压力不均匀度（共7篇）
压力不均匀度 篇1
1 引言
折弯机在包括飞机、船舶、铁塔、集装箱以及家用电器、建筑构件、金属橱柜等行业得到广泛应用。随着人们对产品质量要求的提高,相应的对工作母机的要求也越来越高。工件的加工质量主要体现在角度及直线精度上,而折弯机的折弯精度是决定板件折弯质量的首要因素。折弯机的滑块及工作台弹性变形导致的压力不均匀分布,会造成滑块及工作台挠曲变形,这就是影响折弯精度的主要问题。
2 工作台变形弹性理论研究
在弹性分析中,将折弯机的滑块看做刚体,工作台看做一块厚度为1个单位的矩形板,这就是工作台弹性力学模型,见图1所示。矩形板两端为简支,工作台上表面受均布载荷作用,为便于通过多项式的应力函数求解问题,将支撑处的反力简化为剪力作用于两个端面的形式,分析时梁上部和下部的边界条件必须满足。
模型中边界条件有:
在x=±l/2时,有:
满足以上边界条件的应力函数是具有五次方多项式应力函数,设:
根据以上应力函数,则各方向应力为
σx对称于y轴,则c3=d4=c5=e5=0;由于应力σy与x无关,因此,有a3=a4=b4=a5=b5=c=0;由式(2)可得,b2=c4=0。
经化简,应力函数表达式为:
由应力函数应满足双调和方程,故有:
由于y是任意函数,则e4=0,d5+f5=0,可得,c2=0。
由式(1)解得:
再代入式(2)和式(3)求解可得:
校核边界条件式(4)和式(5)满足,则应力函数成立,可得各应力分量为:
考虑到,将上式化简后,得:
根据胡克定律以及柯西关系,并设,用各应力分量可得:
将式(9)积分后,则有:
式中:f2(x)=5x4-7.5l2x2-12h2x2-7.5μh2x2+k2x+c2;
当,有:
从而得:
即矩形板上表面的变形曲线为:
由函数可以看出,矩形板的上表面变形曲线是一条四次曲线,这样的挠曲变形就是引起工作台压力分布不均匀的原因。
3 挠度补偿方法
折弯机由于两个工作缸在滑块两端加压,而折弯工件的变形合力偏于中间,因此,滑块和工作台连同上下模一起发生挠曲变形(图2),使得板料沿模具刃口长度方向上各点受力不均,直接影响折弯工件的精度与直线度。为此,采取相应措施来弥补或消除所产生的挠曲变形,是十分必要的。所谓挠度补偿装置就是在滑块与上模间或工作台与下模工作台上预置一个与受力变形方向相反的变形量,而这个变形量又与实际工作时产生的相对变形量相同。从而实现对滑块及工作台产生的相对变形量的补偿,使模具间的压力分布更均匀,提高板料折弯质量。目前,折弯机的挠度补偿方法主要有几何补偿、液压补偿及机械补偿三种。
3.1 几何补偿
(1)工作台固定加凸,即在制造时把工作台工作平面加工成中间稍微凸起的弧形,以补偿折弯时产生的挠度。
(2)上模进行适当的修正,使得上模中间部位略带弧形,这样,当滑块发生向上的挠曲变形时,上模刃口基本趋于平直,使其保持沿折弯线方向各点对板材的作用力基本一致。
几何补偿方法的优点是成本低、易于制造;但是存在着只能实现固定变形量的补偿、补偿柔度小的缺点。此外,补偿块弧形修正量需经过精密计算,基于力学理论和有限元的计算都存在一定的误差,所以,此种补偿方式虽能达到挠度补偿的效果,但实现起来比较困难。
3.2 液压补偿
(1)在折弯机机架上,除两侧有两个工作液压缸外,中间再布置两个辅助液压缸。空程向下时,辅助缸仅充液跟随下行,折弯时,辅助缸进压力油,使滑块产生向下的挠度来补偿。
(2)在工作台下部布置辅助液压缸,在折弯时,对工作台产生相应的向上作用力,形成挠度自动补偿系统。
压力补偿装置是由多个小油缸组成的,如图3所示,由油缸1、主板2、辅板3及销轴4组成,补偿油缸放置在工作台上,与比例减压阀构成一个压力补偿系统。工作时,辅板支撑油缸,油缸把主板向上托起,正好克服滑块与工作台的变形。该加凸装置由数控系统进行控制,这样在折弯不同板料时,可根据板厚、模具开口以及材料强度来确定预凸量。
这是目前应用最为广泛的折弯机挠度补偿方法。液压补偿的优点是可以实现对连续变化的变形量的挠度补偿,补偿柔度较大;但存在着结构复杂、成本相对较高的缺点。
3.3 机械补偿
机械补偿是一种新的挠度补偿方式,一般采用三角斜楔结构,其原理如图4所示。两个角度为α的直角三角形斜楔块,上楔块x方向移动被固定,只能进行y方向的移动。当下楔块沿-x方向移动△x距离时,上楔块由于下楔块作用向上移动h距离,这就是机械式斜楔补偿器的原理。
