辛建芳

【摘要】目前國內(nèi)的沉降計(jì)算，都是根據(jù)規(guī)范采用壓縮試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，推導(dǎo)計(jì)算公式，并加以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)校正的方法。多年的公路建設(shè)表明，這樣的近似計(jì)算方法，己難以滿足實(shí)際工程的需要。隨著對軟粘土工程性質(zhì)及其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系理解的深化和計(jì)算技術(shù)的改進(jìn)，可以對應(yīng)力與變形機(jī)理做出進(jìn)一步的解釋，其沉降計(jì)算方法也從最初只考慮單向壓縮變形，發(fā)展到計(jì)及側(cè)向變形，近幾年來，更將土的應(yīng)力歷史、應(yīng)力路徑等影響因素納入到計(jì)算方案之中。

【關(guān)鍵詞】軟粘土；地基；沉降計(jì)算

1.軟粘土地基的工程特性分析

目前我國展開大規(guī)模建設(shè)的沿海地區(qū)，分布著大面積的軟粘土地基。所謂軟粘土地基，即是由淤泥、淤泥質(zhì)土和部分沖填土、雜填土以及其它高壓縮性土組成的地基。這類土一般具有以下的一些工程特性:土的抗剪強(qiáng)度很低 ；土的壓縮性較高；土的含水量較高，孔隙比較大；軟粘土的滲透性較差；軟粘土具有明顯的觸變性；軟粘土具有明顯的流變特性。

2.軟粘土地基沉降變形機(jī)理分析

天然土體一般是由礦物顆粒構(gòu)成骨架體，再由孔隙水和氣填充骨架體孔隙而組成的三相體系。七顆粒壓縮性很小，一般都認(rèn)為其不可壓縮。因此，土體的變形是孔隙流體的流失以及氣體體積的減小、顆粒重新排列、粒間距離縮短、骨架體發(fā)生錯動的結(jié)果。

3.軟粘土地基常用沉降計(jì)算方法分析

地基沉降的計(jì)算方法可以分為四類:（1）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)，對于彈性的、均質(zhì)的、各向同行的半空間體，其數(shù)學(xué)解精確，但軟粘土地基而言，其本構(gòu)方程有時與實(shí)際不符，因而其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果有較大差異，主要用于瞬時沉降量的計(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。

3.1瞬時沉降量的計(jì)算方法

在剪應(yīng)力作用下，地基內(nèi)會產(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)沉降量也是隨著路堤的填高而增大，越接近極限高度，增長的數(shù)值越大。如地基受到顯著擾動時，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。

3.2主固結(jié)沉降量的計(jì)算

3.2.1傳統(tǒng)分層總和法(單向壓縮法)

分層總和法有如下假定:①少權(quán)縮時地基不能有側(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)算在荷載作用下齊土層中的附加應(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)算各七層的壓縮量，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。

3.2.2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，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)算方法加以簡化。分析沉降觀測資料表明，可以采用修正系數(shù)來反映沉降量計(jì)算值與實(shí)測值的差別，對計(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)性對應(yīng)力分布的影響、荷載性質(zhì)的不同與上部結(jié)構(gòu)對荷載分布的調(diào)整作用等。

3.2.3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、河流的沖刷等原因，這一壓力不一定等于目前現(xiàn)場的有效應(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)時要求采用不同的壓縮性指標(biāo)計(jì)算沉降量。

3.2.4考慮側(cè)向變形的固結(jié)沉降計(jì)算

利用e-lgP曲線來計(jì)算沉降，對正常固結(jié)、超固結(jié)和欠固結(jié)粘性土，可分別對待，這似乎比利用e-P曲線計(jì)算沉降前進(jìn)了一步。實(shí)際上，地基中的土受到附加應(yīng)力后，變形并不是如前所述的那樣簡單，也不是象在固結(jié)儀中簡單地沿一個垂直方向壓縮，側(cè)向變形對固結(jié)沉降的影響很大，特別是當(dāng)?shù)鼗姓承酝翆拥暮穸瘸^基礎(chǔ)面積的尺寸時，這種影響更大。對此，我們可以利用半徑法來解決。

3.2.5應(yīng)力路徑法計(jì)算沉降

為了更好地考慮側(cè)向變形對垂直沉降的影響，我們可以使用一個更為方便的方法，根據(jù)地基土體所經(jīng)過的應(yīng)力路徑計(jì)算上體的壓縮量。在這種方法中，估計(jì)和模擬所選單元的應(yīng)力路徑要與室內(nèi)試驗(yàn)盡可能接近。常用的應(yīng)力路徑法有兩種:①采用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場有效應(yīng)力路徑法;②應(yīng)變等值線法。

第一種方法的基本思路是:①根據(jù)彈性理論計(jì)算出各典型單元應(yīng)力路徑;②按照計(jì)算所得的應(yīng)力路徑進(jìn)行三軸試驗(yàn)，并視現(xiàn)場條件確定排水條件，測量豎向應(yīng)變量;③將實(shí)測豎向應(yīng)變乘以相應(yīng)土層厚度，計(jì)算沉降量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能較好地模擬實(shí)際應(yīng)力路徑的影響;缺點(diǎn)是采用彈性理論計(jì)算得到的應(yīng)力路徑同地基中的實(shí)際應(yīng)力路徑有一定的誤差，按照規(guī)定的應(yīng)力路徑試驗(yàn)比較復(fù)雜，且有一定難度。

應(yīng)變等值線法的基本思想是:①通過一系列的三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)(CIU試驗(yàn))，得到等軸向應(yīng)變圖。對正常固結(jié)粘土，等軸向應(yīng)變線同等強(qiáng)度發(fā)揮應(yīng)變線重合，均為過原點(diǎn)的直線;②將由彈性理論計(jì)算得到的總應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力路徑畫在等軸應(yīng)變圖上；③不排水加荷載階段的豎向應(yīng)變和孔隙豎水壓力消散固結(jié)過程部分的豎向應(yīng)變可以由等軸向應(yīng)變圖求得；④土體總的豎向應(yīng)變即為上述兩部分豎向應(yīng)變之和，然后將應(yīng)變乘上土層厚度即可得到土體的豎向固結(jié)變形量。

3.3次固結(jié)沉降量的計(jì)算

許多室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場量測的結(jié)果表明，次固結(jié)的大小與時間的關(guān)系在半對數(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)場實(shí)測資料來推算總沉降，比如對數(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)】

［１］謝康和，潘秋元.變荷載下任意層地基一維固結(jié)理論[J].巖土工程學(xué)報,1995,(05).

［２］雷學(xué)文,白世偉,孟慶山.灰色預(yù)測在軟土地基沉降分析中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2000,(02).