II基于Python的分層總和法沉降計(jì)算實(shí)現(xiàn)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u5298基于Python的分層總和法沉降計(jì)算實(shí)現(xiàn)案例 1307481.1.1程序設(shè)計(jì)基本思路 1114521.1.2確定計(jì)算荷載 2312171.1.3地基土分層設(shè)計(jì) 3312361.1.4自重應(yīng)力計(jì)算 320281.1.5基底應(yīng)力計(jì)算 492791.1.6附加應(yīng)力計(jì)算 5276021.1.7孔隙比計(jì)算 6131551.1.8確定計(jì)算深度 8261121.1.9沉降計(jì)算 8178391.1.10界面設(shè)計(jì) 9程序設(shè)計(jì)基本思路此設(shè)計(jì)為完成分層總和法計(jì)算沉降，程序設(shè)計(jì)的具體步驟如下：接收用戶(hù)輸入或者文件輸入，獲得荷載、路基以及土層等計(jì)算所需要的基本參數(shù)；根據(jù)輸入的基本參數(shù)以及《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定計(jì)算荷載；根據(jù)輸入的土層參數(shù)，對(duì)土層進(jìn)行分層；計(jì)算分層后的土層自重應(yīng)力；根據(jù)計(jì)算荷載以及路基參數(shù)計(jì)算基底應(yīng)力；計(jì)算附加應(yīng)力；根據(jù)自重應(yīng)力以及附加應(yīng)力，計(jì)算每層土的平均自重應(yīng)力以及平均總應(yīng)力；根據(jù)每層土的平均自重應(yīng)力和平均總應(yīng)力計(jì)算對(duì)應(yīng)的孔隙比；確定計(jì)算深度；根據(jù)孔隙比以及分層土的厚度計(jì)算每層土的壓縮量；將每層土的壓縮量進(jìn)行累加，求出總的壓縮量，即地基總沉降。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖312所示：圖312程序設(shè)計(jì)流程圖確定計(jì)算荷載本程序設(shè)計(jì)荷載分為兩部分，一部分使根據(jù)規(guī)范規(guī)定的荷載進(jìn)行計(jì)算，另一部分將軌道和列車(chē)看做條形荷載，可由用戶(hù)輸入荷載集度進(jìn)行計(jì)算。規(guī)范規(guī)定的荷載計(jì)算：將軌道和列車(chē)看做條形均布荷載，則荷載如表31所示：表31軌道和列車(chē)均布荷載軌道形式軌道、列車(chē)荷載線間荷載q0（kN/m2）分布寬度b（m）軌道自重q1（kN/m2）列車(chē)荷載q2（kN/m2）總荷載q（kN/m2）CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道3.012.641.754.313.2CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道3.25（2.95）11.6（14.3）38.5（42.4）50.1（56.7）14.1（12.0）CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道3.113.740.454.12.3CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道3.413.736.850.515.1有砟軌道3.417.336.854.110.7程序設(shè)計(jì)可由用戶(hù)選擇使用規(guī)范荷載或手動(dòng)輸入荷載，規(guī)范荷載內(nèi)置在程序中，可由用戶(hù)選擇軌道形式，自動(dòng)計(jì)算荷載。地基土分層設(shè)計(jì)地基土分層，首先接收用戶(hù)輸入的土層數(shù)據(jù)或讀取文件的土層數(shù)據(jù)，根據(jù)土層數(shù)據(jù)分層，具體分層規(guī)則如下：如果土層厚度小于1m，則分為單獨(dú)的1層；如果土層的厚度在1m到4m之間，則分為2層，層的厚度為土層厚度的一半；如果土層的厚度在4m到8m之間，則分為4層，每層的厚度為土層厚度的1/4；如果土層的厚度在8m到16m之間，則分為5層，每層的厚度為土層厚度的1/5；如果土層厚度大于16m，則層數(shù)根據(jù)具體厚度進(jìn)行確定，每層的厚度為3m，最后取余確定本層土分層的最后一層厚度。