现有机械补偿结构,在工作台全长布置有上、下两块垫板,上下垫板通过碟形弹簧和螺栓与工作台相连接,上、下垫板由多段不同斜率的斜楔组成,通过电机驱动斜楔使它们相对移动,形成一族位置加凸的理想曲线。用这种方法,工作台与滑块之间的挠度补偿可根据折弯力的大小而增减。这种方法相对来说效果较好,但制造和使用起来较麻烦,且受折弯机闭合高度的限制。
目前,国内尚没有专门机构研究折弯机的机械补偿技术,更没有相关产品,这极大地拉开了我们在板料折弯机领域与世界先进水平的距离。
4 液压补偿有限元分析
本公司生产的MB系列折弯机为液压补偿式结构,以630kN折弯机为研究对象进行有限元分析,得出液压补偿缸工作前后工作台的变形及压力情况,以此作为液压补偿进一步优化的基础。折弯机结构对称,工作台全长为2.5m,取1/2折弯机进行简化建模,划分网格等前处理工作,计算得到工作台上表面数据见表1所示。
通过有限元计算可得垂直方向变形曲线如图5、图6所示。无补偿时,工作台变形两端与中间呈下凹曲线,变形差为0.208mm;补偿缸工作压力为20MPa时,工作台变形两端与中间呈上凸曲线,两端变形差为0.501mm。由此可知,液压补偿缸对工作台变形的补偿效果明显。
工作台垂直方向压力曲线如图7、图8所示为,无补偿时工作台垂直方向应力差为14MPa,有补偿时应力差为6.41MPa,并且有多个峰值应力,全长趋向于压力均匀。除此之外,还需考虑补偿缸的数目、补偿缸的位置及补偿压力等因素,进行液压补偿的优化,最终达到压力均匀,提高折弯精度。
5 结论
本文运用弹性力学理论分析了特定边界条件下,工作台上表面的变形曲线,由此导致工作台压力分布不均匀,影响了折弯机的折弯精度。以本公司生产的液压式挠度补偿折弯机为对象,进行有限元分析,得到补偿缸工作前后工作台的变形及压力曲线,补偿效果较明显。对补偿缸位置、补偿压力等还要进行优化,以进一步提高折弯精度。
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压力不均匀度 篇2
圆环与圆拱受均匀外压力作用下的平面内稳定计算, 是土木、水利等工程设计分析中的重要内容[1,2,3].然而影响圆环或圆拱平面内稳定性的因素很多, 如:屈曲前的变形[4]、屈曲时轴向的伸缩[4,5]、屈曲后外压力的方向[6,7,8]等, 考虑以上每一种因素的影响, 圆环或圆拱具有不同的屈曲临界载荷, 其中屈曲前的变形、屈曲时轴向的伸缩对圆心角小于90◦的浅拱的稳定性影响较大[9], 而屈曲后外压力的方向对圆心角大于等于90◦的深拱的稳定性影响较大.金尼克[7]提出圆环与圆拱屈曲后外压力的方向具有3种形式:垂直于变形后的表面 (即静水压力) 、方向保持不变 (即死载荷, 以下简称为径向压力) 、指向屈曲前圆环或圆拱的圆心 (即向心压力) , 在假定圆环或圆拱屈曲模态为反对称变形的条件下, 得出了相应静水压力的屈曲临界载荷最小, 径向压力的屈曲临界载荷较高, 而向心压力的屈曲临界载荷最高;陈铁云等[8]在假定圆环屈曲变形为三角函数的条件下, 也得出了与文献[7]相同的结论, 圆环受静水压力的稳定系数为3, 受径向压力的稳定系数为4, 受向心压力的稳定系数为4.5.
作者曾在某煤矿Φ560 mm×12 mm瓦斯抽放钢管失稳分析计算中, 利用通用有限元软件ANSYS8.0计算受均匀径向压力作用下圆环的屈曲临界载荷, 边界条件为其中面上一点固定, 单元为beam3, 弹性模量E=2.06×105MPa, 泊松比µ=0.3, 环向单元数分别为16, 20, 36, 72, 得出的第1和第2阶屈曲临界载荷的稳定系数分别为:0.724与4.133, 0.716与4.084, 0.706与4.025, 0.702与4.007, 1阶与2阶屈曲模态如图1所示.经过分析, 发现其第1阶屈曲模态是侧向非对称滚动位移[10].由上述可见, 圆环在均匀径向压力作用下, ANSYS得出的第1阶屈曲临界载荷稳定系数比文献[8]中的第1阶屈曲临界载荷稳定系数4低, 也比文献[8]中静水压力作用下圆环的第1阶屈曲临界载荷稳定系数3低, 而ANSYS8.0得出的第2阶屈曲临界载荷稳定系数与文献[8]中径向压力作用下圆环的第1阶屈曲临界载荷稳定系数4相差不大.
圆环与深圆拱的稳定性分析非常重要, 因而有必要深究这种相差较大的原因, 力求找到问题本质所在, 为实际工程提供理论依据.本文在小变形、轴向无伸缩的假定下, 推导了径向压力作用下圆拱的一般性屈曲平衡微分方程, 给出了二铰圆拱、无铰圆拱稳定系数的计算公式, ANSYS8.0计算结果验证了理论解答的正确性.分析表明, 对于圆心角较大的深圆拱、圆环, 径向压力作用下的稳定性是最差的, 径向压力是最危险的载荷.
