一种大面积堆载引起的水平位移计算方法及计算系统与流程

本发明属于地基处理
技术领域：
，特别涉及一种大面积堆载引起的水平位移计算方法及计算系统。
背景技术：
：近年来，在城市建设中，大面积堆载工程越来越多，如大面积堆载预压地基处理工程，大面积堆山造景工程、大面积渣土消纳工程等，堆载宽度往往达到百米甚至千米以上，如舟山某大面积堆载预压地基处理工程，堆载面积达400万m2，上海某大面积渣土消纳工程，堆载面积达350万m2。堆载引起的土体水平位移作用可能导致邻近建筑物基础产生附加变形，尤其是大面积堆载具有荷载作用范围广、堆载压力大、影响深度深的特点，其土体水平位移场的合理确定将直接影响工程安全。大面积堆载作用下，水平位移场的影响因素众多，目前尚无比较简便的确定方法。工程中主要有两类方法预测大面积堆载作用下的水平位移，一是理论推导解析解，但理论推导假设地基土为均匀、连续、各向同性的半无限空间弹性体，与实际不符，土体压缩模量随深度增加明显增大，理论解计算深部水平位移往往较实际水平位移偏大，并且一般理论计算中变形参数采用室内试验成果，土样扰动也给参数取值带来一定误差；二是数值模拟，有限元方法涉及较多的简化和假定，影响因素具有多样性、复杂性、模糊性及不确定性，导致使用该方法时人为干扰性较强，降低了实用价值。因此，有必要提出一种大面积堆载引起的水平位移计算方法，不仅满足工程精度要求，而且便于工程应用。技术实现要素：本发明的目的是提供一种大面积堆载引起的水平位移计算方法及计算系统，该计算方法基于布西奈斯克解推导弹性半无限空间大面积堆载引起的水平位移解析解，根据工程经验确定堆载引起水平位移最大深度，根据原位测试成果计算变形参数，并对最大水平位移发生深度以下的变形参数进行深度修正，从而代入解析解获得符合实际的水平位移场任意位置的变形值，最终形成一种基于布西奈斯克解和原位测试的大面积堆载作用下土体水平位移修正计算方法。本发明的技术方案是，一种大面积堆载引起的水平位移计算方法，其包括：(1)根据布西奈斯克解推导出大面积堆载引起的水平位移解析解；(2)确定堆载引起最大水平位移发生深度zmax；(3)根据原位测试成果计算各深度水平向压缩模量和泊松比；(4)对于zmax以下土层的水平向压缩模量乘以深度修正系数ψ＝z/zmax；其中，z为深度；(5)将修正后的水平向压缩模量及其他已知计算参数代入布西奈斯克解推导出的大面积堆载引起的水平位移解析解，即可计算出水平位移场任意位置的变形值。本发明的进一步改进在于：步骤(2)中，确定堆载引起最大水平位移发生深度zmax的过程包括：计算竖向位移影响深度h；根据堆载引起最大水平位移发生深度zmax与竖向位移影响深度h的相关关系，求得最大水平位移发生深度zmax。本发明的进一步改进在于：所述竖向位移影响深度h通过应力控制法或应变控制法确定。本发明的进一步改进在于：所述原位测试方法包括静力触探、标准贯入、旁压、扁铲。本发明的进一步改进在于：步骤(5)中，所述已知参数包括测点位置距离荷载中心点的水平距离x、测点位置的深度z、均布荷载q、土层泊松比υ、水平向压缩模量e、以及荷载作用宽度b。本发明还包括一种大面积堆载引起的水平位移计算系统，其包括：竖向位移影响深度计算模块，用于通过应力控制法或应变控制法的方式确定堆载引起的竖向位移影响深度h；最大水平位移发生深度计算模块，用于根据所述竖向位移影响深度计算模块输出的竖向位移影响深度h，并基于堆载引起最大水平位移发生深度与竖向位移影响深度h的相关关系，确定堆载引起最大水平位移发生深度zmax；参数修正模块，基于原位测试成果计算各深度水平向压缩模量和泊松比，对最大水平位移发生深度zmax以下土层的水平向压缩模量进行参数修正，修正方式为对最大水平位移发生深度zmax以下土层的水平向压缩模量乘以深度修正系数ψ＝z/zmax，其中，z为深度；位移求解模块，用于将修正后的水平向压缩模量及其他已知计算参数代入布西奈斯克推导的大面积堆载引起的水平位移解析解进行水平位移求解；绘图模块，用于位移求解模块的输出结果，绘制大面积堆载作用下，任意位置处沿深度变化的水平位移曲线和/或绘制水平位移云图。本发明的有益效果为：本发明提出一种大面积堆载引起的水平位移计算方法及计算系统，基于弹性力学理论推导出大面积荷载作用下地基土水平位移的解析式，从而实现水平位移场任意位置变形值的计算；对变形参数进行深度修正，从而解决半无限空间中水平位移随深度增加不收敛，与工程实际不相符合的问题；采用原位测试方法确定压缩模量，从而使参数更加精确。本方法便于工程应用，且经过多项工程验证计算精度能够满足工程要求。附图说明图1是本发明大面积堆载引起的水平位移计算方法的流程图。图2是一个具体实施例中堆载预压引起的水平位移实测结果与本发明方法计算结果的对比图；图3是大面积堆载引起的水平位移计算系统的结构框图。具体实施方式如图1所示，本发明的实施例提供一种大面积堆载引起的水平位移计算方法，该方法包括以下步骤：(1)根据布西奈斯克解推导出大面积堆载引起的水平位移解析解，其表达式为：其中，u—水平位移(m)；x—测点位置距离荷载中心点的水平距离(m)；z—测点位置的深度(m)；q—均布荷载(即大面积堆载的附加应力，单位kpa)；υ—土层泊松比；e—水平向压缩模量(kpa)；b—1/2荷载作用宽度(m)。