沿深度递增并不明显，采用压缩模量法计算变形时，常会发生地基 上部计算变形偏小，下部计算变形偏大，无法正确反映变形沿深度分布的规律。经验系 数缈，取值要根据地区沉降观测资料及经验确定，这些系数变化幅度都比较大，而且它们 所依据的参数都不稳定，结果很难满足设计要求。 2 4 2 2 变形模量 一，( 1 ) 定义 根据载荷试验p s 曲线的初始直线段，按均质各向同性半无限弹性介质的弹性理论 计算，是以半无限均质直线变形体为假定条件，用其压力和沉降的直线关系算得。 “ 磊：( 1 - u z ) 颤o p b ( 2 7 ) o 1 3 第二章影响黄土地基变形计算的因素 式中，毛为土的变形模量( 1 ( p a ) ；国为沉降影响系数，与载荷板的刚度和形状有关的 参数，一般为刚性承压板，方形取0 8 8 ，圆形取0 7 9 ；u 为土的泊松比；p 为作用在载 荷板上的总荷载( k n ) ；s 为与荷载尸相对应的沉降量( c m ) ；b 为承压板的边长或直 径( c m ) 。 ： ( 2 ) 基本公式 一 ， 单层基本公式 s = 争红