地基沉降治理（共8篇）
地基沉降治理 篇1
1 前言
随着房改政策的推行和人们对工程质量的关注, 在群众在关于建设工程质量的投诉中, 常常举报砖混结构建筑物出现裂缝并询问建筑物的安全状态。在砖混结构中墙体裂缝是建筑工程质量中的老大难问题。分析一下引起问题的原因, 有些地基不均匀沉降、温度应力、地震力、荷载和施工质量等。其中地基不均匀沉降和温度应力造成的裂缝所占比例大, 是需要解决的主要问题。
2 地基不均匀沉降引起的裂缝分析
地基不均匀沉降和地基土层的均匀性、地基土的压缩性及荷载差异等有关。根据我国国情, 《建筑地基基础设计规范》中允许砖混结构有沉降, 并允许有沉降差。虽然规范要求控制沉降差, 但在砖混凝土结构设计中不太被人们注意。此沉降差反映到地基上的砖混结构上, 有时可引起墙体裂缝。
2.1 地基不均匀沉降引起墙体裂缝的特征
2.1.1 裂缝向沉降较大的方向倾斜, 沿着门窗洞口约成45度, 呈正八字形。
2.1.2 在房屋高差较大或荷载差异较大的情况下, 裂缝位于层数低的, 荷载轻的部分, 并向上朝着层数高的荷载重的部分倾斜。
2.1.3 当房屋的沉降分布曲线呈凸形时, 往往除了在纵墙两端出现倒八字形倾斜裂缝处, 也常在纵墙顶部出现竖向裂缝。在多层砖混结构中, 也有在窗口下坎墙上出现竖向裂缝的。
2.2 地基不均匀沉降原因分析
2.2.1 房屋地基土层分布不均匀, 土质差别较大是发生地基不均匀沉降的客观原因。
2.2.2 主观原因造成地基不均匀沉降多与设计有关, 例如: (1) 地基处理方案和基础设计不协调或在同一建筑物基础下采用多种地基处理方法。 (2) 由于建筑立面的错层, 平面的变化引起荷载不均匀, 如处理不好, 可以引起地基不均匀沉降。 (3) 当房屋纵墙刚度较差时, 由土壤的应力扩散作用, 房屋两端应力逐渐减小, 可以引起地基不均匀沉降。 (4) 还有的设计不符合规范的规定, 实际中有的筏板从横墙轴线算起挑出长达2100mm远远超出规范的“不宜超出1500mm”的规定。结果将改变地基受力状态, 造成不良后果。
2.2.3 施工原因造成人工地基承载力不均匀。
2.2.4 房屋建成后使用不当, 如基础长期受水浸泡或在房基附近挖坑、施工松动地基土等。
3 防止地基不均匀沉降的措施
3.1 建筑设计方面
3.1.1 建筑物体型诮力求简单
建筑物立面的高差不宜悬殊, 接受荷载差异不宜太大;在平面上形状诮力求简单, 尽量避免凹凸转角, 同时平面上的转折和弯曲也不宜过多, 否则会使其整体性和搞变形能力降低。另外, 适当控制建筑物的长高比 (建筑物在平面上的长度和从基底算起的高度之比) , 其越小, 整体刚度越好, 调整不均匀沉降的能力越强, 一般控制在2.5～之间。对于砌体刚度, 应合理布置纵横墙。纵横墙应尽量贯通, 横隔墙的间距不宜过大, 一般不大于建筑物宽度的1.5倍为宜。
3.1.2 设置沉降缝
沉降缝将建筑物分成各自独立的单元, 各单元的沉降不相互影响。一般在建筑平面的转折部位, 高度差异 (或荷载差异) 处, 长高比过大的砌体承重结构或钢筋混凝土框架结构的适当部位, 地基土的压缩性有显著异处, 建筑结构或基础类型不同处, 分期建造房屋的交界处等设置沉降缝应有足够的宽度, 建筑物越高 (层数越多) , 缝就越宽。具体缝宽和构造见规范及有关资料。
3.2 结构设计方面
3.2.1 减轻建筑物自重
减轻建筑物自重可以减小基底压力, 是防止和减轻不均匀沉降很重要的途径。实际中可采用轻质材料, 如多孔砖墙或其他轻质墙体;选用轻型结构, 如预应力钢筋混凝土结构、轻钢结构以及各种轻型空间结构;选用自重较轻、覆土较少的基础形式, 如浅埋的宽基础、有半地下室或地下室的基础, 或者室内地面架空地坪等。
3.2.2 设置圈梁和钢筋混凝土构造柱
在建筑物的墙体里设置圈梁和构造柱能增强建筑物的整体性, 提高其抗弯刚度, 在一定程度上能防止或减少裂缝的出现, 即使出现了裂缝也能阻止裂缝的发展。
3.3 施工方面
3.3.1 在基坑开挖时, 不要扰动地基土, 通常坑底保留200mm左右的土, 待垫层施工时, 再人工挖除。如坑底土被扰动, 应挖去, 用砂、碎石回填夯实。要注意打桩、井点降水及深基开挖对附近建筑物的影响。
3.3.2 在已建成的小、轻型建筑物周围, 不宜堆放大量的建筑材料和土方等重物, 以免地面堆载引起建筑物产生附加沉降。
4 治理方法
不均匀沉降引起的裂缝对结构的承载能力和整体性有较大的影响, 需要及时治理加固。在加固之前, 应做好对裂缝的勘察, 掌握裂缝开展规律, 再根据裂缝程度, 对结构进行适当的加固处理。
4.1 一般性裂缝, 如若干年后不发展, 则可以认为不影响结构安全使用, 可采用填缝修补或灌浆修补。填缝修补分为水泥砂浆填缝和配盘水泥砂浆填缝, 工序为:先将裂缝清理干净, 用勾缝刀、抹子、刮刀等到工具将1:3的水泥砂浆或比砌筑砂浆高一级的水泥砂浆或掺有107胶的聚合物水泥砂浆填入砖缝;配筋水泥砂浆填缝则每隔4-5皮砖, 在砖缝中先嵌入钢筋, 然后按上述工序进行处理。灌缝修补是用压力设备把水灰比为0.7-1.0的水泥浆液压入墙体内, 使裂缝粘合。
4.2 对于影响安全使用的裂缝, 应进行加固处理。因墙体强度不够而发生的裂缝, 墙面可敷贴钢筋网片, 网片用中φ6@100-300双向或中φ4@100-200双向钢筋网, 并配置穿墙拉筋加以固定, 然后灌细石混凝土或分层抹水泥砂浆加固。施工前墙体抹灰应刮干净, 灌浆后应养护护七天左右。
4.3 加强上部结构钢度, 可采用钢筋、型钢拉杆或在墙体上增设钢筋混凝土圈梁, 圈梁用强度等级为C15-C20的混凝土, 截面不小于120×180mm, 配筋可采用纵向φ4@10-14箍筋φ6@200-250, 每隔1.5-2.5mm应有牛腿 (或螺栓、锚固件等) 伸进墙体与墙体拉结好。浇筑圈梁时应将墙面凿毛, 洇水以加强粘结。
摘要：在砖混结构中地震力、荷载和施工质量引起的墙体裂缝有时可以影响建筑物的结构, 同样是不可忽视的, 本文重点谈谈由于地基不均匀沉降引起的墙体开裂问题。造成地基不均匀沉降引起墙体开裂的原因很多, 文中分别从勘查、设计和施工三方面提出了一些预防不均匀沉降的措施。
关键词：不均匀沉降,裂缝,设计
建筑地基不均匀沉降处理探讨 篇2
摘要：本文以金沙洲新社区项目为工程背景，针对地基的不均匀沉降着重探讨其防治和处理措施。
关键词：不均匀沉降成因防止措施施工处理措施
0引言
