1、第 軟粘土地基沉降計(jì)算問題研究論文導(dǎo)讀：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。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。因此，要提高軟粘土的地基強(qiáng)度，必須控制施工和使用時(shí)的加荷速度，特別是在開始階段加荷不能過大，以便使增加的每一級荷重與土體在新的受荷條件下強(qiáng)度的提高相適應(yīng)。關(guān)鍵詞：軟粘土，地基，沉降計(jì)算 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

2、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。多年的實(shí)踐表明，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。 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: 1.1土的抗剪強(qiáng)度很低 抗剪強(qiáng)度與加荷速度

3、及排水固結(jié)條件密切相關(guān)。根據(jù)大量土工試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，軟粘土的天然不排水抗剪強(qiáng)度與其它非軟粘土的不排水抗剪強(qiáng)度相比，其差距還是比較明顯的。軟粘土的直剪快剪內(nèi)摩擦角一般為30-110，內(nèi)聚力一般在8-12KPa之間。排水條件下的抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)程度的增加而增大，固結(jié)快剪的內(nèi)摩擦角一般為80-120，內(nèi)聚力為10-15KPa左右。這表明隨著土體超孔隙水的排除，土體得到壓密，強(qiáng)度得以增強(qiáng)。因此，要提高軟粘土的地基強(qiáng)度，必須控制施工和使用時(shí)的加荷速度，特別是在開始階段加荷不能過大，以便使增加的每一級荷重與土體在新的受荷條件下強(qiáng)度的提高相適應(yīng)。反之，土體中的水分將來不及排出，土體強(qiáng)度不但來不及得到提高，反而

4、會(huì)由于上中孔隙水壓力的急劇增大，有效應(yīng)力降低，而產(chǎn)生土體的擠出破壞。 1.2土的壓縮性較高 天然狀態(tài)的軟粘土層大多數(shù)屬于正常固結(jié)狀態(tài)，但也有部分屬于超固結(jié)狀態(tài)，近代海岸灘涂沉積為欠固結(jié)狀態(tài)。由此產(chǎn)生的總沉降是很顯著的。該類上高壓縮性的形成，首先在于其一定程度的欠壓密性。在軟粘土沉積的初期，土粒間由于形狀不規(guī)則和粒間電荷，使其形成一定強(qiáng)度的粒間聯(lián)結(jié)，從而阻礙其進(jìn)一步壓密。其次，與其組成成分和結(jié)構(gòu)所決定的高容水性以及低滲透性有關(guān)，土中的水不易排除，不易壓密。 1.3土的含水量較高，孔隙比較大 根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，軟粘土的一般含水量為35%-80%，孔隙比約為1-2。這一特征不但反映土中的礦物成分和介

5、質(zhì)相互作用的性質(zhì)，同時(shí)也反映了軟粘土的抗剪強(qiáng)度越小，壓縮性越大;反之，抗剪強(qiáng)度越大，壓縮性越小。 1.4軟粘土的滲透性較差 軟粘土的滲透系數(shù)一般為1x10-6-1x10-8cm/s，在荷載作用下固結(jié)速率很慢。所以在軟粘土層上的建筑物基礎(chǔ)的沉降往往拖延很長時(shí)間才能穩(wěn)定。在荷載作用下地基土的強(qiáng)度增長也是很緩慢的。論文大全。而大部分淤泥和淤泥質(zhì)土地區(qū)，由于該土層中夾有數(shù)量不等的薄層細(xì)砂、粉土等，故在垂直方向的滲透性較水平方向要小。這種低滲透性，高含水量且呈飽和狀態(tài)的特性，不但延緩其土體的固結(jié)過程，而且在加荷初期，常易出現(xiàn)較高的孔隙水壓力，對地基強(qiáng)度有顯著的影響。 1.5軟粘土具有明顯的觸變性 軟粘土

6、的觸變性指的是土體強(qiáng)度因受擾動(dòng)而削弱，又因靜置而增長的特性。通過顯微鏡結(jié)構(gòu)掃描試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一般軟粘土具有典型的空架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)抗力相對片架結(jié)構(gòu)為大，但土的結(jié)構(gòu)性和靈敏性也大。軟粘土的觸變性可由靈敏度來判斷，靈敏度值越大，觸變性越明顯。 軟粘土在其結(jié)構(gòu)未被破壞時(shí)，一般呈軟塑-流塑狀態(tài)，一經(jīng)擾動(dòng)，致使結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，土體強(qiáng)度顯著降低，將擾動(dòng)過的軟粘土靜置一定時(shí)間，則強(qiáng)度隨歷時(shí)的增大而增長。軟粘土的這種高靈敏性也給室內(nèi)試驗(yàn)的取土造成困難，往往室內(nèi)試驗(yàn)前已對土體產(chǎn)生擾動(dòng)，破壞了其結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，所得指標(biāo)已失真。所以現(xiàn)場原位測試的十字板強(qiáng)度和靜力觸探值常作為軟粘土地基穩(wěn)定分析的指標(biāo)。因此，在強(qiáng)度低而且靈敏度較高的軟

7、粘土地基上連續(xù)施工，分級加荷的大小與時(shí)間要嚴(yán)格控制，并盡可能避免擾動(dòng)，以防土體失穩(wěn)導(dǎo)致滑動(dòng)破壞。 1.6軟粘土具有明顯的流變特性 軟粘土典型的空架結(jié)構(gòu)，一方面決定了此類土靈敏度高，不宜擾動(dòng)；另一方面導(dǎo)致軟粘土地基變形大，流變特性明顯。即在荷載作用下，軟粘土除產(chǎn)生主固結(jié)沉降外，還會(huì)產(chǎn)生可觀的次固結(jié)沉降。從這一現(xiàn)象可以看出，土是具有粘滯性的。一般軟粘土的變形可分為三個(gè)階段:第一階段為空架結(jié)構(gòu)變形階段。此時(shí)變形速率小，一般可小于10mm/d；隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)抗力，空架結(jié)構(gòu)遭到破壞，此時(shí)要嚴(yán)格控制加荷速率，否則土體易失穩(wěn)，變形速率可控制在15-20mm/d;隨著變形的發(fā)展，土體進(jìn)入片架

