壓縮層

壓縮層是指，在建築物基礎荷載下，地基土中產生絕大部分沉降量的土層的總和。壓縮層厚度是其重要的研究信息。

對於均質土體，在相同荷載作用下，當土的壓縮模量越大，土的壓縮層厚度越小；對於上軟下硬土體，下部硬土層的存在會減小土體的壓縮層厚度；對於上硬下軟土體，下部軟土層的存在會增加土體的壓縮層厚度。在計算土體的壓縮層厚度時，要考慮土體的壓縮模量對於單一的均質土體而言，土越硬，壓縮層厚度越小；且當下部土體的壓縮模量大於持力層土體的壓縮模量時，要對土體的壓縮層厚度進行一定的折減；當下部土體的壓縮模量小於持力層土體的壓縮模量時，要增加土體壓縮層厚度。

基本介紹

  • 中文名：壓縮層
  • 外文名：compressed layer
  • 主要特徵：壓縮層厚度
  • 厚度確定方法：應變比法、應力比法
  • 套用學科：岩土力學
簡述,壓縮層厚度的確定方法,FLAC-3D數值模擬,內容,結論與分析,油罐地基壓縮層,研究現狀,工程實例,場地條件及計算參數,計算結果,結論,附表,

簡述

壓縮層是指，在建築物基礎荷載下，地基土中產生絕大部分沉降量的土層的總和。壓縮層厚度是其重要的研究信息。
對於均質土體，在相同荷載作用下，當土的壓縮模量越大，土的壓縮層厚度越小；對於上軟下硬土體，下部硬土層的存在會減小土體的壓縮層厚度；對於上硬下軟土體，下部軟土層的存在會增加土體的壓縮層厚度。

壓縮層厚度的確定方法

對於地基壓縮層厚度的確定，不同規範和不同地區所採用的方法是不太一致的，但是歸結起來，也不外乎應力比法和應變比法兩類。應力比法採用地基附加壓力與土自重壓力之比為0.2或0.1為控制計算深度的標準。應變比法是指地基壓縮層厚度自基礎底面算起，算到某一深度土層的壓縮量滿足一定條件作為沉降計算的終止條件，即在計算深度向上取厚度為Δz的土層計算變形值Δs′n與計算深度範圍內每層土的計算變形值之和不大於0.025，即
應力比法過多的考慮了荷載對地基壓縮層厚度的影響，而忽略了土的基本性質，即未考慮土的壓縮性、土的類別的影響。有文獻指出：荷載大小隻影響總沉降量的變化，對地基壓縮層深度並無影響，地基壓縮層深度主要與基礎面積的大小以及地基土類有直接關係；變形比法考慮了土的壓縮性，但未考慮土的類別以及基礎面積對壓縮層深度的影響。因為這兩種方法對土的構造與性質都考慮不足，計算出壓縮層厚度與實測值仍有一定的差距。
地基土這種特殊物質，由於其生成年代、生成環境以及物質成分的不同，其工程特性十分複雜、多變。不僅各種土的壓縮模量不同、在不同的附加應力之下土的壓縮模量會發生改變，而且土的成層性質、土的軟硬互層性質，這些均對土的壓縮層厚度產生影響。