1 公式推导
本文采用小变形及平截面假设, 考虑受径向压力q作用的等截面圆环或圆拱, 取圆环或圆拱微段进行变形受力分析.如图2 (a) 所示, 坐标轴的规定如下:对于屈曲变形前, 切向为坐标x0, 指向圆心的法向为坐标z0, u, w分别表示沿着坐标x0, z0的位移;对于屈曲变形后, 切向为坐标x, 指向曲率中心的法向为坐标z;图2 (b) 为屈曲后径向压力q的投影图, qx, qz分别为q在屈曲变形后坐标x, z上的投影;图2 (c) 为屈曲后微元体的受力图.设微段A0B0半径为R, 屈曲变形前长度为ds0=Rdθ0, 该微段屈曲变形后半径为r, 移动到AB, 长度变为ds=rdθ, 规定 () =d () /dθ0, () =d2 () /dθ20等, 考虑小变形及平截面假设, 有截面A0的转角β及ds, dθ为
由式 (1) 和式 (2) 有轴向应变ε及曲率改变量κ为
由图2 (b) ∼2 (c) , 利用ds=rdθ, d () /ds≈d () /ds0, 有
在式 (5) 中, M, Q, N为圆环或圆拱屈曲后的内力, 由于圆环或圆拱屈曲前没有发生弯曲变形, 只发生轴向伸缩, 弯矩为零, 剪力为零, 轴力为-qR, 因而, 屈曲后产生的内力M, Q及轴力的增量N1均为一阶微量.令N=-qR+N1, 代入式 (5) , 忽略一阶微量Q.N1与一阶微量Rκ的乘积, 并化简约去Q, 有
弯矩M、轴力增量N1与曲率增量κ、轴向应变ε具有如下的关系
其中, E为弹性模量, A为横截面面积, I为横截面的惯性矩.
式 (1) , 式 (4) 和式 (7) 代入式 (6) , 有圆环或圆拱的屈曲平衡微分方程
式 (8) 的第2式微分一次, 并减去第1式, 整理得
其中, K=qR3/ (EI) , 称为稳定系数.
如考虑圆环或圆拱屈曲时, 轴向无伸缩的条件, 根据式 (3) 有:u=w, 并将其代入式 (9) 得圆环或圆拱轴向无伸缩的屈曲平衡微分方程
2 圆拱受径向压力作用
考虑等截面圆拱受径向压力作用, 圆拱轴向无伸缩.由于以上的推导采用屈曲前的坐标系, 为方便计, 以下屈曲前的坐标系去掉下标0.
方程 (10) 的通解为
其中C1∼C6为系数, , 且λ=1.
2.1 二铰圆拱受径向压力作用
考虑如图3所示二铰等截面圆拱受径向压力作用, 载荷集度为q, 圆拱的中面半径为R, 厚度为t, 纵向长度为1, 圆心角为2α, 弹性模量为E, 坐标如图3所示.
边界条件为
根据圆拱轴向无伸缩的假定及式 (3) 与式 (7) 有
通解式 (11) 代入式 (13) , 经过繁琐的求解, 得出如下的线性齐次方程组
其中
根据线性齐次方程组 (14) , 由系数行列式为零, 可以得到确定稳定系数K=λ2的方程为
2.2 无铰圆拱受径向压力作用
考虑如图4所示无铰等截面圆拱受径向压力作用, 载荷集度的大小、圆拱的几何尺寸等物理量与图3所示的二铰等截面圆拱相同.
边界条件为
根据圆拱轴向无伸缩的假定及式 (1) 与式 (3) 有
经过与上面相似的推导过程, 可以得到确定稳定系数K=λ2的方程为
其中
3 算例
等截面的圆环与深圆拱的中面半径R=0.274 m, 厚度t=0.012 m, 纵向长度L=1 m, 横截面面积A=0.012 m2, 惯性矩I=1.440×10-7m4;材料的弹性模量E=2.06×105MPa, 泊松比µ=0.3表1、表2分别给出了该圆环与深圆拱在均匀径向压力、静水压力作用下稳定系数的理论解答Kr, Kh, 同时也给出了均匀径向压力作用下ANSYS8.0的数值解答Kn, 其中, ANSYS8.0采用的单元为beam3, 环向单元的分段数为72.图5、图6分别为ANSYS8.0求解的二铰圆拱、无铰圆拱的一阶屈曲模态.
由表1和表2可以得出以下结论: (1) 圆环和深圆拱受径向压力的本文理论解答与ANSYS8.0数值解答吻合较好, 从而验证了本文理论公式的正确性. (2) 当圆心角2α较小时, 深圆拱受径向压力的稳定系数比受静水压力的稳定系数高. (3) 随着圆心角2α的逐渐增加, 深圆拱受径向压力的稳定系数及受静水压力的稳定系数同时降低, 然而, 圆拱受径向压力的稳定系数降低得更快, 最终, 当圆心角2α较大时, 圆拱受静水压力的稳定系数比受径向压力的稳定系数高. (4) 表2中, 2α=360◦时, 圆环受径向压力作用的稳定系数K=0.701, 远小于文献[8]的K=4, 因此, 对于中面上一点固定的圆环来说, 承受径向压力的稳定性远低于承受静水压力的稳定性.
4 结论
(1) 中面上一点固定的圆环承受径向压力的稳定系数K=0.701远低于承受静水压力的稳定系数K=3, 在此种边界条件下圆环承受径向压力的稳定度最小, 其第1阶屈曲模态是非对称滚动位移.
(2) 当圆心角2α较小时, 深圆拱受径向压力的稳定系数比受静水压力的稳定系数高.
(3) 当圆心角2α较大时, 深圆拱受径向压力的稳定系数比受静水压力的稳定系数低.
摘要：利用小变形理论及ANSYS研究了均匀径向压力作用下深圆拱的平面内稳定性, 算例分析表明, 当深圆拱的圆心角较小时, 圆拱受径向压力的稳定性高于受静水压力的稳定性, 当深圆拱的圆心角较大时, 圆拱受径向压力的稳定性低于受静水压力的稳定性.
