關(guān)于軟土地區(qū)高層建筑樁基沉降計(jì)算方法的探討

蔡子陽(yáng)

摘要：本文通過對(duì)軟土區(qū)高層建筑地基的介紹，進(jìn)行了軟土區(qū)高層建筑地基常用沉降計(jì)算方法分析。中國(guó)論文網(wǎng)

關(guān)鍵詞：高層建筑；軟土地基；計(jì)算方法

1前言

軟土地基主要是指有淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土等高壓縮性土層構(gòu)成的地基，沒有足夠的承受力來保證房屋的穩(wěn)固，在主體施工前必須對(duì)其進(jìn)行處理。由于不同的軟土地基具有不同的特點(diǎn)，在處理的時(shí)候必須根據(jù)軟弱土層的組成、分布情況和土質(zhì)情況來進(jìn)行填充鞏固。例如沖填土要了解其排水固結(jié)條件，雜填土應(yīng)當(dāng)考慮推擠歷史，明確其濕陷性等基本因素。

建筑物主體和地基之間的中介是基礎(chǔ)，即基礎(chǔ)是建筑物和地基之間的連接體?；A(chǔ)把建筑物豎向體系傳來的荷載傳給地基。從平面上可見，豎向結(jié)構(gòu)體系將荷載集中于點(diǎn)，或分布成線形，但作為最終支承機(jī)構(gòu)的地基，提供的是一種分布的承載能力。在初步計(jì)算時(shí)，最好先計(jì)算房屋結(jié)構(gòu)的大致重量，并假設(shè)它均勻的分布在全部面積上，從而得到平均荷載值，可以和地基本身的承載力相比較。如果地基的容許承載力大于4倍的平均荷載值，則用單獨(dú)基礎(chǔ)可能比筏形基礎(chǔ)更經(jīng)濟(jì)；如果地基的容許承載力小于2 倍的平均荷載值，那么建造滿鋪在全部面積上的筏形基礎(chǔ)可能更安全經(jīng)濟(jì)。如果介于二者之間，則用樁基或沉井基礎(chǔ)。

上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基的共同作用是軟土地基處理設(shè)計(jì)考慮的必要因素。首先要加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，使其更好的適應(yīng)地基的不均勻變形，其次是對(duì)需要處理的地基進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并測(cè)試，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)和加固的效果，作為施工質(zhì)量檢驗(yàn)的依據(jù)。對(duì)于已經(jīng)處理的軟土地基，在需要進(jìn)行修正時(shí)，要充分的確定基礎(chǔ)面積及埋層的深度，對(duì)軟弱層的下方準(zhǔn)確的驗(yàn)算出其地基承載力。建筑物的地基變形度應(yīng)當(dāng)在規(guī)定的范圍內(nèi)，并在施工期進(jìn)行沉降觀測(cè)，作為其維護(hù)的主要依據(jù)。

2軟土區(qū)高層建筑地基常用沉降計(jì)算方法分析

軟土地基沉降計(jì)算方法，早在20世紀(jì)初，Terzaghi等人就曾建立了經(jīng)典的軟土地基沉降分析法，以后又有很多人為該方法的改進(jìn)和完善做出了重要貢獻(xiàn)。自20世紀(jì)70年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，采用有限元分析法計(jì)算地基沉降也已成為可能，但時(shí)至今日，地基沉降課題仍然困擾著土木工程技術(shù)人員。就一般的土木工程而言，仍在普遍沿用Terzaghi等人建立的經(jīng)典分析法。在實(shí)用設(shè)計(jì)中，工程人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)往往起著關(guān)鍵的作用。究其原因，可概括為如下幾個(gè)方面：一是新的理論和技術(shù)尚未成熟，且對(duì)技術(shù)人員的素質(zhì)和工程測(cè)試手段提出了很高要求；二是地基沉降的分析需要理論與實(shí)踐密切地結(jié)合，而工程技術(shù)人員總希望地基沉降的計(jì)算方法能盡可能地簡(jiǎn)便直觀，所需試驗(yàn)參數(shù)少而易確定，對(duì)各種工程情況均有良好的適應(yīng)性，這就難免使地基沉降分析中需要加入一定的經(jīng)驗(yàn)成分；三是地基沉降分析中涉及到地面外荷載的計(jì)算、土中應(yīng)力的計(jì)算、土體固結(jié)度的計(jì)算、土體變形的計(jì)算以及土體試驗(yàn)參數(shù)的選用等許多環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)之間又互有影響，其相互關(guān)系也隨時(shí)間變化，因此，地基沉降的分析也是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，每一環(huán)節(jié)的疏忽都可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。

