地基沉降預(yù)測(cè)方法分析

楊琳琳

【摘 要】當(dāng)前，以軟土作為地基的工程建設(shè)不斷增多，如何保證地基沉降在規(guī)定的期限內(nèi)符合相關(guān)要求，確定可靠的規(guī)劃、設(shè)計(jì)方案，成為軟土基礎(chǔ)建設(shè)面臨的重大問題。文章針對(duì)這一問題，對(duì)地基沉降預(yù)測(cè)的方法展開分析，希望提高地基沉降預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】地基沉降；預(yù)測(cè)；方法

【中圖分類號(hào)】TU433 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）08-0056-03

在任何一個(gè)建筑施工當(dāng)中，都必須進(jìn)行地基的沉降預(yù)測(cè)，沉降分析、預(yù)測(cè)又是其中極為關(guān)鍵的部分，應(yīng)當(dāng)對(duì)地基沉降預(yù)測(cè)引起足夠的重視，尤其是在軟土作為地基的建筑工程中，更應(yīng)當(dāng)注意，采取科學(xué)合理的地基沉降預(yù)測(cè)方法，充分保證地基沉降預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，保證工程施工的質(zhì)量。

1 關(guān)于地基沉降的分析

物體在受到外界壓力的作用下會(huì)發(fā)生變形，同理在建筑工程之中，地基受到外界施加的負(fù)荷之后也會(huì)發(fā)生一定的變形，對(duì)于這部分變形的量就叫做地基沉降。在這一變形的過程中，土壤受到外界壓力的作用，發(fā)生相互擠壓的現(xiàn)象，使得土壤之間的縫隙變小，將土壤中所含的水分排出。這樣的一個(gè)過程改變了土壤本身的結(jié)構(gòu)，改變了土壤中所含的水分，針對(duì)這一變形的過程，可以根據(jù)其所受外力和土壤的變形規(guī)律[1]，對(duì)地基沉降的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以保證建筑工程施工過程的安全性。經(jīng)對(duì)地基所受影響的實(shí)際分析可以發(fā)現(xiàn)，影響地基沉降量大小的關(guān)鍵在于土壤所受到外界壓力的影響和土壤本身所具備的特性2個(gè)方面。地基受到外界壓力影響的情況又可以分為2個(gè)方面：第一，來(lái)自固定壓力的影響。建筑物本體會(huì)對(duì)地基形成一個(gè)壓力，這個(gè)壓力在建筑物完工之后，會(huì)處于固定的狀態(tài)，在實(shí)際中此種應(yīng)力對(duì)地基的影響較小。第二，來(lái)自突然變化的作用力的影響。例如，地下水位發(fā)生改變使得地基所受作用力發(fā)生變化；受到振動(dòng)也會(huì)對(duì)地基造成影響等。在實(shí)際中，作用力發(fā)生變化的情況對(duì)建筑物的地基影響是最大的。此外，土壤本身所具備的特性對(duì)地基沉降量也有影響，如土壤中所含的水分多少、土壤本身的土質(zhì)結(jié)構(gòu)等，都會(huì)影響地基沉降量的大小。

2 地基沉降預(yù)測(cè)方法的分析

地基的沉降預(yù)測(cè)方法很早就已經(jīng)被人們運(yùn)用，隨著科技的不斷進(jìn)步，地基沉降預(yù)測(cè)的方法也發(fā)生著很大的變化，從最開始完全憑借工程師的經(jīng)驗(yàn)到現(xiàn)在使用計(jì)算機(jī)數(shù)值分析方法，地基沉降預(yù)測(cè)變得越來(lái)越準(zhǔn)確。本文主要介紹當(dāng)前使用較為普遍的幾種地基沉降預(yù)測(cè)方法。

2.1 以固結(jié)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，使用相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算

