论文部分内容阅读
【摘 要】本文主要从地基土的特性出发，说明了产生地基沉降的原因。进而简要的介绍了分层法计算地基沉降的步骤及方法。最后对沉降的检测作了叙述。
【关键词】沉降的产生机理；计算；沉降观测
Discuss settlement of foundation
Jia Zhan-feng
(Xi'an sian New Energy Co.,Ltd Xi'an Shanxi 710032)
【Abstract】In this article,starting from the characteristics of soil,indicating the reasons for producing settlement.And then briefly introduced a hierarchical method to calculate the steps and methods of settlement.Finally,the detection of settlement are described in.
【Key words】Mechanism of settlement;Calculation;Settlement observation
地基沉降计算是工程设计的重要内容，对建筑工程、高等级公路、机场等工程尤其重要。在土木工程建设中，因沉降量或不均匀沉降量超过允许值而影响建(构)筑物正常使用，造成工程事故，因此有必要采取合适的沉降计算方法，来预估沉降量，以采取结构措施控制因沉降而引起的变形，使之满足规范要求。
1. 地基产生的原因及影响
地基沉降的主要原因是由于土体本身存在孔隙，建筑物的荷载通过基础传给地基，并在地基中扩散，地基土体在附加应力的作用下就必然会产生变形（主要是竖向变形）。从而引起建筑物基础的沉降或者倾斜。地基沉降的大小主要取决于土的压缩性和建筑物的荷载，并与基础的面积、埋深和形状有关。建筑物的沉降可能是均匀沉降也可能是不均匀沉降。单从建筑物的结构安全角度来看，地基均匀沉降伴随建筑的基础均匀下沉不会有太大的影响。但过大沉降则会影响建筑物的使用和外观。当地基产生不均匀沉降时，建筑物可能发生裂缝、扭曲或倾斜，影响其使用和安全，严重时甚至倒坍破坏。因此，在不均匀或软弱地基上修建建筑物时，我们就必须考虑地基的变形问题。
2. 土体的压缩性
以上我们大致了解的引起建筑物沉降的原因，其主要因素是地基土体的压缩性。土体的压缩性是指土体在压力的作用下体积减小的特性。土的压缩性通常由三部分组成：
2.1 固体土颗粒被压缩。
2.2 土中水及封闭气体被压缩。
2.3 水和气体从孔隙中被挤出。
固体颗粒和水的压缩量是微不足道的，在一般压力作用下，固体颗粒和水的压缩量与土的总压缩量之比完全忽略不计。所以土的压缩量可看作是土中水和气体从孔隙中被挤出，与此同时，土颗粒相应发生移动，重新排列，靠拢挤密，从而土孔隙体积减小。
通过土体的压缩试验我们可以得到如下公式：
设土样的初始高度为H0，受压后的高度为H，Δs为外压力p 作用下土样压缩至稳定的变形量，则H = H0-s
试验过程中由于土体颗粒的压缩量是微小的，所以认为压力施加前后土颗粒体积Vs 不变, 则土样孔隙体积在压缩前为e0×Vs，在压缩稳定后为e×Vs
设土样横截面面积为 A 在压缩前后不变。则压缩前土样体积为：
A H0=e0×Vs＋Vs＝Vs（１＋e0）
压缩后土样体积为：
A H=e×Vs＋Vs＝Vs（１＋e）
以上两式相比，又因为H = H0-s，得出：
H0H=1+e01+eH0H0-s=1+e01+es=H0(e0-e)1+e0
3. 地基总沉降量包含内容
建筑地基在长期荷载作用下产生的沉降，其最终沉降量可划分为三个部分：初始沉降（或称瞬时沉降）、主固结沉降（简称固结沉降）及次固结沉降。
初始沉降又称瞬时沉降，是指外荷加上的瞬间，饱和软土中孔隙水尚来不及排出时所发生的沉降，此时土体只发生形变而没有体变，一般情况下把这种变形称之为剪切变形，按弹性变形计算。在饱和软粘土地基上施加荷载，尤其如临时或活荷载占很大比重的仓库、油罐和受风荷载的高耸建筑物等，由此而引起的初始沉降量将占总沉降量的相当部分，应利用弹性理论给以估算。
