软土地基沉降量组成及其计算方法分析

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《 Ｊ学》 增刊 ２０ 年 工程ｊ ０３
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态下的固结过程中，不但有侧向压缩也有侧向膨胀，图 １ 说明这种变形过程。土体的初始状态的有效主应力分别为
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《 工程力学》 增刊 ２０ 年 ０３
软土地基沉降量组成及其计算方法分析
王 猛
（ 津大学建 天 筑工程学院， 天津 ３０７ ００２
摘 要建 物 降 的 算 建 基 设 时 绩 虑 问 特 地 在 土 区 降 算 法 选 对 个 筑 安 ： 筑 沉 ｆ 计 是 筑 础 计 必 考 的 题； 别 ， 软 地 沉 计 方 地 择 一 建 物
４ 固结沉降 ｓ ａ
对于软粘土地基，固结沉降在总沉降中所占比 例最大。 其沉降 对于 计算可以 根据计算考虑角度的 不同 分为一下几种： ４１ 考虑土应力历史的计算方法 ．
１ ６ Ａ Ｃｓ ｍｄ 压缩 验结 的 示 法， － 曲 法改 －ｇ 线， 根 后者 ． ａ ｎ 将 试 果 表 方 从ｅ Ｐ 线 为ｅ １ 曲 并 据 ９ 年， ３ ａｇ ｅ Ｐ 发 寻 前 固 压 。图 法 前 结 力 现 地 土 地 历 上 到 最 固 压 ， 现了 找 期 结 力Ｐ 作 方 ． 期固 压 是 场 基 在 质 史 受 的 大 结 力 由 地 作 的 蚀， 不 定 现 地墓 有 压 ｏ因 根 土 质 时 固 压 于 质 用 侵 它 一 等于 有 土的 效 力０。 而 据 在地 历史 期的 结 力的 变 将 体 状 分 三 ： ． ａ 常 结 ； ． ｏ， 为 结 ３ Ｐ＜ｏ称 欠 化， 土 的 态 为 类 １ Ｐ ｏ 正 固 土 ２ Ｐ＞ｏ称 超固 土； ． ｏ， 为 ， ， ＝ ， ｝ 固 土； 三 分 采用 种不同 沉降 算 法， 细 述可 阅 考文 Ｈ 结 这 类土 别 三 的 计 方 详 叙 参 参 献１ ４ 考 ． 虑土的 状态的 ２ 应力 计算方法
２ 最终沉降量的 组成
地 沉 的 理ｎ 即 体 体 粒、 水 气 的 相 土 变形， 括 剪切 形 基 降 机 ］ 土 是固 颗 液体 和 体 三 体 体的 ， 包 瞬时 变 和士
中的液体与 气体的 排出使土体产生固 结变形。 在荷载作用下， 地基土体发生变形， 地面产生沉降。 按变形
机 总 理 沉降Ｓ 分 三部 初始 可以 成 分， 沉降Ｓ 固 沉降５ 次固 沉降Ｓ 可 下式 叭 ｄ 结 ， 。 和 结 ｙ 用 表示 ，
全与否至关重要。 通过对软土地荃最终沉降ｆ各个组成部分计算方法的回顺， 就其各个部分计算方法的发展规律进行分析和
展望．
关钮词： 软粘土：地墓沉降；应力历史：孔隙比；固结度：
１ 前言
软土一 般是含水ｔ、 孔隙比大， 抗剪强度、 渗透性低且压缩性、灵敏度高的 粘性土的统称， 这些土广 泛分布在我国东 南沿海及某些内陆地区。 对软土地墓而言， 在外荷载作用下， 其沉降一般都较大。 而某些 重大工程， 速公路、 如高 机场跑道等工业与民 用建筑对地荃沉降又有严格的 要求， 一般均需要对地基进行 处理． 在确定地荃处理方案时， 估算沉降里是 其中一项重要内 容， 然而如何较为合理地估算沉降量至今仍 是一个值得探讨的问题。 目 有关地荃最终沉降 前， 量的计算方法有许多种， 而不管它产生的年代如何，只要运用得当， 每一种 分折方法都是一种重要的工程技术工具， 都可以 拿来为实际工程服务。 本文目 的在于通过对各种用于软基 最终沉降问 皿的分析方法作一些讨论，以 便对不同的问 题选择适当的分折计算方法。
