一种水平增强体复合地基沉降量计算方法与流程

1.本发明涉及地基沉降技术领域，具体涉及一种水平增强体复合地基沉降量计算方法。


背景技术：

2.水平增强体复合地基就是在地基中(或表面)水平向铺设各种加筋材料，如土工织物、土工格栅、金属材料、竹筋等形成的复合地基，有时简称“水平加筋地基”，在公路、铁路、水运和水利工程中得到了广泛的应用，但应当指出的是，在水平加筋技术广泛应用的同时，对水平增强体复合地基的研究已大大落后于工程实践的发展，譬如水平增强体复合地基的沉降计算，至今也没有得到很好的解决，阻碍了复合地基技术的应用和发展。
3.鉴于问题的复杂性，有关规范对水平增强体复合地基的沉降计算采取了回避，如土工合成材料应用技术规范中规定对于利用底筋法加固软基的沉降量与沉降速率的计算可按未加底筋时的常规方法估算，水利水电工程土工合成材料应用技术规范中没有给出计算规定。
4.由于水平增强体的存在，地基中的位移场和应力场发生了显著变化，这种变化目前很难用简单的方法获得，即使采用数值分析方法，由于土的本构关系和参数很难准确获取，得到的计算结果也与实际工程情况差别较大。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种水平增强体复合地基沉降量计算方法，该方法考虑了筋材受拉产生的垂直向上的拉力对减小基底附加应力的有利作用，同时考虑了筋材受拉产生的水平拉力均化地基表面附加应力的影响，水平加筋地基沉降量的计算结果与实际工程更为接近。
6.本发明提供一种水平增强体复合地基沉降量计算方法，包括：
7.s1、计算加筋地基中的n层筋材挠曲变形产生的垂直力p2；
8.s2、计算加筋地基实际承担的附加应力p＝p
1-p2，其中p1为上部荷载施加给地基的附加应力；
9.s3、将未加筋地基表面的沉降变形视为圆弧形，将加筋地基表面的沉降变形视为矩形，加筋地基附加应力p所做的功w1＝pbs1，未加筋地基附加应力p所做的功w2＝1/2pls2，其中，b为基础底宽，s1为加筋地基在附加应力p的作用下的沉降量，l为未加筋地基在附加应力p的作用下的沉降曲线长度，s2为计算未加筋地基在附加应力p作用下产生的沉降量；
10.s4、根据能量守恒原理，w1＝w2，计算出加筋地基在附加应力p的作用下的沉降量s1。
11.该方法考虑了筋材受拉产生的垂直向上的拉力对减小基底附加应力的有利作用，同时考虑了筋材受拉产生的水平拉力均化地基表面附加应力的影响，将加筋地基的沉降变形视为矩形，并根据能量守恒原理，附加应力p对未加筋地基沉降所做的功等于附加应力p
对加筋地基沉降所做的功，即可求得加筋地基的沉降值。
12.进一步地，所述步骤s1中，视每层筋材受力状态相同，p2＝ntv＝ntcosα，其中，tv为加筋地基中的筋材挠曲变形产生的垂直力，t为筋材的极限抗拉强度，α为筋材所受拉力与垂直方向的夹角，垂直方向的夹角，为地基的内摩擦角。
13.不同深度的筋材受力状态不同，此处将每层筋材均以极限状态进行考虑，从设计上来说偏于安全，并且也简化了计算过程。
14.进一步地，所述步骤s4中，l根据沉降量s2和基础底宽b进行计算：l＝b(1+4β2)arctan(2β)/2β，其中，β＝s2/b。
15.由于将未加筋地基的沉降变形视为圆弧形，已知圆弧的弦长b以及沉降量s2，即可求得圆弧的半径，从而求得弧长l，即未加筋地基在附加应力p的作用下的沉降曲线长度l。
16.进一步地，所述步骤s5中，
17.根据w1＝w2，即可求得加筋地基在附加应力p的作用下的沉降量s1。
