飽和黏土地基基礎(chǔ)施工后固結(jié)沉降分析

崔慶祥 （山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262500）

飽和黏土地基基礎(chǔ)施工后的固結(jié)沉降分析是土木工程中一個(gè)重要的研究課題。在施工和運(yùn)營過程中，飽和黏土地基含水量較高，具有較高的壓縮性和較低的強(qiáng)度，在荷載加載過程中，黏土中產(chǎn)生超空隙水壓力，并隨著時(shí)間的增長，孔隙水壓力消散，黏土顆粒重新排列，擠壓密實(shí)后地基可能會(huì)產(chǎn)生不同程度的沉降和變形[1]。這種沉降和變形可能會(huì)對(duì)建筑物的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響，因此，對(duì)飽和黏土地基的固結(jié)沉降進(jìn)行分析和預(yù)測顯得尤為重要。為了準(zhǔn)確分析和預(yù)測飽和黏土地基的固結(jié)沉降，現(xiàn)場沉降監(jiān)測是必不可少的[2-3]。在施工過程中，通過在建筑物的基礎(chǔ)部位設(shè)置沉降觀測點(diǎn)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測地基不同施工階段的沉降和變形情況，分析和預(yù)測地基的固結(jié)沉降趨勢(shì)，從而為工程設(shè)計(jì)和施工提供重要的依據(jù)[4]。

本文結(jié)合山東省煙臺(tái)市某多層建筑筏板基礎(chǔ)沉降觀測實(shí)例，對(duì)地基基礎(chǔ)在建筑施工過程中沉降隨時(shí)間和深度的變化特征進(jìn)行研究，預(yù)測最終固結(jié)沉降值。研究成果可為飽和黏土地基條件下的建筑工程地基基礎(chǔ)施工提供重要的參考依據(jù)，確保建筑物的安全性和穩(wěn)定性。

1 工程概況

山東省煙臺(tái)市某多層建筑為單棟單體建筑，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積23093m2，其中地上7層，首層層高6m，其余層層高均為4.2m，建筑面積20320m2；地下一層，層高4.8m，建筑面積2773m2。該建筑主要功能為滿足學(xué)院教學(xué)實(shí)訓(xùn)需求。根據(jù)建設(shè)方使用要求及建筑方案，該項(xiàng)目地下室結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1所示，地基采用筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)厚度為400mm。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)地下室結(jié)構(gòu)平面圖

本項(xiàng)目工程所在地屬山前沖洪積扇地貌，擬建場地為林地及耕地。根據(jù)建設(shè)單位提供的正式地勘報(bào)告顯示：該工程所在場地由第四紀(jì)沖洪積相堆積物組成，沉積規(guī)律比較明顯且層位相對(duì)較穩(wěn)定。從地勘報(bào)告中的地質(zhì)剖面圖可看出，該場地在垂直方向上的變化差異較大。因此，根據(jù)地基土的形成原因、巖性特征、物理力學(xué)指標(biāo)的不同以及地基土層之間的接觸關(guān)系、沉積先后順序等將其劃分為5個(gè)大的工程地質(zhì)層，由上至下分別為：耕土、黏土、卵石、粉質(zhì)黏土、卵石，地質(zhì)條件具體情況如表1所示。

表1 地基基礎(chǔ)地質(zhì)條件

場地各層土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)是按劃分的工程地質(zhì)層分別進(jìn)行的。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)各工程地質(zhì)層的物理力學(xué)參數(shù)提供了算術(shù)平均值、最大值、最小值、統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地勘探及室內(nèi)土工試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了匯總，并結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)綜合分析，給出各土層的承載力特征值及壓縮模量指標(biāo)如表2所示。場區(qū)地下水位高度為地表以下1.0m，其中②黏土層為飽和黏土，為筏板基礎(chǔ)的持力層，其物理力學(xué)性質(zhì)直接影響到筏板基礎(chǔ)的最終沉降，②黏土層的地基承載力特征值為150kPa，壓縮模量為6.17MPa。