8、式結(jié)構(gòu)變形階段，此時(shí)變形發(fā)展緩慢，變形持續(xù)時(shí)間較長，表現(xiàn)出明顯的流變特性。有時(shí)土體蠕變長達(dá)數(shù)年，變形量也會(huì)累積增加，如果此階段變形過大，時(shí)間過長，會(huì)給工程帶來許多問題，如墻面開裂、沉降不均等，對高等級公路則表現(xiàn)為橋頭跳車、道路起伏、路面開裂等。 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。礦物顆粒壓縮性很小，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(cuò)動(dòng)的結(jié)果。 對于軟粘土這樣的飽和三相土，孔隙水壓縮量很小?？紫端w積的變化主要是因?yàn)榭紫端臐B出。由于孔隙

9、體積變化和顆粒重新排列需要一個(gè)時(shí)間過程，土體的固結(jié)變形與時(shí)間有關(guān)。土體所受荷載(總應(yīng)力)在作用瞬間，主要由孔隙流體承擔(dān)。論文大全。隨后，由于孔隙流體體積逐漸滲出，孔隙壓力逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸增加。在有效應(yīng)力作用下，骨架體產(chǎn)生的變形分為瞬時(shí)變形和蠕動(dòng)變形。其中后者由于顆粒重新排列和骨架體錯(cuò)動(dòng)的時(shí)間效應(yīng)與時(shí)間有關(guān)。將有效應(yīng)力卸去后，若變形恢復(fù)，則稱為彈性變形;若變形不可恢復(fù)，則稱為塑性變形。根據(jù)以上分析，當(dāng)建(構(gòu))筑物傳遞的荷載作用到軟弱土層上時(shí)，一般的可將沉降分為兩部分或三部分。 一種是將沉降-時(shí)間關(guān)系分為瞬時(shí)壓縮和滯后壓縮兩部分。第一部分表示瞬時(shí)荷載引起的超孔隙水壓力隨外荷載作用而立即消散所

10、產(chǎn)生的沉降;而第二部分則是有效應(yīng)力不變時(shí)產(chǎn)生的沉降。這個(gè)思想基本上沒有考慮孔隙水的作用，這種劃分形式最適合于(至少在概念上)描述土體結(jié)構(gòu)對有效應(yīng)力的特性。 而更為人們普遍接受的是軟粘土地基在外力作用下的沉降經(jīng)歷三個(gè)不同的階段，并表現(xiàn)為三種類型的沉降特征:瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。在有限的時(shí)間內(nèi)，施加一定的作用荷載后，軟粘土地基的總沉降以這三部分之和表示。 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:(l)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

11、精確，但對軟粘土地基而言，其結(jié)構(gòu)方程有時(shí)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(shí)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(shí)沉降和固結(jié)沉降之和。 上述二種方法中，準(zhǔn)確確定地基土的壓縮模量是一個(gè)關(guān)鍵性的問題。據(jù)目前的勘察水平，通過室內(nèi)試驗(yàn)很難準(zhǔn)確確定地基土的壓縮模量，因?yàn)樵瓲钔翗拥牟扇∈艿胶艽蟮南拗?，特別是粉性土、砂土擾動(dòng)程度很大，室內(nèi)試驗(yàn)得到的壓縮模量往往偏小。 第三類方法包括經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式，已有許多學(xué)

12、者提出了各種經(jīng)驗(yàn)公式直接來計(jì)算地基的沉降，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。原位試驗(yàn)?zāi)軌蛘_反映地基土的力學(xué)性質(zhì)，用原位試驗(yàn)成果確定甚至替代室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，用于沉降計(jì)算，具有不可比擬的優(yōu)勢。 數(shù)值分析方法主要有有限元法、有限差分法和集總參數(shù)法等，目前也越來越多地應(yīng)用到地基的沉降計(jì)算中。 3.1瞬時(shí)沉降量的計(jì)算方法 在剪應(yīng)力作用下，地基內(nèi)會(huì)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)沉降量也是隨著荷載的增加而增大。如地基受到顯著擾動(dòng)時(shí)，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

13、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:壓縮時(shí)地基不能有側(cè)向變形;根據(jù)基礎(chǔ)中心點(diǎn)下的土的附加壓力進(jìn)行計(jì)算;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)算在荷載作用下各土層中的附加應(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)算各土層的壓縮量，然后求和得到壓縮

14、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)。論文大全。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(shí)，由于理論上作了一些與實(shí)際情況不完全符合的假設(shè)，主要是基底下土中有效附加應(yīng)力，采用了彈性理論中的Mindlin和Boussinesq應(yīng)力解，與土性無關(guān)，這與實(shí)際土體中的有效應(yīng)力不相符，對軟粘土而言可能偏小，對砂性土則偏大，這樣計(jì)算值往往與實(shí)測值不盡相符，甚至相差很大。為

15、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(dòng)、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:正常固結(jié)土;超固結(jié)土;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

16、處于不同的狀態(tài)時(shí)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(gè)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(shí)，這種影響更大。對此，我們可以利用路徑法來解決。 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(gè)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)算土體的壓縮量。在這種

17、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:采用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場有效應(yīng)力路徑法;應(yīng)變等值線法。 第一種方法的基本思路是:根據(jù)彈性理論計(jì)算出各典型單元應(yīng)力路徑;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;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: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;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；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；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)