18.本发明的有益效果为：与现有规范方法相比，一方面考虑了筋材受拉产生的垂直向上的拉力对减小基底附加应力的有利作用，同时考虑了筋材受拉产生的水平拉力均化地基表面附加应力从而减小不均匀沉降的有利影响，避免了现有水平加筋软基沉降计算方法得到的结果与工程实际不符的缺陷，弥补了有关规范对水平增强体复合地基沉降计算方法的缺失，对于推动复合软基技术的深入发展具有重要的工程实践意义。
附图说明
19.图1为本发明筋材布置示意图；
20.图2为本发明筋材受力前后变形示意图；
21.图3为本发明实施例中未加筋地基表面沉降曲线示意图；
22.图4为本发明实施例中加筋地基的结构示意图；
23.图5为本发明实施例中未加筋地基表面和加筋地基表面沉降曲线对比示意图。
24.附图标记：基础1；筋材2；受力前筋材3；受力后筋材4；堤坝5。
具体实施方式
25.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
26.如图1所示，水平增强体的施工通常是先铺设一层级配良好的砂石垫层，再铺设筋材2，如土工织物、土工格栅等，压实后又填充一层级配良好的砂石垫层再压实，以形成具有一定抗弯刚度的水平加筋垫层。水平增强体对地基沉降的影响主要包括两个方面：一是可以减小地基表面承担的应力，从而减小软基沉降；二是均化地基表面应力，从而减小不均匀沉降。
27.如图2所示，受力前筋材3为水平状态，当地基在基础1及上部荷载作用下产生沉降时，筋材2会产生挠曲变形，变成图2中受力后筋材4的弯曲状态，此时筋材2处于受拉状态，其拉力可分解为水平和垂直向上两个作用力，其中垂直向上的作用力tv＝tcosα，t为筋材
的极限抗拉强度，α为筋材2所受拉力与垂直方向的夹角，的极限抗拉强度，α为筋材2所受拉力与垂直方向的夹角，为地基的内摩擦角。
28.当筋材2铺设多层时，不同深度的筋材2所受拉力不同，越深的筋材2所受拉力越小。实际工程中一般为1～3层，每层间距30～50cm，由于筋材2布置在较小的深度范围内，在较小的深度范围内布置的筋材2其变形随地基沉降会有所不同，但基本上较为接近，因此，当地基接近临界破坏时，可以视每层筋材2都同时达到极限状态，发挥极限抗拉强度t，这从设计上来说偏于安全，并且能够简化tv的计算过程。故n层筋材2产生的垂直向上的拉力p2＝ntv＝ntcosα。
29.加筋地基实际承担的附加应力p＝p
1-p2，其中p1为上部荷载施加给地基的附加应力；
30.根据能量守恒原理，在上部荷载作用下，未加筋地基在附加应力p作用下产生的变形所做的功w2应该等于加筋地基在附加应力p作用下产生的变形所做的功w1。
31.如图2所示，对于未加筋的天然地基，在附加应力作用下，地基表面产生中间大、两端小的沉降曲线，形如“锅底状”，根据沉降变形的连续性，可以近似将“锅底状”视为圆弧形，中心处最大沉降，沉降曲线弧长l、弦长b(或者基础1的宽度)之间存在如下几何关系：l＝b(1+4β2)a r c t2aβ)n/2(β，其中，β＝s2/b，s2为未加筋地基在附加应力p作用下产生的沉降量。
32.未加筋地基在附加应力p作用下产生的变形所做的功w2＝1/2pls2，根据l和s2，即可求得w2。
33.而对于加筋地基，其具有较大的抗拉、抗弯和抗剪强度，可视为一种柔性的筏板基础，具有将上部荷载向两侧转移，降低地基应力峰值，均化地基应力分布的作用，进而调整地基不均匀沉降。监测及研究表明，地基加筋后，地基表面的沉降由“锅底状”调整成“平底碟状”，且最大沉降量显著减小，如图5所示，因此将加筋地基表面沉降形状视为矩形。
34.则加筋地基在附加应力p作用下产生的变形所做的功w1＝pbs1。
35.因此根据能量守恒原理，w1＝w2，可计算出加筋地基在附加应力p的作用下的沉降量
36.下面以某一实例进行说明：
