地基計算應選哪個模型

1、Word文檔 地基計算應選哪個模型？ 地基基礎相對于結(jié)構(gòu)抗震來說，其實踐性更強，像抗震那樣試圖系統(tǒng)的前后規(guī)律連貫的寫，我的力量實在差距太大。所以我想還是就我思索理解的關于地基基礎存在的一些基本概念，用零散文章的方式和大家共享溝通，或許更合適，但也會盡量兼顧到文章的前后規(guī)律關系。 抗震的難點是我們永久無法知道某個地點、將來的某個時刻會發(fā)生什么樣的地震波，所以抗震本質(zhì)上是概率科學。而地基基礎（實際應當是地基）是即使化學家告知了我們土的原子的組成和分子之間的排列，我們?nèi)耘f不知道土在某種建筑的壓力下，會精確的變成什么樣子，這就是地基基礎的難點。 所以地基科學在結(jié)構(gòu)設計中是最不科學的科學，相對來說更接近

2、于閱歷。但人類的大腦總是試圖把閱歷的東西變成概念或叫理論，雖然先天性的打算了這種理論大部分內(nèi)容還是閱歷。一個建研院地基所的博士伴侶說過：地基科學方向比數(shù)據(jù)更重要，我深以為然， 先從工程師們不太關注的地基計算模型談起吧。我對傳統(tǒng)教材就該部分內(nèi)容論述的有一些思索和幾個困惑，盼望和大家溝通。 基礎設計最大的難點是如何描述地基對基礎作用的反應，即確定基底反力與地基變形之間的關系，這就需要建立能較好反映地基特性又能便于分析不同條件下基礎與地基共同作用的地基模型。 地基模型一般可以分為三大類，線彈性地基模型、非線彈性地基模型和彈塑性地基模型。實際上其次、三種模型工程實際應用不多?，F(xiàn)在工程應用的地基基礎模型

3、和計算軟件基本都是采納第一種即線彈性地基模型。 幾乎全部的土力學教材中講到線彈性地基模型中，都分為三個模型： （1）溫克爾地基模型（模型1）； （2）彈性半無限空間地基模型（模型2）； （3）規(guī)范的計算沉降的分層總和法地基模型（模型3）。 這三種模型一個共同的條件是地基與基礎的靜力平衡與變形協(xié)調(diào)條件。變形協(xié)調(diào)的意思就是基礎的變形與地基變形相同，基礎與地基保持接觸，無脫開現(xiàn)象。 但我始終有疑問？，我的疑問不是講三個模型的實質(zhì)內(nèi)容的正確與否，是認為三個模型在概念上交叉模糊，讓讀者費解，應當把三個模型的相互交叉的部分的異同點條理化更清晰一些。 一：教材上三個模型的概念 （1）溫克爾假設土體之間沒有相

4、互作用，即互不關聯(lián)的土柱彈簧，彈簧系數(shù)或基床系數(shù)。 基床系數(shù)的概念只消失在溫克爾地基模型理論中，別的地方?jīng)]有提及。物理意義是地基在壓強與該處地基土的變形的比值。單位是 （2）彈性半無限空間地基模型，實際依據(jù)是布辛內(nèi)斯克理論公式。 地基表面某點的沉降為：這里的E是地基土的變形模量。 彈性半空間模型與文克爾地基模型最大的區(qū)分就是，地基表面的沉降不僅與該點的荷載相同還與其四周的荷載親密相關，較之于溫克爾模型，彈性半空間模型更接近實際狀況。 （3）規(guī)范的分層總和法的有限壓縮模型。 該模型理論依據(jù)還是布辛內(nèi)斯克基本理論，只是模量參數(shù)為把地基當成側(cè)限條件下的有限深度的壓縮土層，以分層總合法為基礎，建立地基