广州金沙洲新社区工程由35栋6层住宅楼、9栋11层住宅楼、20栋18层住宅楼，7个大型地下车库，以及小学、中学、幼儿园、卫生站、邮局等配套设施组成。本工程地质条件非常复杂，东南临沙贝海、白沙河，地下水系非常发达，岩溶极为发育，软弱地基土丰富，局部岩面倾角很大，施工完成后的建筑物由于地基产生不同程度的沉降，造成出现墙体开裂或房屋倾斜，严重影响施工质量。本文针对地基的不均匀沉降着重探讨防治和处理措施。
1地基产生不均匀沉降的原因
地基是直接承受构造物荷载影响的地层。基础下面承受建筑物全部荷载的土体或岩体称为地基。地基不属于建筑的组成部分，但它对保证建筑物的坚固耐久具有非常重要的作用。建筑物地基沉降量较大，产生不均匀沉降问题所引起的破坏正常分析认为：①建筑地基为软弱地基，地基下卧层软土厚度较大，土的压缩性较大，造成地基的沉降量较大。②建筑物长度较大，由于土质的不均匀分布，及上部结构荷载的不均匀分布造成地基的不均匀沉降。③相邻四层建筑物复合地基的影响，使之与相邻建筑的地基沉降较小，而引起不均匀沉降。
因此在进行地基设计时，要考虑：基础底面的单位面积压力小于地基的容许承载力：建筑物的沉降值小于容许变形值；地基无滑动的危险。由于建筑物的大小不同，对地基的强弱程度的要求也不同。若上述要求达不到时，就要对基础设计方案作相应的修改或进行地基处理(对地基内的土层采取物理或化学的技术处理，如表面夯实、土桩挤密、振冲、预压、化学加固和就地拌和桩等方法)，以改善其工程性质，达到建筑物对地基设计的要求。
2减少地基不均匀沉降采取的防治措施
减少地基不均匀沉降采取的防治措施就要从地基、基础、上部结构相互作用的观点出发，从勘察、设计、施工等方面综合采取措施，减少建筑物的总沉降量，相应地减少不均匀沉降量，增强上部结构对沉降和不均匀沉降的适应能力。
2.1地质基础勘察方面地质钻探报告是一门专门的科学，来不得半点虚假。钻探报告是设计人员的主要设计依据，必须提高地质勘测人员的业务水平、政治素质和职业道德素质，加强责任感，这样才能使钻探报告具有真实性和可靠性。
2.2采用多种设计，增强基础刚度和整体刚度建筑措施。住宅的平面形状应力求简单，规则整齐，尽量避免形状复杂，阴角太多；避免建筑物有显著的高差或荷载差异。
设置沉降缝。长度较大的住宅，考虑在适应部位设置沉降缝；对于平面图形复杂的，或有层高高差及荷载显著不同的，要在其转折处；层高高差处或荷载显著不同的部位设置沉降缝；在地基土的压缩性有显著不同处或在地基处理方法不同处设置沉降缝。
考虑相邻建筑物的影响。建筑物荷载不仅使建筑物地基土产生压缩变形，而且由于基底压力扩散的影响，在相邻范围内的土层，也将产生压缩变形；这种变形随着相邻建筑物距离的增加而逐渐减少，由于软弱地基的压缩性很高，当两建筑物之间距离较近时，常常造成邻近建筑的倾斜或损坏。
结构措施控制建筑物的长高比。长高比是保证砖石承重结构建筑物刚度的主要因素。实践证明，建筑物的长高比控制在2.5至3之间时，可减少建筑物的相对弯曲，房屋不易出现裂缝。
合理布置纵横墙。承重结构的墙身是房屋扭曲的主要受力构件，它具有调整地在不均匀变形的能力。纵、横墙的布置合理与否，对建筑物的整体刚度影响很大。为了保证建筑物的整体刚度，对于砖石承重结构的纵横墙应尽量贯通，横隔墙的间距不宜过大，一般不大于建筑物宽度的1.5倍为妥。
设置圈梁。在建筑物的墙体设置钢筋混凝土圈梁的主要作用是增强建筑物的整体性，它在一定程度上能防止或减少裂缝的出现，即使出现了裂缝也能阻止裂缝的发展。
2.3切实提高施工质量①砂浆的品种、强度等级，必须符合设计。②砖的品种，强度必须符合设计要求，砌体组砌形式一定要根据所砌部位的受力性质和砖的规格来确定。③正确设置拉结筋。④不准任意留直槎甚至阴槎，构造柱马牙槎不标准，将直接影响到墙体整体性和抗震性。⑤加强沉降检测。
3不均匀沉降施工处理措施
在选择不均匀地基处理方法时，应综合考虑场地工程地质和水文地质条件、建筑物对地基要求、建筑结构类型和基础型式、周围环境条件、材料供应情况、施工条件等因素，经过技术经济指标比较分析后择优采用。
3.1当拟建的相邻建筑物之间轻(低)重(高)悬殊时，一般应按照先重后轻或先高后低的程序施工，以减少两者之间的沉降差。
3.2采用混凝土后浇带施工工艺。当建筑物体重大，高差不悬殊时，可采用混凝土后浇带施工方法，即在主体结构基本完成，建筑物沉降到一定的程度，在预先留置的部位补浇混凝土。
3.3活荷载较大的建筑物，如粮库、料仓等，在施工前采用控制加载速率的堆载预压措施，使地基预先沉降，减少建筑物施工后的沉降及不均匀沉降。
3.4当基坑挖到设计标高后应及时做基础，避免地基被扰动。在淤泥及淤泥质土的地基上开挖基坑时，要注意尽可能不扰动土的原状，通常可在坑底保留大约200mm厚的原状土，待敷设垫层时才临时铲除。如发现坑底软土上已被扰动，可挖去扰动部分，用砂、碎石(砖)等回填处理。
3.5加强建筑物的沉降观察，做好详细记录。在建筑物和构筑物沉降观测的每一区域，设置足够数量和符合标准的专用水准点和沉降观测点。沉降观测的次数和时间应按设计要求，一般第一次观测应在观测点安设稳固后及时进行。民用建筑每加高一层观测一次，工业建筑应在不同荷载阶段分别进行观测，全部竣工后二年内沉降观测每3个月不少于1次。
4质量检验
地基处理设计时，应考虑上部结构，基础和地基的共同作用，必要时应采取有效措施，加强上部结构的刚度和强度，以增加建筑物对地基不均匀变形的适应能力。对已选定的地基处理方法，宜按建筑物地基基础设计等级，选择代表性场地进行相应的现场试验，并进行必要的测试，以检验设计参数和加固效果，同时为施工质量检验提供相关依据。
经处理后的地基，当按地基承载力确定基础底面积及埋深而需要对地基承载力特征值进行修正时，基础宽度的地基承载力修正系数取零，基础埋深的地基承载力修正系数取1.0；在受力范围内仍存在软弱下卧层时，应验算软弱下卧层的地基承载力。对受较大水平荷载或建造在斜坡上的建筑物或构筑物，以及钢油罐、堆料场等，地基处理后应进行地基稳定性计算。
5结语
地基沉降治理 篇3
斜裂缝一般发生在建筑物纵墙的两端, 或建筑物的中部以及建筑物的阳角。多数裂缝通过窗口的两个对角, 裂缝向沉降较大的方向倾斜, 倾斜角度在45°左右, 裂缝多呈平行分部;并由下向上发展, 裂缝多出现在底层墙体, 向上逐渐减少, 裂缝宽度自下而上逐渐变小, 一般砖混结构到三层很少看到这种裂缝。横墙由于刚度较大 (门窗洞口也少) , 一般不会产生太大的相对变形, 故很少出现这类裂缝。这种裂缝常常在房屋建成后不久就出现, 其数量及宽度随时间而逐渐发展。窗间墙水平裂缝一般在窗间墙的上下对角处成对出现, 沉降大的一边裂缝在下, 沉降小的一边裂缝在上。竖向裂缝发生在纵墙中央的顶部和底层窗台处, 裂缝上宽下窄。当纵墙顶层有钢筋混凝土圈梁时, 顶层中央顶部竖直裂缝则较少。