表2 各土層承載力特征值fak和壓縮模量Es平均值

2 飽和黏土地基的固結(jié)分析基本控制方程

飽和黏土的Biot 固結(jié)理論是一種經(jīng)典的土力學(xué)理論，用于描述飽和黏性土在荷載作用下的變形和固結(jié)過程。該理論由法國工程師Biot 提出，主要考慮了土體的彈性變形、塑性變形和滲透變形3個(gè)組成部分。飽和黏土在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生彈性變形，這部分變形由土體的彈性模量決定，即當(dāng)荷載作用于飽和黏土?xí)r，土顆粒之間會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，從而引起土體的變形，當(dāng)荷載撤除后，土體會(huì)恢復(fù)到原來的狀態(tài)；其次，飽和黏土在荷載作用下還會(huì)產(chǎn)生塑性變形，這是由于土顆粒之間的摩擦力和黏聚力作用，使得土體在荷載作用下產(chǎn)生不可逆的變形，這種變形通常與土體的塑性性質(zhì)有關(guān)，與時(shí)間因素有關(guān)；飽和黏土在荷載作用下還會(huì)產(chǎn)生滲透變形，這是由于土體的孔隙水壓力作用，使得土體中的水分排出，從而引起土體的變形。這種變形通常與土體的滲透性質(zhì)有關(guān)，與時(shí)間因素和水位變化等因素有關(guān)。

在實(shí)際工程中，Biot固結(jié)理論被廣泛應(yīng)用于飽和黏性土的固結(jié)設(shè)計(jì)和計(jì)算中。通過該理論，工程師可以預(yù)測飽和黏性土在荷載作用下的變形和固結(jié)過程，從而為工程設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)和支持。Biot 固結(jié)理論假設(shè)黏土體顆粒與顆?？紫堕g的水均是不可壓縮的，水體在土體中的滲流符合達(dá)西定律，且三相的黏土體為飽和土體，具有各向同性特征，在荷載作用下發(fā)生的變形與應(yīng)力關(guān)系符合廣義胡克定律，并且變形為小變形[5-7]。飽和黏土Biot固結(jié)理論的平面應(yīng)變方程如公式（1）所示。

飽和黏土的位移和應(yīng)變關(guān)系如公式（2）所示[8]。

式中u為x方向位移；εx為x 方向正應(yīng)變；w為z方向位移；εz為x方向正應(yīng)變；γzx為將切應(yīng)變。

飽和黏土的Biot 固結(jié)理論本構(gòu)方程如公式（3）所示。

式中υ 為飽和黏土的泊松比；E為飽和黏土的彈性模量。

3 飽和黏土地基基礎(chǔ)施工后固結(jié)沉降現(xiàn)場監(jiān)測

飽和黏土地基的固結(jié)沉降分析方法主要包括室內(nèi)試驗(yàn)方法、數(shù)值模擬方法和現(xiàn)場觀察方法。室內(nèi)試驗(yàn)方法通過在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)飽和黏土采取壓縮試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)等試驗(yàn)，獲得土體的固結(jié)特性和沉降規(guī)律，并反推和預(yù)測飽和黏土地基的固結(jié)和沉降過程[9]；數(shù)值模擬則是借助計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算軟件，建立土體的力學(xué)模型，模擬土體在不同荷載和環(huán)境邊界下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等變化規(guī)律；現(xiàn)場監(jiān)測方法則是一種最有效的沉降分析方法，通過在現(xiàn)場設(shè)置觀測點(diǎn)，定期觀測地基的沉降情況，可以獲得實(shí)時(shí)的沉降數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)反映了如地質(zhì)條件、荷載條件、施工條件等多種因素的真實(shí)影響，從而為工程設(shè)計(jì)和施工提供重要的依據(jù)和支持。

研究在建筑物筏板基礎(chǔ)底部設(shè)置了不同的垂直沉降監(jiān)測傳感器，傳感器為不銹鋼結(jié)構(gòu)一體化VWD型振弦式位移計(jì)，具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償、防旋轉(zhuǎn)、防折彎、抗跌落等功能，傳感器直徑為24mm，測量范圍不超過400mm，靈敏度不超過0.08mm，耐水壓不低于1MPa。傳感器的監(jiān)測點(diǎn)布置圖如圖2所示，共計(jì)58個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)均布置在地下室承重柱下方，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在深度方向上布置6個(gè)位移傳感器，主要監(jiān)測筏板基礎(chǔ)底部以下的飽和黏土豎向沉降，監(jiān)測點(diǎn)垂直間距為0.5m。

