基于浮力法设计的基础.pdf

一种基于浮力法设计的基础，所述基础的自重G，所述基础的上部载荷P，所述基础所占位的各个土层的体积分别为V1、V2、V3....Vn，各个土层的天然容重为γ1、γ2、γ3...γn，其中n为自然数；依照浮力法设计的原则，由浮力产生的承载力F的计算公式为(1)：F＝γ1×V1+γ2×V2+γ3×V3+...+γn×Vn (1)。部分或全部上部载荷及基础本身的自重由通过(1)式计算获得的浮力F承担。本发明简化设计方法、有效避免产生基础持续沉降问题。

1、  一种基于浮力法设计的基础，所述基础的自重G，所述基础的上部载荷P，其特征在于：所述基础所占位的各个土层的体积分别为V₁、V₂、V₃....V_n，各个土层的天然容重分别为γ₁、γ₂、γ₃...γ_n，其中n为自然数；
依照浮力法设计的原则，由浮力产生的承载力F的计算公式为(1)：
F＝γ₁×V₁+γ₂×V₂+γ₃×V₃+...+γ_n×V_n    (1)
部分或全部上部载荷及基础本身的自重由通过(1)式计算获得的浮力F承担。

2、  如权利要求1所述的基于浮力法设计的基础，其特征在于：完全采用浮力法设计的基础需要满足下式(2)的要求：
P+G＝F    (2)。

3、  如权利要求1所述的基于浮力法设计的基础，其特征在于：
部分采用基础底部摩擦承载力和侧向摩擦承载力，部分采用浮力法设计的基础，可依照公式(3)的条件进行基础设计：
P+G≤F+k₁f_底+k₂f_侧        (3)
并满足：F≤P+G
其中F为由浮力产生的承载力由(1)式计算；
f_底为地基承载力特征值和基础底面积的乘积；
f_侧为地基侧摩擦力特征值和基础侧面面积的乘积；
k₁、k₂为考虑安全需要的小于1的系数。