2 地基不均匀沉降裂缝产生的原因
(1) 由于地基土质软弱或建筑地基局部土质不均匀, 存在暗沟, 洞穴, 基坑等, 土质软硬差异大, 受压后必须产生过大的不均匀沉降。
(2) 地基处理不当, 基础设计不合理。建筑荷载对地基产生较大的附加应力, 对承载力低、变形大的软弱地基, 应进行加固处理, 以提高地基承载力。基础设计根据上部荷载与地基土质情况, 考虑地基与基础共同作用, 合理选用基础形式。
(3) 地基边坡破坏。地处陡坡边缘的建筑, 由于地面高差较大, 边坡不够稳定, 再加上地基附加应力的作用, 边坡失稳、滑移、沉降不均, 墙体开裂。
(4) 地基含水量变化不正常。因周围环境某些变化, 使建筑物场地地下水位升高, 或上下管道渗漏, 地表水渗入建筑地基, 长期浸泡, 土质软化甚至冲刷掏空, 导致不均匀沉降。
(5) 建筑物使用不当。随意改变房屋用途, 增大荷载, 在室内地面堆放超设计要求的大面积荷载, 使地基附加应力剧增, 导致建筑物不均匀沉降, 墙体开裂。
3 预防措施
3.1 选择合理的建筑体型和平面形状
其一, 建筑物的长高比不宜过大, 一般为长高比不宜大于2.5;其二, 建筑物体型应力求简单, 尽量避免立面高低起伏和平面凹凸曲折, 当体型较复杂时, 应用沉降缝将其划分为若干平面形状规则且刚度较好的单元;其三, 建筑物高差不宜过大, 对空间刚度较好的建筑物, 其紧接部分的高差不宜超过一层, 超过一层时宜用沉降缝将其分开。
3.2 认真分析地质资料并做好地基处理
一是对勘察单位提供的地质报告要认真分析, 谨慎对待, 用最科学的办法提供地基处理方案。二是认真做好地基的验槽工作, 核对基槽尺寸是否与设计尺寸相符, 实际的地质构造是否与地质报告提供的地质构造相符, 有无古墓、洞穴等。三是设计中一定要做好地基的沉降量预估, 在施工图中标注沉降观测点, 注明沉降观测的要求。四是在湿陷性黄土地区, 一定按规范要求设计处理地基, 并做好检漏防水的措施, 防止由于漏水造成地基的不均匀沉降而引起墙体的裂缝。
3.3 设置沉降缝
沉降缝的作用是将建筑物自屋顶到基础分为若干个长宽比较小、整体刚度好、自成沉降体系的单元。这些单元具有调整过大不均匀沉降的能力。沉降缝的位置一般设置在下列部位:
一是平面形状复杂的建筑物的转折部位;二是建筑物高度或荷载差异处;三是建筑物结构或基础类型不同处;四是分期建造的建筑物交界处;五是过长建筑物的适当部位;六是地基土的压缩性有显著差异处。设计时要综合考虑许多因素 (如地质情况、预期沉降量、建筑体型、结构类型、美观要求、施工情况等) , 才能正确合理地布置沉降缝的位置, 一般应尽可能设置在建筑物的转折部位, 以便于进行建筑的处理。
为了防止由地基不均匀沉降所引起的墙体裂缝, 《砌体结构设计规范》的第6.3.3条有明确的规定, 设计时可采取下列措施:增大基础圈梁的刚度;在底层的窗台下墙体内设置3道焊接钢筋网片或2Φ6钢筋, 并深入两边窗间墙内不小于600㎜;采用钢筋混凝土窗台板, 窗台板嵌入窗间墙内不小于600㎜。大的门窗洞口下部, 可以考虑设置钢筋混凝土梁, 以适应窗台反梁作用而变形, 防止窗台处产生竖直裂缝, 混凝土梁深入每端不小于600㎜。另外, 窗台部位应使用整砖砌筑。
对于一些在原来房屋的附近做房子的时候, 设计时应考虑原有房屋的沉降对现有房屋的影响, 我们应该采取一些必要的措施去预防原有建筑物因地基沉降而裂缝, 比如新建房屋靠近原有建筑的, 基础采取悬挑结构形式等, 使新建建筑与原有建筑基础保持一定的距离。如果新建建筑地基开挖较深, 应考虑开挖时对原有建筑物的沉降影响, 采取相应的措施, 比如深基坑降水, 可造成周边土体沉降, 在基坑周边采取止水措施, 如果在新建房屋的建筑下增加一些大的钢筋这样可以使结构保证相对的稳定, 从而也可以防止地基因不均匀沉降而产生大量的裂缝。
4 治理方法
一般性裂缝, 如若干年后不发展, 则可以认为不影响结构安全使用, 可采用填缝修补或灌浆修补。填缝修补分为水泥砂浆填缝和配盘水泥砂浆填缝, 工序为:先将裂缝清理干净, 用勾缝刀、抹子、刮刀等工具将1:3的水泥砂浆或比砌筑砂浆高一级的水泥砂浆或掺有107胶的聚合物水泥砂浆填入砖缝;配筋水泥砂浆填缝则每隔4~5皮砖, 在砖缝中先嵌入钢筋, 然后按上述工序进行处理。灌缝修补是用压力设备把水灰比为0.7~1.0的水泥浆液压入墙体内, 使裂缝粘合。
对于沉降差不大, 且已不再发展的一般性细小裂缝, 如果墙柱构件与房屋结构的刚度和强度是足够的, 一般不会影响结构的安全和使用, 采用表面处理, 即采取砂浆堵抹即可。而对于不均匀沉降仍在发展, 裂缝较严重且在继续开展阶情况, 应本着先加固地基后处理裂缝的原则进行。一般可采用桩基托换加固方法来加固, 即沿基础两侧布置灌注桩, 上设抬梁, 将原基础圈梁托起, 防止地基继续下沉。
对于影响安全使用的裂缝, 应进行加固处理。因墙体强度不够而发生的裂缝, 墙面可敷贴钢筋网片, 网片用中ф6@100~300双向或中ф4@100~200双向钢筋网, 并配置穿墙拉筋加以固定, 然后灌细石混凝土或分层抹水泥砂浆加固。施工前墙体抹灰应刮干净, 灌浆后应养护7天左右。
加强上部结构钢度, 可采用钢筋、型钢拉杆或在墙体上增设钢筋混凝土圈梁, 圈梁用强度等级为C15~C20的混凝土, 截面不小于120×180mm, 配筋可采用纵向ф4@10~14箍筋ф6@200~250, 每隔1.5~2.5mm应有牛腿 (或螺栓、锚固件等) 伸进墙体与墙体拉结好。浇筑圈梁时应将墙面凿毛, 洇水以加强粘结。
5 结束语
地基产生的不均匀沉降会导致梁端产生较大的弯矩, 从而产生较大绕度, 使房屋发生侧移, 破坏了整个结构的稳定性, 对于这种由地基所产生的不均匀沉降我们因尽量避免其发生, 而且我们时时刻刻应该做好预防治理工作。但是只要我们保证施工质量及各项技术指标, 裂缝是可以完全避免发生的。
参考文献
[1]彭圣浩, 《建筑工程质量通病防治手册》, 第三版2001.
[2]《砌体结构设计规范》, GB50003-2001.
[3]东南大学, 郑州工学院《砌替结构》 (第二版) , 北京:中国建筑工业出版社, 2001.