关键词：深圆拱,径向压力,稳定系数
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建筑地基不均匀沉降处理探讨 篇3
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。
一、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。
二、减少地基不均匀沉降采取的防治措施
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。
三、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。
四、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。
五、结语
浅析不均匀地基的基础方案 篇4
地基基础是整个建筑物的重要组成部分, 它对建筑物的安全和正常使用有着密切联系, 通常我们勘察后建议建筑的基础形式应当满足建筑物的强度和变形及稳定性要求, 一般建筑物物采用变形控制, 如沉降量、沉降差、倾斜等。在均匀的基础土中, 我们建议的持力层及基础形式一致, 这样下伏的岩土层的压缩性及变形一致, 通常控制沉降量即可满足要求。但实际中, 多数建筑的地基土类别不一致, 这样在满足沉降量的同时, 更重要的是满足沉降差。常见的类型主要有土岩结合的地基、填土与其他地基土结合的地基, 在分析这类基础形式时, 我们应当注重:满足基础形式的一致性及;基础形式的同一性, 在无法同时满足两项时, 我们应尽量满足一项。本文在对勘察中实际遇到的实例进行分析提出较合理的基础方案, 供同行参考。
2 实例分析
2.1 某开发区兴建厂房及配套建筑, 厂
房为一层, 长度为200m, 宽50m, 单柱荷载为1000kN, 办公楼为12层, 单柱荷载10000kN, 由于开发区为大规模开挖整平后形成的, 故厂房及办公楼一侧为强～中风化基岩直接出露地表, 另一侧为填土层及坡残积形成粘性土, 强～中风化基岩承载力较高且压缩性较小, 坡残积土承载力较低且压缩性较大。
厂房的长度及跨度较大但荷载较小, 对一类厂房一侧无填土或填土厚度较小地段的基础方案分析时, 因其地基土均可作为拟建物的基础持力层, 一般建议采用浅基础, 但采用浅基础时, 基础持力层不一致, 这就需要对地基土及基础结构进行一定的处理, 由于一侧为强～中风化基岩, 其压缩性较小, 另一侧压缩性较大, 为使两侧的沉降一致, 建议对强～中风化基岩一侧的进行弱化处理, 通常可采用褥垫的形式进行弱化处理, 这样使得通过垫层的压缩和过渡使基础变形和受力得到过渡, 达到满足沉降差的要求。同时在设计上部结构时, 可设置沉降缝, 以及加强基础与上部结构的刚度, 基础形式可采用抗不均匀沉降能力较强的柱下条形基础。
对办公楼的基础方案分析时, 因该建筑为高层建筑, 荷载较大, 在满足沉降量、沉降差时, 还应主要倾斜度的控制, 通常建议基础持力层为较好的强～中风化岩层, 但该层一侧埋藏较深, 一侧又直接出露地表, 故无法满足基础形式的一致性, 这时, 我们采用的基础方案应满足持力层一致, 这就出现根据持力层的深度浅深情况采用独立基础、墩基础、桩基础, 虽然基础形式不一致, 但持力层一致, 其持力层的压缩性及变形性一致, 故沉降可满足要求。在采用该方案时, 应考虑相邻基础持力层深浅, 是否满足抗滑要求, 如不满足要求, 独立基础及墩基础应进入持力层一定深度。
2.2 某建筑物为3层, 荷载约3000 kN,
场地上部为冲洪积形成的粘性土, 但场地中央原位鱼塘, 后经填平处理, 填土中夹杂鱼塘淤积形成的淤泥质土等, 该段地基土厚度约5～6m, 池塘上部的填土无法满足基础承载力的要求, 故在对该建筑物的基础方案分析时应考虑填土的影响。
对于面积较大且厚度较大的填土层时, 采用换土垫层显然不合理, 不经济, 这时如继续考虑采用浅基础时, 可对填土进行其他处理, 通常可采用对填土强夯或采用深层搅拌法。这样处理的目的就是为提高填土的承载力, 对填土的深层搅拌法及强夯处理, 强夯处理后的填土承载力特征值可达到fak=140～160kPa, Es=6.0MPa。这样处理后填土满足建筑物承载力要求, 但该建筑物的基础持力层不一致, 可能出现沉降差异, 设计过程中, 应对各个不同持力层的压缩性及变形性进行沉降验算, 并采取必要的措施。
结论
不均匀的地基是不良的建筑场地, 对于这样场地的基础工程, 必须根据工程特点和场地特征因地制宜的确定地基基础处理方案。通过上面分析的多层、高层建筑以及土岩结合的、填土与其他地基土结合的不同情况, 提出了在经济上合理、在技术上可行、在实际施工过程中可用的基础方案, 同时更重要的在满足建筑物变形要求及建筑物使用的安全性。
参考文献
[1]叶书麟, 叶观宝.地基处理[M].北京:中国建筑工业出版社, 1997.
[2]朱浮声.地基基础设计与计算[M].北京:人民交通出版社, 2005.