對(duì)于此種地基沉降預(yù)測(cè)方法，先通過建立相應(yīng)的一維或者三維固結(jié)試驗(yàn)，并記錄好試驗(yàn)過程中得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后把這些數(shù)據(jù)代入相關(guān)的壓縮規(guī)律公式當(dāng)中進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。對(duì)于這類型的計(jì)算方法，主要通過壓力試驗(yàn)[2]得出應(yīng)力與孔隙比之間的關(guān)系，并得出相應(yīng)的曲線圖，再利用所得到的曲線圖進(jìn)行地基沉降預(yù)算。在計(jì)算的時(shí)候，可以將地基分為若干層，逐層進(jìn)行計(jì)算，然后計(jì)算其總和，即可以得到地基沉降量。例如，計(jì)算單一分層壓縮量，設(shè)地基在荷載作用下處于側(cè)限一維壓縮的狀態(tài)?？梢愿鶕?jù)前期的固結(jié)壓力ρc和上覆壓力ρo之間的關(guān)系對(duì)地基進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

（1）當(dāng)固結(jié)壓力ρc小于上覆壓力ρo的時(shí)候，地基沉降的公式如下：

S=■■Ccilog■

（2）當(dāng)固結(jié)壓力ρc大于上覆壓力ρo的時(shí)候，關(guān)于土層的沉降計(jì)算分為3種情況。

第一種為當(dāng)Δp>（pc-po）的時(shí)候，

S=■■Ccilog■+Ccilog■

第二種為當(dāng)Δp≤（pc-po）的時(shí)候，

S=■■Ccilog■

第三種為當(dāng)土層中之中既有第一種又有第二種情況的時(shí)候，關(guān)于土層的計(jì)算應(yīng)當(dāng)將2種情況分別計(jì)算，然后進(jìn)行疊加。

在上式中，i表示第i層土層，eoi表示在該層上的初始孔隙比，hi表示該土層的厚度。同樣，Cci表示在第i層上的壓縮指數(shù)，而Cci表示再壓縮指數(shù)。

2.2 地基沉降計(jì)算的數(shù)值方法

對(duì)于此類型的地基沉降算法，在進(jìn)行具體計(jì)算的時(shí)候，有多種方式，包括差分法、有限元法、變分法等。由于采用模擬公式的地基沉降算法不能夠應(yīng)付當(dāng)前復(fù)雜的建筑工程的需要，從而研究出更加先進(jìn)的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行地基沉降計(jì)算[3]。該種類型的地基沉降算法主要使用到計(jì)算機(jī)當(dāng)中的相關(guān)軟件，通過在軟件中模擬出地基處于的實(shí)際狀態(tài)，并且用網(wǎng)格將其分為很多的細(xì)小單元，針對(duì)每一個(gè)單元建立起相應(yīng)的方程，然后通過邊界的一些條件和初始狀態(tài)的一些條件，計(jì)算得到固結(jié)方程的數(shù)值解。此類計(jì)算方法靈活地將當(dāng)前先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用其中，使計(jì)算出來(lái)的數(shù)值更加準(zhǔn)確、更加全面合理。

2.3 基于實(shí)測(cè)沉降資料的沉降預(yù)測(cè)算法

在以上分析的沉降預(yù)測(cè)算法中，都更加傾向于一種理論的地基沉降計(jì)算，將這2種方法應(yīng)用到實(shí)際的沉降預(yù)測(cè)當(dāng)中有著非常大的局限性，為此人們開始尋找適合于實(shí)際應(yīng)用的沉降預(yù)測(cè)方法[4]，基于實(shí)測(cè)沉降資料的沉降算法就是在這樣的情況下產(chǎn)生的。

基于實(shí)測(cè)沉降資料的沉降預(yù)測(cè)算法是通過前期對(duì)地基的沉降進(jìn)行觀測(cè)，找出其中的規(guī)律，并根據(jù)這些規(guī)律進(jìn)行曲線擬合，建立沉降曲線公式[5]，然后進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)的相關(guān)計(jì)算。當(dāng)前，此類計(jì)算方法有很多種，但是常用到的曲線擬合方式通常都是靜態(tài)曲線擬合方式，直到20世紀(jì)90年代之后，人們才逐漸使用動(dòng)態(tài)曲線擬合方式。下面分別對(duì)其進(jìn)行分析。

2.3.1 靜態(tài)的預(yù)測(cè)方法

在靜態(tài)的預(yù)測(cè)方法中，常使用到的有雙曲線法、指數(shù)曲線法和沉降速率法3種。在雙曲線法中主要采用將實(shí)測(cè)的沉降數(shù)據(jù)和相應(yīng)時(shí)間之間的曲線關(guān)系，從它們的拐點(diǎn)處開始采用雙曲線的方式進(jìn)行擬合[6]，可以利用以下公式進(jìn)行地基沉降值的估算：