地基沉降治理 篇4
1地基不均匀沉降对房屋造成的危害
在房屋的建筑过程中, 管理人员必须对地基做好严格的检查工作, 保证地基在房屋施工中能够符合建筑工程的设计要求, 尽量防止发生地基不均匀沉降的现象。在一些建筑企业由于工程前期管理检查工作做得不到位, 在房屋建设完成之后, 地基土层较为软弱, 内部存在有一定范围的压缩空间, 同时在水平方向上土层的硬度不同, 房屋荷载压力过大导致土体结构发生下沉变形, 从而能够引起地基的不均匀沉降现象, 对房屋造成一定程度的危害。当地基不均匀沉降超过房屋建筑的承受能力时, 房屋自身在地基上的稳定性不足, 时间一长, 就会导致建筑物墙体上出现裂缝, 地基沉降现象严重时就会使建筑物结构发生倾斜, 危及到人们的生命安全。
2地基不均匀沉降发生的原因
2. 1地质勘测工作不到位
在建筑工程施工前期, 地质的勘察工作是建设好房屋整体质量的基础, 但由于在建筑工程施工中, 建筑企业出于对工程进度的要求和地质勘察意识的薄弱, 导致对勘察工作不够重视。勘察人员如果不具备专业的勘测知识和技术方法, 勘探点的深度达不到位, 在施工管理设计中, 对于地质剖面图的连续性出现偏差, 而施工工程的土质质量报告未能有效的反映土层性质, 就会导致土质结构中出现地下水情况[1]。在房屋建设超过地基承受的负载范围之后, 就会引起地基不均匀沉降现象的发生, 从而进一步影响房屋的质量。同时在地基出现软土层时, 必须对其进行加固处理, 保障地基位置的整体性强度, 尽量提高地基在建设中的稳定性。另外, 地质勘查人员在工作中, 不只是参考勘察资料, 更要对实际建设工程要求考虑, 没有对建筑施工的土质状况进行科学合理的检测、分析、试验, 导致工程在实际建设中与设计人员的勘察结果不符, 在软土层的施工处理上达不到要求, 进而出现了地基不均匀沉降现象。
2. 2地基处理和施工存在问题
在建筑工程的施工中, 对于地基处理的方式很多, 压密注浆、粉喷桩、深层搅拌桩等都能对地基进行处理, 但是相同的处理方式在施工建设要求的处理效果不相同。在实际的地基施工处理中, 对于不同软土层地基采用相同的施工处理方法, 就会引起地基出现差异沉降。同时在地基的施工处理作业中, 对施工人员的技术要求较高, 必须要求施工人员具有一定的专业素质和施工技术。如果在地基处理施工过程中, 工作人员作业态度不够谨慎, 工作过于散漫, 缺乏专业的施工知识, 就会导致软土地基的压缩性不够, 从而引起地基不均匀沉降现象, 对房屋建筑的质量产生影响。
2. 3建筑物设计存在问题
在对建筑结构进行设计时, 要考虑到其对于地基的影响, 建筑设计是建筑工程施工的基础[2]。在建筑设计过程中, 如果建筑结构复杂多样且长度太长, 未能合理有效的设置沉降缝, 建筑层高度不一、荷载差异过大, 就会引起地基的不均匀沉降现象。
3地基不均匀沉降现象的预防措施
3. 1保证地质勘察报告的真实性, 做好地基处理
在建筑工程施工之前, 必须保证地质勘察报告的准确性和真实性。 施工单位应安排具有专业技术的勘查人员对施工场地的地质进行综合性分析, 在工作过程中要结合资料和实际情况多方面的考虑, 一定要满足施工建设的要求。如果建筑场地属于软土地基, 则根据具体的工程需要, 选择科学合理的施工方法, 对地基进行加固, 从而能够保障地基结构的稳定性。要加强地质勘察报告的准确性, 可以安排信誉度高专业的地质勘察机构进行作业, 确保勘察报告的可靠性和准确性。
3. 2加强建筑结构设计
在房屋工程建设中, 要根据地基的勘察结果和施工条件, 加强对建筑结构的设计, 保障地基的稳定性。在建筑结构设计的过程中, 设计人员要结合地质的检测报告减少建筑物的自重, 降低在地基上承受的压力, 同时能够有效的预防地基发生沉降现象。由于现在建筑物功能的加强, 施工单位要保障建筑物的各个位置对地基的荷载处在一个平衡的状态上, 防止因结构问题导致不均匀沉降。在建筑结构设计过程中, 设计人员应该注意下面几个问题: ( 1) 结构设计合理。在建筑物的结构设计上减少转折和弯曲的地方, 保持简单的设计, 同时又不影响建筑的使用功能。立面之间的高差不易过大, 在整体的结构安排上追求简单, 减轻建筑物的自重, 有效的防止地基不均匀沉降现象的发生; ( 2) 减轻地面的附加压力, 保证地基在一个稳定的水平上, 有效的对地面的变形进行控制。在基础设计中, 可以扩大基础地面的面积, 降低地基的承受力; ( 3) 对建筑的标高进行合理的设计, 因建筑的标高会随着地基的沉降现象而发生着改变, 设计人员在对标高进行设计时, 要选取适当的范围, 保障建筑标高设计的合理性。
3. 3加强施工管理水平
在建筑工程施工中, 建筑企业要加强对施工的管理工作, 做好图纸的设计工作。基坑施工过程中, 尽量避免扰动基土, 针对土层松软的地方进行回填夯实, 保障地基能够符合施工要求。制定严格的施工计划, 保障工程的进度能够有序进行, 对建筑先施工重、高的部分, 使产生一定的沉降后再对低、轻的部分进行施工, 能够有效的缩短沉降差, 保障基层能够达到建筑结构的要求, 提高建筑工程建设的质量。
4结束语
房屋建筑结构的裂缝和倾斜是由地基不均匀沉降现象引起的, 对房屋的建筑质量和住房的安全产生了严重的影响。建筑施工企业应该在施工之前做好地质的检察工作, 制定合理有效的施工方案, 并且分析地基不均匀沉降现象产生的主要原因, 做好防范和应对措施, 保障房屋的建筑质量, 促进建筑企业的发展。
参考文献
[1]周逢源.针对我国高层建筑施工沉降观测技术问题探讨[J].中国高新技术企业, 2012 (10) :102-103.
地基沉降预测方法分析 篇5
1 关于地基沉降的分析
物体在受到外界压力的作用下会发生变形,同理在建筑工程之中,地基受到外界施加的负荷之后也会发生一定的变形,对于这部分变形的量就叫做地基沉降。在这一变形的过程中,土壤受到外界压力的作用,发生相互挤压的现象,使得土壤之间的缝隙变小,将土壤中所含的水分排出。这样的一个过程改变了土壤本身的结构,改变了土壤中所含的水分,针对这一变形的过程,可以根据其所受外力和土壤的变形规律[1],对地基沉降的相关数据进行预测,以保证建筑工程施工过程的安全性。经对地基所受影响的实际分析可以发现,影响地基沉降量大小的关键在于土壤所受到外界压力的影响和土壤本身所具备的特性2个方面。地基受到外界压力影响的情况又可以分为2个方面:第一,来自固定压力的影响。建筑物本体会对地基形成一个压力,这个压力在建筑物完工之后,会处于固定的状态,在实际中此种应力对地基的影响较小。第二,来自突然变化的作用力的影响。例如,地下水位发生改变使得地基所受作用力发生变化;受到振动也会对地基造成影响等。在实际中,作用力发生变化的情况对建筑物的地基影响是最大的。此外,土壤本身所具备的特性对地基沉降量也有影响,如土壤中所含的水分多少、土壤本身的土质结构等,都会影响地基沉降量的大小。
2 地基沉降预测方法的分析
地基的沉降预测方法很早就已经被人们运用,随着科技的不断进步,地基沉降预测的方法也发生着很大的变化,从最开始完全凭借工程师的经验到现在使用计算机数值分析方法,地基沉降预测变得越来越准确。本文主要介绍当前使用较为普遍的几种地基沉降预测方法。
2.1 以固结试验为基础,使用相关公式进行计算
对于此种地基沉降预测方法,先通过建立相应的一维或者三维固结试验,并记录好试验过程中得到的相关数据,然后把这些数据代入相关的压缩规律公式当中进行预测和分析。对于这类型的计算方法,主要通过压力试验[2]得出应力与孔隙比之间的关系,并得出相应的曲线图,再利用所得到的曲线图进行地基沉降预算。在计算的时候,可以将地基分为若干层,逐层进行计算,然后计算其总和,即可以得到地基沉降量。例如,计算单一分层压缩量,设地基在荷载作用下处于侧限一维压缩的状态。可以根据前期的固结压力ρc和上覆压力ρo之间的关系对地基进行相应计算。
(1)当固结压力ρc小于上覆压力po的时候,地基沉降的公式如下:
(2)当固结压力ρc大于上覆压力ρo的时候,关于土层的沉降计算分为3种情况。