37.如图4所示，某一堤坝5的基础底宽b为5m，基底压力p0为100kpa，其下部为厚度为15m的淤泥质土地基，淤泥质土变形模量e为1mpa，淤泥质土地基下方为砂土层。
38.现在淤泥质土地基的表层及其下0.5m铺设两层土工织物，土工织物极限抗拉强度t＝20kn/m，在淤泥质土地基的表层铺设砂石垫层，砂石垫层厚度为50cm。
39.为了简化计算过程，假设砂土层顶面处附加应力为0，则上部荷载施加给地基的附加应力p1＝p0。
40.当淤泥质土地基不加筋时，100kpa的基底压力直接作用在淤泥质土地基上，则地基沉降量
41.当淤泥质土地基加筋时，由于采用的垫层为砂石垫层，因此淤泥质土地基的内摩
擦系数取则α＝30
°
，p2＝ntv＝ntcosα＝2
×
20
×
cos30
°
＝34.64kpa。
42.则作用在淤泥质土地基表面的附加应力p＝p
1-p2＝100-34.64＝65.36kpa。
43.在作用在淤泥质土地基表面的附加应力p的作用下，当不考虑筋材均化地基应力作用时，即沉降曲线视为圆弧形，地基沉降量
44.当考虑筋材均化地基应力作用时，即沉降曲线视为矩形，地基沉降量
45.根据上述计算，考虑筋材对地基沉降的有利影响，加筋地基沉降量s1较无筋地基沉降量s减小幅度为这与丁金华等人在《土工格栅软基加固效果的试验研究》一文中得到的加筋地基总沉降较无筋地基减少率至少达50％以上的结论吻合。
46.可见，采用本专利的计算方法计算得到的地基沉降量s2与不考虑筋材均化地基应力作用计算得到的地基沉降量s1的差别较大，因此按照规范给出的按照常规方法估算的计算结果是不准确的，与实际工程情况差别较大。
47.需要说明的是，上述的加筋地基均指的是水平加筋地基。
48.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种水平增强体复合地基沉降量计算方法，其特征在于：包括：s1、计算加筋地基中的n层筋材挠曲变形产生的垂直力p2；s2、计算加筋地基实际承担的附加应力p＝p
1-p2，其中p1为上部荷载施加给地基的附加应力；s3、将未加筋地基表面的沉降变形视为圆弧形，将加筋地基表面的沉降变形视为矩形，加筋地基附加应力p所做的功w1＝pbs1，未加筋地基附加应力p所做的功w2＝1/2pls2，其中，b为基础底宽，s1为加筋地基在附加应力p的作用下的沉降量，l为未加筋地基在附加应力p的作用下的沉降曲线长度，s2为未加筋地基在附加应力p作用下产生的沉降量；s4、根据能量守恒原理，w1＝w2，计算出加筋地基在附加应力p的作用下的沉降量s1。2.根据权利要求1所述的水平增强体复合地基沉降量计算方法，其特征在于：所述步骤s1中，视每层筋材受力状态相同，p2＝ntv＝ntcosα，其中，tv为加筋地基中的筋材挠曲变形产生的垂直力，t为筋材的极限抗拉强度，α为筋材所受拉力与垂直方向的夹角，产生的垂直力，t为筋材的极限抗拉强度，α为筋材所受拉力与垂直方向的夹角，为地基的内摩擦角。3.根据权利要求1所述的水平增强体复合地基沉降量计算方法，其特征在于：所述步骤s3中，l根据沉降量s2和基础底宽b进行计算：l＝b(1+4β2)arctan(2β)/2β，其中，β＝s2/b。4.根据权利要求1所述的水平增强体复合地基沉降量计算方法，其特征在于：所述步骤s4中，

技术总结
本发明提供一种水平增强体复合地基沉降量计算方法，包括：S1、计算加筋地基中的n层筋材挠曲变形产生的垂直力P2；S2、计算加筋地基实际承担的附加应力P＝P


技术研发人员：彭良泉
受保护的技术使用者：长江勘测规划设计研究有限责任公司
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/21