地基沉降計算及預測方法研究

伍川生

摘 要：由于建筑物荷載差異和地基不均勻等原因，基礎或路堤各部分的沉降或多或少總是不均勻的，使得上部結構之中相應地產生額外的應力和變形。地基不均勻沉降超過了一定的限度，將導致建筑物的開裂、歪斜甚至破壞。所以研究地基土的沉降變形機制，提高計算和預測模型精度具有重要意義。

關鍵詞：地基沉降；沉降計算；雙曲線法；割線模量法

在工程的設計、施工、工后沉降控制過程中，沉降分析是不可忽視的問題，工程技術人員都給予極大的重視。無論是公路工程，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鍵。如果對地基變形估計不足小則影響工程的使用，大則引發嚴重工程事故造成巨大的經濟損失。

1 路基沉降機理分析

1.1 土的變形性質

作為自然歷史產物，所有的土都經過了十分漫長的變化過程，具有漫長的歷史。并且依照年代、環境以及地點的差異，土質結構也不同，而形成方式的不同，導致了土體的變形特性會具有差異。

土體水重的變化引發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。為了對土中水重進行深入分析，可以進一步的定量分析水重變化率，可以將常見的土性指標帶入土粒與水細化方程，進一步采用土骨架應變-應力關系，便可以得出土體變形特征。

土具有較為復雜的壓縮規律以及固結規律，這種規律不僅僅受到土質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：無粘性土和粘性土之間在變形機理上就具有差異；二相土同三相土之間在固結上具有差異，三相土中由于含氣因而不容易確定其中變形指標，對于其狀態的計算較為復雜。天然土體的構成相對較為復雜，因而如何對其變形影響因素進行確定，還需要進一步的研究。

1.2 路基沉降機理

通過密實度不同的土石可以構成路基，作為道路最基本的土工結構，強度相對大于一般的土體，受到荷載的影響，一般的土體所發生的形變以及強度變化機制，從本質上進行分析是土體內部的總體結構演化以及要素調整。所以，對路基沉降的內因進行分析，可以發現是由于土層中的空隙受到荷載的作用而發生了壓縮變形，因而這種變形是豎直方向的；而對路基變形的外因進行分析，主要由于地基受到了外界作用力，因而在各個應力作用的方向上便出現了豎向變形、橫向變形以及剪切變形，從而是的地基的不同點向著側向、豎向等發生位移，在豎向上產生的位移便是沉降。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，即自由水便會排除，而孔隙受到擠壓而變小，超空隙水壓力轉移至土骨架，土體變密集，有效應力增大，空隙密度減小，從微觀角度觀察土體會發現其結構密度明顯得到改善。

受到荷載作用，在應力狀態上路基必然會發生改變，因而地基會發生變形，從而發生沉降。但是，路基沉降并非一蹴而就，通常其沉降是分階段的，按照時間先后對沉降進行分類可以分為以下幾種：瞬時沉降、固結沉降以及次固結沉降。

2 常用沉降計算方法

2.1 分層總和法

2.1.1 根據不同土層的壓縮系數或壓縮模量計算各層土的壓縮量，然后再把地基受壓層范圍內各土層壓縮量相加即可；

2.1.2 選取實際壓力變化范圍，按照實測e～p壓縮曲線進行計算；

2.1.3 考慮應力歷史對沉降的影響，利用e-lgp'曲線計算沉降。

2.2 考慮三向變形效應的計算方法

中國學者黃文熙提出一種計及應力水平與應力路徑影響的計算方法，他考慮了實際土體三向受力與三向變形條件，建議用三軸壓縮試驗實測土的應力應變關系。

2.3 按應力路徑法計算沉降量

2.3.1 室內模擬試驗法

用高質量的原狀試樣做三軸試驗，加荷方式模擬現場土體的有效應力路徑（不排水與排水）。直接測得垂直應變分量εu和εd（下標u、d分別表示不排水和排水），按下式計算沉降量

