地基承载力研究进度

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地基承载力研究进度

内容摘要：地基承载力研究进度

引言

地基承载力一直是岩土工作者关注的一个重要问题。能否正确确定地基承载力，直接影响建筑物的安全和正常使用，而且还影响整个建筑物的投资成本和工程进度。

地基承载力基本概念及其确定方法

1.1 地基承载力概念
   所谓地基承载力就是指地基同时满足强度和变形两个条件时，即：满足地基强度不破坏，地基变形或不均匀沉降不致过大的条件，单位面积所能承受的最大荷载。地基在不同状态下有不同承载力，像临塑承载力，临界承载力和极限承载力。
1.2地基承载力确定方法
   地基承载力确定方法总的有三大类，有理论计算、现场原位测试和承载力经验数据表方法，本文主要介绍载荷试验确定地基承载力的方法。首先我们看下地基应力与应变的关系。如图，荷载与沉降量典型曲线可分为三个变形阶段，（1）压密阶段，荷载较小时，P<P₀(比例界限)时，地基被压密；（2）局部剪损阶段，当荷载增大时，P>P₀时，荷载与变形之间不再保持直线关系，曲线上的斜率逐渐增大，曲线向下弯曲，表明荷载增量相同情况下沉降量越来越大。此时，地基土在压板边缘下局部范围发生剪损，塑性变形区逐渐扩大，压板沉降量显著增大；（3）完全破坏阶段当荷载继续增大时，在P>P_u后，压板连续急剧下沉，地基土中的塑性变形区已联成连续的滑动面，地基土从压板下被挤出来，在试坑底部形成隆起的土堆，此时，地基已完全破坏，丧失稳定。
   由载荷试验结果确定地基承载力特征值方法有^[1]

当P-S曲线上有比例界限a时，取该比例界限a对应的荷载值；
当极限荷载Pu能确定，且Pu<2P₀时，取极限荷载的一半；
不能按上述（1）（2）要求确定时，当压板面积为0.25~0.50m²，可取s/d=0.01~0.015所对应的荷载值，但其值不应大于加载量的一半。

地基承载力计算历史

2.1 我国地基承载力计算历史
我国学者黄文熙在土的强度和变形及本构关系方面，陈宗基在粘土微观结构和土流变方面，钱家欢在土流变土工抗震方面，沈珠江在软土本构关系方面都做出流贡献^[2]。
1984年，顾慰慈通过假定滑动面是由两段直线夹一段对数螺线组成，且地基土服从库仑破坏准则，推导了倾斜荷载作用下的层状地基的极限承载力的近似计算公式。1987年，陈希有等推导了具有各向异性和非均质性的土上条形基础的极限承载力公式，指出土的抗剪强度的各向异性和非均质性对条形基础的极限承载力有较大影响^[3]。1992年，徐守国^[4]用土体抗剪强度发挥系数m推导了坡顶距为零的邻坡地基和斜坡地基的极限承载力。1999年，王年香^[5]根据莫尔-库仑屈服准则推导了半无限土坡在坡顶竖向荷载作用下的应力计算公式，指出半无限土坡在坡顶竖向荷载作用下经历一个弹性一个塑性的变化过程，并给出了半无限土坡的临塑荷载和极限荷载系数的计算图表。2004年，张永兴^[6]通过对边坡岩石地基分析，指出考虑到一侧临空面的出现使侧压力减小，必须对正承载力进行修正。
2.2 国外地基承载力计算历史
朗肯于1857年研究了半无限土体在自重作用下，处于极限平衡状态的应力条件，推导出了土压力计算公式，即著名的朗肯土压力理论，并且首次提出了地基极限承载力理论公式。法国学者库仑研究了挡土墙后滑动楔体达到极限平衡状态时，用静力平衡方程解出中作用于墙背的土压力，于1776年提出了著名的库仑土压力理论和库仑定律，推动了地基承载力计算理论的发展。普朗特（Prandtl）1920年根据塑性理论，研究了刚性冲模压入无质量的半无限刚塑性介质中，导出了介质达到破坏时的滑动面形状和极限压力公式。随后太沙基（K.Terzaghi 1943）推出了著名的太沙基公式：P_u=

，此公式适用于基础底面粗糙的条形基础。应用太沙基极限荷载公式进行基础设计时，地基承载力为f=Pu/K，式中K为地基承载力安全系数。由于当地基土的内摩擦角等于零时，太沙基公式难以利用。斯凯普顿（Skempton）提出了极限荷载的半经验公式：P_u=5c(1+0.2

