基础沉降规范法与数值模拟比较研究

2015-10-15邵艳红周艳生

吉林建筑大学学报 2015年5期

孙超邵艳红周艳生

(吉林建筑大学测绘与勘查工程学院，长春 130118)

0 引言

基础沉降计算是地基基础工程设计的三大难题之一．计算地基沉降的最终目的，是在建筑设计中，预知该建筑物建成后所产生的最终沉降量，并判断是否超出允许范围，以便在建筑物设计时，采取相应的工程措施提高建筑物的安全性［1］．在进行地基基础设计时，不仅要满足强度要求，同时也要满足变形要求．对此，国内的许多专家、学者对其进行了深入的研究，但最终没有得出统一定论．本文针对柱下独立基础进行了附加应力和沉降计算，通过规范法计算与FLAC3D数值模拟，对沉降结果、附加应力，进行比较分析，阐述了产生差异的原因，论证了FLAC3D有限差分法在计算基础附加应力和沉降方面的合理性．

1 规范法计算基础沉降

1．1 计算方法

根据《建筑地基基础设计规范》［2］，考虑了附加应力系数的概念，得到了沉降计算的公式:

式中:S为柱下独立基础的最终沉降量(mm);ψs为沉降计算经验系数;p0为对应于荷载效应准永久组合时的基础底部的附加应力(kPa);Es为基础底下第i层土的压缩模量(MPa);zi，zi-1为基础底面至第i层土，第i-1层土底面的距离(m);αi，αi-1为基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内的平均附加应力系数．

1．2 沉降计算及结果

柱下独立基础，受到集中荷载1 190kN，基础底面尺寸长4m，宽2m，基础埋深d=1．5m，土层、基础及柱的物理力学参数如表1:

表1 物理力学参数

经计算知，基础底面的附加应力为150kPa，根据计算深度的要求，计算到基底以下4．5m处即可，其沉降量为67．74mm，为了与数值模拟的结果进行对比，又计算至基底以下6m处，总沉降为73．22mm，其中取1．2，经修正后的总沉降为 87．86mm．

2 基础沉降的数值模拟

2．1 模拟模型及参数

本次模拟分别采用FLAC3D中的摩尔-库仑模型和弹性模型两种方式，在两种方式下建立共同的几何模型．该模型的水平方向取12m，分48个单元，宽度取12m，分为48个单元，高度取7．5m，分为30个单元格，基础长为4m，取16个单元，宽2m，取8个单元，高度为0．5m，取2个单元，柱取长宽均为0．5m的方柱，为2个单元，高度取1．5m，取6个单元，模型所需参数如表1，在柱和基础之间设定接触面，定义为interface 1，柱侧面、基础侧面和土体间设定接触面为interface2，接触面参数见表2．

(1)模型立体图见图1;基础和柱的剖面图见图2．

图1 模型立体图

图2 基础和柱的剖面图

(2)接触面参数表见表2，

表2 接触面参数

2．2 采用摩尔-库仑模型和弹性模型的沉降模拟结果及分析

由图3可知，基底处的沉降最大为102．36mm，图4中基底处的最大沉降为36．37mm．沿着深度方向，沉降逐渐减小，这是由于在基底处附加应力最大，产生的沉降值最大，在深度方向上，附加应力逐渐减小，引起的位移增量减少，致使总的沉降减少．

图3 摩尔-库仑模型沉降云图

图4 弹性模型沉降云图

2．3 采用摩尔-库仑模型和弹性模型的总应力、自重应力模拟结果及分析

在摩尔-库仑模型下，由图5可知，基底处总的应力值为150kPa，自重应力为20．1kPa，经过计算得到附加应力值为129．9kPa，基底下3．5m处的的附加应力为75．12kPa，6m处附加应力为16．55kPa，因而，在基底处附加应力最大，随着深度的增加，数值逐渐减小．同理，在图6的弹性模型下也能得到此规律．