第一种为当Δp>(pc-po)的时候,
第二种为当Δp≤(pc-po)的时候,
第三种为当土层中之中既有第一种又有第二种情况的时候,关于土层的计算应当将2种情况分别计算,然后进行叠加。
在上式中,i表示第i层土层,eai表示在该层上的初始孔隙比,hi表示该土层的厚度。同样,Cci表示在第i层上的压缩指数,而Cci表示再压缩指数。
2.2 地基沉降计算的数值方法
对于此类型的地基沉降算法,在进行具体计算的时候,有多种方式,包括差分法、有限元法、变分法等。由于采用模拟公式的地基沉降算法不能够应付当前复杂的建筑工程的需要,从而研究出更加先进的计算方法来进行地基沉降计算[3]。该种类型的地基沉降算法主要使用到计算机当中的相关软件,通过在软件中模拟出地基处于的实际状态,并且用网格将其分为很多的细小单元,针对每一个单元建立起相应的方程,然后通过边界的一些条件和初始状态的一些条件,计算得到固结方程的数值解。此类计算方法灵活地将当前先进的科学技术应用其中,使计算出来的数值更加准确、更加全面合理。
2.3 基于实测沉降资料的沉降预测算法
在以上分析的沉降预测算法中,都更加倾向于一种理论的地基沉降计算,将这2种方法应用到实际的沉降预测当中有着非常大的局限性,为此人们开始寻找适合于实际应用的沉降预测方法[4],基于实测沉降资料的沉降算法就是在这样的情况下产生的。
基于实测沉降资料的沉降预测算法是通过前期对地基的沉降进行观测,找出其中的规律,并根据这些规律进行曲线拟合,建立沉降曲线公式[5],然后进行沉降预测的相关计算。当前,此类计算方法有很多种,但是常用到的曲线拟合方式通常都是静态曲线拟合方式,直到20世纪90年代之后,人们才逐渐使用动态曲线拟合方式。下面分别对其进行分析。
2.3.1 静态的预测方法
在静态的预测方法中,常使用到的有双曲线法、指数曲线法和沉降速率法3种。在双曲线法中主要采用将实测的沉降数据和相应时间之间的曲线关系,从它们的拐点处开始采用双曲线的方式进行拟合[6],可以利用以下公式进行地基沉降值的估算:
在上式中,S为地基最终的沉降值;So为实测沉降数据与时间曲线拐点处的沉降值;t为在实测沉降数据与时间曲线出现拐点之后的时间;A和B是指曲线拟合系数。
指数曲线法实质上是一种经验的推算方法,假设地基沉降的平均速度以指数曲线的形式发生改变,其假设的经验公式如下:
在该指数曲线上随机选择2个点,并使Ig[(ΔS/Δt)2]-lg[ΔS/Δt)2]=1。由此,可以推导出指数曲线计算公式:
在上式中:So为沉降曲线之中处于拐点位置的沉降数值;S∞为地基最终的沉降值;为地基沉降时的速率。
在沉降速率法中,相关计算公式如下:
上式中,m为沉降修正系数;Pt为t时内的累计荷载;Po为地基所受总的累计荷载;Ut为t时的固结度。
在恒载下,可导得沉降的速率如下:
则可以根据得到
在实际的应用中,根据实际测得的沉降资料,绘制出InSt-t支线,由此可以得到β的数值,再将其带入上面的公式当中,可以得到最终的沉降:
2.3.2 动态的预测方法
对于动态预测方法来说,它与静态预测法之间存在的最大区别在于其原始数据处理系统不是必然不变的,其可以跟随地基沉降观测得到的相关数据进行相应的调整,该种方式能够及时地将新观察到的数据放到整个预测系统之中,使得预测出来的数据更加合理。
3 结语
地基沉降预测的方法随着当前科技的不断进步而变得越来越先进,测得的数据也更加合理。但是,随着预测方法的增多,在预测的时候应当注重预测方法的选取,选取最具效率的预测方法。
参考文献
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软土地基沉降规律研究 篇6
关键词：堆载预压,塑料排水板,地基沉降
堆载预压法是排水预压法的一种, 是软土地基常用处理方法, 通过预压荷载产生的附加应力使地基产生超孔压, 然后孔隙水通过排水板排出, 地基产生固结压缩。排水板为竖向排水通道, 可以加速地基固结, 对于工程来说, 准确预测地基各个时期沉降量及固结度对工程施工及设计非常重要, 而对于砂井地基或排水板处理地基常用固结理论为太沙基理论, 巴隆固结解。
1 固结原理
土是由固、液、气三相组成, 土体的固结过程也就是液体、气体的排出过程, 土体骨架发生错动的结果, 因此, 土体固结的快慢与土体中液体、气体的排出速率有关, 在1925年, 太沙基建立了单向固结的基本微分方程, 按太沙基单向固结理论计算固结过程, 在某一压力作用下, 饱和土的固结过程, 就是土体中各点的超孔隙水应力不断消散, 地基有效应力逐渐增加的过程。根据巴隆固结解析解得出以下结论。
瞬时加荷下砂井地基固结度。竖向排水平均固结度:
横向排水平均固结度:
砂井地基总的平均固结度:
其中, Tv为竖向固结时间因素, Tv=cvt/H2;Th为横向固结时间因素, ;cv, cn分别为竖向和径向固结系数, cm2/s;n为井径比, n=de/dv;t为时间, s;H为土层的竖向排水距离, m, 双向排水时H为土层厚度的一半, 单面排水时H为土层厚度;de, dw分别为砂井距、砂井直径。
逐渐加荷下砂井地基固结度:
其中, Ut为多级等速加荷下, t时刻修正后的平均固结度;Urz为瞬时加荷下的平均固结度;tn-1, tn分别为每级等速加荷的起点和终点时间;Δpn为第n级荷载增重;∑Δp为第n级荷载起始和终止的时间。
考虑砂井 (塑料排水板) 作用的线性加载时的固结度改按下式计算:
其中, ti为历时;Ti为i级荷载加载历时, 泊松比v近似取0.4;Ch为水平向固结系数, 计算时取竖向固结系数, 考虑涂抹影响, 近似取s=1.2, β=7.0。
2 工程概况
大连某工程位于大连湾南岸, 通过挖泥, 大开挖段地基内存留约12 m厚淤泥质土, 打设排水板后, 抛填碎石层和中块层整平后, 安装大圆筒, 圆筒为钢筋混凝土结构, 上部外径8.0 m, 内径7.3 m, 高度7.6 m, 底部外径9.0 m, 内径6.3 m。外形见图1, 圆筒安装后常年受海浪影响。圆筒满载后上部建设胸墙, 因为圆筒高度一定, 为了防止圆筒高低不平, 影响景观工程效果, 必须较准确预测圆筒加载沉降量以及固结时间, 为上部胸墙设计以及施工时间提供理论及实践指导。
3 地质条件
根据勘查报告及经过挖泥后, 基床内存在软土为:
(1) 流泥 (Q4m) :灰黑色, 饱和, 流塑, 具腥臭味, 多见贝壳碎片, 钻进十分容易, 钻孔缩径严重, 岩芯采取十分困难。
(2) 淤泥 (Q4m) :黑色或黑灰色, 饱和, 流塑, 具腥臭味, 多见贝壳碎片, 钻进容易, 缩径。顶面高程-14.13 m~-8.08 m, 顶面埋深5.6 m~10.8 m。底面高程-18.23 m~-11.46 m, 钻孔揭露厚度1.6 m~5.7 m。
(3) 淤泥质粉质粘土 (Q4m) :黑灰色, 饱和, 软塑, 局部可塑, 具腥臭味, 偶见贝壳碎片, 无摇震反应, 干强度中等, 韧性中等, 切面稍有光泽, 部分钻孔底部有薄层粉质粘土。
土体物理力学性质详见表1。
软土层厚度约12 m, 施工过程中打设了塑料排水板SPB-B型排水板, 换算成砂井直径74 mm, 正方形布置, 间距1.0 m。圆筒回填一般1 d完成。软基处理断面图见图2。
根据式 (1) ~式 (5) 通过电算的方式, 计算结果并与实测数据进行比较, 见图3。
由图3实测沉降曲线和理论计算结果对比曲线可知, 在加载初期理论计算沉降值比实测值较小, 但随着观测时间的延伸, 到一定时间后实测沉降值开始比理论计算值偏小, 且两者最终趋于一致的变形特性, 在土上表现为两条曲线基本重合。且从图3中可见, 在完成全部荷载施加后约30 d地基固结度达到90%。
以上现象主要是因为初期地基排水效果较好, 且地基侧向挤出, 地基产生较大塑性变形引起的, 而理论计算是建立在达西定律的基础上, 且整个过程渗透系数为常数, 且地基只发生竖向压缩, 因此, 初期实测沉降量较理论计算值大, 且随着地基变形逐渐增加, 土体渗透系数逐渐减小, 而计算中没有考虑这一特点, 因此, 后期出现实测沉降量略小于理论计算值现象。但随着时间因素的影响, 最终趋于一致。