(2)确定堆载引起最大水平位移发生深度zmax。在本步骤中，首先计算竖向位移影响深度h，随后根据堆载引起最大水平位移发生深度zmax与竖向位移影响深度h的相关关系，求得最大水平位移发生深度zmax。竖向位移影响深度h通过应力控制法或应变控制法确定。所述应力控制法是当附加应力与自重应力等于某一比值，则该深度作为竖向位移影响深度的方法；所述应变控制法是当某深度处一定厚度土层的压缩量与总压缩量小于等于某一比值，则该深度作为竖向位移影响深度的方法。在一个具体实施例中，确定大面积土体堆载的竖向位移影响深度h时，应结合当地土层条件、工程经验等，将大面积堆载的附加应力与土体的前期固结之比作为确定竖向位移影响深度h的指标，上海地区当满足式(2)时，可认为该层顶面为竖向位移影响深度：p0/pc<0.2～0.8(2)式中：p0为均布荷载，即大面积堆载的附加应力，单位kpa，本项目附加应力为80kpa；pc为天然土先期固结应力，单位kpa；比值应结合当地土层条件、工程经验等综合确定。本实施例中典型古河道地层如表1所示，下卧地层前期固结压力pc＝300kpa，因此取下卧层层顶为竖向位移影响深度：h＝50m。根据当地工程经验，结合有限元分析的方式，建立堆载引起最大水平位移发生深度与竖向位移影响深度的相关关系：正常地层(软黏土厚度25～30m)：zmax＝0.5h古河道地层(软黏土厚度60～70m)：zmax＝0.4h(3)本实施例土层软弱，zmax＝0.4h＝20m。表1具体实施例中的典型地质情况(3)根据原位测试成果计算各深度水平向压缩模量和泊松比。原位测试方法包括但不限于静力触探、标准贯入、旁压、扁铲。在一个具体实施例中，原位测试采用静力触探，以深度z＝15m和z＝40m为例，比贯入阻力ps值分别为：0.59mpa和1.23mpa，根据上海市静力触探技术规程，基于ps估算压缩模量es，可采用公式(4)：es＝2.2ps+1.9(4)计算深度z＝15m和z＝40m处的压缩模量为3.20mpa和4.60mpa，计算深度z＝15m和z＝40m处分别为淤泥质粉质黏土和黏土夹粉质黏土，泊松比分别为0.45和0.40。(4)对于zmax以下土层的水平向压缩模量乘以深度修正系数ψ＝z/zmax；其中，z为深度。上述修正的依据为：随着深度增加，深部土体受到土体围压侧向约束作用，水平位移增量明显减小，理论解基于弹性半无限空间假设随着深度水平位移无限发展，因此需要深度修正，使得理论计算与实际相符合。上述修正方式为分析了大量水平位移发展曲线后，将统计数据与理论分析相结合提出的修正方法。本实施例中zmax＝20m以下土层的水平向压缩模量乘以深度修正系数ψ＝z/zmax，因此计算深度z＝40m处水平向压缩模量修正值为e＝ψesh＝2esh＝9.2mpa。(5)将深度修正后水平向压缩模量、土层泊松比和各已知计算参数(见表2)代入式(1)，即可计算出各点水平位移，计算结果如下表所示。计算位置处(x＝70m)沿着该深度方向定距取点进行计算，即可获得大面积堆载作用下沿深度变化的水平位移曲线，与实测深层水平位移曲线对比，如图2所示，可见计算结果与实测结果较为接近。表2均布荷载作用下水平位移解析解的计算参数及计算结果q(kpa)υz(m)e(mpa)x(m)b(m)u(m)800.45153.2070200-0.11800.40409.2070200-0.04上述过程中，既可以根据单孔原位测量结果，即根据不同深度处的原位测试结果估算相应深度处土体变形参数。也可以根据区域测量结果平均值，即原位测试在区域内按一定间距布设，测定不同地层的土体参数，根据勘察报告提供区域内各土层的变形参数(平均值)计算。如图3所示，本发明的实施例还包括一种大面积堆载引起的水平位移计算系统，用于实施上述的大面积堆载引起的水平位移计算方法，其包括：竖向位移影响深度计算模块，用于通过应力控制法或应变控制法的方式确定堆载引起的竖向位移影响深度h；最大水平位移发生深度计算模块，用于根据所述竖向位移影响深度计算模块输出的竖向位移影响深度h，并基于堆载引起最大水平位移发生深度与竖向位移影响深度的相关关系，确定堆载引起最大水平位移发生深度zmax；参数修正模块，基于原位测试成果计算各深度水平向压缩模量和泊松比，对最大水平位移发生深度zmax以下土层的水平向压缩模量进行参数修正，所述修正方式为对最大水平位移发生深度zmax以下土层的水平向压缩模量乘以深度修正系数ψ＝z/zmax，其中，z为深度；位移求解模块，用于将修正后的水平向压缩模量及其他已知计算参数代入布西奈斯克推导的大面积堆载引起的水平位移解析解进行水平位移求解；绘图模块，用于位移求解模块的输出结果，绘制大面积堆载作用下，任意位置处沿深度变化的水平位移曲线和/或绘制水平位移云图。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本
技术领域：
中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。当前第1页12