地基不均匀沉降引起墙体裂缝探析 篇5
房屋的全部荷载最终通过基础传给地基, 而地基在荷载作用下, 其应力是随深度而扩散, 深度大, 扩散愈大, 应力愈小。在同一深处, 也总是中间最大, 向两端逐渐减小。也正是由于土壤这种应力的扩散作用, 即使地基地层非常均匀, 房屋地基应力分布仍然是不均匀的, 从而使房屋地基产生不均匀沉降, 即房屋中部沉降多, 两端沉降少, 形成微向下凹的盆状曲面的沉降分布。在地质较好、较均匀, 且房屋的长高比不大的情况下, 房屋地基不均匀沉降的差值是比较小的, 一般对房屋的安全使用不会产生多大的影响。但当房屋修建在淤泥土质或软塑状态的粘性土上时, 由于土的强度低、压缩性大, 房屋的绝对沉降量和相对不均匀沉降量都可能比较大。如果房屋设计的长高比较大, 整体刚度差, 而对地基又未进行加固处理, 那么墙体就可能出现严重的裂缝。裂缝对称发生在纵墙的两端, 向沉降较大的方向倾斜, 沿着门窗洞口约成45度角, 呈正八字形, 且房屋的上部裂缝小, 下部裂缝大。这种裂缝必然是地基附加应力作用使地基产生不均匀沉降而形成的。当房屋地基土层分布不均匀, 土质差别较大时, 则往往在不同土层的交接处或同一土层厚薄不一处出现较明显的不均匀沉降, 造成墙体开裂, 其裂缝上大下小, 向土质较软或土层较厚的方向倾斜。在房屋高差较大或荷载差异较大的情况下, 当未留设沉降缝时, 也容易在层数高低和荷载轻重的交接部位产生较大的不均匀沉降裂缝。此时, 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。
当房屋两端土质压缩性大, 中部小时, 沉降分布曲线将成凸形, 此时, 往往除了在纵墙两端出现向外倾斜裂缝外, 也常在纵墙顶部出现竖向裂缝。在多层房屋中, 当底层窗台过宽时, 也往往容易因荷载由窗间墙集中传递, 使地基不均匀沉降, 致使窗台在地基反作用力作用下产生反向弯曲, 引起窗台中部的竖向裂缝。从以上分析可知, 裂缝的分布与墙体的长高比有密切关系, 长高比大的房屋因刚度差, 抵抗变形能力差, 故容易出现裂缝, 因为纵墙的长高比大于横墙的长高比, 所以大部分裂缝发生在纵墙上。裂缝的分布与地基沉降分布曲线密切有关, 当沉降分布曲线为凹形时, 裂缝较多的发生在房屋下部, 裂缝宽度下大上小。当沉降分布曲线为凸形, 裂缝较多的发生在房屋的上部, 裂缝宽度上大下小。裂缝分布与墙体的受力特点密切有关, 在门窗洞口处、平面转折处、层高变化处, 由于应力集中, 往往也就容易出现裂缝, 又因为墙体是受剪切破坏, 其主拉应力为45度, 所以裂缝也成45度倾斜。
为了防止地基不均匀沉降引起墙体开裂, 首先应处理好软土地基和不均匀地基, 但在拟定地基加固和处理方案时, 又应将地基处理和上部结构处理结合起来考虑使其能共同工作, 不能单纯从地基处理出发, 否则, 不仅费用大, 且效果亦差。在上部结构处理上有:改变建筑物体型、简化建筑物平面、合理设沉降缝、加强房屋整体刚度 (如增加横墙、增设圈梁、采用筏式基础、箱形基础等) 、采用轻型结构、柔性结构等。
防治软土地基不均匀沉降的措施 篇6
1 软土地基修建建筑物的可行性分析
软土地基的特点是建筑物的沉降量大而不均匀, 沉降量大现可采取有效措施进行控制, 而不均匀沉降由于影响因素多且复杂, 故成为现在建筑物开裂或严重影响使用等工程事故的主要原因, 必须引起充分重视。在软土地基上修建建筑物, 应考虑上部结构与地基的共同工作。因为我国软土地区的许多工程实践表明, 考虑上部结构和地基的共同工作是减少地基不均匀沉降的一项十分成功的经验。因为上部结构 (包括基础) 和地基是紧密联系在一起的一个整体, 它们互相联系, 又互相影响, 如果仅从上部结构或地基单方面采取措施, 往往不能获得即可靠又经济的效果, 必须对建筑体型、荷载情况、结构类型和地质条件等进行综合分析, 采取响应的措施, 这样就可以减少软土地基上建筑物的不均匀沉降, 保证建筑物的安全和正常使用。
2 软土地基不均匀沉降的原因
地质勘察报告真实性如何, 对建筑物的沉降量大小关系很大。工程地质报告要正确反映土层性质、地下水和土工试验情况, 并结合设计要求, 对地基作出评价, 对设计和施工提出某些建议。如果地质报告不真实, 就给设计人员造成分析、判断的错误。
在设计方面也有一些原因。有些建筑物单体太长的, 平面图形复杂;有些建筑物层高高差和荷载显著不同、地基土的压缩性有显著不同及在地基处理方法不同的之处, 未在适应部位设置沉降缝;基础刚度或整体刚度不足, 不均匀沉降量大, 造成下层开裂;设计马虎, 计算不认真, 有的不作计算, 照抄别的建筑物的基础和主体设计。
在施工方面上的原因。墙体砌筑时, 砂浆强度偏低, 灰缝不饱满;砌砖组砌不当, 通缝多, 断砖集中使用;拉结筋不按规定标准设置等。
3 软土地基不均匀沉降的预防措施
3.1 从地质勘察报告入手, 确保其真实性和可靠性
地质勘察报告是一门专门的科学, 来不得半点虚假。勘察报告是设计人员的主要设计依据, 必须提高地质勘察人员的业务水平、政治素质和职业道德素质, 加强责任感, 这样才能使勘察报告具有真实性和可靠性。
3.2 从设计方面采取多种措施, 增强多层