初始 是由 体在附 应力 沉降Ｓ ｄ 土 加 作用下产 瞬时 形引 生的 变 起的。 饱和软粘 对 土地基而言， 沉降 初始 是
由 土体偏斜 变形引 起的，与地墓土的 侧向 变形密切相关． 初始沉降又称瞬时沉降， 或立即 沉降。固 结沉降 ５是土体在附 ‘ 加应力作用下产生固结变形引 起的。 对饱和软粘土地墓， 固结沉降在总沉降量中 比 所占 例最 大： 固结变形持续时间 较长， 且与地基土层厚 度、 排水条件和土体固结系数有关。 次固结沉降是土体在附 加应力作用下， 随着时间的 发展，土体产生蛹变变形引 起的。 次固结沉降 又称蠕变沉降； 蠕变沉降 持续时 间 很长， 根据对长期观测资料的分析， 沿海地区 饱和软粘土地墓蠕变沉降 约占总沉降的１％ ０ 左右。 地基次 固结沉降随时间的 发展比 压缩试脸中 次固结变形随时间的发展要复杂。 在压缩试验中， 土体变形大致可分 主固结 阶段和次固结变形阶段， 变形 也有人定义次固结 变形为主固结变形完成后土体的变形。 上述在时间 上把主固结 变形与次固结变形截然分开的意见在学术界看法是不一致的。 笔者认为将主固 结变形和次固结 变形在时间 上截然分开的 意见在变形机理上是 难以 解释的。 虽然压缩试验中在主固结变形未完成以 特 前， 别是土 结初期， 体固 次固结变形所占比 例极小。 但是把地基的沉降分成主固结沉降阶段和次因 结沉降 阶段，
按荷载面积形状进行修正。
７年 初期， 现了 差 及 元 论 算 始 量。 ＂ｐ ｏａ 有 单 法 析， 出 用 分法 有限 理 计 初 沉降 ＤＡｐｌｉ采用 限 元 分 证 ０代 ｏｎ
明即 使在承载力安全系数等于３ 的十分安全的 情况下。 地基中 也可能产生塑性区。 这也就是按弹性理论位 移求解公式计算沉降比 实测结果偏小的原因。 因此， 学者提出了必须对初始沉降弹性计算结果除以 有的 大 于１ 的系数，以与修正按弹性理论计算的结果。
结， 几乎也是瞬时发生的。 根据变形机理， 沉降可分为初始沉降、固结沉降 和次固结 沉降 三部分。 对饱和软粘土地基， 固结沉降 是主要的， 总沉降需要很长时间 才能完成。 初始沉降常采用弹性理论求解。固结沉降一般多采用分层总和 法根据固结试验确定参数求解，次固结沉降常采用分层总和法根据蠕变试验确定参数求解。
有限 法计 墓沉降， 只对其计算原 元 算地 且 理加以 简单的 描述， 体的 算过程可见参考文献６ 具 计 （ １
在有限 算中， 元计 可以 合地基土的变形特性选用各种本构模型： 结 包括弹性模型、弹塑性模型、 粘弹 性模型、内 模型等。 时 可以比 较方便地处理几何形状不规则的 地基， 复杂的边界条件，以 及土的非均质性 和各向 异性。 也可考虑地基中 初始应力场以 及上部结构刚度对地荃变形的影响。 元法适应性很强， 有限 可 以处理各种复杂问 采用有限元法计算地基变形的 题。 精确度很大程度取决于 所选用的 地基土体本构模型的 合理性以 及模型参数选用的正确性。 为了 得到地墓的初始沉降， 在有限元分析中需采用建立在不排水条 件下的本构模型，以 及不排水条件 的 模型参数。 得到地荃的总沉降， 为了 则需要采用建立在排水条件下的 本构模型， 及排水条件模型参数。 以 在总沉降分析中 最好采用有效应力分析， 采用Ｂｏ固结理论有限元分析。 更好地考虑姗变变形对沉 如 ｉ ｔ 为了 降的贡献， 可采用粘弹性模型或粘弹塑性模型。
３ 初始沉降 Ｓ ，
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基上建 筑物的 初始沉降占 沉降的 可观部 不 意略去３ 最终 相当 分， 可任 ［ １
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对于厚度为Ｈ的土层，固结变形的压缩童：
