[发明专利]地基非线性沉降计算的修正切线模量法

说明书

一、技术领域

本发明涉及基础工程中地基及基础的沉降计算问题，属于土木工程领域。

二、背景技术

地基沉降计算是基础工程设计的核心问题，也是至今未能圆满解决的世界性难题。目前我国广泛应用的是以压缩模量为计算指标的规范法，该方法是按分层总和法计算地基总沉降并对计算结果根据经验进行修正。压缩模量是依据土样的室内压缩试验得到，受取样扰动等因素影响，与实际原状土有较大差异，导致计算结果精度低且可靠性差，只好用一个沉降计算经验系数ψ_s来修正，ψ_s的变动范围很大，在0.2～1.4之间，大小相差竟达7倍之多。

载荷试验被认为是最可靠的原位试验，用载荷试验资料获得的变形模量预测基础沉降已经在筏板基础及高层建筑箱形基础工程设计中得到应用。变形模量是依据地基的均质弹性体假设由载荷试验成果推求得到的，是一个定值，而地基土体具有非均质、非线性特征，其荷载沉降曲线是非线性的，变形模量法只能分析荷载沉降关系曲线起始段沉降变形较小的情况，而无法分析地基加载至极限状态的全过程，有着很大的局限性。

采用有限元法等数值方法分析地基的沉降变形是目前研究者经常采用的方法，但由于地基土体本身的复杂性，土的本构模型通常较复杂，需要的计算参数较多，受试验条件限制及土样扰动的影响，模型参数无法准确测定。而有限元法计算结果的精度受模型参数精度的制约，计算结果的精度不可能超过参数本身的精度，因此采用有限元法计算地基的沉降变形一般难以取得理想结果，这也限制了有限元法在实际工程中的应用。

由于考虑地基非均质非线性特征的应力分布计算极为困难，一般地基附加应力是按均质弹性半空间地基考虑。推求均质弹性半空间地基附加应力的基本公式是Boussineq(1885)垂直集中力作用下半无限弹性体内的应力解，由于地基真实的应力分布很复杂，与基础形状、埋深、土体非均质性等因素有关，因此根据该应力解计算得到的应力分布与实际情况有偏差。

采用载荷试验确定的非线性变形模量计算地基沉降会更加符合实际情况。焦五一和杨光华分别提出依据载荷试验曲线求解土体在不同附加应力的弦线模量和切线模量，按分层总和法计算出地基的沉降变形。弦线模量法只考虑了竖向附加应力的影响，未考虑模量随深度增加而增加的情况；切线模量法虽然按Prandtl极限承载力的理论公式考虑了模量的深度效应，但未考虑初始切线模量随深度增加而增加的情况，且理论公式本身会给计算结果带来新的误差。无论是弦线模量法还是切线模量法均未对附加应力进行修正，导致计算模量偏小，沉降计算结果偏大。此外，无论是弦线模量法还是切线模量法，均未能解决基础的尺寸效应问题，即如何将小尺寸的载荷试验成果，应用于大基础的沉降计算。

准确计算地基沉降的关键在于：1)获得可靠的变形计算参数；2)获得可靠的应力分布；3)正确考虑基础的尺寸效应。目前还没有任何沉降计算方法能够完善解决上述三个关键问题或问题之一，本发明从原位试验成果出发，很好地解决了这三个问题。

三、发明内容

提出了土体非线性变形模量——修正切线模量的计算公式(修正切线模量方程，又称双曲线切线模量方程)，该公式是对载荷试验曲线进行双曲线拟合后由该拟合曲线反求得出，并依据最后一级荷载沉降试验值对Boussineq应力解进行修正，依据修正切线模量方程计算得到的压板沉降与试验曲线完全吻合，说明修正切线模量是计算地基非线性沉降变形的理想参数。

提出了考虑基础尺寸效应的沉降计算方法，该方法是利用某一土层压板试验分析得到的修正切线模量方程，结合标准贯入试验成果(SPT)或其他原位测试资料，根据线性相关关系假定，确定出该土层不同深度不同位置测试点的修正切线模量方程，再用分层总和法求解大面积地基或基础的非线性沉降。

一)修正切线模量法的技术特征

1.采用压板载荷试验或螺旋板载荷试验确定地基土体的修正切线模量或修正切线模量方程；

2.根据土层修正切线模量方程结合标准贯入试验(SPT)、静力触探试验(CPT)或旁压试验(PMT)确定任意测试点的修正切线模量方程，进而利用各分层土的修正切线模量方程按照分层总和法计算大面积地基或基础的沉降；

3.计算参数全部来自现场原位测试结果，根据载荷试验曲线对计算得到的附加应力分布进行修正，附加应力修正系数β值介于0.85～1.0之间；

4.计算参数全部来自现场原位试验，参数来源可靠，计算结果准确，无需再经过人工经验修正，能极大地满足以变形控制为目标的基础工程设计需要；