4 结语
根据以上计算分析, 得出以下结论:
1) 砂井地基固结理论计算地基沉降及地基固结度与实测值有较好的一致性。2) 理论计算沉降量与实测值由初期实测沉降值略大于理论计算值, 到一定时间又表现出略小的特点, 后期则基本一致。3) 在全部荷载施加完成后, 约30 d后, 地基固结度可以达到90%。
参考文献
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房屋地基沉降的处理措施 篇7
建筑项目沉降量的计算通常是以从施工完成开始对建筑基层的下沉数据进行计算, 土质为沙土的项目一般可以视为沉降已经完成, 土质为地压缩粘土的项目一般可以视为沉降程度达到了整体的0.5-0.8, 土质为中压缩粘土的一般可以视为达到整体沉降的0.2-0.5, 土质为高压缩粘土的项目, 通常认为其沉降过程只达到了整体沉降的0.05-0.2。根据以上标准, 我们不难对紧邻的建筑沉降情况对新项目的沉降反映进行监测和判断, 同时也能给新旧建筑项目之间的影响作用力进行估算, 为安全施工提供数据信息。
深基搅拌加固法是通过运用石灰粉、水泥等物质固化的特点, 以专用机器对基层土壤和以上物质进行搅拌处理, 以各物质间的相互作用使其产生凝固效果, 从而达到建筑地基安全需要的整体性、坚固性和稳定性。此方法能够使增强项目地基的负重能力 (数据显示, 深基搅拌加固可使地基承重能力增加一倍到一倍半) , 并且能有效的控制项目地基后期的沉降程度, 增加项目边坡的稳定安全性能, 同时也能起到阻挡水害的作用。
但是要注意的是深基搅拌加固指的是工程的浅层搅拌, 应用的工程也主要是公路桥梁项目地基使用中, 对于冻土土地以及边坡的稳定有极好的效果。相对而言, 深层的搅拌加固则主要以水泥、石灰粉对土地进行深层搅拌。
2 水泥加固土的原理
通过机械的深层搅拌将项目所在地原有的软土与施工水泥浆胶结在一起, 以水泥凝固成结的物理性质对项目地基进行加固处理, 虽然同样是运用水泥的物理特性, 但是与单纯的混凝土凝固机理不一样, 搅拌加固方法的水泥掺加量是很小的, 一般只占地基加固土壤总重量的百分之七到百分之十五。而且水泥的水化全程都是在活性土壤的包围之间, 所以加固过程要较普通的混凝土强度增长更慢更复杂一些。
2.1 水泥的水解和水化作用
硅酸盐水泥的主要成分是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫组成, 而这些氧化物又分别组成了不同的水泥矿物;硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。其中, 硅酸三钙在水泥中含量最高 (50%左右) , 是决定强度的主要因素;硅酸二钙含量较高 (25%) , 主要产生后期强度;铝酸三钙占水泥重量10%, 水化速度快, 能促进早凝;铁铝酸四钙占水泥重量10%, 能提高早期强度;硫酸钙占水泥重量3%, 能和铝酸三钙一起与水发生反应, 生成一种水泥样菌, 对高含水量的软土强度增加有特殊意义。
2.2 粘土颗粒与水泥水物的作用
2.2.1 离子交换和团化作用
通过离子交换, 较小的土颗粒结合可形成较大的土团粒;土团粒的进一步结合形成水泥土的团粒结构, 并封闭各土团之间的空隙, 形成坚固的联结, 也就使水泥土的强度得到大大提高。
2.2.2 凝硬反应
凝硬反映是由于伴随水泥粉的加入, 进行水化反映后产生的一些结晶颗粒, 他们不能够溶于水中, 但是却在空气中和水中渐渐变硬, 进而使土质的强度增加, 同时也将土质的密实度有所增加, 能够有效的防止水害现象, 达到基层水稳性的加强。
3 工程实例
3.1 工程概况
某写字楼建筑面积近一万平方米, 层数九层, 结构型式为框架结构, 柱网尺寸为6.3m×7.2m (纵向) 、6.3m×3.6m (纵向) 、2.4m×7.2m (纵向) 、2.4m×3.6m (纵向) , 地表土层为1.9m~2.0m厚的人工填土, 以下为第四纪沉积层, 地层从上到下分别为:第 (1) 层粉土, 湿至很湿, 疏松到稍密, 承载力标准值fk=115KPa, 压缩模量平均值Es=11 (MPa) 、层厚3.9~4.0m;第 (2) 层粘土夹粉土, 饱和, 软塑至可塑状, 承载力标准值fk=110KPa, 压缩模量平均值Es=7.0 (MPa) 、层厚2.3~3.7m;第 (3) 层粉土, 很湿, 中密, 承载力标准值fk=120 (MPa) , 压缩模量平均值Es=15.42 (MPa) , 层厚1.0~1.3m;第 (4) 层粘土饱和, 可塑至硬塑状, 承载力标准值fk=120KPa, 压缩模量平均值Es=6.5 (MPa) , 层厚3.5~3.8m;第5层粘土, 饱和, 硬塑状, 承载力标准值fk=140KPa, 平均压缩模量Es=7.5 (MPa) , 本层揭示最大厚度4.2m。场地地下水属孔隙潜水类型, 地下隐定水位14.5m, 但由于粘性土的隔水作用。上部土体已达饱和状态。经检测, 地下水无侵蚀性。
3.2 加固方案的比较
3.2.1 灌注桩。因场地土呈软塑~流塑状态, 成孔很困难, 需要有较高施工技术水平来保证施工质量, 且造价高、工期长。
3.2.2 碎石桩。工期短, 施工简单, 造价低;因受场地条件的限制而不能采用。
3.2.3 预制桩。能较好地满足所需要的承载力, 但工期长, 施工噪音大影响周围居民的正常生活;其造价经测算约54万元。
3.2.4 深层搅拌桩。施工速度快, 工期短, 施工方便, 能较好地保证施工质量, 造价约23万元, 仅是预制桩的42.6%。
经方案比较, 决定选用深层搅拌桩处理地基。地基处理后的承载力标准值F=250KP。
3.3 深层搅拌桩的施工
3.3.1 室内试验
目前我国的软土地基加固法尚停留在实验室阶段, 实际的操作还没有建立规范的体系。不仅对施工数据无法做到准确掌握, 对施工工艺的纯熟程度也远远不够。所以, 我们施工中要从大量的实践经验上摸索真理。室内的实验操作步骤如下:在现场取土密封以保证土壤含水量的真实, 保证数据准确性;实验步骤要准确, 依次进行取土、承重, 将外加剂与水陆续放置容器中再进行搅拌操作, 并且震动效果要按照标准进行, 进行适当的放水保湿养护措施。经过实验室的实验操作我们可以看到, 试验后的水泥容重量比原来的原土只增加了2.7%左右, 由此可见, 对地基进行加固不会使加固层以下的土质产生过于沉重的压力, 水泥土的无侧限抗压强度为2.12MP, 大于设计要求的F=2.0MP的要求, 满足设计要求。
3.3.2 施工要求
我国近年来工程深基搅拌施工缺少统一科学的检测手段和检测标准。目前最有权威性的就是对建筑地基施工有明确规定的《JG79-91》技术规范。所以施工时要以此规范为标准, 做到以下几点: (1) 深基桩的送灰量不能太少而且要保持均匀分布, 在送灰操作时一定要注意电子秤计量值的准确, 送灰过程要连续不断; (2) 考虑到与基础接触部分的搅拌桩顶部受力较大, 因此, 要求对桩顶1.5m范围内复搅、复喷。因设计时考虑桩端承载力, 因此, 应确保桩端质量, 除应复搅、复喷外, 钻头至桩底时, 应原位旋转1~2分钟, 以便叶片对土的压实及水泥的充分拌和, 并以慢档提升0.5~1.0m。
4 结语
经过对采用此技术的工程实践操作观察, 以深基搅拌加固方法对建筑基坑进行施工, 建筑的基础沉降满足安全的沉降标准, 呈现稳定的状态, 写字楼总体的沉降量只有5.9厘米, 对建筑的质量安全影响微乎其微。而且在施工工艺上, 深基搅拌加固方法更适用于项目所在地土质含水量高、土质较软的环境。从经济效益上看, 深基搅拌加固方法施工工艺更加简便, 成本的投入也相对较小。
参考文献
[1]陆培毅.土力学[M].北京:中国建材出版社, 2000.[1]陆培毅.土力学[M].北京:中国建材出版社, 2000.
