伍川生

摘 要：由于建筑物荷載差異和地基不均勻等原因，基礎(chǔ)或路堤各部分的沉降或多或少總是不均勻的，使得上部結(jié)構(gòu)之中相應(yīng)地產(chǎn)生額外的應(yīng)力和變形。地基不均勻沉降超過(guò)了一定的限度，將導(dǎo)致建筑物的開裂、歪斜甚至破壞。所以研究地基土的沉降變形機(jī)制，提高計(jì)算和預(yù)測(cè)模型精度具有重要意義。

關(guān)鍵詞：地基沉降；沉降計(jì)算；雙曲線法；割線模量法

在工程的設(shè)計(jì)、施工、工后沉降控制過(guò)程中，沉降分析是不可忽視的問(wèn)題，工程技術(shù)人員都給予極大的重視。無(wú)論是公路工程，建筑工程，還是水利工程，地基沉降分析常被人們視作工程成敗的關(guān)鍵。如果對(duì)地基變形估計(jì)不足小則影響工程的使用，大則引發(fā)嚴(yán)重工程事故造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 路基沉降機(jī)理分析

1.1 土的變形性質(zhì)

作為自然歷史產(chǎn)物，所有的土都經(jīng)過(guò)了十分漫長(zhǎng)的變化過(guò)程，具有漫長(zhǎng)的歷史。并且依照年代、環(huán)境以及地點(diǎn)的差異，土質(zhì)結(jié)構(gòu)也不同，而形成方式的不同，導(dǎo)致了土體的變形特性會(huì)具有差異。

土體水重的變化引發(fā)因素主要由以下幾種因素的變化組成：土粒重度、水的重度、孔隙比、飽和度等。為了對(duì)土中水重進(jìn)行深入分析，可以進(jìn)一步的定量分析水重變化率，可以將常見的土性指標(biāo)帶入土粒與水細(xì)化方程，進(jìn)一步采用土骨架應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系，便可以得出土體變形特征。

土具有較為復(fù)雜的壓縮規(guī)律以及固結(jié)規(guī)律，這種規(guī)律不僅僅受到土質(zhì)本身的形狀以及類別影響，也受到了外界條件以及荷載方式影響。例如：無(wú)粘性土和粘性土之間在變形機(jī)理上就具有差異；二相土同三相土之間在固結(jié)上具有差異，三相土中由于含氣因而不容易確定其中變形指標(biāo)，對(duì)于其狀態(tài)的計(jì)算較為復(fù)雜。天然土體的構(gòu)成相對(duì)較為復(fù)雜，因而如何對(duì)其變形影響因素進(jìn)行確定，還需要進(jìn)一步的研究。

1.2 路基沉降機(jī)理

通過(guò)密實(shí)度不同的土石可以構(gòu)成路基，作為道路最基本的土工結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度相對(duì)大于一般的土體，受到荷載的影響，一般的土體所發(fā)生的形變以及強(qiáng)度變化機(jī)制，從本質(zhì)上進(jìn)行分析是土體內(nèi)部的總體結(jié)構(gòu)演化以及要素調(diào)整。所以，對(duì)路基沉降的內(nèi)因進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)是由于土層中的空隙受到荷載的作用而發(fā)生了壓縮變形，因而這種變形是豎直方向的；而對(duì)路基變形的外因進(jìn)行分析，主要由于地基受到了外界作用力，因而在各個(gè)應(yīng)力作用的方向上便出現(xiàn)了豎向變形、橫向變形以及剪切變形，從而是的地基的不同點(diǎn)向著側(cè)向、豎向等發(fā)生位移，在豎向上產(chǎn)生的位移便是沉降。從飽和土體方面講，由于受到了上部荷載，土體空隙中存在的水分，即自由水便會(huì)排除，而孔隙受到擠壓而變小，超空隙水壓力轉(zhuǎn)移至土骨架，土體變密集，有效應(yīng)力增大，空隙密度減小，從微觀角度觀察土體會(huì)發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)密度明顯得到改善。

