摘要：本文以雙層地基固結(jié)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展為研究對象，主要分析了雙層地基的概述、理論研究、數(shù)值計(jì)算研究與試驗(yàn)研究幾個方面。希望本文的研究能為雙層地基固結(jié)的實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞：雙層地基；固結(jié)；概述

一 雙層地基概述

在我國廣大沿海、內(nèi)陸湖泊地區(qū)，軟土分布十分廣泛。其表面往往在外因如荷載遷移、水分蒸發(fā)、化學(xué)風(fēng)化等因素長期作用下，在地表會形成的厚達(dá)幾米的天然硬殼層。這種硬殼層物理性質(zhì)和其下的土層往往存在明顯的差異，它們結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，呈中等壓縮性，面積廣大，具有很好的承載作用。這種天然形成的上硬下軟的地基稱為天然雙層地基。

天然雙層地基在我國東南、華南沿海和平原地區(qū)十分常見，代表性的有上海地區(qū)、天津及塘沽地區(qū)、連云港地區(qū)以及浙江沿海地區(qū)以及廣東福建部分地區(qū)等。例如上海地區(qū)表土層的褐黃色亞粘土，含氧化鐵，可塑到軟塑態(tài)，其孔隙比為0.7-1.0，厚度一般3m左右，壓縮模量在4—8Mpa之間，是淺基礎(chǔ)的良好持力層。其下臥軟土多數(shù)地區(qū)為灰色淤泥質(zhì)亞粘土和灰色淤泥質(zhì)粘土層?；疑倌噘|(zhì)亞粘上處流塑態(tài)，厚度3－12米，一般6米，其孔隙比在1.0－1.3之間，含水量35％－40％，壓縮模量2.7—4.0Mpa?；疑倌噘|(zhì)粘土層亦處流塑態(tài)，厚度3-10米，最厚可達(dá)20米，其孔隙比在1.3-1.6之間，含水量40％－60％，壓縮模量1.8-2.4MPa。

在廣東沿海江河入?？?，有許多地方人工造地，在淤泥上回填砂、土等，夯實(shí)后形成人工硬殼層；或?qū)]有天然硬殼層的軟土進(jìn)行加固，提高表層軟土的強(qiáng)度，如大面積強(qiáng)夯加固飽和軟粘土地基，形成人工硬殼層，形成的地基與天然雙層地基具有相似的承載作用。這種人工形成的上硬下軟的地基稱為人造雙層地基。

二、理論研究

雙層地基是水平層狀地基，Terzaghi一維固結(jié)理論不能直接應(yīng)用，需建立雙層地基的固結(jié)方程來解決其固結(jié)問題。自1945年H.Gray給出了瞬時加荷情況下雙層地基一維固結(jié)解析解以來，國內(nèi)外學(xué)者紛紛就類似的固結(jié)模型以及不同的邊界條件展開了研究。首先，Schiffiman R L等通過引申經(jīng)典的Terzaghi固結(jié)理論來模擬成層體系，針對一系列邊界條件和復(fù)雜應(yīng)力歷史給出了成層地基固結(jié)問題的解答，應(yīng)該說是GrayH.研究的深入與推廣。架茂田等針對層狀飽和土體，運(yùn)用分離變量法直接求解太沙基一維固結(jié)方程，建立了不同時刻各深度處孔隙水壓力及總體固結(jié)度的解析計(jì)算公式，獲得了雙層地基飽和土體孔隙水壓力擴(kuò)散與消散的理論解答，討論了土體壓縮性與滲透性的非均質(zhì)對土層固結(jié)度的影響。謝康和等通過研究雙層地基一維固結(jié)的問題，給出荷載隨時間任意變化及起始孔壓沿深度任意分布情況下雙層地基一維固結(jié)解答，討論了雙層地基一維固結(jié)特性，并為雙層地基平均固結(jié)度的實(shí)際計(jì)算提供了圖表，此外還分析了根據(jù)沉降定義和根據(jù)平均孔壓定義計(jì)算雙層地基平均固結(jié)度的區(qū)別，從而使雙層地基固結(jié)理論的研究趨于完善。對成層粘彈性地基，藍(lán)柳和、謝康和建立了成層地基的一維固結(jié)方程，并運(yùn)用半解析方法進(jìn)行求解。謝康和、鄭輝、李冰河和劉興旺首次建立能綜合考慮荷載、土的成層性和自重等因素影響的固結(jié)控制方程，運(yùn)用半解析解法對成層地基進(jìn)行非線性分析。

以上關(guān)于雙層地基固結(jié)問題的研究雖然可以得到解析解，但是往往需要解答復(fù)雜的超越方程，結(jié)果給計(jì)算分析和工程運(yùn)用帶來諸多的不便。而雙層地基固結(jié)理論研究的另一個途徑，是經(jīng)過Laplace變換求其固結(jié)方程的通解，在一些近似假設(shè)下可以求得其固結(jié)問題的解析解，但對于一般的情形Laplace逆變換需借助數(shù)值方法來求解。陳根媛應(yīng)用Laplace變換、初參數(shù)法和矩陣法得到任意多層一維固結(jié)通用解法，并給出了雙層地基固結(jié)度的計(jì)算公式。楊峻、蔡袁強(qiáng)和吳世明基于Terzagh假設(shè)，利用Laplace變換對循環(huán)荷載作用下雙層地基的一維固結(jié)進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出任意荷載下一維固結(jié)方程的通解。蔡袁強(qiáng)、徐長節(jié)，袁海明[v2味弓用Laplace變換及傳遞矩陣法求解了任意荷載下成層粘彈性地基一維固結(jié)。