)(1+0.2

d；当地基受倾斜荷载作用时，太沙基公式和斯凯普顿公式都无法解决。后来汉森（B.Hansen.）提出了中心倾斜荷载作用地基承载力计算公式,Pu=

bNSi+cN_cS_cd_ci_c+qN_qS_qd_qi_q。

地基承载力研究现状

传统的地基承载力计算理论主要有太沙基、魏西克、斯凯普顿、汉森和梅耶霍夫等提出的各种经验和半经验的计算公式。由于科技的进步和社会发展对建筑物要求越来越高，所以出现了各种加载条件，各种复杂地层情况，故岩土工作者必须借助新的分析方法和计算技术来计算地基承载力。目前，地基承载力理论主要包括三种方法：极限平衡法、滑移线法和极限分析法。

（1）复合加载条件下地基承载力研究现状
在以往地基承载力研究中，采用荷载倾斜影响系数近似地考虑水平荷载对竖向承载力的降低作用，采用梅耶霍夫有效宽度假定考虑荷载偏心的影响。实际上在水平荷载、竖向荷载和力矩共同作用的复合加载条件下地基承载力是一个三维问题。近期栾茂田^[7]，Martin、Bransby与Randolph，Taiebat与Carter 的研究表明:在荷载空间内存在一个三维曲面，称为地基的破坏包络图，它不依赖于加载路径，由引起地基破坏时的各种荷载分量(水平荷载H、竖向荷载V和力矩M)组合构成。目前关于确定地基破坏包络图的形状的研究主要集中在不排水条件下的破坏模式。所建议的各种地基破坏包络图可以表达成下面一般形式

式中A，B分别为基础基底面积和宽度或直径;Su为基底下覆土的不排水抗剪强度。

（2）双层地基的承载力研究现状
可采用极限平衡法、极限分析法求解。当下面土层土体强度低于上层土体时，地基达到破坏前时往往发生很大的沉降，此时小变形假定不再成立。Wang和Carter利用大、小变形理论分别计算两层土体为纯粘性土时承载力系数，发现大变形理论所得结果大于小变形理论所得结果，对圆形基础两者差异更大，这表明通常基于小变形假定所得的承载力偏于保守。自然界中，地基通常是由多种不同土层构成。对这一复杂问题目前还没有可靠的计算方法。栾茂田等利用变分法给出了一般多层非均质地基极限承载力的上限值。

（3）确定任意形状临界滑动面位置的方法的研究现状
目前任意形状临界滑动面确定的方法大致分为4类:动态规划法、变分法、非线性规划法及随机搜索法。这些方法虽有成功的例子，但是没有从根本上解决求解普适性、收敛性等问题。朱大勇^[8]近年来发展了一种新的边坡稳定性计算方法——临界滑动场法，圆满地解决长期困扰边坡工程界一个重大理论难题即准确确定任意形状临界滑动面位置。

地基承载力研究发展方向

地基承载力课题经过国内外的许多学者的不懈努力，取得了巨大成就。但仍存在很多问题需要进一步的深入研究，（1）在理论研究方面，现有的边坡地基破坏模式有待于进一步研究改进；（2）准确评估多层地基的承载力的方法还需要进一步的研究；（3）确定边坡地基的极限承载力，不仅需要满足基底地基土体的承载力，而且其沉降或位移差应满足建筑物使用要求。因此，应该讨论边坡地基上基础的荷载和位移的关系。

参考文献：
[1] 陈希哲土力学地基基础(第三版)．北京：清华大学出版社，1998．
[2] 赵树德土力学北京：高等教育出版社，2006
[3] 陶国平边坡地基稳定性相关问题研究．重庆大学硕士学位论文 2007．
[4] 徐守国.斜坡上地基承载力的研究.西安公路学院硕士学位论文，1992
[5] 王年香，魏汝龙.半无限土坡弹塑性应力的计算.南京水利科学研究院水利水电科学研究.1993，3（1）
[6] 张永兴等.岩石力学.中国建筑工业出版社，2004
[7] 栾茂田等土工建筑物与边坡研究进展综述中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集 2003
[8] 朱大勇边坡全局临界滑动场方法与应用（Ⅰ）——理论基础水利水电科技进展 2000

责任编辑：中宾科技