受到荷載作用，在應(yīng)力狀態(tài)上路基必然會(huì)發(fā)生改變，因而地基會(huì)發(fā)生變形，從而發(fā)生沉降。但是，路基沉降并非一蹴而就，通常其沉降是分階段的，按照時(shí)間先后對(duì)沉降進(jìn)行分類可以分為以下幾種：瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降以及次固結(jié)沉降。

2 常用沉降計(jì)算方法

2.1 分層總和法

2.1.1 根據(jù)不同土層的壓縮系數(shù)或壓縮模量計(jì)算各層土的壓縮量，然后再把地基受壓層范圍內(nèi)各土層壓縮量相加即可；

2.1.2 選取實(shí)際壓力變化范圍，按照實(shí)測(cè)e～p壓縮曲線進(jìn)行計(jì)算；

2.1.3 考慮應(yīng)力歷史對(duì)沉降的影響，利用e-lgp'曲線計(jì)算沉降。

2.2 考慮三向變形效應(yīng)的計(jì)算方法

中國(guó)學(xué)者黃文熙提出一種計(jì)及應(yīng)力水平與應(yīng)力路徑影響的計(jì)算方法，他考慮了實(shí)際土體三向受力與三向變形條件，建議用三軸壓縮試驗(yàn)實(shí)測(cè)土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

2.3 按應(yīng)力路徑法計(jì)算沉降量

2.3.1 室內(nèi)模擬試驗(yàn)法

用高質(zhì)量的原狀試樣做三軸試驗(yàn)，加荷方式模擬現(xiàn)場(chǎng)土體的有效應(yīng)力路徑（不排水與排水）。直接測(cè)得垂直應(yīng)變分量εu和εd（下標(biāo)u、d分別表示不排水和排水），按下式計(jì)算沉降量

S=Si+Sc=（ε1u+ε1d）H

式中，H為壓縮土層厚度。

2.3.2 應(yīng)變等值線法

在地基中采取原狀試樣，繪制原狀土試樣在不同等壓固結(jié)后的三軸不排水試驗(yàn)的有效應(yīng)力路徑和等應(yīng)變線，然后計(jì)算瞬時(shí)加荷后地基的瞬時(shí)沉降和固結(jié)后總沉降。

2.4 數(shù)值方法

在沉降的計(jì)算中，數(shù)值方法相對(duì)較為完善，可以對(duì)土體的應(yīng)力狀態(tài)以及彈塑性和非線性和非均質(zhì)進(jìn)行分析，但是在計(jì)算的過(guò)程中最難的還是構(gòu)建合理的土體結(jié)構(gòu)模型，因而還需要進(jìn)一步提高建模理論，其主要的參數(shù)大多還依賴于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，因而就需要克服擾動(dòng)影響，加之?dāng)?shù)值計(jì)算較為復(fù)雜，建立本構(gòu)模型也復(fù)雜，數(shù)值方法計(jì)算是相當(dāng)精確的，但由于本構(gòu)模型和參數(shù)誤差大，因而最終結(jié)果也難以準(zhǔn)確，因而在一般的工程應(yīng)用中實(shí)用方法仍是主流應(yīng)用的方法。

3 常用沉降預(yù)測(cè)方法

在進(jìn)行公路施工時(shí)，為了保證施工進(jìn)度可以得到控制，對(duì)后期施工的安排以及組織進(jìn)行知道，并保證路基的穩(wěn)定，需要對(duì)路堤進(jìn)行實(shí)時(shí)沉降量和最終的沉降量預(yù)測(cè)。對(duì)于軟基路堤的沉降量，通常需要通過(guò)三維分析，并且由于土層的復(fù)雜狀況，需要通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期沉降的推算。應(yīng)用最為廣泛的方式為經(jīng)驗(yàn)公式法，該種方法主要可以分為：指數(shù)曲線模型法、雙曲線模型法、Logistic模型法、Verhulst模型法、和對(duì)數(shù)拋物線擬合法。另外還有灰色理論方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法等，其他非經(jīng)驗(yàn)公式法普遍存在理論復(fù)雜、參數(shù)多、理解困難、一般工程技術(shù)人員難以掌握的特點(diǎn)，因其原理復(fù)雜內(nèi)容較多在此不一一贅述。

