軟粘土地基沉降計算問題探討

辛建芳

【摘要】目前國內的沉降計算，都是根據(jù)規(guī)范采用壓縮試驗所得的數(shù)據(jù)，推導計算公式，并加以經驗系數(shù)校正的方法。多年的公路建設表明，這樣的近似計算方法，己難以滿足實際工程的需要。隨著對軟粘土工程性質及其應力一應變關系理解的深化和計算技術的改進，可以對應力與變形機理做出進一步的解釋，其沉降計算方法也從最初只考慮單向壓縮變形，發(fā)展到計及側向變形，近幾年來，更將土的應力歷史、應力路徑等影響因素納入到計算方案之中。

【關鍵詞】軟粘土；地基；沉降計算

1.軟粘土地基的工程特性分析

目前我國展開大規(guī)模建設的沿海地區(qū)，分布著大面積的軟粘土地基。所謂軟粘土地基，即是由淤泥、淤泥質土和部分沖填土、雜填土以及其它高壓縮性土組成的地基。這類土一般具有以下的一些工程特性:土的抗剪強度很低 ；土的壓縮性較高；土的含水量較高，孔隙比較大；軟粘土的滲透性較差；軟粘土具有明顯的觸變性；軟粘土具有明顯的流變特性。

2.軟粘土地基沉降變形機理分析

天然土體一般是由礦物顆粒構成骨架體，再由孔隙水和氣填充骨架體孔隙而組成的三相體系。七顆粒壓縮性很小，一般都認為其不可壓縮。因此，土體的變形是孔隙流體的流失以及氣體體積的減小、顆粒重新排列、粒間距離縮短、骨架體發(fā)生錯動的結果。

3.軟粘土地基常用沉降計算方法分析

地基沉降的計算方法可以分為四類:（1）彈性理論法，也稱直接法;（2）工程方法，也稱間接法;（3）經驗公式法;（4）數(shù)值分析法。

彈性理論方法立論嚴謹，對于彈性的、均質的、各向同行的半空間體，其數(shù)學解精確，但軟粘土地基而言，其本構方程有時與實際不符，因而其計算結果與實測結果有較大差異，主要用于瞬時沉降量的計算。

工程方法包括壓縮儀法、Skemptm-Bjerrum法、應力路徑法、狀態(tài)邊界面法等;這些方法仍利用彈性理論來計算地基中的附加應力，而土的應力-應變關系則取自試驗(間接法)。它應用最廣，其計算結果為瞬時沉降和固結沉降之和。

第三類方法包括經驗和半經驗公式，利用原位測試結果來推算地基的沉降;數(shù)位分析方法主要有有限元法、有限差分法和集總參數(shù)法等。

3.1瞬時沉降量的計算方法

在剪應力作用下，地基內會產生剪切變形及側向擠出引起附加沉降。實際上，此項沉降量也是隨著路堤的填高而增大，越接近極限高度，增長的數(shù)值越大。如地基受到顯著擾動時，此項沉降增加得更多。通常都是根據(jù)固結沉降量的計算結果進行修正來確定最終沉降量，而沒有專門的合適的方法來計算這項沉降量。日本及我國鐵路系統(tǒng)也曾提出過經驗關系式，從表達形式上看，考慮的影響因素似嫌簡單，一般地，我們用彈性理論公式法來計算。彈性理論公式法是用彈性理論公式來計算建(構)筑物的沉降，然后再考慮地基中由塑性開展區(qū)的校正方法。

3.2主固結沉降量的計算

3.2.1傳統(tǒng)分層總和法(單向壓縮法)

分層總和法有如下假定:①少權縮時地基不能有側向變形;②根據(jù)基礎中心點下的土的附加壓力進行計算;③基礎最終固結沉降量等于基礎底面下壓縮層范圍內各土層壓縮量的總和。

分層總和法將壓縮層范圍內的土層分成n層，應用彈性理論計算在荷載作用下齊土層中的附加應力，采用側限條件下，即單向壓縮條件下的壓縮性指標，分層計算各七層的壓縮量，然后求和得到壓縮層范圍內的總沉降。單向壓縮法中，附加壓力一般取基礎軸線處的附加應力值，以彌補采用該法計算得到的沉降偏小的缺點。由于附加應力沿深度方向的分布是非線性的，為避免產生較大的誤差，計算中土層的分層不宜過大，建議一般每分層的厚度不超過基礎寬度的0.4倍。

3.2.2規(guī)范推薦法(修正的分層總和法)

