淺談軟土地基的沉降量計算

王英明，曾建榮

(1. 中鐵十三局集團第四工程有限公司;2. 贛州誠正公路工程監(jiān)理公司)

軟土地基在路堤填土荷載作用下的沉降可分為施工期間沉降和施工后沉降兩部分。分析這兩部分沉降量時，通常先將軟土地基劃分為若干個土層，分別為各個土層確定性質(zhì)指標代表值和所承受的應力值，計算各土層的沉降量后，便可求總和得到總沉降量，此法稱為多層總和法。

土層劃分依據(jù)鉆探(觸探)和土工試驗資料進行，按軟土層厚、土質(zhì)類別、土的物理力學性質(zhì)指標沿深度的變化等因素確定。但即使軟土層厚或土層構造復雜，最多也只宜分為5 ～6 層。

沉降計算時，各土層的物理力學性質(zhì)指標值以該土層試驗結果的平均值表示。路堤填土在各土層中引起的附加應力，以該土層厚度的中點(即切可深度)的附加應力為代表。

路堤填土可視為梯形荷載，它在軟土層內(nèi)不同深度z 處產(chǎn)生的附加應力Δp 可按下式確定

式中:γ 為填土的重度(kN/m3);H 為填筑的高度，m;I 為隨路堤斷面尺寸α/z 和b/z 而變的影響系數(shù)，可由圖1 確定，圖2 所示為不同路堤斷面形狀和計算點位置時，應用圖3 確定系數(shù)I 的方法。

圖1 路堤填土引起的土中豎向應力計算用圖

1 施工期間沉降計算

路堤填筑期間，軟土地基的性狀經(jīng)歷兩個階段變化。初期階段，由于土層處于不完全飽和狀態(tài)或者處于超固結狀態(tài)，土的可壓縮性較低，土中孔隙水壓力的增長低于填土壓力的增長，如圖2 所示(圖2 中，孔隙水壓力增量Δu 和填土壓力增量Δp 的比例系數(shù)，在初期階段小于1)。當填土達到一定高度，其有效壓力大致等于土的先期固結壓力Pc時，軟土的性狀進入后期階段。這時，軟土處于正常固結狀態(tài)，土中孔隙水壓力隨填土壓力同步增長。如圖3 中所示，系數(shù)接近于1。軟土的沉降是由處于不排水狀態(tài)的塑性流動所產(chǎn)生，利用孔隙水壓力觀測結果，可以按圖3 中所示確定劃分初期和后期階段的填土壓力或填土高度Hc?；蛘?，也可利用固結試驗結果，按先期固結壓力Pc確定臨界填土高度H。

圖2 不同路堤斷面形狀和計算點位置時應用圖1 的方法

施工期間的沉降量由兩部分沉降所組成:初期階段的再固結沉降Sr和后期階段的不排水剪切沉降Su。再固結沉降可近似地假設為由軟士層的一維豎向應變所導致，可以利用固結試驗結果，由再壓縮指數(shù)Cr計算確定。也即當路堤的附加應力Δpi＜(pci－poi)時

而當ΔPi≥(Pci－Poi)時

式中:hi為軟土層第i 分層的厚度，m;eoi為i 層士的初始孔隙比;Cri為i 層士的再壓縮指數(shù)，由壓縮試驗確定;Poi為i 層土的初始有效壓力，kN/m2;Pci 為i 層土的先期固結壓力，kN/m2，由壓縮試驗確定。

Pc和Cr是由固結試驗得到的，試驗方法通常規(guī)定逐級加載24 h。由于處于超固結狀態(tài)的 土的主固結往往在30 min 內(nèi)就完成了，因而按加載24h得到Cr值偏高。經(jīng)驗表明，按主固結標準定的Cr值約為24 h 值的?；蛘?，也可把加載時間減少到主固結結束，據(jù)此確定Cr值。

圖3 施工期間孔隙水壓力和沉降量隨填土壓力的變化

初期階段的再固結沉降

Sr通常小于軟士層厚的2%。

后期階段的不排水剪切沉降Su是由正常固結黏士的塑性流動所產(chǎn)生，因而不能用彈性理 論分析，而用彈、塑性流變定律分析又太復雜，根據(jù)一些工程的觀測資料，可歸納出經(jīng)驗關系式以供參考。

式中:H 為路堤填筑高度，m;Hc為地基士變成正常固結時的路堤高度，m，可按下式確定

B1為初期階段孔隙水壓力增量Δu 同填土附加應力Δp的比值，在軟土層不同深度z 處的分布可近似采用下式計算

D 為軟土層厚度，m。

2 施工后沉降計算

路堤填筑完成后，軟土層處于正常固結狀態(tài)，作用在軟土層上的總的豎向壓力基本保持不變，而有效豎向壓力則隨著孔隙水壓力的逐步消散而增加，軟土層相應地逐漸完成其固結過程。施工后沉降便可利用固結試驗得到的壓縮指數(shù)計算確定

式中:ΔPi為路堤填土荷載對軟土層i 分層引起的有效壓力增量，kPa。

施工后主固結沉降的總量便為

主固結結束時，土中孔隙水壓力已基本消散，但壓縮變形仍隨時間的增加而繼續(xù)緩慢增長。這是由于集料的結構黏滯性所引起的次固結。這部分沉降量可以利用固結試驗得到的次固系數(shù)計算確定

式中:D 為軟士層厚;tp為固結度達95%所需之時間;t 為路堤的使用壽命。