將分層后的數(shù)據(jù)用列表進(jìn)行儲(chǔ)存，以便進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。自重應(yīng)力計(jì)算自重應(yīng)力計(jì)算根據(jù)分層后的土層以及土層各個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，按照公式（3—5）進(jìn)行計(jì)算自重應(yīng)力。q根據(jù)分層后的土層以及土層的厚度和容重計(jì)算自重應(yīng)力?；讘?yīng)力計(jì)算基底應(yīng)力計(jì)算方法目前有三種：均布荷載法、比例荷載法和彈性土堤法。均布荷載法均布荷載法是將路基產(chǎn)生的總荷載Q均布到路基底面寬度B范圍內(nèi)來(lái)近似代替路基荷載，這種荷載可以看成斷面形式為矩形的條形荷載（如圖314）。圖313實(shí)際路堤形式[40]圖314均布荷載法荷載形式[40]條形荷載集度可用公式（3-6）表示。q=比例荷載法比例荷載法是用荷載γH（即用路基土重度γ和路基高度H相乘）近似代替路基產(chǎn)生的荷載（如圖315），這種荷載可以看成斷面形式為梯形的條形荷載。圖315比例荷載法荷載形式[40]彈性土堤法彈性土堤法是利用彈性力學(xué)，根據(jù)路基的邊界條件求解出的一種計(jì)算基底應(yīng)力以及地基附加應(yīng)力的方法。彈性土堤的求解方法是對(duì)Muskhelishvili方法的修改，將足夠長(zhǎng)的路基按平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)考慮。本次設(shè)計(jì)采用均布荷載法和比例荷載法兩種方法進(jìn)行計(jì)算基底應(yīng)力。其中比例荷載法，適用于L/H>4.5時(shí)的基底應(yīng)力計(jì)算；修正均布荷載法，適用于L/H<4.5時(shí)的基底應(yīng)力計(jì)算，均布荷載法經(jīng)過(guò)修正系數(shù)1.14修正后幾乎與實(shí)際基底應(yīng)力曲線一致[40]，本次設(shè)計(jì)對(duì)均布荷載法進(jìn)行修正。附加應(yīng)力計(jì)算當(dāng)矩形基礎(chǔ)底面的長(zhǎng)寬比很大，如lb當(dāng)?shù)鼗砻鎸挾葹閎的條形面積上作用著豎直均布荷載p時(shí)（如圖316），地基內(nèi)任意點(diǎn)M的附加應(yīng)力σz可利用積分的方法求得。首先在條形荷載的寬度方向上取微分寬度dε，將其上作用的荷載dp=pdε視為線布荷載，則dd圖316條形面積在豎直均布荷載作用下的任意點(diǎn)應(yīng)力經(jīng)公式（3-7）沿寬度b積分，即可得整個(gè)條形荷載在M點(diǎn)引起的附加應(yīng)力σzσ寫(xiě)成簡(jiǎn)化形式為σ其中m=xb，n=z圖317條形面積豎直均布荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖本次設(shè)計(jì)計(jì)算路基中心線下沉降，故m取0.5，按照公式（3-8）計(jì)算地基分層處的附加應(yīng)力。孔隙比計(jì)算分層總和法計(jì)算孔隙比主要依靠e-p曲線或者e-lgp曲線進(jìn)行計(jì)算得到，但目前土的e-p和e-lgp壓縮曲線一般是通過(guò)完全側(cè)限條件下的固結(jié)試驗(yàn)得到的，在根據(jù)土的壓縮試驗(yàn)曲線查取相應(yīng)壓力對(duì)應(yīng)的孔隙比時(shí)會(huì)造成人為誤差，且不便于計(jì)算機(jī)處理，另一方面在實(shí)際工程中有時(shí)沒(méi)有獲取e-p試驗(yàn)曲線，此時(shí)無(wú)法采用分層總和法進(jìn)行地基沉降計(jì)算，故本次計(jì)算決定采用一些學(xué)者研究出的e-p曲線的解析公式進(jìn)行計(jì)算孔隙比。