通過(guò)前面的敘述可以知道：計(jì)算地基沉降的方法眾多，不同的模型各有利弊，通過(guò)對(duì)工程巖土體的分類特點(diǎn)采取不同的計(jì)算方法、獲取相關(guān)參數(shù)來(lái)描述沉降過(guò)程很重要。后續(xù)兩種方法（灰色理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）雖然精確度較前面好，但理論復(fù)雜參數(shù)較多不易用于工程實(shí)踐。一個(gè)好的預(yù)測(cè)模型應(yīng)該準(zhǔn)確性好；適應(yīng)性高；參數(shù)容易取得；前期觀測(cè)數(shù)據(jù)盡量少；公式簡(jiǎn)單易懂，計(jì)算方便。最后，通過(guò)計(jì)算+監(jiān)測(cè)+預(yù)測(cè)的綜合運(yùn)用，到達(dá)掌握沉降規(guī)律。

4 基于P-S曲線的沉降計(jì)算法

正如上所述，影響實(shí)用方法計(jì)算精度一方面是計(jì)算模型的簡(jiǎn)化誤差，而最主要的則是土的參數(shù)采用與實(shí)際相差較大，從而造成計(jì)算誤差大，而土力學(xué)的發(fā)展從1925年沙基土力學(xué)誕生以來(lái)到現(xiàn)在已80多年，但地基沉降變形計(jì)算的準(zhǔn)確性仍是一個(gè)沒有很好解決的問(wèn)題。

針對(duì)傳統(tǒng)沉降計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)和不足，文章介紹一個(gè)新的沉降計(jì)算方法。該方法依據(jù)原位壓板試驗(yàn)曲線確定土的非線性變形參數(shù)——原位土的切線模量或割線模量，然后用于分層總和法，該法參數(shù)來(lái)源于原位土，可克服傳統(tǒng)取樣擾動(dòng)的影響，同時(shí)，切線模量或割線模量可考慮荷載水平的影響，這是目前采用變形模量法所不能考慮的，文中同時(shí)介紹了該方法在筏板、樁基、復(fù)合地基、堤壩地基等的初步應(yīng)用。初步應(yīng)用表明，這是一個(gè)具有較高精度的地基沉降計(jì)算方法。具體應(yīng)用包括以下四種方法：原位土的雙曲線模型法、原位土的雙曲線切線模量法、原位土的雙曲線割線模量法、原位土的任意曲線的切線模量法

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)從地基土變形的根本機(jī)理出發(fā)，闡述了不同的地基變形計(jì)算方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比研究可以知道，地基沉降計(jì)算的復(fù)雜性主要來(lái)源于地基土本構(gòu)模型的復(fù)雜性，模型及其參數(shù)的合理確定的困難。以原位壓板試驗(yàn)曲線提煉相應(yīng)的土體參數(shù)用于地基及基礎(chǔ)的非線性沉降計(jì)算，可以較好地解決現(xiàn)有的計(jì)算理論中主要以室內(nèi)試驗(yàn)為主所帶來(lái)的誤差，由此建立的計(jì)算方法可以進(jìn)行較準(zhǔn)確的基地沉降計(jì)算，進(jìn)一步發(fā)展完善可望成為一個(gè)較精確的地基沉降計(jì)算方法，對(duì)于促進(jìn)和發(fā)展按沉降變形控制的設(shè)計(jì)理論具有重要作用。最后，因?yàn)閹r土體自身的復(fù)雜性，任何一種計(jì)算模型都不可能適用所有的巖土體，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分類的方法針對(duì)不同的地基類型和荷載工況找出最優(yōu)計(jì)算模型是非常有意義的。

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