但在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，為方便計(jì)算，常把多層地基看成具有等效固結(jié)系數(shù)的均質(zhì)單層地基，用單層地基的一維固結(jié)公式計(jì)算。計(jì)算等效固結(jié)系數(shù)的方法有加權(quán)平均固結(jié)系數(shù)法和平均指標(biāo)法。

雙層地基的一維固結(jié)無疑是最簡單的雙層地基固結(jié)問題，對于更具有實(shí)際意義的二維、三維固結(jié)問題，目前尚缺乏較深入的解析解。胡亞元等采用積分變換、算子法研究了多層地基二維Biot固結(jié)問題，獲得地基表面作用荷載是任意層內(nèi)任意點(diǎn)應(yīng)力、位移的一般積分形式解。

三 數(shù)值計(jì)算研究

雙層地基固結(jié)問題的解析解一般都是附加了諸多的簡化條件得到的，只要邊界條件、初始條件或加荷曲線變得稍微復(fù)雜，其解析解就很難得到，于是此問題的數(shù)值解法就應(yīng)運(yùn)而生了，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新也愈加得到人們的歡迎。

有限元法：理論上，這一方法可適用任意的邊界條件和加載方式，可計(jì)入土層的不均勻性和土層性質(zhì)的非線性特征等。許多學(xué)者為用有限元研究提出了多種描述土的本構(gòu)關(guān)系的模型。但復(fù)雜的模型所涉及的計(jì)算參數(shù)較難測試，復(fù)雜的程序使用者一般也要費(fèi)許多時間才能真正掌握。因而，有限元法在實(shí)際工程中未能得到普遍應(yīng)用。

有限差分法：羅嗣海運(yùn)用有限差分法，以雙層地基為例分析層狀地基固結(jié)的若干特性。同時對常用的簡化計(jì)算法進(jìn)行比較和分析，指出不同的簡化法的計(jì)算誤差與地基各層的指標(biāo)組合有關(guān)。

DQM法：DQM(Differential QuadratureMethod)是Bellman~在1971年提出的一種快速求解偏微分方程的數(shù)值方法。它的主要思想是用空間上全部離散點(diǎn)的函數(shù)值的加權(quán)和近似表示每個點(diǎn)的各階導(dǎo)數(shù)值，經(jīng)過這種D Q M變換后，求解與時間無關(guān)的偏微分方程將轉(zhuǎn)化為求解一個代數(shù)方程組，而求解與時間有關(guān)的偏微分方程則轉(zhuǎn)化為求解一個常微分方程組。Wang等將DQM應(yīng)用于雙層地基的一維線性固結(jié)問題中，得到了令人滿意的效果。陳仁朋、周萬歡等基于Davi和Raymond一維非線性固結(jié)理論，推導(dǎo)了初始有效應(yīng)力沿深度變化、任意邊界條件，任意荷載作用下成層地基一維非線性固結(jié)的DQM表達(dá)式，得到了孔壓、有效應(yīng)力和平均固結(jié)度的解答。

四 試驗(yàn)研究

包括模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)。

模型試驗(yàn)：M C R Davies和R H GParry通過離心模擬試驗(yàn)對建于上硬下軟地基上的路堤全過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)用傳統(tǒng)一維固結(jié)理論對固結(jié)沉降量估計(jì)偏大，對超孔隙水壓力的完全消散時間預(yù)計(jì)偏長，這也說明傳統(tǒng)一維固結(jié)理論可能過于簡化了。同時，也發(fā)現(xiàn)路堤腳趾處的水平向位移和中心沉降量是在一個數(shù)量級上的。費(fèi)涵昌等取上海NO.3b層(灰色輕亞粘土夾薄層粉砂)、NO.4(灰色淤泥質(zhì)粘土)組成的上硬下軟地基為研究對象，通過離心模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：持力層越厚、軟弱下臥層對減小沉降越有利，變形主要發(fā)生在基礎(chǔ)寬度1.6倍深度之內(nèi)。

現(xiàn)場試驗(yàn)：三總隊(duì)軟土試驗(yàn)隊(duì)在武昌附近的陽新湖軟土地區(qū)進(jìn)行了具有硬殼層的軟土地基填土試驗(yàn)。滬寧高速公路的軟土地基沉降課題研究的實(shí)測資料表明，地基淺層的硬殼層有一定的抗變形能力，即填土高度較小時，有硬殼層的區(qū)域其沉降速率平緩，沉降量很?。划?dāng)填土超過一定高度后，出現(xiàn)沉降的拐點(diǎn)，沉降速率迅速增大，沉降量明顯增大。淺層硬殼層的存在對于填土初期的橫向差異沉降也是有利的；但隨著荷載的增加，硬殼層的作用逐步減弱，差異沉降率逐步接近。廣東南沙軟弱地基泵站基礎(chǔ)沉降觀測，當(dāng)?shù)缆放c管道基礎(chǔ)的深層側(cè)向位移己經(jīng)較大時，埋設(shè)在硬殼層中邊樁的側(cè)向位移仍然較小。