5、壓縮層變形與地基作用（荷載）的關系的參數(shù)。 見基礎工程教材： 上述的三個模型，不同的教材我看過許多遍，每次都感覺條理不是很清晰，幾乎全部的教材都分成這三個模型。但三種模型的概念好像交織在一起，使人理解起來很困難。莫非幾十年來我們都在學習的教材的學問在論述和條理上還會有問題嗎？ 搞技術的人最珍貴的品質(zhì)是單獨思索，我把我的疑問和思索寫出來和大家探討，即使這種理解是錯誤的，通過爭論也會更加明白三種模型的特點和應用范圍。 二：模型的困惑 1、手冊上給出的基床系數(shù)的參考值，是單純土層的基床系數(shù)。 比如某堅硬粘性土層的基床系數(shù)為100000KN/M，意思是一個完全是粘性土的半空間無限地基當每平米擔當100

6、噸時地基的變形為0.01米。那這個概念實際是和第2模型的現(xiàn)場實測的變形模量的概念類似，只是沒有考慮土體之間的相相互互作用。 幾乎全部的土層都是分層的，手冊給出的這個表格的意義并不大。分層土要得出綜合土層的基床系數(shù)目前軟件是反推，反推的公式 所以模型1的溫克爾的基床系數(shù)其實應當是分層總和后的基床系數(shù)。 但模型3的命名叫分層總和法模型，讓人理解其它的兩個模型不是分層總和的，至少在命名上讓人誤會。 溫克爾模型與分層總和法模型主要區(qū)分不是是否進行了地基土的分層總和，而是是否考慮了土體之間的相互作用。 2：地基土是一個連續(xù)的介質(zhì)，地基的沉降不僅僅和該點的荷載有關也與整個地面荷載有關，嚴格講溫克爾模型實際

7、是不存在的。但對于軟土和壓縮層較薄時，溫克爾地基模型計算的結(jié)果基本符合實際狀況。但較之于溫克爾模型，彈性半空間模型更接近一般的實際狀況。 但為什么我們始終還在講溫克爾模型呢？ 溫克爾 (Winkler)于1867年建立了地基模型，而電子管計算機是20世紀中期的事。法國數(shù)學家布辛內(nèi)斯克(J. Boussinesq )幾乎和溫克爾同時提出了計算地基土應力的布辛內(nèi)斯克解。 我信任溫克爾肯定知道溫克爾模型不考慮土柱之間的相互作用是不合理的，但只有這樣簡化才可能進行基礎與地基相互關系的解析解推導。看下這個溫克爾地基梁的解析解的方程： 設想一下，采納考慮布辛內(nèi)斯克的土體之間相互作用的基礎和地基的變形關系這

8、個微分方程是不行能列出來的。所以溫克爾模型是那個年月不得已而為之的一個方法。當然溫克爾也有很大價值和使用范圍，這個不再詳述。 溫克爾模型來源于過去手算和過去計算機不發(fā)達無法進行大量數(shù)據(jù)運算的一個簡化模型。在計算機發(fā)達的今日，考慮整風光荷載的彈性半空間的地基模型應當計算上不是問題了，所以溫克爾應當被淘汰了。但作為最基本的概念和溫克爾解析解教材是特別有必要講解清晰，當然更應當講清晰的是溫克爾的產(chǎn)生的年月和它的應用范圍。 目前大部分的軟件和工程師在設計中還是采納的溫克爾模型，不合理。 3：彈性半無限空間地基模型實際是布辛內(nèi)斯克理論公式。 布辛內(nèi)斯克公式是一個理論，可以數(shù)學上推來推去得出許多公式。我們

9、規(guī)范上的不同荷載外形的地基附加應力系數(shù)的角點法就是通過這個公式推倒出來的。 布辛內(nèi)斯克理論公式一旦用于實際必定要確定其計算參數(shù)，這就是變形模量（土的泊松比一般變化不大可查表），因變形模量是沒有側(cè)限下的得出的壓縮特性，所以實際應用中變形模量只能現(xiàn)場平板試驗得到。這個壓縮模量本質(zhì)也是不同土層的綜合下的變形模量，所以也是分層總合的，只是和規(guī)范給出的分層總合法采納的有側(cè)限的壓縮模量地基不一樣。規(guī)范的分層總合法用的是試驗室得到的各層土的模量，再綜合計算，而半彈性空間模型用的是現(xiàn)場試驗得到的實質(zhì)也是綜合的變形模量。還有一點區(qū)分就是規(guī)范的分層總合法由于有側(cè)限所以沒有泊松比地基計算 壓縮模量和變形模量理論上還

