焦五一:用弦线模量计算机瓦厂烟囱各个施工阶段的沉降 [复制链接]

摘自1969年烟囱纠偏总结,它是对弦线模量机理的证明.其中施工阶段计算值比较大的原因是计算值依据观测日期的荷载计算,这时相应于它的沉降没有完成.浸水后实测沉降包括了湿陷变形,所以比较大.对这当初用计算尺计算的全过程,现在可以用软件重现.

请问老师：
1、弦线模量与压缩模量、变形模量有何不同？
2、上图如何利用弦线模量计算而得的结果？

      感谢1楼提的问题,这是一个很重要的问题,结合其他网友的问题,做一比较全面的讨论,希望继续深入.相关资料也将陆续发在论坛.
      1 弦线模量与压缩模量、变形模量的不同就是我在"置疑黄熙龄..."条目中的以下陈述:"对地基变形计算,1885年布辛乃斯克走了第一步,以后即停顿下来了.太沙基用Odemeter试验80多年走了一条错误的道路,弦线模量和布辛乃斯克接轨,将其从线性延伸到极限压力."
      2 变形模量就是根据布辛乃斯克解求得的.它是根据载荷试验沉降曲线初始直线段的斜率计算的,所以是常数,对烟囱而言该值是19MPa,用它计算烟囱最后一级压力的沉降量为4.57cm,而实测值为45.46cm,计算与实测之比为0.1.
      3 压缩模量就是根据太沙基Odemeter试验做的.按照其原有定义,应在烟囱地基计算分层中取试验曲线中相当于土自重压力到自重加附加压力段的斜率计算,但我国过去长期用的是100-200kPa压力段的值,它也是常数,该值为2.48MPa,用它计算烟囱最后一级压力的沉降量30.6cm,计算与实测之比为0.67.  即使严格按照太沙基原有定义,由于试验指标的剪刀型错误(参见论坛,剪刀型错误一文)改进也不会太多,所以我国新规范虽然规定要这样做,但实际工程中没有照做的,只是在不同土层用不同压力段的值.
    (待续)

      4 弦线模量是依据以下情况提出的:
      土力学对地基变形的共识之一是：模量值应该随压力的增加而逐渐减小,随地基深度的加深而逐渐增加。从这一点看各种模量的情况是：变形模量,不论按新规范的初始直线段计算,还是按旧规范的修正直线段计算,它的值都是常数。压缩模量,100-200kPa压力段的值是常数,不同压力段的值不仅不是随压力的增加而减小,反而是增加。卡萨格兰德用前期固结压力将压缩曲线分为两段,压缩指数和回弹指数之比一般在10左右,个别有超过15的.这种分法显然过于粗略.其理论依据是压缩曲线上的特性点。对此，我请徐亚林高级工程师用麦面、荞麦面和玉米面3种面粉做高压固结试验，同样得出卡萨格兰德的各种特性点，而且这些特性点表示的指标与其物理指标的关系与一般粘土相同（见论坛上的九届土力学会议论文，弦线模量软件计算地基变形可靠性的论据）。论文发表用高压固结试验指标计算的工程实例实在不多，作为对比我计算的陕西电视塔实测值13.56cm，它的计算值0.90cm，弦线模量计算值17.26cm，《90黄土规范》计算值7.13cm；西安丽花科技大厦相应值为：12.72，5.43，13.06和5.25cm。各种模型所要研究解决的问题中，这也是其中一个重点，但也未见真实效果。
    土力学对地基变形的共识之二是：载荷试验沉降曲线是反映地基变形最确切的数据，弦线模量就是依据它来解决模量和压力以及地基深度的关系的，其实这两个关系是一个关系的不同反映（待续）