FLAC-3D數值模擬

FLAC-3D是由美國ITASCA諮詢集團公司開發的三維快速拉格朗日分析程式，已成為岩土力學計算中的重要數值方法之一。具有強大的計算功能和廣泛的模擬能力。

內容

均質土體在荷載作用下當壓縮模量不同時的壓縮層厚度的變化
（1）FLAC3D模型的建立。
土體的本構模型選取FLAC3D中提供的Mohr-Coulomb模型，因為整個模型的邊界和荷載是對稱的，取其四分之一建立幾何模型，模型大小40m×20m×50m。根據加荷的影響大小確定格線的尺寸為2m×2m×1m。
首先計算在重力荷載下至初始平衡。然後在X為0-5m，Y為0-2m，Z為50m的模型頂部施加均布荷載150kPa，選取一組不同的壓縮模量進行計算，所得的壓縮層厚度如表1及圖1所示。當基礎中心點下土體某點的豎向壓縮量為5mm時，認為其下部土體的壓縮對基礎的沉降已無影響，所以取該點的豎向坐標為土體的壓縮層厚度。
（2）結果分析
表1　均質土體的壓縮模量與壓縮層厚度的關係
彈性模量E
（MPa）
2.5
5
7.5
10
15
20
25
30
35
40
壓縮層厚度Zn（m）
43.8
38.4
34.5
30
25
20.3
17.5
15
13
11.5
可以看出，在基底附加壓力不變的條件下，壓縮層厚度隨壓縮模量的增大而減小。這表明壓縮層厚度的大小與土質有很大關係，對於單一的均質土體而言，土越硬，壓縮層厚度越小。
具有分層的土體在荷載作用下壓縮層厚度的變化
自然界中存在的土體大都並非單一的均質土體，而是具有分層、軟硬互夾的土層，下面用FLAC3D建立一組模型，探討具有分層的軟硬土體在荷載作用下壓縮層厚度的變化規律。
（1）FLAC3D模型的建立。
本構模型和參數的選取：仍然採用模型大小40m×20m×50m。根據加荷的影響大小確定格線的尺寸為2m×2m×1m。首先在重力荷載下計算至初始平衡。然後在X為0-5m，Y為0-2m，Z為50m的模型頂部施加均布荷載150kPa，逐步增加上覆土體的厚度，減小下部土體的厚度，進行平衡計算，並觀察壓縮層厚度的變化。
（2）結果分析
軟硬互層土體在荷載作用下的壓縮層厚度如表2、圖2所示。壓縮層厚度的取值與上節相同。
從圖2中可以看出：
（1）對於具有兩層的上軟下硬土體，在相同荷載作用下，隨著上部軟土層的增厚，土的壓縮層厚度有所增加，但幅度很小。
（2）對於具有兩層的上硬下軟土體，在相同荷載作用下，隨著上部硬土層的增厚，土的壓縮層厚度有所減小，但幅度很小。
（3）上硬下軟土的壓縮層厚度明顯大於上軟下硬土的壓縮層厚度，這表明土體的壓縮層厚度不僅與本身持力層土的壓縮模量有關，且與其下部土體的軟硬性質有關。
表 2 雙層地基在荷載作用下的壓縮層厚度
上部土層厚度/m
2
5
7
10
15
20
25
30
35
上軟下硬土的壓縮層度/m
29
29.3
30
30.3
31
31
31.5
32.1
33.4
上硬下軟土的壓縮層度/m
41.7
39.2
38.3
37.9
37
37.8
37.4
37
36.8

結論與分析

本文用FLAC數值模擬的方法分析了相同荷載作用下均質土體及具有分層的軟硬土體的壓縮層厚度變化，所得結論如下：
（1）比較表1與表2，Es=5MPa的均質土體壓縮層厚度為38.4m，大於上部Es=5MPa、下部Es=15MPa的分層土體的的均值31m，說明由於下部硬土層的存在減小了土體的壓縮層厚度。
（2）比較表1與表2，Es=15MPa的均質土體壓縮層厚度為25m，小於上部Es=15MPa、下部Es=5MPa的分層土體的均值38m，說明由於下部軟土層的存在增加了土體的壓縮層厚度。
根據本文的分析結果，在計算土體的壓縮層厚度時，要考慮土體的壓縮模量對於單一的均質土體而言，土越硬，壓縮層厚度越小；且當下部土體的壓縮模量大於持力層土體的壓縮模量時，要對土體的壓縮層厚度進行一定的折減；當下部土體的壓縮模量小於持力層土體的壓縮模量時，要增加土體壓縮層厚度。

油罐地基壓縮層

研究現狀

對油罐地基的沉降分析，其壓縮層厚度的確定，主要有以下幾種方法:
（1）應力比法，包括σz≤ 0.1σc或σz≤ 0.2σc。作用於地基土上的附加應力隨深度的增加而減小，認為當附加應力小於土的自重應力的0.1或0.2倍時，該深度以下土層的壓縮量可忽略或基本沒有。
（2）變形比法，即ΔS'n≤ 0.025Sn。計算深度Zn處向上取1m厚度內土層的壓縮量小於Zn深度範圍內壓縮量的0.025倍，就認為該深度處以下土層的壓縮量可忽略。
（3）對油罐地基，賈慶山根據大量的工程實踐，給出了油罐地基壓縮層厚度確定的經驗公式，即Zn=0.6D，D為油罐的直徑。
（4）根據σz≤ Pc來確定。有學者在研究土的壓縮機理時認為土顆粒間存在著一定的連結強度，土體在外荷載作用下產生的應力由一土顆粒傳到另一土顆粒，當粒間應力不超過連結強度時，土的結構僅產生彈性變形，外力作用終止後，變形立即恢復;當應力超過接觸點的連結強度時，土結構破壞，土顆粒產生相對位移，從而引起土的壓密。即，當達到某一深度附加應力小於連結強度Pc時，並不產生土的沉降，那么這一深度就是壓縮層的下限。Pc由公式Pc= Cz+ Pztg φz給出，其中，Pz為土的自重壓力，Cz、φz為深度z處土的粘聚力與內摩擦角。