S=So+■

在上式中，S為地基最終的沉降值；So為實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)與時(shí)間曲線拐點(diǎn)處的沉降值；t為在實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)與時(shí)間曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)之后的時(shí)間；A和B是指曲線擬合系數(shù)。

指數(shù)曲線法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)的推算方法，假設(shè)地基沉降的平均速度以指數(shù)曲線的形式發(fā)生改變，其假設(shè)的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

St-So=S∞-So·e■

在該指數(shù)曲線上隨機(jī)選擇2個(gè)點(diǎn)，并使lg[ΔS/Δt2]-lg[ΔS/Δt2]=1。由此，可以推導(dǎo)出指數(shù)曲線計(jì)算公式：

S∞=So+η■

在上式中：So為沉降曲線之中處于拐點(diǎn)位置的沉降數(shù)值；S∞為地基最終的沉降值；■為地基沉降時(shí)的速率。

在沉降速率法中，相關(guān)計(jì)算公式如下：

St=m-1■+UtSt

Ut=1-αe-β

上式中，m為沉降修正系數(shù)；Pt為t時(shí)內(nèi)的累計(jì)荷載；Po為地基所受總的累計(jì)荷載；Ut為t時(shí)的固結(jié)度。

在恒載下，可導(dǎo)得沉降的速率如下：

■t=ASce-β

其中，

A=■■qne■-e■

則可以根據(jù)Ut=1-αe-β得到ln■t=ln（ASc）-β·t。

在實(shí)際的應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際測(cè)得的沉降資料，繪制出InSt-t支線，由此可以得到β的數(shù)值，再將其帶入上面的公式當(dāng)中，可以得到最終的沉降：

S∞=msc

2.3.2 動(dòng)態(tài)的預(yù)測(cè)方法

對(duì)于動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法來(lái)說(shuō)，它與靜態(tài)預(yù)測(cè)法之間存在的最大區(qū)別在于其原始數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不是必然不變的，其可以跟隨地基沉降觀測(cè)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，該種方式能夠及時(shí)地將新觀察到的數(shù)據(jù)放到整個(gè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)之中，使得預(yù)測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)更加合理。

3 結(jié)語(yǔ)

地基沉降預(yù)測(cè)的方法隨著當(dāng)前科技的不斷進(jìn)步而變得越來(lái)越先進(jìn)，測(cè)得的數(shù)據(jù)也更加合理。但是，隨著預(yù)測(cè)方法的增多，在預(yù)測(cè)的時(shí)候應(yīng)當(dāng)注重預(yù)測(cè)方法的選取，選取最具效率的預(yù)測(cè)方法。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王錦山，孟德光.基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)軟土地基沉降預(yù)測(cè)方法及工程實(shí)例分析[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2006（2）：151-155.

[2]李長(zhǎng)冬，唐輝明，胡斌，等.小波分析和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地基沉降預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].巖土力學(xué)，2008（7）：1917-1922.

[3]趙光鵬，鄭忠成.軟土地基沉降預(yù)測(cè)方法分析比較[J].天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（3）：176-179.

[4]李建初.遂資眉高速公路軟土地基不同沉降預(yù)測(cè)方法對(duì)比研究及應(yīng)用[D].成都：成都理工大學(xué)，2012.

[5]胡鑫.山區(qū)公路CFG樁復(fù)合地基沉降預(yù)測(cè)方法研究及其應(yīng)用[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2014.

[6]劉射洪，袁聚云，趙昕.地基沉降預(yù)測(cè)模型研究綜述[J].工業(yè)建筑，2014（S1）：738-741，681.

[7]李天降.軟土地基處理方法對(duì)沉降的影響因素分析與沉降預(yù)測(cè)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2006.

[8]孫笑.基于E_（v2）的港區(qū)陸域高填方工后沉降預(yù)測(cè)方法研究及穩(wěn)定性分析[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2014.

[9]趙鳳岐.真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理軟基監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬與沉降預(yù)測(cè)[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2012.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]