S=Si+Sc=（ε1u+ε1d）H

式中，H為壓縮土層厚度。

2.3.2 應變等值線法

在地基中采取原狀試樣，繪制原狀土試樣在不同等壓固結后的三軸不排水試驗的有效應力路徑和等應變線，然后計算瞬時加荷后地基的瞬時沉降和固結后總沉降。

2.4 數值方法

在沉降的計算中，數值方法相對較為完善，可以對土體的應力狀態以及彈塑性和非線性和非均質進行分析，但是在計算的過程中最難的還是構建合理的土體結構模型，因而還需要進一步提高建模理論，其主要的參數大多還依賴于室內實驗，因而就需要克服擾動影響，加之數值計算較為復雜，建立本構模型也復雜，數值方法計算是相當精確的，但由于本構模型和參數誤差大，因而最終結果也難以準確，因而在一般的工程應用中實用方法仍是主流應用的方法。

3 常用沉降預測方法

在進行公路施工時，為了保證施工進度可以得到控制，對后期施工的安排以及組織進行知道，并保證路基的穩定，需要對路堤進行實時沉降量和最終的沉降量預測。對于軟基路堤的沉降量，通常需要通過三維分析，并且由于土層的復雜狀況，需要通過對實時數據進行后期沉降的推算。應用最為廣泛的方式為經驗公式法，該種方法主要可以分為：指數曲線模型法、雙曲線模型法、Logistic模型法、Verhulst模型法、和對數拋物線擬合法。另外還有灰色理論方法和神經網絡預測法等，其他非經驗公式法普遍存在理論復雜、參數多、理解困難、一般工程技術人員難以掌握的特點，因其原理復雜內容較多在此不一一贅述。

通過前面的敘述可以知道：計算地基沉降的方法眾多，不同的模型各有利弊，通過對工程巖土體的分類特點采取不同的計算方法、獲取相關參數來描述沉降過程很重要。后續兩種方法（灰色理論和神經網絡）雖然精確度較前面好，但理論復雜參數較多不易用于工程實踐。一個好的預測模型應該準確性好；適應性高；參數容易取得；前期觀測數據盡量少；公式簡單易懂，計算方便。最后，通過計算+監測+預測的綜合運用，到達掌握沉降規律。

4 基于P-S曲線的沉降計算法

正如上所述，影響實用方法計算精度一方面是計算模型的簡化誤差，而最主要的則是土的參數采用與實際相差較大，從而造成計算誤差大，而土力學的發展從1925年沙基土力學誕生以來到現在已80多年，但地基沉降變形計算的準確性仍是一個沒有很好解決的問題。

針對傳統沉降計算方法的優點和不足，文章介紹一個新的沉降計算方法。該方法依據原位壓板試驗曲線確定土的非線性變形參數——原位土的切線模量或割線模量，然后用于分層總和法，該法參數來源于原位土，可克服傳統取樣擾動的影響，同時，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，文中同時介紹了該方法在筏板、樁基、復合地基、堤壩地基等的初步應用。初步應用表明，這是一個具有較高精度的地基沉降計算方法。具體應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 結束語

通過從地基土變形的根本機理出發，闡述了不同的地基變形計算方法及其優缺點，通過對比研究可以知道，地基沉降計算的復雜性主要來源于地基土本構模型的復雜性，模型及其參數的合理確定的困難。以原位壓板試驗曲線提煉相應的土體參數用于地基及基礎的非線性沉降計算，可以較好地解決現有的計算理論中主要以室內試驗為主所帶來的誤差，由此建立的計算方法可以進行較準確的基地沉降計算，進一步發展完善可望成為一個較精確的地基沉降計算方法，對于促進和發展按沉降變形控制的設計理論具有重要作用。最后，因為巖土體自身的復雜性，任何一種計算模型都不可能適用所有的巖土體，運用統計分類的方法針對不同的地基類型和荷載工況找出最優計算模型是非常有意義的。

參考文獻

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