10、是還是可以互換的，即： 其次個模型和第三個模型本質(zhì)上就是一個模型了，都是考慮分層總合下的半空間彈性體的分析?？梢云鹨粋€名字叫做：分層總和的半空間彈性地基土模型。 在實際運用時可以依據(jù)不同的狀況采納不同的計算參數(shù)或，但地基基礎計算模型是一樣的。教材上分成兩個模型講解，讓人感到迷惑。應當分成兩個不同的參數(shù)講解，會使人們更加清晰布辛內(nèi)斯克理論的原理和兩種不同模量參數(shù)的概念。 4：溫克爾模型（模型1）與第2、第3模型（實質(zhì)是一個模型）本質(zhì)的區(qū)分就是是否考慮了土之間的相互作用，分為兩個模型是可以的，但明顯從概念上溫克爾有很大的缺陷，所以現(xiàn)在大部分狀況下不應當使用。 現(xiàn)在的軟件有修正的溫克爾模型，是考慮了

11、土體之間的相互影響，但這個修正的溫克爾模型實質(zhì)豈不是和本質(zhì)為一個模型的的第2、3模型又成了一個模型了嗎？ 這樣三種模型就應當合并為一種模型，統(tǒng)稱為彈性地基模型。依據(jù)不同的狀況，采納不同的模量參數(shù)，而對于特別狀況下的確無需考慮土體之間的相互作用時，可以將地基變形的柔度矩陣的非對角數(shù)據(jù)改為0即可，就成了溫克爾假定了。 按教材劃分為3個模型實際上概念上相互交叉，重疊許多，理解起來很困難，這個是個人的一點稚嫩的看法。 三：彈性地基模型的計算分析 1：一般的教材給出了溫克爾模型的彈性地基梁的解析方法。由于溫克爾簡化的假定土體之間沒有相互作用，所以才使使用微分方程的解析法成為可能，這也也許是溫克爾不得已而

12、為之的方法吧。 2：現(xiàn)代的計算機有限元采納的是差分數(shù)值解法。所以變形與力之間的柔度矩陣可以很便利的綜合溫克爾和彈性半空間模型的兩個柔度矩陣。第2、第3模型的柔度陣是滿陣即考慮了荷載分布的影響，而溫克爾的柔度矩陣為對角陣，相互影響的參數(shù)為0。 3：第2和第3模型計算程序上沒有任何區(qū)分，柔度矩陣的形式完全相同，只是詳細的數(shù)值不同，一個采納的現(xiàn)場壓板試驗本質(zhì)已經(jīng)綜合的變形模量，一個是試驗室各層土體壓縮模量進行分層總和后并按規(guī)范的閱歷系數(shù)進行調(diào)整后的的綜合模量，模型本質(zhì)上并無不同，同濟高校的土力學教材上就說： 理論上兩種模量是可以互換的 4：現(xiàn)場的試驗的變形模量由于沒有側(cè)限，理論上變形模量小于壓縮模量，但實際狀況要比理論簡單的多的多。實際的地基土的模量許多變形模量大于壓縮模量，有巖土的文章說兩種模量有時會大10倍以上。兩種模量都是人們試圖熟悉土體本質(zhì)特性的一個手段，前文講過，我們不行能精確的熟悉土體，所以任何手段都存在缺陷，應當理解各種參數(shù)的意義和局限，以便正確恰當?shù)倪\用。故有專家說：地基設計的方向比數(shù)值更重要，我頗為贊同。 5：一般的教材都講到了溫克爾模型的關于基礎梁和地基變形之間關