主固结沉降是指荷载作用在地基上后，随着时间的延续，外荷不变而地基土中的孔隙水不断排除过程中所发生的沉降，它起于荷载施加之时，止于荷载引起的孔隙水压力完全消散之后，是地基沉降的主要部分。
次固结沉降在固结沉降稳定之前就可以开始，一般计算时可认为在主固结完成（固结度达到100％）时才出现。次固结沉降量常比主固结沉降量小得多，大都可以忽略。
4. 主固结沉降的计算
由于主固结沉降是地基沉降的主要部分，所以以下我们就主固结沉降的计算方法进行简单说明
常见的主固结沉降计算方法（分层总和法）
分层总和法是在地基沉降计算深度范围内划分为若干层，计算各分层的压缩量，然后求其总和。计算时应先按基础荷载、基底形状和尺寸、以及土的有关指标确定地基沉降计算深度，且在地基沉降计算深度范围内进行分层，然后计算基底附加应力，各分层的顶、底面处自重应力平均值和附加应力平均值。
4.1 基本假定。
（1）基底附加压力（p0）是作用于地表的局部柔性荷载，对非匀质地基，由其引起的附加应力分布可按匀质地基计算。
（2）只须计算竖向附加应力σz 的作用使土层压缩变形导致地基沉降，而剪应力则可略去不计。
（3）土层压缩时不发生侧向变形（侧限）。
4.2 计算原理。
同理我们可以借助压缩试验结果得出某土层的压缩变形量，若在地基中心底下取截 面为A 的小土柱，土样上作用有自重应力和附加应力。假定第 i 层土样在p1i （相当于自重应力）作用下，压缩稳定后的孔隙比为e1i，土柱高度为h i；当压力增大至p2i（相当于自重应力和附加应力之和）时，压缩稳定后的孔隙比为e2i。利用受附加压力前后土粒体积不变和土样横截面面积不变，求得：
hi1+eli=hi-△s1+e2i
该土柱的压缩变形量Δsi为：Δsi=eli-e2i1+eli hi （式一）
求得各土层的变形后，叠加可得到地基最终沉降量S为：
S=∑ni=1 △si=∑ni=1 eli-e2i1+eli hi （式二）
4.3 计算步骤。
4.3.1 分层
将基底以下土分为若干薄层，分层原则：
（1）厚度h i ≤ 0.4 b（b 为基础宽度）。
（2）天然土层面及地下水位都应作为薄层的分界面。
4.3.2 计算基底中心点下各分层面上土的自重应力σczi 与附加应力σzi，并绘制自重应力和附加应力分布曲线。
4.3.3 确定地基沉降计算深度Zn。按σzn/σczn ≤0.2（对软土≤0.1）确定。
4.3.4 计算各分层土的平均自重应力 czi=(σczi-1+σczi)/2和平均附加应力。
4.3.5 令p1i=czi，p2i= σczi+σzi，从该土层的压缩曲线中由p1i及p2i查出相应的e1i和e2i。
4.3.6 按式（式一）计算每一层的变形量Δsi。
4.3.7 按式（式二）计算沉降计算深度范围内地基的总变形量即为地基的沉降量。
5. 沉降观测
以上我们简单的介绍了沉降计算方法的其中一种，但不论采用哪种方法，均作了一些假设，计算中又多未考虑地基基础和上部结构的共同作用，必需的地质剖面图和压缩特性指标有时也很难确定得那么精确等等，因此，采用上述方法计算最终沉降量和固结度都有较大的局限性，计算精度不很高。因此，在没有得到更符合实际的计算方法前，计算必须与建筑经验相结合。
建筑物沉降观测应测定建筑物地基的沉降量、沉降差及沉降速度并计算基础倾斜、局部倾斜、相对弯曲及构件倾斜。沉降观测点的布置，应以能全面反映建筑物地基变形特征并结合地质情况及建筑结构特点确定。标志的埋设位置应避开有碍设标与观测的障碍物，并应视立尺需要离开墙（柱）面和地面一定距离。建筑物施工阶段的观测，应随施工进度及时进行。一般建筑，可在基础完工后或地下室砌完后开始观测，大型、高层建筑，可在基础垫层或基础底部完成后开始观测。观测次数与间隔时间应视地基与加荷情况而定。
6. 结束语
随着城市化的房展，高层建筑层出不穷。沉降是不可避免的，但怎么有效的把沉降控制在规范容许范围，这就需要在设计过程中对建筑物的沉降计算能更有效的与实际的地质情况和当地的实地经验相结合。除了在设计阶段对沉降的计算控制外，在施工阶段和以后的使用阶段的沉降观测也是必不可少的。沉降观测为以后对建筑物的使用安全及维护提供的依据。
参考文献
［1］ 《建筑地基基础设计规范》GB50007_2010.
［2］ 《地基与基础》第三版主编顾晓鲁 钱鸿缙 刘惠珊 汪时敏，中国建筑工业出版社，2002.