住宅的基础刚度和整体刚度
3.2.1 建筑设计方面措施:
a.建筑平面应力求简单, 高差不宜过大。建筑平面简单、高度一致的建筑物, 基底应力较均匀, 圈梁容易拉通, 整体刚度好, 即使沉降较大, 建筑物也不易产生裂缝和损坏。而对于立面上有高差 (或荷载差) 的建筑物, 由于作用在地基上荷载的突变, 使建筑物高低相接触处出现过大的差异沉降, 常造成建筑物的轻、低部分倾斜或开裂破坏。软土地区由于层数差引起的损坏想象很为普遍, 一般高差二层及二层以上者, 常见有轻重不同的裂缝。b.控制建筑物的长高比及合理布置纵横墙。砖石承重的建筑物, 当其长度与高度之比较小时, 建筑物的刚度好, 能有效防止建筑物开裂。另外合理布置纵横墙是增强建筑物刚度的重要措施之一, 纵横墙布置时砖石承重结构的纵横墙应尽量贯通, 横墙间距适当, 一般不大于建筑物宽度的1.5倍为宜, 纵横墙最好不转折或少转折, 可提高建筑物的整体性。c.设置沉降缝。用沉降缝将建筑物从屋面到基础分割成若干个独立的沉降单元, 则使得建筑物的平面变得简单、长高比减小, 从而有效减轻地基的不均匀沉降。因而考虑在对平面图形复杂的转折处;层高高差处或荷载显著不同的部位;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及分期建筑的交接处设置沉降缝。d.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。由干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。为此应使建筑物之间相隔一定距离, 距离应满足规范要求。e.建筑物标高的控制与调整。确定建筑物各部分的标高, 应考虑沉降引起的变化。根据具体情况, 可采取相应的措施。例如室内地坪, 应根据预估的沉降量预以提高;建筑物各部分有联系时, 可将沉降量大者的标高适当提高;建筑物与设备之间, 应留有足够的净空;当建筑物有管道通过时, 管道上方应预留足够尺寸的空洞, 或采用柔性的管道接头。
3.2.2 结构设计方面措施:
a.增强建筑物的刚度和强度。如前所述, 控制建筑物的长高比和适当加密横墙可增加建筑物的刚度和整体性。此外从结构处理上, 应在砌体中设置圈梁能增强建筑物的整体性, 即使建筑物有较大的沉降, 也不致产生过大的挠曲变形, 它在一定程度上能防止或减少裂缝的出现。多层住宅的屋面板必须一律采用现浇钢筋混凝土结构, 多层建筑的基础及主体结构必须用商品混凝土浇捣。b.减轻或调整建筑物的荷载。尽量采用自重轻的结构形式, 如采用轻钢结构、预应力混凝土结构以及轻型屋面等, 设置地下室或半地下室也是减少建筑物沉降的有效措施, 通过挖除的土重能抵消一部分作用在地基上的附加压力, 从而减少建筑物的沉降。c.上部结构采用静定结构体系。当发生不均匀沉降时, 在静定结构体系中, 构件不致引起很大的附加应力, 故在软弱地基上的公共建筑物、单层工业厂房、仓库等, 可考虑采用静定结构体系, 以减轻不均匀沉降产生的不利后果。
3.2.3 地基和基础设计方面措施:
a.地基基础设计应以控制变形值为主, 设计单位必须进行基础最终沉降量和偏心距离的验算。基础最终沉降量应当控制在规定的限值以内。b.对于多层民用建筑基础设计时可采用筏片基础, 上部结构采用轻型结构, 基础施工期间避免对软土的扰动。c.当天然地基不能满足建筑物沉降变形控制要求的, 必须采取技术措施。例如可采用打预制钢筋砼短桩、砂井真空预压、深层搅拌桩、新型碎石桩等方法进行技术处理。d.同一建筑物尽量采用同一类型的基础并理置于同一土层中, 当采用不同的基础形式时上部结构必须断开, 尤其是地震区, 因为地震中软土上各类地基的附加下沉量是不同的。
3.3 从施工入手, 切实提高施工质量
3.3.1 砂浆的品种、强度等级必须符合设计要求。
影响砂浆强度的因素是计量不准, 原材料质量不合格;砂浆试块的制作和养护方法不当。解决的办法是:加强原材料的进场验收, 严禁将不合格的材料用于建筑工程上。
3.3.2 正确设置拉结筋。砖墙砌筑前, 应事先按标准加工好拉结筋, 使用前对操作工人进行技术交底。
3.3.3 加强建筑物的沉降检测。
施工期间, 施工单位必须按设计要求及规范标准埋设专用水准点和沉降观测点。主体结构施工阶段, 每结构层沉降观测不少于一次;主体结构封顶后, 沉降观测2个月不少于一次。监理单位必须进行检查复测, 并将资料列人工程质量评估内容。
摘要：近年来, 随着我国经济建设的发展, 各地都在兴建各类厂房、商业大厦、多层与高层住宅等建筑工程, 良好的建筑物地基越来越少, 一些建筑物只能座落在软弱土层的场地上。针对软土地基的性质, 分析了软土地基不均匀沉降的原因及预防措施。
关键词：软土,不均匀沉降,构造措施
参考文献
[1]朱梅生.软土地基[M].北京:中国铁道出版社, 2008.[1]朱梅生.软土地基[M].北京:中国铁道出版社, 2008.
[2]李彰明.软土地基加固的理论、设计与施工[M].北京:中国电力出版社, 2006.[2]李彰明.软土地基加固的理论、设计与施工[M].北京:中国电力出版社, 2006.