      5 弦线模量的机理和表达式  弦线模量是依据载荷试验沉降曲线,从初始直线段到极限压力各段压力和沉降增量,按(1)式计算的:
                                                Ech=（1-μ2）ωb△P/△S  (1)
          (1) 式实现了弦线模量和布辛乃斯克解接轨,将其从线性延伸到极限压力.的机理.
      6  弦线模量取值方法两个研究阶段的情况
    第一研究阶段:按载荷试验实测曲线取值, 现在回复1楼的第2个问题,上图就是根据我在现场实际所做的载荷试验实测曲线计算所得的弦线模量值计算的.它所用的弦线模量值和压力的关系如下:
          压力/kPa                    25          50      75    100    125    150    175  200    225    238
          弦线模量值/MPa      19.0 9    7.68  3.69  3.25  1.35  1.30  1.22  1.07  0.93    0.85 
      弦线模量值和烟囱地基深度的关系如下:
          深度/m                      0.46      1.38      2.30    3.22    4.14    5.06      5.98      6.90      7.82
          弦线模量值/MPa    1.293    1.303    1.323  1.579  2.796  3.427  3.671    5.430  7.013 
        以上弦线模量值随压力的增加而减少,最高与最低值之比达22倍.这一结果是任何模量所没有的,但40年的事实说明,它是客观的真实反映.因为弦线模量提出于1967年,以下为当年计算西安石油仪表厂装配楼和机加工车间加层设计时计算7个单元沉降和实测对比的情况.
        烟囱是不同压力,它是不同部位.

1967年西安石油仪表厂装配楼,因为受地下水位上升的影响,已经发生了严重不均匀下沉和裂缝,但因工艺要求还要增加一层,地基设计要求对原有沉降和增加沉降做出准确计算.这是弦线模量的第一次应用.

        因为我对油仪表厂装配楼计算的看重,所以手写稿一直完整地保存着。.第一研究阶段按载荷试验实测曲线取值计算的工程共有6项,除以上两项外,还有陕西省化肥厂一个车间不同柱基、水煤气柜和造粒塔的沉降计算,武功献功住宅不同填土部位的沉降计算。
      有网友认为,根据载荷试验实测曲线取值不可取,因为(以下为大意)载荷试验并不是所有工程都能够做,再者它的影响深度有限.这一意见是确切的,所以我从1969年起就转入取值方法第二阶段的研究:根据土的物理指标取值.我在前边说过弦线模量根据土的物理指标取值不是一般说的经验方法,它是弦线模量理论的重要组成部分,事实说明这样的取值方法,没有降低计算的准确性,反而增加了计算的准确性.(待续)

        有网友提出以下问题:
1  取得数据的基本方法依靠载荷试验，而全国各地载荷试验又参差不齐，又有何必要与其对比？
2  一栋大建筑物的地基承载工作是载荷试验可以比拟的吗？
3  载荷试验影响深度与建筑物荷载影响深度一致吗？
4  弦线模量这么精细计算的东西，地质条件的差异不会影响到其计算结果的精度吗？
    这些问题都于与弦线模量取值方法第二阶段的研究,根据土的物理指标取值有关,如果不解决这一问题,则不仅存在这4个问题,还存在前述网友提的问题(根据载荷试验实测曲线取值不可取),计算黄土的湿陷变形更不可能.
        我研究地基变形计算,是从调查建筑物受地下水上升引起的工程事故开始的,400多栋房屋的工程事故,包括西安石油仪表厂装配楼显示,事故的发生和轻重程度与物理指标的关系,比它与湿陷等级的关系更密切.定量关系更准确.不仅湿陷事故如此,沉降事故也是如此.国内外大的工程事故,最终都可以从其地基土性的物理指标中查出原因.其实这是土力学的基本原理,承载力主要就是根据物理指标确定的.不过400多栋建筑物的情况,对我的印象可能更深刻一些.问题是必须建立力学指标和物理指标的关系,过去在这一方面研究不少,但只能作为经验的近似方法应用,原因是其所用的力学指标与物理指标在反映变形情况方面没有同样的效果,即不等效.要能够利用物理指标计算,必须找到新的指标.弦线模量计算西安石油仪表厂装配楼各部位的沉降以后,我预感到它可能就是这样的新指标,计算机瓦厂烟囱沉降以后,我就编制了第一份"弦线模量表",并在总结中预言"按照不同的孔隙比、含水量查得各级压力下的E（弦线模量）值，即可计算地基的沉降量。又当建筑物地表浸水或地下水上升引起地基土的含水量有较大大幅度的变化时，则根据表中E值的变化即可算得附加的沉降量（湿陷）。
    作出这一预言时，交大试验尚未完成，它实际就是为试验做的。两年以后试验完成，1971年的计算情况，已经发到论坛上。（待续）