基于浮力法设计的基础
技术领域
本发明涉及建筑设计领域，尤其是一种饱和软弱土地基工程。
背景技术
饱和软弱土地基，当前设计中往往采用例如排水固结加固法提升承载力、或采用深桩基础处理方案通过桩周土的摩擦力和桩端土的承载力来实现地基承载的目的。固结排水法存在诸如施工周期长、工后沉降时间长、沉降量大等诸多问题。桩基础处理方案在极软土上的施工成本高，并存在地震液化引起的承载力降低等问题。
现有软土地基工程基础设计方法主要是采用建筑规范中基于地基承载力的设计方法，该方法采用深度和宽度修正来确定地基的特征承载力。在无附加应力设计方面没有简单有效的设计理论和方法。
存在的缺陷：1、设计方法复杂；2、缺乏对地基附加应力的关注，容易产生基础持续沉降问题。
发明内容
为了克服已有的建筑基础的设计方法复杂、容易产生持续沉降问题的不足，本发明提供一种简化设计方法，完全浮力法设计的基础可有效避免产生基础持续沉降问题的基于浮力法设计的基础；部分采用浮力法设计的基础亦可以有效减少这种由附加应力产生的固结沉降。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于浮力法设计的基础，所述基础的自重G，所述基础的上部载荷P，所述基础所占位的各个土层的体积分别为V₁、V₂、V₃....V_n，各个土层的天然容重为γ₁、γ₂、γ₃...γ_n，其中n为自然数；
依照浮力法设计的原则，由浮力产生的承载力F的计算公式为(1)：
F＝γ₁×V₁+γ₂×V₂+γ₃×V₃+...+γ_n×V_n    (1)
部分或全部上部载荷及基础本身的自重由通过(1)式计算获得的浮力F承担。
作为优选的一种方案：完全采用浮力法设计的基础需要满足下式(2)的要求：
P+G＝F    (2)。
或者是：部分采用基础底部摩擦承载力和侧向摩擦承载力，部分采用浮力法设计的基础，可依照公式(3)的条件进行基础设计：
P+G≤F+k₁f_底+k₂f_侧    (3)
并满足：F≤P+G
其中F为由浮力产生的承载力由(1)式计算；
f_底为地基承载力特征值和基础底面积的乘积；
f_侧为地基侧摩擦力特征值和基础侧面面积的乘积；
k₁、k₂为考虑安全需要的小于1的系数。
本发明的技术构思为：根据饱和软弱土地基含水量高，承载力低，灵敏度高，易液化等特点，当前设计中往往采用例如排水固结加固法提升承载力、或采用深桩基础处理方案通过桩周土的摩擦力和桩端土的承载力来实现地基承载的目的。固结排水法存在诸如施工周期长、工后沉降时间长、沉降量大等诸多问题。桩基础处理方案在极软土上的施工成本高，并存在地震液化引起的承载力降低等问题。
浮力法设计引入液体中物体浮力学概念，认为当地基土中相应的土体被置换成其他材料后，地基土将对基础产生相当于被置换土体总重量的浮力，当置换体(基础)的总重量小于被置换土体的总重量时，将产生大小相当于这两者重量之差的有效浮力。基于浮力法设计的基础即为基于上述理论设计的基础。
完全使用浮力法的基础情形：
由浮力来承担基础以及上部结构的重量，需满足(2)式要求：
P+G＝F    (2)
其中，P为基础的上部载荷；
      G为基础的自重；
      F为通过(1)式计算的浮力。
单纯采用浮力法设计的基础由于上部结构和基础的总重量等于浮力，此时地基土中由结构产生的附加应力为0。可以达到基本无沉降的设计。
根据上式要获得较大的有效承载力则必须降低占位体(基础)的重量，其重量体积比应小于被占位土体的体积加权平均容重。
部分使用浮力法的基础情形：
当考虑基础底部和侧向摩擦承载力时可以由满足式(3)的条件进行设计：
P+G≤F+k₁f_底+k₂f_侧    (3)
并满足：F≤P+G
其中F为由浮力产生的承载力由(1)式计算；
f_底为地基承载力特征值和基础底面积的乘积；
f_侧为地基侧摩擦力特征值和基础侧面面积的乘积；
k₁、k₂为考虑安全需要的小于1的系数。
计算f底，f侧的地基承载力特征值和地基侧摩擦力特征值取用遵循《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)的相关规定。
本发明的有益效果主要表现在：
1、软土一般灵敏度较高，易受施工扰动等产生承载力降低，基于浮力设计的基础由于此类扰动不会对地基土容重造成明显降低，可以不考虑这方面的影响。
2、本法为地基无附加应力设计提供了可能，无附加应力设计的基础将可以避开软土在附加应力作用下长时间固结而产生的持续沉降问题。
3、本设计方法理论假设明确，计算方法简便，有实际应用前景。
附图说明
图1是基于浮力法设计的基础的受力分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，一种基于浮力法设计的基础，所述基础的自重G，所述基础的上部载荷P，所述基础所占位的各个土层的体积分别为V₁、V₂、V₃....V_n，各个土层的天然容重为γ₁、γ₂、γ₃...γ_n，其中n为自然数；
依照浮力法设计的原则，由浮力产生的承载力F的计算公式为(1)：
F＝γ₁×V₁+γ₂×V₂+γ₃×V₃+...+γ_n×V_n    (1)
部分或全部上部载荷及基础本身的自重由通过(1)式计算获得的浮力F承担。
作为优选的一种方案：完全采用浮力法设计的基础需要满足下式(2)的要求：
P+G＝F    (2)。
或者是：部分采用基础底部摩擦承载力和侧向摩擦承载力，部分采用浮力法设计的基础，可依照公式(3)的条件进行基础设计：
P+G≤F+k₁f_底+k₂f_侧    (3)
并满足：F≤P+G
其中F为由浮力产生的承载力由(1)式计算；
f_底为地基承载力特征值和基础底面积的乘积；
f_侧为地基侧摩擦力特征值和基础侧面面积的乘积；
k₁、k₂为考虑安全需要的小于1的系数。
实例1：浮力法毛竹桩设计
毛竹为轻型的易得建筑材料，每根5m长稍径为10cm的毛竹重约15kg，体积约为40×10^-3m³，取淤泥土容重17kN/m³则可产生的有效浮承载力为40×17-15×9.8＝533N
即当单根毛竹上加荷533N时地基附加应力为零。
实例2：浮力法占位基础设计
某工程采用某轻质材料(容重5×10³N/m³)做占位在软土(容重18×10³N/m³)上进行基础设计要求达到1000kN的承载力，采用无附加应力设计法计算基础的体积。
V＝1000/(18-5)＝76.92m³
即当基础体积为76.92m³时上部加载1000kN不会对基础的下部地基土产生附加应力。
实例3：轻型浮力桩基础浮力法计算承载力
基础资料：某工程采用钻孔桩基础，桩长30m，桩径1.5m。桩体采用轻型结构浮力桩设计。参数：地基土上部10m容重为16.8kN/m³；10m以下容重为18.5kN/m³，桩结构重量为5.3kN/m，由桩周摩擦力和桩底反力产生的设计有效承载力k₁f_底+k₂f_侧为600kN，要求浮力法计算该桩总有效承载力。
浮力F＝10×3.14×1.5×1.5/4×16.8+20×3.14×1.5×1.5/4×18.5＝950kN
总有效承载力P＝F+k₁f_底+k₂f_侧-G＝950+600-30×5.3＝1391kN。