［文章编号］1006-7619（2011）03-30-287
［作者简介］ 贾占峰（1980.05-），男，职称：助理工程师。
【关键词】沉降的产生机理；计算；沉降观测
Discuss settlement of foundation
Jia Zhan-feng
(Xi'an sian New Energy Co.,Ltd Xi'an Shanxi 710032)
【Abstract】In this article,starting from the characteristics of soil,indicating the reasons for producing settlement.And then briefly introduced a hierarchical method to calculate the steps and methods of settlement.Finally,the detection of settlement are described in.
【Key words】Mechanism of settlement;Calculation;Settlement observation
地基沉降计算是工程设计的重要内容，对建筑工程、高等级公路、机场等工程尤其重要。在土木工程建设中，因沉降量或不均匀沉降量超过允许值而影响建(构)筑物正常使用，造成工程事故，因此有必要采取合适的沉降计算方法，来预估沉降量，以采取结构措施控制因沉降而引起的变形，使之满足规范要求。
1. 地基产生的原因及影响
地基沉降的主要原因是由于土体本身存在孔隙，建筑物的荷载通过基础传给地基，并在地基中扩散，地基土体在附加应力的作用下就必然会产生变形（主要是竖向变形）。从而引起建筑物基础的沉降或者倾斜。地基沉降的大小主要取决于土的压缩性和建筑物的荷载，并与基础的面积、埋深和形状有关。建筑物的沉降可能是均匀沉降也可能是不均匀沉降。单从建筑物的结构安全角度来看，地基均匀沉降伴随建筑的基础均匀下沉不会有太大的影响。但过大沉降则会影响建筑物的使用和外观。当地基产生不均匀沉降时，建筑物可能发生裂缝、扭曲或倾斜，影响其使用和安全，严重时甚至倒坍破坏。因此，在不均匀或软弱地基上修建建筑物时，我们就必须考虑地基的变形问题。
2. 土体的压缩性
以上我们大致了解的引起建筑物沉降的原因，其主要因素是地基土体的压缩性。土体的压缩性是指土体在压力的作用下体积减小的特性。土的压缩性通常由三部分组成：
2.1 固体土颗粒被压缩。
2.2 土中水及封闭气体被压缩。
2.3 水和气体从孔隙中被挤出。
固体颗粒和水的压缩量是微不足道的，在一般压力作用下，固体颗粒和水的压缩量与土的总压缩量之比完全忽略不计。所以土的压缩量可看作是土中水和气体从孔隙中被挤出，与此同时，土颗粒相应发生移动，重新排列，靠拢挤密，从而土孔隙体积减小。
通过土体的压缩试验我们可以得到如下公式：
设土样的初始高度为H0，受压后的高度为H，Δs为外压力p 作用下土样压缩至稳定的变形量，则H = H0-s
试验过程中由于土体颗粒的压缩量是微小的，所以认为压力施加前后土颗粒体积Vs 不变, 则土样孔隙体积在压缩前为e0×Vs，在压缩稳定后为e×Vs
设土样横截面面积为 A 在压缩前后不变。则压缩前土样体积为：
A H0=e0×Vs＋Vs＝Vs（１＋e0）
压缩后土样体积为：
A H=e×Vs＋Vs＝Vs（１＋e）
以上两式相比，又因为H = H0-s，得出：
H0H=1+e01+eH0H0-s=1+e01+es=H0(e0-e)1+e0
3. 地基总沉降量包含内容
建筑地基在长期荷载作用下产生的沉降，其最终沉降量可划分为三个部分：初始沉降（或称瞬时沉降）、主固结沉降（简称固结沉降）及次固结沉降。
初始沉降又称瞬时沉降，是指外荷加上的瞬间，饱和软土中孔隙水尚来不及排出时所发生的沉降，此时土体只发生形变而没有体变，一般情况下把这种变形称之为剪切变形，按弹性变形计算。在饱和软粘土地基上施加荷载，尤其如临时或活荷载占很大比重的仓库、油罐和受风荷载的高耸建筑物等，由此而引起的初始沉降量将占总沉降量的相当部分，应利用弹性理论给以估算。
主固结沉降是指荷载作用在地基上后，随着时间的延续，外荷不变而地基土中的孔隙水不断排除过程中所发生的沉降，它起于荷载施加之时，止于荷载引起的孔隙水压力完全消散之后，是地基沉降的主要部分。