        1971年计算用的弦线模量值,依据的仅是孔隙比和含水量两项物理指标,没有考虑土结构性的影响,这些计算的试验和工程都在关中地区,液限为31左右。.以后研究陇西、阿塞拜疆和非洲黄土以及世界各地粘性土、软土和泥炭时发现液限是反映土结构性的参数（参看已经发在论坛上的：“土的微结构和地区差与地区差异问题”一文）。简单地说几个数字：过去把黄土称作“大孔土”，其实黄土在饱和状态下的孔隙比和软土相比要小的多，其原因就是软土的液限大，即其结构性强；再看泥炭，它所以能够维持两位数的孔隙比，三位数的含水量，就是由于它三位数的液限值所赋予的强结构性。粉土的孔隙比比较小，和它的液限小是一致的。全面来看：粘性土液限越大，结构性越大，孔隙比越大。在这一方面，黄熙龄在《74地基规范说明》中提供了大量的资料。所以现在的弦线模量计算软件是依据孔隙比、含水量和液限三项物理指标编的。它统一了粘性土的分类和状态，可以用液限做定量反映。在勘察报告中只要发现上下层土的含水量没有突变而孔隙比有突变时，查其原因必然是因为液限的突变而引起，没有一个例外。根据这一情况讨论7楼所示第1个问题：
    全国各地载荷试验参差不齐，又有何必要与其对比（待续）。

直接依据载荷试验实测曲线取值计算的工程实例有4个场地上的6项，不同压力和不同基础，31项计算平均值21.78cm,实测平均值20.08cm，相关系数0.98。这些也是直接依据载荷试验实测曲线计算的全部工程，除此以外其它所有位于黄土和软土上国内外上百项工程实例的沉降和湿陷，都是依据物理指标计算的。不完全统计的情况是：黄土地基上工程沉降实例38项，计算平均值8.13cm,实测平均值7.24cm，相关系数0.99；软土地基上工程实例20项，计算平均值62.90cm,实测平均值64.11cm，相关系数0.98；黄土湿陷51项计算平均值38.57cm,实测平均值39.12cm，相关系数0.99。这些情况说明：依据物理指标计算的准确性比直接依据载荷试验没有降低，计算黄土湿陷的准确性比计算计算沉降没有降低。它的地域代表性也是对不同土类的适应性。为了更进一步说明，特别是对实例中缺少的，高粘性土和老粘性土的情况，用弦线模量表对我国地基规范（《66、78黄土规范》和《74、89地基规范》）中黄土、一般粘性土、老粘性土、粉土和淤泥的178个承载力值，按所对应的物理指标将承载力作为基底压力，计算3m宽方形压板的沉降量s和压板宽度b之比值s/b（%）值，和其编表依据的s/b进行对比。以上规范承载力的调整情况是：《78黄土规范》与《66黄土规范》相比，对高孔隙比的承载力做了大幅度降低，对低孔隙比的承载力做了大幅度提高；《74地基规范》将老粘性土单独建表，《89地基规范》又以其存在的问题而取掉。以上计算结果说明，它与后一规范承载力取值的标准高度一致，与其对前一规范调整的情况和幅度也相同。这些承载力表，是依据从全国二十七个省市范围内搜集的2000多份载荷试验资料中挑选的500多份资料编制的，所以用弦线模量表验证了规范承载力表，也是用全国资料验证了弦线模量表的地域代表性和对各类土的适应性。这些资料见论坛上的九届土力学会议论文：弦线模量软件计算地基变形可靠性的论据，以下再做一些详细阐述。此外近来进一步的验算，还用到前苏联从1948年到1983年历次《地基规范》和美国纽约州1938年地基规范的承载力。(待续)

以后将要用编制《74、89地基规范》时，搜集的全国27个省市区的载荷试验资料，证明黄土的弦线模量表也适用于各类粘性土，因此在这里将“黄土弦线模量表”称为“粘土弦线模量表”。

接上次陈述,继续介绍测算结果,全面论述待续.。