對(duì)于正常固結(jié)土，其e-lgp曲線模型的基本函數(shù)形式為[41]：e=C式中 e1——壓力p p——土體受到的豎向壓力； Cc p1和p趙明華[42]等提出了用分段函數(shù)模擬e-lgp曲線的方法，此方法首先應(yīng)作變量替換，令y=lgp和y式中 e0 a、b和c——無(wú)線段的特征參數(shù)； A——直線段的特征參數(shù)； Cc xk——曲線段和直線段的分界點(diǎn)，在xk之前，函數(shù)是一條不通過(guò)原點(diǎn)的拋物線，在xk張書(shū)憲[43]、姬付全[44]以及劉春平[45]等采用了多項(xiàng)式擬合e-lgp曲線，設(shè)孔隙比e和壓力的對(duì)數(shù)lgp之間的關(guān)系式可以用以下形式表示：e=式中 i——lgp的i次方（i=1,2,3……，m）； ai——lg周馳引入土體壓縮應(yīng)力與應(yīng)變的雙曲線模型，并從完全側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)條件下土體應(yīng)變與孔隙比關(guān)系研究入手，建立出模擬土體初始?jí)嚎s變形過(guò)程的e-p曲線分析模型及其參數(shù)確定分析方法[46]。具體形式見(jiàn)公式（3-14）。e=式中 Es0 a1?2該式所用方法簡(jiǎn)單方便，適用于大部分工程，故本次設(shè)計(jì)采用公式（3-14）進(jìn)行計(jì)算孔隙比。確定計(jì)算深度計(jì)算深度的取值是影響沉降計(jì)算準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，也是確定勘探孔深度的重要依據(jù)。由于地基土的復(fù)雜性，確定計(jì)算深度的方法很多。確定計(jì)算深度方法不同則產(chǎn)生的結(jié)果是不同的。計(jì)算基礎(chǔ)壓縮層深度的方法有應(yīng)力比法、應(yīng)變比法、經(jīng)驗(yàn)公式法、何頤華法等。本設(shè)計(jì)主要采用應(yīng)力控制法。地基壓縮層中附加應(yīng)力σz隨深度遞減，自重應(yīng)力σ對(duì)于一般土，地基壓縮層厚度自基礎(chǔ)底面算起，算到附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值為0.2處，即σz本次設(shè)計(jì)采用0.2應(yīng)力比法。沉降計(jì)算將以上個(gè)步驟進(jìn)行程序編程實(shí)現(xiàn)，可得到儲(chǔ)存每層土的自重應(yīng)力以及附加應(yīng)力和總應(yīng)力的列表，并且計(jì)算應(yīng)力對(duì)應(yīng)的孔隙比，將每層土的自重應(yīng)力和總應(yīng)力取平均值，根據(jù)公式（3-15）計(jì)算每層土的壓縮量。S根據(jù)確定的計(jì)算深度，將計(jì)算深度以?xún)?nèi)的各層土的沉降進(jìn)行累加（公式3-16），得到地基土的總沉降。S=式中 S——地基總沉降； Si界面設(shè)計(jì)交互界面，是人機(jī)交互的窗口，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體性能的提高具有非常重要的意義。UI設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)充分考慮用戶(hù)類(lèi)型和使用頻率，遵循界面設(shè)計(jì)原則。界面的設(shè)計(jì)原則包括：窗口控件規(guī)范原則、向?qū)褂迷瓌t、一致性原則（即布局合理化、信息顯示一致化、鼠標(biāo)鍵盤(pán)對(duì)應(yīng)化）、數(shù)據(jù)輸入原則、系統(tǒng)相應(yīng)時(shí)間信息顯示原貝。界面設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足微軟的的平臺(tái)一致性標(biāo)準(zhǔn)，并且便于用戶(hù)的學(xué)習(xí)和操作[47]。一個(gè)交互式界面是用戶(hù)和終端交流的形式。是以用戶(hù)為中心的設(shè)計(jì)流程，關(guān)注用戶(hù)的使用流暢度和方便性，符合用戶(hù)使用習(xí)慣的解決方案。交互不一定需要很華麗的界面，但是使用過(guò)程肯定是很人性化，減少用戶(hù)思考返回的次數(shù)。本次設(shè)計(jì)界面功能有導(dǎo)入數(shù)據(jù)、導(dǎo)出計(jì)算表以及手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)等，導(dǎo)入數(shù)據(jù)可導(dǎo)入TXT文件或者表格（