静压注浆处理油罐基础不均匀沉降 篇7
某炼油厂原料油罐区,共建有V=500 m3～1 000 m3油罐10台。此工程地处京杭大运河南岸,该地区气候湿润多雨,年降雨量达1 400 mm～1 500 mm以上,地下水位较高。场地土质情况为:耕土层;淤泥质粘土;粉质粘土;粘土等。场地特点是土体含水量高;孔隙比大;压缩性强;承载能力低(f=100 kPa左右)。原设计为:水泥粉喷桩复合地基(水泥粉喷桩直径ϕ=0.4 m,桩长H=7 m～8 m)。油罐基础做法:钢筋混凝土环墙(H=1.8 m～2.0 m),中间部分:从上到下分别为:沥青砂绝缘层(最薄处80厚,以i=2%从中间向四周找坡);砂垫层500厚;素土夯填(H=1.3 m～1.5 m)。当油罐施工完毕进行充水试压后,发现油罐中间部分发生局部沉陷。致使油罐底板呈不规则形状,原有予抬高找坡已基本平缓。环梁沉降小,中间沉降大,过早形成明显的“锅底”。以某ϕ=10.0 m;V=1 000 m3油罐为例,中间最大沉降达170 mm(由于沉降值是用靠尺测量,实际数值可能比此更大),环梁边缘最大沉降37 mm,油罐底板与基础环梁之间大部分已脱开。显然已超出了《石油化工企业钢储罐地基与基础设计规范》规定的罐基础锥面坡度不小于0.008的要求。如不进行加固处理,则不能正常使用。
2油罐基础沉降原因的分析
针对以上沉降特点,分析认为在总沉降中,地基的沉降占15%～20%左右,这是由于粉喷桩桩长H=7 m～8 m,正好处于油罐有效影响深度之内,经过充水试压,地基的沉降已经大部分完成。沉降的70%～80%是环墙内回填土造成。回填土不密实是造成环墙内沉降大,环墙处沉降小的主要原因。油罐内基础回填土“素土夯填”施工缺陷有三个方面:
1)填料不符合要求,用本地基坑挖出的淤泥质粘土回填,其中还夹杂部分截除的粉喷桩桩头和石块。
2)回填层厚大,压实不够(只人工夯实)。
3)施工单位质量意识淡薄,甲方和监理的监管不到位等。
由于该地区淤泥质粘土在干燥情况下,固结成块体状,且非常坚硬;但是如遇水浸泡,则很快丧失强度,压缩性极强。基础环墙内回填土在充水试压后,随着上面荷载的增加,使得回填的土体被压缩,加之当时正值雨季,地下水位上升,导致回填的淤泥质粘土遇水浸泡,引起基础不均匀下沉,顶部沥青砂绝缘层破坏,出现局部凹陷。因此,加固的重点如下:
1)对基础内回填土层局部空洞的填充;
2)对地基土层的渗透加固。
3加固方案的选择
一般来说,油罐基础的修复应遵循加固设计安全可靠,方便施工,节约投资的原则进行。目前对油罐基础的修复,常用以下四种方法:
1)将罐体整体或局部顶起(吊起),罐底板下喷射或灌注施工法。2)整体移位修复法。3)气垫船法。4)基础半圆周挖沟纠偏法。
根据现场具体情况:方法1将罐体整体顶起或吊起,然后垫上道木或其他物质,在罐底板下喷射或灌注施工,这将需要大型起重设备起吊或很多千斤顶。另外,由于罐底板钢板一般都很薄,仅4 mm～6 mm,将产生较大的变形,把罐底板全部顶起,施工难度较大。需要处理的10台油罐基础工作量巨大;工期长;投资较多而且安全性差。方法2整体移位修复,施工质量高;安全性好;罐基础沉降处理彻底。但也需要大型起重设备起吊,而且装置现场罐体周围管线;阀门;机泵等附属设施都已安装就位,没有空地。方法3也属于位移法的一种,其做法是将气垫船像围裙一样套箍在油罐外壁的下部,在围裙内送进压缩空气,将油罐浮升起来,但此种方法一般常用于处理大型油罐的不均匀沉降或倾斜。方法4是在罐基础周围半圆周挖沟,此方法只能处理基础倾斜纠偏,不能对罐底凹陷进行修复。
综合考虑现场实际情况,场地,工期,投资等诸多因素,上述四种方法都难以实施,其关键点在于钢罐底板如何脱离基础。经过多方案对比,最后决定采用在油罐内设立三角支架提拉油罐底板,使其基本复原,然后利用静压注浆对基础进行填充和渗透,使其不均匀沉陷得到处理。
4静压注浆
静压注浆就是利用压浆泵,在一定的压力下,通过注浆管把浆液均匀地注入地层中,浆液克服地层的初始应力和抗拉强度,使地层中原有的裂隙或孔隙张开,形成新的裂隙或孔隙,促使浆液的可灌性和扩散距离增大。由于脉状浆液固化后在地层中起承受应力的骨架作用,注浆压力对地层的挤密及对原有孔洞的填塞作用,因而使地基土强度得到提高,防渗性能得到改善。浆液使原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体,形成一个强度大,防水防渗性能高的“结石体”。在注浆的过程中,浆液的流动总是朝地基土较软弱,力学强度较地低的地方,这些地方土层首先承受不住浆液的压力而产生劈裂,在这一过程中,地基土的薄弱位置首先得到加强,从而起到调整地基土不均匀性的目的。
静压注浆材料一般以水泥砂浆为主,在地下水无侵蚀性条件下,采用普通硅酸盐水泥即可,它取材容易,配方简单,价格便宜,又不污染环境,故成为国内外常用的注浆材料。