工程實例

以上海某石油化工公司投資建造的2個10×104m3的特大型原油罐及其相配套的輔助設施為例。
建設場地地勢較平坦，地面高程為4.00～5.23m（吳淞高程），地基土為沖積軟土，高壓縮性，設計地坪為4.600m，沉降後油罐罐底設計標高為6.100m，兩罐中心間距為123m，直徑為80m，油罐基地最大壓力約為280kPa。根據規劃要求，2個原油罐同時充水預壓，油罐地基採用碎石樁和塑膠排水板進行聯合加固。碎石樁直徑為600mm，樁長為15m，碎石樁設計置換率為14.5%，塑膠排水板設計長度為28m。

場地條件及計算參數

根據勘察，場地除地表人工土外，主要為第四系海濱-淺海-河口相沉積的粘土和粉土層。場地土劃分為13層（含亞層），其中缺失⑥層土，局部缺失⑦層土。②～⑤層是中小型油罐地基主要持力層，③～⑤層是油罐地基產生沉降的主要部分。但由於⑥層土的缺失及⑤～⑧層土厚度極不均勻且坡度較大，從而使建造難度加大。各土層物理力學指標見表1，計算參數見表2。

計算結果

在沉降計算過程中，壓縮層厚度按5種情況考慮:
①壓縮層厚度按0.6D取，其沉降用S1表示，相應壓縮層厚度用H1表示。
②壓縮層厚度按σz≤ 0.2σc取，其沉降用S2表示，相應壓縮層厚度用H2表示;
③壓縮層厚度按σz≤ 0.1σc或至鑽孔最深處取，其沉降用S3表示，相應壓縮層厚度用H3表示;
④壓縮層厚度按ΔS'n≤ 0.025Sn取，其沉降用S4表示，相應壓縮層厚度用H4表示;
⑤壓縮層厚度按σz≤ Pc取，其沉降用S5表示，相應壓縮層厚度用H5表示。經過對2個油罐地基沉降的計算，得到最後結果如表3、表4。而實測所得的最終沉降為1.58m，與計算結果相比，誤差如表5。
可見只有S1，S2，S5的誤差不超過5%，其餘的取法不管是對1號罐還是2號罐，誤差都在20%以上。也就是說，對於本工程的油罐地基沉降計算的壓縮層厚度以第一、二、五種方法確定是比較接近實際的。

結論

（1）地基壓縮層厚度的確定是沉降計算中的重要因素。按不同方法確定壓縮層厚度，計算結果相差很大。
（2）應力比法而言，如果上部荷載較大，一般按σz≤ 0.2σc來確定壓縮層厚度比較符合實際，而按變形比法，一般計算結果偏小。
（3）沉降計算中，壓縮模量的選用也是一個重要因素，如何考慮壓縮模量隨深度的增加而增加，對沉降計算結果的準確與否，是非常重要的。

附表

表 1 　各土層物理力學指標
層序
地層名稱
ρ/(g/m3)
E0.1-0.2(MPa)
f(kPa)
①
吹填土
1.79
7.7
50
②
粉質粘土、粘質粉土
1.87
6.5
100
③2
砂質粉土
1.85
8.9
90
③3
砂質粉土、部分粘質粉土
1.84
6.9
85
③3夾
砂質粉土、粉砂
1.93
7.3
120
④
淤泥質粘土
1.74
2.8
75
⑤1
粘土
1.77
3.2
85
⑤2
砂質粉土、粘質粉土
1.82
8.8
140
⑤3
粉質粘土
1.84
5.3
120
⑦2
粘質粉土、砂質粉土、部分粉質粘土
1.89
6.4
150
⑧1
粘土
1.87
4.8
130
⑨
粉砂
1.93
6.7
350
表 2　計算參數
參數
取值
油罐基底總應力 P(kPa)
280
油罐直徑 D(m)
80.0
兩個油罐之間間距 d(m)
41.0
基底絕對標高 H(m)
4.80
碎石樁樁長 L(m)
15.00
塑膠排水板深度 L'(m)
28.00
碎石樁面積置換率 m(%)
14.5
碎石樁複合地基樁土應力比 n
3
表 3　不同方法算得的壓縮層厚度
不同壓縮層厚度取法
H1
H2
H3
H4
H5
1號油罐壓縮層厚度(m)
48
52.5
75.1
34.2
48.5
2號油罐壓縮層厚度(m)
48
52.1
76.6
39.1
45.5
表 4 　不同壓縮層厚度計算所得的最終沉降量
不同壓縮層厚度取法
S1
S2
S3
S4
S5
1號油罐邊緣沉降量(cm)
152.5
162.4
196.2
124.5
153.9
2號油罐邊緣沉降量(cm)
156.0
164.9
202.0
140.7
153.1
表5 計算值與實測值的誤差（%）
不同壓縮層厚度取法
S1
S2
S3
S4
S5
1號罐
3.5
2.8
24.2
21.2
2.6
2號罐
1.3
4.4
27.8
10.9
3.1

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