用單向壓縮法計算地基最終沉降量時，由于理論上作了一些與實際情況不完全符合的假設以及其它因素的影響，計算值往往與實測值不盡相符，甚至相差很大。為此，可以根據(jù)傳統(tǒng)的分層總和法原理，將計算方法加以簡化。分析沉降觀測資料表明，可以采用修正系數(shù)來反映沉降量計算值與實測值的差別，對計算結果進行修正。修正系數(shù)綜合考慮了沉降計算中所不能反映的一些影響因素，諸如土的類型不同、選用的壓縮模量與實際有出入、土層的非均質性對應力分布的影響、荷載性質的不同與上部結構對荷載分布的調整作用等。

3.2.3考慮先期固結壓力計算固結沉降量方法

現(xiàn)場的軟粘上在其地質歷史上一般受過前期固結壓力的作用，由于土層的變動、河流的沖刷等原因，這一壓力不一定等于目前現(xiàn)場的有效應力。為此，可將粘土分為三類:①正常固結土;②超固結土;③欠固結土。在沉降計算中應考慮先期固結壓力的影響，當土體處于不同的狀態(tài)時要求采用不同的壓縮性指標計算沉降量。

3.2.4考慮側向變形的固結沉降計算

利用e-lgP曲線來計算沉降，對正常固結、超固結和欠固結粘性土，可分別對待，這似乎比利用e-P曲線計算沉降前進了一步。實際上，地基中的土受到附加應力后，變形并不是如前所述的那樣簡單，也不是象在固結儀中簡單地沿一個垂直方向壓縮，側向變形對固結沉降的影響很大，特別是當?shù)鼗姓承酝翆拥暮穸瘸^基礎面積的尺寸時，這種影響更大。對此，我們可以利用半徑法來解決。

3.2.5應力路徑法計算沉降

為了更好地考慮側向變形對垂直沉降的影響，我們可以使用一個更為方便的方法，根據(jù)地基土體所經過的應力路徑計算上體的壓縮量。在這種方法中，估計和模擬所選單元的應力路徑要與室內試驗盡可能接近。常用的應力路徑法有兩種:①采用室內試驗模擬現(xiàn)場有效應力路徑法;②應變等值線法。

第一種方法的基本思路是:①根據(jù)彈性理論計算出各典型單元應力路徑;②按照計算所得的應力路徑進行三軸試驗，并視現(xiàn)場條件確定排水條件，測量豎向應變量;③將實測豎向應變乘以相應土層厚度，計算沉降量。該方法的優(yōu)點是能較好地模擬實際應力路徑的影響;缺點是采用彈性理論計算得到的應力路徑同地基中的實際應力路徑有一定的誤差，按照規(guī)定的應力路徑試驗比較復雜，且有一定難度。

應變等值線法的基本思想是:①通過一系列的三軸固結不排水剪切試驗(CIU試驗)，得到等軸向應變圖。對正常固結粘土，等軸向應變線同等強度發(fā)揮應變線重合，均為過原點的直線;②將由彈性理論計算得到的總應力路徑轉化成有效應力路徑畫在等軸應變圖上；③不排水加荷載階段的豎向應變和孔隙豎水壓力消散固結過程部分的豎向應變可以由等軸向應變圖求得；④土體總的豎向應變即為上述兩部分豎向應變之和，然后將應變乘上土層厚度即可得到土體的豎向固結變形量。

3.3次固結沉降量的計算

許多室內試驗和現(xiàn)場量測的結果表明，次固結的大小與時間的關系在半對數(shù)紙上接近為一條直線，發(fā)生在主固結之后。若地基土由可塑性大的土或有機土組成，次壓縮沉降必占地基總沉降中很可觀的一部分。

除了以上的一些方法外，沉降量也可以通過原位試驗來估計，常用的有平板載荷試驗法、靜力觸探法、標準貫入試驗法和旁壓試驗法。也可以通過現(xiàn)場實測資料來推算總沉降，比如對數(shù)曲線法、Asaoka切法、雙曲線法、灰色系統(tǒng)理論、遺傳算法等。有限元法、有限差分法和集總參數(shù)法等數(shù)值計算方法也越來越多地應用到地基的沉降計算中。

【參考文獻】

［１］謝康和，潘秋元.變荷載下任意層地基一維固結理論[J].巖土工程學報,1995,(05).

［２］雷學文,白世偉,孟慶山.灰色預測在軟土地基沉降分析中的應用[J].巖土力學,2000,(02).