次固结沉降在固结沉降稳定之前就可以开始，一般计算时可认为在主固结完成（固结度达到100％）时才出现。次固结沉降量常比主固结沉降量小得多，大都可以忽略。
4. 主固结沉降的计算
由于主固结沉降是地基沉降的主要部分，所以以下我们就主固结沉降的计算方法进行简单说明
常见的主固结沉降计算方法（分层总和法）
分层总和法是在地基沉降计算深度范围内划分为若干层，计算各分层的压缩量，然后求其总和。计算时应先按基础荷载、基底形状和尺寸、以及土的有关指标确定地基沉降计算深度，且在地基沉降计算深度范围内进行分层，然后计算基底附加应力，各分层的顶、底面处自重应力平均值和附加应力平均值。
4.1 基本假定。
（1）基底附加压力（p0）是作用于地表的局部柔性荷载，对非匀质地基，由其引起的附加应力分布可按匀质地基计算。
（2）只须计算竖向附加应力σz 的作用使土层压缩变形导致地基沉降，而剪应力则可略去不计。
（3）土层压缩时不发生侧向变形（侧限）。
4.2 计算原理。
同理我们可以借助压缩试验结果得出某土层的压缩变形量，若在地基中心底下取截 面为A 的小土柱，土样上作用有自重应力和附加应力。假定第 i 层土样在p1i （相当于自重应力）作用下，压缩稳定后的孔隙比为e1i，土柱高度为h i；当压力增大至p2i（相当于自重应力和附加应力之和）时，压缩稳定后的孔隙比为e2i。利用受附加压力前后土粒体积不变和土样横截面面积不变，求得：
hi1+eli=hi-△s1+e2i
该土柱的压缩变形量Δsi为：Δsi=eli-e2i1+eli hi （式一）
求得各土层的变形后，叠加可得到地基最终沉降量S为：
S=∑ni=1 △si=∑ni=1 eli-e2i1+eli hi （式二）
4.3 计算步骤。
4.3.1 分层
将基底以下土分为若干薄层，分层原则：
（1）厚度h i ≤ 0.4 b（b 为基础宽度）。
（2）天然土层面及地下水位都应作为薄层的分界面。
4.3.2 计算基底中心点下各分层面上土的自重应力σczi 与附加应力σzi，并绘制自重应力和附加应力分布曲线。
4.3.3 确定地基沉降计算深度Zn。按σzn/σczn ≤0.2（对软土≤0.1）确定。
4.3.4 计算各分层土的平均自重应力 czi=(σczi-1+σczi)/2和平均附加应力。
4.3.5 令p1i=czi，p2i= σczi+σzi，从该土层的压缩曲线中由p1i及p2i查出相应的e1i和e2i。
4.3.6 按式（式一）计算每一层的变形量Δsi。
4.3.7 按式（式二）计算沉降计算深度范围内地基的总变形量即为地基的沉降量。
5. 沉降观测
以上我们简单的介绍了沉降计算方法的其中一种，但不论采用哪种方法，均作了一些假设，计算中又多未考虑地基基础和上部结构的共同作用，必需的地质剖面图和压缩特性指标有时也很难确定得那么精确等等，因此，采用上述方法计算最终沉降量和固结度都有较大的局限性，计算精度不很高。因此，在没有得到更符合实际的计算方法前，计算必须与建筑经验相结合。
建筑物沉降观测应测定建筑物地基的沉降量、沉降差及沉降速度并计算基础倾斜、局部倾斜、相对弯曲及构件倾斜。沉降观测点的布置，应以能全面反映建筑物地基变形特征并结合地质情况及建筑结构特点确定。标志的埋设位置应避开有碍设标与观测的障碍物，并应视立尺需要离开墙（柱）面和地面一定距离。建筑物施工阶段的观测，应随施工进度及时进行。一般建筑，可在基础完工后或地下室砌完后开始观测，大型、高层建筑，可在基础垫层或基础底部完成后开始观测。观测次数与间隔时间应视地基与加荷情况而定。
6. 结束语
随着城市化的房展，高层建筑层出不穷。沉降是不可避免的，但怎么有效的把沉降控制在规范容许范围，这就需要在设计过程中对建筑物的沉降计算能更有效的与实际的地质情况和当地的实地经验相结合。除了在设计阶段对沉降的计算控制外，在施工阶段和以后的使用阶段的沉降观测也是必不可少的。沉降观测为以后对建筑物的使用安全及维护提供的依据。
参考文献
［1］ 《建筑地基基础设计规范》GB50007_2010.
［2］ 《地基与基础》第三版主编顾晓鲁 钱鸿缙 刘惠珊 汪时敏，中国建筑工业出版社，2002.
［文章编号］1006-7619（2011）03-30-287
［作者简介］ 贾占峰（1980.05-），男，职称：助理工程师。