水泥浆的水灰比一般变化范围为0.6～2.0,常用的水灰比是1∶1。为了调节水泥浆的性能,有时可加入速凝剂或缓凝剂等附加剂。
5基础处理方案
基础处理程序:充水试压→罐底板复原→罐底板开孔→加注水泥浆→收尾工作。
各项具体施工方法如下:
1)充水试压。由于个别油罐前期充水时间较短(发现基础异常后就停止了充水),考虑到基础内填土可能未达到最后稳定,故要对个别油罐继续进行充水试压,充水加载时间根据基础沉降情况决定。在充水加载过程中,要进行沉降观测,并记录在案。要求每台油罐做出沉降曲线,充水方法要严格按规范要求进行。
2)罐底板复原。基础处理前,罐底板为凹形,为使底板尽量恢复到原来位置,采用以下方法对底板进行复原:先立钢管支架,三根ϕ159×6钢管间隔120°均匀布置(避开排污口),生根于外环梁之上(见图1)。钢管支架顶端连接处,作成活动连接,以利于下个油罐使用。在排污口的外侧用千斤顶顶住罐底板,施加支撑力,帮助其复位。在油罐内利用吊环和若干只手拉葫芦(不均匀分布;视底板凹陷情况定)及钢索进行手工提拉,使其底板起拱复原。此时操作要注意各吊点用力均匀,底板提拉程度不能超过原底板起拱度(即i=2%坡度)。另外,提拉时视提拉情况,在底板中间开几个ϕ150 mm的孔洞,以释放应力。
3)罐底板开孔。在罐底板吊拉后,在上面用气割割出若干个孔洞,然后焊接注浆钢管(长10 mm～15 mm),管径根据注浆机软管内径决定;开孔间距根据油罐内基础沉降具体情况确定,一般相隔1.5 m～2.0 m左右开孔。
4)加注水泥砂浆。完成以上各项工作之后,在注浆前,需要对罐四周环梁与罐底板间的缝隙用水泥砂浆封堵(可留若干个排气孔)。水泥砂浆采用425号普通硅酸盐水泥和生活饮用水调释。其水灰比采用1∶(0.7～1),其和易性、流动性都比较好;坍落度控制在11 cm～17 cm左右。为了防止注浆机塞管,所用砂子要用细度模数小于2的中砂。处理施工前,经现场试验,没有加缓凝剂或速凝剂。所用施工机械:挤压式泥浆泵:SBJ-2型;工作压力:1.5 MPa;最大工作压力:2.0 MPa;最大水平输送距离:80 m;最大垂直输送距离:20 m;输送管内径:50 mm。水泥砂浆配制后,倒入注浆机,对罐底板的每个开孔处,逐个进行加压注浆,注浆顺序为从外侧向中间进行,直到排气孔排出浆液。在注浆过程中,要对底板随时观察,敲击底板和四周的环梁边缘处,看是否有空鼓声,以此来判断充盈程度,以确定注浆是否饱和。确认底板下的每个部位完全填满,并停止渗透后方可停止注浆。
5)收尾工作。以上各项工作完成后,即可拆除提拉葫芦,钢索吊环和钢管支架。开孔处割掉管子并堵孔并对钢罐底板进行二次防腐处理。静压注浆后自然养护5 d即可加载使用。
6)施工质量监督。整个处理过程要由工作责任心强,质量意识高的技术人员进行现场质量监督。首先要保证水灰比的一致性。如水灰比过小,则施工困难,容易堵孔;水灰比太大时,容易施工但影响加固效果。另外加固作业要持续进行,中间不能停顿,还必须要保持一定的灌浆速度,即单位时间内注入的浆液量,注浆速度宜控制在20 L/mim～40 L/mim之间,否则影响加固效果。
6经济效果与存在问题
每台油罐实际注浆时间1 d,安装,拆除支架等准备工作2 d,共需3 d时间即可完成。投入人工:每班9人;投入设备:运送浆液铲车和注浆机各一台。需要处理的10台罐基础,经30多天即处理完毕。每台油罐基础实际灌入水泥砂浆6 m3～7 m3,总用量约77 m3。整个加固工程共需投资3.0万元左右。由此看出,静压注浆处理油罐基础沉陷与整体移位等方法比较起来,省工,省时,节约投资,不用投入大型机械设备,而且施工安全简单,但也存在以下缺点:
1)由于基础下沉,沥青砂绝缘层被破坏,原有空洞处填充的水泥浆与罐底板接触,对底板防腐有一定影响。
2)根据下沉量计算,每台油罐填充体积约3 m3～4 m3,但实际上每台注入约6 m3～7 m3,说明有一部分水泥浆已渗透到地基中了,但由于注浆管没有直接伸到地基中,致使对地基土的加固效果不明显。
7结语
本工程自1999年8月加固完成后,装置于1999年12月正式投产,投入使用至今已连续安全运行了十多年,经厂方定期沉降观测,没有发现大的不均匀沉降,沉降差很小,完全满足规范及生产要求。说明用静压注浆加固油罐基础不均匀沉降,方法是可行的,技术上是可靠的,经济上是合理的。特别是利用三角支架在油罐内提拉罐底板,免除了用众多千斤顶将油罐顶起,或用起重机械把油罐移位的工作,这对于处理中小油罐环墙内回填土不均匀沉降具有一定的参照意义,也是本次加固处理地基的一个尝试。
参考文献
[1]贾庆山.油罐基础工程事故分析与处理[J].特种结构,1991(2):36-37.