地基承载力计算理论发展与应用.doc
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1、地基承载力计算理论发展与应用第26卷第2期长春工业大学(自然科学版)Vo1.26,No.22005年6月JournalofChangchunUniversityofTechonology(NaturalScienceEdition)Jun.2005文章编号:1006-2939(2005)02016904地基承载力计算理论发展与应用王岩松,张宏斌(1.同济大学桥梁212程系,上海200092;2.吉林省公路212程质量监督站,吉林长春130021)摘要:通过对不同地基承载力计算理论的对比.分析了不同计算理论在工程实践中的适用性以及由于假定条件带来的局限性.论述了基于不同地质条件地基承载力的计算方
2、法.针对共同作用理论本构模型类型和应用进行了初步探讨.关键词:地基;承载力;剪切;模型;应力中图分类号:TU470文献标识码:Al地基承载力计算的历史1773年,库仑根据试验创立了着名的土的抗剪强度理论库仑定律和土压力理论,推动了以土力学为基础的地基承载力计算理论的发展.1857年,朗肯首先提出地基极限承载力理论公式.Prandtl(1920)和Reissner(1924)根据塑性平衡理论,导出了刚性基础压人无重力土中的滑动面形状及其相应的承载力公式1.在对Prandtl理论进行研究的基础上,太沙基(TerzaghiK1943)基于叠加原理并考虑了土的重力,修正了Prandtl关于无限长条形荷
3、载的承载力公式,给出了浅基础极限承载力的一般近似表达式(一c+qN口+0.52bN).Meyerhof在2O世纪5O年代提出了考虑基底以上两侧土体抗剪强度影响的地基承载力公式,Hanson(1961,1970)提出了中心倾斜荷载作用下地基承载力计算公式.美国少量的原形试验指出1,Meyerhof和Hanson公式的相关性最好,计算结果更接近工程实际,而Terzaghi公式相对更为保守.至于圆形或方形基础的情况则属于三维问题,至今还未从理论上推导出计算公式,因而都是半经验公式.上述承载力理论都基于以下一般假设:(1)假定土体不可压缩,地基是在发生整体剪切破坏的条件下得出的,实际上土体在发生破坏前
4、及在剪切破坏过程中,都将产生压缩现象,或由于土质松软而出现局部破坏或冲剪破坏;(2)采用假定滑动面,并根据土的静力平衡条件分别求出由于粘聚力c,超载q和土自重y所引起的承载力,然后进行叠加而得到总的承载力.承载力公式中C,q,y所组成的每一项并不是在同一滑动面的情况下得出的,且在求解过程中均将滑动土体当作不变形的刚塑体来考虑.实际上土体在荷载作用下不但会产生压缩变形,也会产生剪切变形.这是目前承载力公式中共同存在的主要问题,也是不能真实反映实际的主要原因2.2不同计算方法的适用范围与存在的问题2.1根据弹塑性理论确定的承载力根据弹塑性理论,埋深为d的条形基础地基中任意点M的应力,是由计算点以上
5、土层自重引起的应力和基底附加压力引起的应力两部分叠加组成,如图1所示.图l基底应力计算示意图收稿日期:200412-05作者简介:王岩松(1973一).男.吉林长春人,吉林省公路工程质量监督站工程师.同济大学硕士研究生.主要从事混凝土结构桥梁研究.17O长春工业大学(自然科学版)第26卷当M点的应力达到极限平衡状态时,该点的应力满足MohrCoulomb强度条件.通过分析,可得容许塑性区最大深度z处的承载力计算公式.如土体的物理力学指标已知,则地基承载力取决于塑性区容许开展的深度z及基础埋深d.若允许地基中塑性区开展深度达到基础宽度,1,b的1/4f即Zm一6),则,士,P1/4一Mb+Mdy
6、dd+Mc目前,我国勘察设计规范中,多采用其作为地基允许承载力的计算公式.在推导公式过程中,假定土的自重应力在各个方向相等(即tl=1),由于M点的自重应力在各个方向实际上是不等的,因此严格地讲,以上两项在M点处产生的应力在数值上是不能叠加的,这是此理论公式在推导过程中最大的不足之处.此外,公式是在均布条形荷载的情况下导出的,通常对于矩形或圆形基础也借用这个公式计算,结果偏于安全.需要指出的是,在临塑荷载的推导中采用弹性力学的解答,对于已出现塑性区的塑性变形阶段,该公式的推导是不够严格的.2.2总应力法确定地基承载力土体稳定分析结果的可靠性在很大程度上决定于对抗剪强度试验方法和强度指标的正确选
7、择.抗剪强度总应力法是用试验方法模拟原位土体的工作条件,其理论依据如下:砂性土:r=atano粘性土:r=c+atano在地基土的承载力计算中,若建筑物的施工速度快,地基土的粘性大,透水性差,且排水条件不良时,应采用土的不固结,不排水抗剪强度计算短期承载力,以保证结构安全.2.3考虑变形地基承载力的确定承载力极限状态基于刚塑性或弹塑性假定,计算公式在推导过程中未考虑变形,且不考虑基底以上土的抗剪强度作用,只适于中心竖向荷载作用下的条形基础.当基础上作用偏心荷载,基底形状是圆形或矩形,基础埋置较深时,则需要考虑抗剪强度的影响.HANSONB综合以上影响因素,提出汉森公式:P一0.5yNi+qN口
8、口d口+cNid式中:N,N.,N分别为承载力系数,承载力系数取值见表1;,i,分别为荷载倾斜系数;,S分别为基础形状系数;d,d,d分别为深度系数.表1承载力系数N.Nq.取值表N7NqN.1.OO1.2O1.431.722.062.472.973.584.335.256.407.829.6111.8314.7118.4023.1829.4537.7748.9264.2385.36l15.35134.86汉森公式通过分项系数,比较全面考虑了各种承载力影响因素,在国外已经得到了广泛地应用,在我国也进行了深入的研究.以变形为主要控制因素,容许变形承载力要小于容许承载力,在沉降量较大且持续时间较长
9、的建筑物中,容许变形承载力设计控制有很大的优越性.2.4考虑软弱下卧层强度的地基承载力的确定工程设计中,往往对地基持力层强度及基础本身的强度较重视,而对地基的软弱下卧层强度,地基的变形验算考虑不多,实际上,合理利用软弱下卧层强度对工程经济有一定的参考价值.验算软弱下卧层强度,应选取受力最大且相应持力层厚度最薄处(即最不利条件组合)的基础进行验算4.推荐的规范公式为:P.+P:f其中,附加应力标准值有不同的计算方法.条形基础:一b(pP).一b上2ztan0矩形基础:一丝二垒一(6+2ztan0)(Z+2tan0)M跎卵韶瑚&.;儿M呱朋毗M卯曲n鸺LL.;掀蛾矿一o0M加孔弘鲳如第2期
10、王岩松,等:地基承载力计算理论发展与应用171式中:b为基础的宽边;z为基础底边长度;P为基础底边土的自重压力标准值;为基础底面至软弱下卧层顶面的距离;0为地基压力扩散线与垂直线的夹角.当各土层的强度相差不大时,HANSON建议采用按土层厚度加权平均值的方法计算整个地基的抗剪强度指标.3承载力计算的研究进展与注意的问题1947年,Meyerhof提出了地基,基础与上部结构共同工作的概念.共同作用分析是把上部结构,基础,地基作为一个彼此协调工作的整体,三者之间连接点和接触点须同时满足静力平衡和变形协调,以离散形式的特征函数地基刚度矩阵表征地基土支撑体系的刚度贡献,运用空间子结构方法,将上部的刚度
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