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

彈性理論方法立論嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)于彈性的、均質(zhì)的、各向同性的半空間體，其數(shù)學(xué)解精確，但軟粘土地基而言，其本構(gòu)方程有時(shí)與實(shí)際不符，因而其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有較大差異，主要用于瞬時(shí)沉降量的計(jì)算。

工程方法包括壓縮儀法、Skemptm-Bjerrum法、應(yīng)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(jì)算地基中的附加應(yīng)力，而土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系則取自試驗(yàn)（間接法）。它應(yīng)用最廣，其計(jì)算結(jié)果為瞬時(shí)沉降和固結(jié)沉降之和。

第三類方法包括經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式，利用原位測(cè)試結(jié)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。

2.1瞬時(shí)沉降量的計(jì)算方法

在剪應(yīng)力作用下，地基內(nèi)會(huì)產(chǎn)生剪切變形及側(cè)向擠出引起附加沉降。實(shí)際上，此項(xiàng)沉降量也是隨著荷載的的增大而增大。如地基受到顯著擾動(dòng)時(shí)，此項(xiàng)沉降增加得更多。通常都是根據(jù)固結(jié)沉降量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正來確定最終沉降量，而沒有專門的合適的方法來計(jì)算這項(xiàng)沉降量。日本及我國(guó)鐵路系統(tǒng)也曾提出過經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，從表達(dá)形式上看，考慮的影響因素似嫌簡(jiǎn)單，一般地，我們用彈性理論公式法來計(jì)算。彈性理論公式法是用彈性理論公式來計(jì)算建（構(gòu)）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。

2.2主固結(jié)沉降量的計(jì)算

2.2.1傳統(tǒng)分層總和法（單向壓縮法）

分層總和法有如下假定：①壓縮時(shí)地基不能有側(cè)向變形；②根據(jù)基礎(chǔ)中心點(diǎn)下的土的附加壓力進(jìn)行計(jì)算；③基礎(chǔ)最終固結(jié)沉降量等于基礎(chǔ)底面下壓縮層范圍內(nèi)各土層壓縮量的總和。

分層總和法將壓縮層范圍內(nèi)的土層分成n層，應(yīng)用彈性理論計(jì)算在荷載作用下土層中的附加應(yīng)力，采用側(cè)限條件下，即單向壓縮條件下的壓縮性指標(biāo)，分層計(jì)算各土層的壓縮量，然后求和得到壓縮層范圍內(nèi)的總沉降。單向壓縮法中，附加壓力一般取基礎(chǔ)軸線處的附加應(yīng)力值，以彌補(bǔ)采用該法計(jì)算得到的沉降偏小的缺點(diǎn)。由于附加應(yīng)力沿深度方向的分布是非線性的，為避免產(chǎn)生較大的誤差，計(jì)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(chǔ)寬度的0.4倍。2.2.2規(guī)范推薦法（修正的分層總和法）

用單向壓縮法計(jì)算地基最終沉降量時(shí)，由于理論上作了一些與實(shí)際情況不完全符合的假設(shè)以及其它因素的影響，計(jì)算值往往與實(shí)測(cè)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(jì)算方法加以簡(jiǎn)化。分析沉降觀測(cè)資料表明，可以采用修正系數(shù)來反映沉降量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差別，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。修正系數(shù)綜合考慮了沉降計(jì)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(shí)際有出入、土層的非均質(zhì)性對(duì)應(yīng)力分布的影響、荷載性質(zhì)的不同與上部結(jié)構(gòu)對(duì)荷載分布的調(diào)整作用等。

2.2.3考慮先期固結(jié)壓力計(jì)算固結(jié)沉降量方法

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

2.3次固結(jié)沉降量的計(jì)算

許多室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的結(jié)果表明，次固結(jié)的大小與時(shí)間的關(guān)系在半對(duì)數(shù)紙上接近為一條直線，發(fā)生在主固結(jié)之后。若地基土由可塑性大的土或有機(jī)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(yàn)來估計(jì)，常用的有平板載荷試驗(yàn)法、靜力觸探法、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法和旁壓試驗(yàn)法。也可以通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料來推算總沉降，比如對(duì)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(jì)算方法也越來越多地應(yīng)用到地基的沉降計(jì)算中。

參考文獻(xiàn)：

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