圖2 飽和黏土固結(jié)沉降傳感器布置

4 飽和黏土地基基礎(chǔ)施工后固結(jié)沉降監(jiān)測結(jié)果分析

圖3為筏板基礎(chǔ)以下0.5m不同監(jiān)測點(diǎn)位置飽和黏土的固結(jié)沉降隨施工過程的變化曲線。從圖3 可以看出，不同監(jiān)測點(diǎn)位置飽和黏土固結(jié)沉降隨著樓層的增高，其變化趨勢(shì)大致相同，均呈非線性單調(diào)增加的趨勢(shì)；在筏板基礎(chǔ)中心的CJ-30監(jiān)測點(diǎn)，其固結(jié)沉降最大，而CJ-39 監(jiān)測點(diǎn)和CJ-21 監(jiān)測點(diǎn)、CJ-01 監(jiān)測點(diǎn)和CJ-58監(jiān)測點(diǎn)，由于監(jiān)測點(diǎn)位置在平面上關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱，CJ-39 監(jiān)測點(diǎn)和CJ-21 監(jiān)測點(diǎn)的固結(jié)沉降值相近，CJ-01 監(jiān)測點(diǎn)和CJ-58 監(jiān)測點(diǎn)的固結(jié)沉降值相近，且離基礎(chǔ)中心CJ-30 監(jiān)測點(diǎn)越近，監(jiān)測點(diǎn)的固結(jié)沉降越大。CJ-30 的最大固結(jié)沉降值為43mm，CJ-39 的最大固結(jié)沉降值為39mm，CJ-21 的最大固結(jié)沉降值為36mm，CJ-01 的最大固結(jié)沉降值為20mm，CJ-58 的最大固結(jié)沉降值為19mm。

圖3 飽和黏土固結(jié)沉降隨施工過程的變化

圖4為施工至7層時(shí)，筏板基礎(chǔ)以下不同深度位置處飽和黏土的固結(jié)沉降變化曲線。從圖4中可以看出，不同監(jiān)測點(diǎn)的固結(jié)沉降值隨深度的變化趨勢(shì)均大致相同，為非線單調(diào)降低趨勢(shì)，筏板基礎(chǔ)以下3.0m最大固結(jié)沉降值降低至15mm；在相同的深度位置處，監(jiān)測點(diǎn)CJ-30的固結(jié)沉降值最大，CJ-39監(jiān)測點(diǎn)和CJ-21監(jiān)測點(diǎn)的固結(jié)沉降值相近，CJ-01監(jiān)測點(diǎn)和CJ-58監(jiān)測點(diǎn)的固結(jié)沉降值相近，表現(xiàn)為平面上關(guān)于中點(diǎn)對(duì)稱。

圖4 筏板基礎(chǔ)以下不同深度位置飽和黏土的固結(jié)沉降變化曲線

5 結(jié)語

以山東省煙臺(tái)市某多層建筑筏板基礎(chǔ)為研究對(duì)象，運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測的方法研究飽和黏土在地基基礎(chǔ)施工后的固結(jié)沉降變化特征，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）不同監(jiān)測點(diǎn)位置飽和黏土固結(jié)沉降隨著樓層的增高，其變化趨勢(shì)大致相同，均呈非線性單調(diào)增加的趨勢(shì)，飽和黏土的最大固結(jié)沉降值為39mm。

（2）不同監(jiān)測點(diǎn)的固結(jié)沉降值隨深度的變化趨勢(shì)均大致相同，為非線單調(diào)降低趨勢(shì)，筏板基礎(chǔ)以下3.0m最大固結(jié)沉降值降至15mm。

（3）在筏板基礎(chǔ)中心處的飽和黏土固結(jié)沉降最大，距離筏板中心越遠(yuǎn)固結(jié)沉降值越小。