分层总和法计算地基沉降浅析 篇8
关键词：分层总和法,地基沉降,地基计算深度
1 概述
近年来, 国内不少学者提出按国家规范GB 50007-2002建筑地基基础设计规范 (以下简称国家规范) 计算深基础沉降时, 常出现计算值比实测值高出很多的情况, 因此有许多学者提出按基于Mindlin解的积分解求解比基于Boussinesq解的国家规范法要符合实际得多。但是不管是基于Mindlin解还是基于Boussinesq解的解答, 都需要求出地基附加应力, 然后按分层总和法计算地基的变形, 然而关于按Mindlin解求解后, 再按分层总和法计算沉降时所需确定的地基变形计算深度及土层分层厚度等这些更为实际的问题, 却少有学者对此做出探讨, 所见文献都是继续按照国家规范的方法确定地基计算深度, 也没有对土层进行合理分层, 如文献[1,2]等。笔者通过电算与弹性理论解分析比较后发现, 这样计算将会与弹性理论解产生较大偏差, 甚至会产生危险。因而本文旨在此问题上做比较深入的探讨, 以期给工程人员设计计算时提供一些参考, 下面先就分层总和法进行论述。
2 分层总和法的缺陷
现行国家规范计算地基沉降的方法基础都是分层总和法, 本法计算的物理概念清楚, 计算方法也很容易, 易于在工程单位推广应用。但该方法本身一些假定与工程实际不符, 同时也与经典弹性解答的假定不一致。关键体现在假定土的变形条件为侧限条件, 即在建筑物荷载作用下, 地基土层只产生竖向压缩变形, 侧向不能膨胀变形, 与经典弹性理论的假定不一致, 也与实际土有一定的差距。从本文下文可看出, 当地基土的泊松比为0.4时, 分层总和法计算沉降的结果比以Boussinesq为基础的弹性理论解小18.5%左右, 也就是说, 完全忽略侧向变形分层总和法将产生18.5%左右的误差。因此在运用分层总和法计算地基沉降时, 需要减小地基计算深度, 当然也不是越小越好, 它存在一个临界值, 这个临界计算深度将直接决定本方法的计算精度。由此国家地基规范给出了两个计算地基变形深度的经验公式, 应该说, 这两个公式基本上能满足工程要求, 但是, 从国家规范文献[3]197页给出的图表可看出, 计算的结果仍然具有较大的离散性, 本文在下述中将对此做出分析, 并为Mindlin积分解确定地基变形深度奠定基础。
另外, 文献[4]提出分层总和法还存在假定基础为完全柔性基础的缺陷, 此问题Schleicher (1926年) 曾做过分析, 并指出刚性基础的沉降比柔性基础的沉降平均小7%左右, 且列出了不同基础形状的具体差异, 可参考文献[5], 由于这个缺陷弹性理论同样存在, 本文不做更多探讨。
为了能更清楚地说明分层总和法与弹性理论解的差异, 本文给出Harr弹性理论解析解答, 从而与分层总和法进行比较分析。
3 Harr弹性位移解
1966年, Harr给出均质半无限空间弹性体矩形面积表面上, 受竖向均布荷载作用下, 深度为z处的矩形角点下竖向位移解答 (见图1) , 基于此解答国内极少见到, 本文在此给出具体解析表达式 (原文可参考文献[5]) :
其中, L为基础长度;b为基础宽度;E为弹性模量;z为计算点深度。
4 分层总和法与弹性位移解的比较
为了能更清晰说明问题, 特举实例如下:设一矩形基础, 基础埋深为0, 承受P=100 MPa竖向均布压力, 基础长和宽相等, L=b, 并从1 m变化到20 m, 基础下为均质土, 土的弹性模量E=7 MPa, 为了与分层总和法的假定一致, 令土的泊松比μ=0, 使用分层总和法计算时, 令地基深度分别取到基底以下10 m, 100 m, 1 000 m深处, 计算基础中心点的竖向位移, 两种方法计算结果见表1。
mm
从解答结果很明显可以证明两种解答在理论上的一致性, 即当土的计算深度趋近于无穷大时, 分层总和法计算结果与弹性位移解答一致。另外一点, 比较基础宽度为20 m时, 取不同计算深度的计算结果, 也说明了基础宽度的大小对计算深度的取值有很大影响。继上述例子, 再比较泊松比μ取不同值的情况, 令μ分别为0, 0.2, 0.4, 运用Harr弹性位移解计算结果见表2。
mm
比较表2中计算结果, μ=0时的计算结果比μ=0.4的计算结果高出18.5%, 即不考虑侧向变形的分层总和法 (μ=0) 比弹性理论解 (一般工程上计算常取土的μ=0.4左右) 高出18.5%左右。因此, 在运用分层总和法时, 不能将计算深度取到无限大, 而是要取到一个合理深度, 才能与弹性理论和工程实际一致。计算结果也能证明文献[6]中的说法是不恰当的, 文献[6]提到, “沉降计算的深度, 理论上应计算至无限大, 工程上……在受压层 (计算深度处) 以下的土层附加应力很小, 所产生的沉降量可忽略不计”。显然这种说法不恰当, 分层总和法计算至某一深度的根本原因是分层总和法本身不能考虑侧向变形引起的。
另外, 表1中计算结果, 当计算深度取至无限大时, 运用分层总和法应力解求出的沉降与直接位移解求出的沉降相等, 也证实了Harr解是均质地基的正确解答。既然Harr解是均质地基的正确解答, 对于均质地基来说, Harr解也就可以检验国家规范所给出的计算方法的正确性。
5 国家规范法与Harr解的比较
问题描述同上, 因一般工程计算中, 常取泊松比μ=0.4左右, 这里也取μ=0.4。设按国家规范5.3.6条确定的计算深度的方法称为方法1, 按国家地基规范 5.3.7条确定的计算深度的方法称为方法2, 计算结果见表3。
mm
比较表3中数据可看出, 当基础宽度较小 (b≤4 m) 时, 三种方法计算结果相差较小, 当基础宽度超过4 m时, 国家规范计算的结果比Harr位移解要小;当基础较宽超过8 m时, 三种方法差异较大, 就是国家规范规定的两种方法之间都有不小的差距;在基础宽度为20 m时, 相差达11.9%, 国家规范方法1比Harr解小34.9%, 而且这种差距随着基础宽度增大呈上升趋势, 即基础宽度越大, 差距越大。
不过由此而判断国家规范给出的计算深度的方法比实际工程计算的结果偏小也是比较武断的, 因为实际工程的基础都有一定的埋深, 即使是浅基础也不例外。根据Mindlin解可以知道, 基础埋深可使地基竖向应力显著减小。由于国家规范方法是以Boussinesq积分解来计算地基竖向附加应力的, 即它不考虑基础埋深对竖向附加应力显著减小的效应, 从而使得国家规范计算的结果要比Mindlin解计算的结果偏大。
综上分析可知, 相对弹性理论而言, 国家规范方法计算深度取得较小, 使得计算结果偏小;实际基础的埋深, 又使得计算结果偏大, 两者综合起来就使得规范比较符合实际, 但同时也使得计算结果离散性较大, 即有时会偏大, 有时偏小, 基础宽度较小、地基埋深较浅时会偏大, 反之则会偏小。
至此, 可以很清晰地理解分层总和法与地基计算深度之间的关系, 从而为Mindlin积分解确定地基深度提供了理论依据。
6 基于Mindlin积分解的应力解和位移解及两种解答之间的比较
1957年徐志英首次提出了Mindlin竖向应力解对矩形面积荷载积分的解答, 1995年, 袁聚云等又提出了其他应力方向的积分解答, 具体解析表达式可参考文献[1]或文献[2], 本文引用文献[1]中解答。基于Mindlin积分解的矩形面积位移解由张子明于1986年提出, 并运用影响函数法推导出了圆形、环形等面积上作用竖向均布荷载时地基位移的一般计算式, 具体计算式可参见文献[8], 而后陈于1996年提出了非均布荷载 (三角形面积) 的位移解答, 可参考文献[9], 本文引用该文献中均布荷载的解答。为方便叙述, 本文将徐志英提出的基于Mindlin积分解的竖向应力解简称为XZY应力解, 张子明提出的基于Mindlin积分解的竖向位移解称为ZZM位移解。为确定XZY应力解运用分层总和法计算竖向位移时所需确定的地基计算深度, 同上文, 本文给出具体计算实例进行分析说明, 先比较两种方法。
问题描述同上, 增加基础埋深, 设基础埋深为3 m, 同上述比较方法, 在XZY应力解基础上用分层总和法计算基础沉降时分别取基础变形计算深度为10 m, 100 m, 1 000 m, 另外为了计算比较精确, 本文取分层厚度为0.25 m, 两种方法计算时, 泊松比都取为0, 计算结果见表4。
