基于分層總和法和數(shù)值模擬對某沉降地基的綜合計(jì)算及預(yù)測

陳正國，于文泉，胡紅巖，任世輝，鄭帥恒

（1.黑龍江省生態(tài)地質(zhì)調(diào)查研究總院，哈爾濱150030；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢430074）

1 工程概況

某廠區(qū)位于哈爾濱哈南工業(yè)新城，于2015 年動(dòng)工，主要對原傾斜地形進(jìn)行填土整平，填土厚度較大，上方修建廠房、道路。廠區(qū)地處松嫩平原南部，地勘資料充分，地層數(shù)據(jù)充足。

由于填土層較厚、壓實(shí)度不足、地下水位上升等因素的影響，地基產(chǎn)生了沉降變形。為探究沉降變形的時(shí)空規(guī)律，本文在廠區(qū)東西向和南北向各布置4 個(gè)剖面，共設(shè)置16 個(gè)控制點(diǎn)，采用分層總和法與數(shù)值模擬分析，對該地基的沉降變形進(jìn)行對比計(jì)算。

2 基于分層總和法的沉降計(jì)算

利用土力學(xué)中分層總和法對沉降量進(jìn)行理論計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

分層總和法沉降計(jì)算結(jié)果表明：廠區(qū)沉降東北側(cè)最大，約70cm。該處水位埋深最大，填土最厚，西北側(cè)沉降最小，小于1cm，填土最薄，即沉降量由西至東逐漸增大，與填土厚度基本一致，說明影響廠區(qū)沉降主要因素為填土厚度與水位，填土越厚、水位越深，產(chǎn)生的沉降也越大。

3 基于數(shù)值模擬的沉降變化規(guī)律

3.1 模型的建立

模型以廠區(qū)為研究對象，取地表以下44m 建立三維模型。模型采用六面體單元建立，根據(jù)衛(wèi)星圖，沿X方向（北南向）取250m，Y方向（西東向）取355m，Z方向取44m。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)將地基土分成7 層，其中0 層為填土，厚度不均勻，1～6層為性質(zhì)不同的粉質(zhì)黏土，并根據(jù)實(shí)際地下水位數(shù)據(jù)，建立地下水位面。剖面設(shè)置不變，在16 個(gè)控制點(diǎn)處設(shè)置位移監(jiān)測。

圖1 西東向剖面地基沉降

圖2 北南向剖面地基沉降

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果曲線

根據(jù)模擬監(jiān)測結(jié)果繪制最終沉降折線圖，如圖3 和圖4 所示。

圖3 為廠區(qū)西東向不同剖面沉降變化曲線。由圖可知，沿模型y軸方向沉降量逐漸增大，在y=315m 處各剖面沉降值最大，最大值為77.62cm。

圖4 為廠區(qū)的北南向不同剖面沉降變化曲線。由圖可知，沿模型x軸方向沉降量變化。各個(gè)剖面在x=38m 處達(dá)到最大值，最大值為77.62cm。

圖3 西東向不同剖面沉降變化曲線

圖4 北南向不同剖面沉降變化曲線

綜合以上，整個(gè)場區(qū)出現(xiàn)最大沉降位置出現(xiàn)在填土最厚，地下水位最低點(diǎn)處。

4 計(jì)算結(jié)果對比分析

為了提高廠區(qū)沉降分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，將分層總和法計(jì)算值與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。

通過對比可知：分層總和法計(jì)算最終沉降結(jié)果為70cm；數(shù)值模擬分析得到最終沉降結(jié)果為77.6cm，2 種計(jì)算模式得到的最大值相近，最大位置均位于廠區(qū)東北角。各剖面整體沉降趨勢一致，數(shù)值模擬得到的曲線變化更為穩(wěn)定，波動(dòng)更小[1]。

5 沉降預(yù)測

參照GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定及已變形特征，本文通過固結(jié)原理中固結(jié)沉降與時(shí)間關(guān)系的計(jì)算推算目前沉降量，并預(yù)測今后的沉降情況。

經(jīng)推算，填土與廠房自2015 年開始回填，歷時(shí)約0.5～1a，填土的回填與夯實(shí)對地基土產(chǎn)生附加作用，使土體開始產(chǎn)生固結(jié)沉降。隨后廠房修建繼續(xù)產(chǎn)生附加荷載。故自動(dòng)工至2016 年約1a 期間，土體沉降最快，沉降量占總沉降45%，沉降量約34cm。

由于填土為新填，孔隙比較大，填土的固結(jié)沉降量隨時(shí)間不斷增加，下覆地基土在附加荷載的作用下繼續(xù)固結(jié)，固結(jié)速率有所減緩。至2018 年下半年，土層沉降已完成約60%，約45cm。

計(jì)算得到地基最大絕對沉降值為75cm。規(guī)范要求固結(jié)度達(dá)到90%時(shí)，土體充分固結(jié)完成。故預(yù)計(jì)地基還會(huì)產(chǎn)生約20cm 的沉降，將在未來8~10a 內(nèi)產(chǎn)生，至2027 年固結(jié)充分完成，故現(xiàn)場還會(huì)存在地基穩(wěn)定性問題。由于廠區(qū)有擋墻和地面鋼筋網(wǎng)的制約，可見地面沉降不會(huì)很大，但局部管線處限制土體沉降，可能在管線周邊產(chǎn)生塌陷、管線破壞等局部問題，造成損失。

6 結(jié)論

通過分層總和法、數(shù)值模擬和固結(jié)原理，綜合分析廠區(qū)沉降變形的時(shí)空規(guī)律，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）空間上，廠區(qū)最大沉降位于東北處，最大沉降達(dá)到70～80cm，由西自東產(chǎn)生不均勻沉降；時(shí)間上，廠區(qū)已完成60%的固結(jié)沉降，大約在2027 年土體充分固結(jié)完成，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的90%；

2）沉降主要影響因素為填土厚度和地下水位；

3）沉降的繼續(xù)發(fā)展會(huì)對廠區(qū)產(chǎn)生局部問題，造成一定損失，建議進(jìn)行地基加固。