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式中， ， ｍ 为土的体积压缩系数， Ａ为孔隙压力系数， 与土的固结状态有密切关系。 另一条思路是 ９ 年Ｔ ａ ｅ １ ４ Ｗ ｂ 提出的 ６ Ｌｍ 应力路径法。 在荷载作用下， 地塞土中 各点的主应力值及方 向 荷载和时间而变化， 都随 因而各点固结过程中的 应力 状态有显著差异， 应力路径不同。 即 具体计算如下： Ｉ ． 在地基土中 选择需要计算沉降的点； ． ２ 对这些点计算其初始自 重应力及附加应力咆 括垂直和水平应力 ： ）
３ 三 试 ， 样 在自 应 下 结 攀 加 附 应 ， 取 固 应 作 下 结 、 的 直 做轴 验 土 先 重 力 固 ，后 上 加 力 量 在 结 力 用 固前 后 垂
应 ４ Ｉ 两 应 分 乘以 层的 度， 得 基 １ 变： ．ｔ 用 得的 种 变 别 土 厚 即 地 沉降５ １
这种方法虽然过程比 较萦琐， 但比 较合理． 其缺点是根据弹性理论预估地墓土中应力， 地基中 所选计 算点 达到塑性状态时， 计算结果不正确，而且试验也无法进行。 ４３ 数值计算方法 ． 目 前用于地荃沉降ｔ分析的数值方法主要是有限元法、差分法和边界元法。由 于篇幅所限， 本文只就
土体变形实际上是在三向 应力状态下产生的， 从土的 应力状态来考虑对沉降进行计算有两个思路， 第
一是５年代黄 ０ 文熙教 授提出 考虑土在三向 状态下 算沉降 的 应力 计 叭
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对深厚软粘土地基 在荷载作用下地基土体完 认为次固结 沉降是在主固结沉降完成后发生的是欠妥当的。 地基土体蠕变变形是早 成固结所需时间 极长， 有时长达几年， 甚至十 几年，几十年，在这么长的时间内， ，并不是从时间角度划分的。地 已 发生了。 上述分析说明： 将地基沉降分成三部分是从变形机理角度考虑，并不是从时间角度划分的。 地 墓固结沉降和次固结沉降难以 在时间 上分开； 初始沉降与固结沉降在时间上也难以截然分开。 地基的初始 沉降并不是物理上的 瞬时沉降， 也需要一定的时间过程。 而土体固结变形， 特别是邻近排水面的土体的固
作 摘介 上 括 ＇ ７ ９．男 河 度人． 滩大学硕士 老 １９ ＇ ９ 南太 天 研究生，主 要从事 认上地从与 基础工 程研究
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０３ 《 工程力学》 增刊 ２０ 年
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式中 ， ． 土体不排 剪强 ｐ 系数， Ｃ 一 水抗 度； — 变化范围 ０＾１ ０（ ｅｕ ． ２． 为５０－ ０ 功 ｒｍ １ ） ５ ｒ ９ ７ ｐ 塑 值随 性指数增 大和土中 质含量增大而 有机 减小， 土 超固 增大 随 体的 结比 而提高。 述计算结 上 果须
初始沉降计算由 两部分组成： 一部分是由 地基的弹性变形引 另一部分则由 起； 地基塑性区的 发展引起。 非饱和土在荷载作用下产生的瞬时压缩也属初始沉降。目 有关初始沉降的计算都针对前一部分沉降而 前， 言， 对后一部分的 沉降计算目 前还没有找到令人信服的计算方法， 多在前一部分计算结果的墓础上进行一 些修正来考虑塑性变形的影响。 均布荷载作用下， 圆形或 矩形基础由 弹性畸变引起的初始沉降， 通常用半
ｄ ０， 上 加 应力０ ， 。 后， 体 生 ａ‘ ３ 加 附 主 ｌ 和乙 ０ 和乙 ３ 之 土 产
初始变形而侧向膨胀。随 着固结过程， 侧向有效应力比 竖 向有效应力增长得快，所以土体产生侧向压缩。 在附加主 应力刁 ， 。作用下，土体产生的 ａ和乙 ３ 孔隙水压力：
（） ４
粼
图 ｔ三向应力状态变形