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从表4中计算结果可发现两种解答在理论上的一致:只要计算深度无穷增大, 基于XZY应力解的分层总和法将和ZZM弹性位移解完全相等, 计算的结果同分层总和法与Harr位移解的比较 (见第4节描述) 结果完全一样, 从而在理论上也证明了两种解答的正确性。因而, ZZM解也就可以检验按分层总和法计算地基沉降的XZY应力解的正确性, 从而可确定地基的计算深度。下面给出不同计算深度时按分层总和法计算工程实际地基沉降 (μ=0.4) 的XZY应力解和ZZM弹性位移解的比较, 从而为确定地基计算深度有一个比较清晰的认识。
问题描述同上, 基础埋深为3 m, 泊松比取0.4, 分层厚度仍然取0.25 m, 基础计算深度分别取10 m, 100 m, 1 000 m, 运用基于XZY应力解的分层总和法计算基础中心点沉降, ZZM位移解作为检验方法, 计算结果见表5。
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比较表4与表5可发现泊松比对深基础沉降的影响并不大, 泊松比取0.4时仅比泊松比取0时小7%左右, 不及表面荷载作用差距大, 因影响较小, 在此不再详细叙述泊松比的影响。
从表5计算结果中可看出, 基础计算深度的大小对计算结果影响很大。当计算深度为10 m时, 基于XZY应力解的分层总和法计算结果要比弹性位移解小, 当计算深度为100 m时, 又比弹性位移解要大。因此同半无限体表面问题一样, 要使两者解答一致, 同样存在一个临界计算深度问题。为同国家规范方法相比较, 下面给出按规范方法确定计算深度的计算结果。
7 国家规范法与ZZM解的比较
问题描述同上, 基础埋深仍为3 m, 泊松比取0.4, 分层深度仍取每层0.25 m, 按国家规范5.3.6条确定的计算深度的方法称为方法1, 按国家规范 5.3.7条确定的计算深度的方法称为方法2, 直接按地基规范法 (不考虑基础埋深, 也不考虑土的泊松比) 的计算结果称为方法3, 计算结果见表6。
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比较方法1, 方法2与ZZM弹性解可看出按规范方法确定地基计算深度的计算结果比ZZM弹性位移解要小, 尤其是基础宽度较大时, 最大差距达到28.9%, 如果按此进行设计, 很有可能会发生危险, 因此, 这一点足以引起工程设计人员的广泛重视与注意。
比较方法3与ZZM弹性位移解, 可明显看出, 当基础宽度不大时, 直接按国家规范法计算, 将使结果偏大2倍左右, 但当基础宽度在8 m左右时, 计算结果反而比较接近弹性位移解, 当大于8 m时, 又会使计算结果偏小, 当然, 这仅是针对基础埋深为3 m的情况, 如果基础埋深更大, 这种差距也会继续增大。
综上分析可知, 运用在XZY应力解基础上用分层总和法计算基础沉降时, 地基计算深度受到多方面的影响, 包括基础宽度、基础埋深、土的泊松比以及其他一些本文未涉及的因素:如土的物理性质等诸多因素, 要想得出一个合理的沉降计算深度公式非常不易。根据本文叙述的逻辑方式, 只能通过程序实现, 即先在均质地基的情况下, 使基于XZY应力解的分层总和法与ZZM位移解相等, 由此确定地基的计算深度, 再根据确定的计算深度, 在XZY应力解基础上用分层总和法计算基础沉降。程序的编制并不难, 在电算较为普及的今天用这种方法计算应该不成问题。另外, 从表6也可看出, 如按规范法确定地基深度并给出一定的修正系数也应该能够满足工程要求。
8 规范方法确定地基计算深度的修正
笔者通过多次试算, 认为按规范法确定地基计算深度可以借鉴, 但需进行一些修正。试算结果认为, 地基深度宜符合下式要求:
其中, ΔS′n为在计算深度范围内第i层土的计算变形值;ΔS′i为在由计算深度向上取厚度为Δz的土层计算变形值, Δz的涵义可参考文献[1], 依此计算式与ZZM弹性位移解的比较见表7。
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比较表7中数据可看出, 当基础宽小于4 m时, 本文推荐方法比弹性解要大, 差异最大不超出6%, 当基础宽度大于4 m时, 本文方法比弹性解要小, 在基础宽度20 m范围内, 差异最大不超过7%。按照此式可根据基础宽度的不同给出修正系数, 如宽度为1 m时, 修正系数为0.95, 宽度为20 m时, 修正系数为1.05等, 如能结合具体工程实例进行统计分析, 将能给出更为恰当的修正系数, 在此不再多议。
9 基础埋深对地基沉降的影响
本文运用弹性位移解, 分析使规范计算偏大的因素——基础埋深对沉降计算的影响。问题描述同上, 土的泊松比取0.4, 基础埋深分别取0 m, 3 m, 6 m, 10 m时, 弹性位移解的计算结果见表8。
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从表8中数据可看出, 地基沉降随基础的埋深显著减小, 从基础埋深为0 m到基础埋深为3 m时, 基础埋深对地基沉降的减小作用非常明显, 3 m～6 m时, 埋深对地基沉降影响不如在0 m～3 m范围内大, 但仍有较大的影响, 而6 m～10 m时, 埋深对地基沉降的影响已较弱, 仅在基础宽度较大时, 才有较大的影响。另外, 从与国家规范方法计算结果比较也可看出, 国家规范方法由于不能考虑基础埋深、土的泊松比而与弹性解有很大的出入。
10 结语
1) 本文从分层总和法本身存在的缺陷出发, 分析了现行国家规范法计算地基沉降与弹性理论解在理论上的差异以及与工程实测沉降产生偏差的根本原因, 阐明了基础宽度、基础埋深、土的泊松比等因素对地基沉降的影响, 并证实了基于Mindlin积分解的徐志英解比基于Boussinesq解的积分解合理得多, 因后者没有考虑基础的埋深、土的泊松比对分层总和法的影响。在运用徐志英解求出各分层的竖向附加应力之后, 本文提出继续按国家规范所给出的地基变形深度计算公式将不再适合徐志英解, 应该按本文所介绍的方法编制程序确定地基计算深度, 同时也推荐了修正的计算公式。
2) 从本文给出的算例可清楚看出, 基于Mindlin解的徐志英解比基于Boussinesq解的积分解合理得多, 但仍然存在地基变形深度确定的问题, 本文虽然给出了推荐计算公式, 但并不十分合理, 这需要结合理论计算结果和工程实测结果进行统计分析, 对理论计算结果进行修正, 才能更加适合工程要求, 当然如果能按本文介绍方法进行编程计算, 结果应该会相当合理。
3) 本文给出的所有例子都是在均质地基上计算的, 但针对的问题都是非均质地基, 因为这是分层总和法较弹性位移解优越的根本所在。如果是均质地基, 直接应用ZZM位移解将非常方便, ZZM位移解也可以对分层总和法计算结果进行验证。
4) 在应用基于Mindlin解的积分解时, 本文在引言中曾提到了分层问题, 但在文中并未加以讨论, 给出的计算结果都是在取分层厚度为0.25 m的基础上计算而来, 实际计算时, 分层厚度的取值对结果会有一定的影响, 尤其当分层厚度超过1 m时会有较大偏差, 究其原因在于, 当用角点法计算竖向附加应力时, 不同于规范给出的“平均附加应力系数”方法, 理解了规范给出的两种附加应力系数之间的差异, 就不难理解分层厚度的影响, 建议按文献[1]29页表5.3.6选取。另外, 本文仅讨论了矩形面积的积分解, 其他形状的积分解可参考文献[6]。
参考文献
[1]袁聚云, 赵锡宏.竖向均布荷载作用在地基内部时的土中应力公式[J].上海力学, 1995, 16 (3) :213-222.
[2]王士杰, 张梅, 周瑞林.工程荷载明氏应力实用理论解 (I) [J].四川建筑科学研究, 2001, 27 (2) :36-37.
[3]王铁行, 赵树德.计算地基沉降分层总和法的缺陷的分析与改进[J].西安建筑科技大学学报, 1996, 28 (2) :179-182.
[4]GB 50007-2002, 建筑地基基础设计规范[S].
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[6]Joseph E.Bowles.Foundations analysis and design (the thirdedition) [M].New York:McGraw-Hill Book Company, 1982.
[7]陈希哲.土力学地基基础[M].第4版.北京:清华大学出版社, 2004.
[8]张子明.求解地基位移的影响函数法[J].河海大学学报, 1990, 18 (2) :25-31.