房建區域內道路沉降規律分析研究

何青蓮

【摘 要】本文通過應用費爾哈斯特的非線性模型和比奧特固結有限元程序對房建區域內道路路基沉降進行了有限元模擬，圍繞著軟土路基沉降過程中的一些規律做了一些探索，對于以后類似工況下的房建區域內道路施工具有一定的參考價值。

【關鍵詞】費爾哈斯特；有限元；房建區域內道路；沉降規律

【Abstract】This paper through the application of fil hastert nonlinear model and finite element program， consolidation than for soft soil under the condition of railway embankment settlement in the finite element simulation， around the soft soil roadbed settlement process of some rules made some exploration， for future similar soft soil under the conditions of railway construction to have the certain reference value.

【Key words】Verhulst； Finite element； The soft soil subgrade； Settlement； Highway

0 前言

在房建區域，由于周圍高大建筑的存在，承載房建區域內道路的地基與天然地基有很大的區別。相對于天然地基，這些地基基礎往往具有天然含水量高、天然孔隙比大、粘粒含量高、塑性指數大、壓縮性高、抗剪強度低等特性，導致地基結構不穩定，容易發生局部沉降甚至坍塌等事故。隨著我國房建工程的迅猛發展，多次出現了各類房建區域內道路沉降事故，造成了重大的經濟損失，因此，建立合理的模型對房建區域內道路地基進行模擬研究，探討其沉降規律對保證其工程質量、提高其運營壽命有著十分重要的意義。

1 彈性非線性模型

根據實際通車情況計算平均作用荷載，并對試驗路段K185+200斷面進行取填土結束并通車后600d內路基表面的沉降量進行計算，其計算與實際測量結果對比圖如圖1所示。從圖中可以清楚地看到沉降量隨時間增加也逐漸遞增。前110天，此時土體處于彈性階段，地基中的孔隙水來不及變形，沉降主要由土體內氣填充孔隙壓縮引起，因此沉降量與時間基本呈線性變化；在110～140天的時候，此時由于土體內氣填充骨架體孔隙基本被壓縮，沉降量主要轉變為由排水固結引起，由于液體比氣體難壓縮，超靜水壓力要遠大于孔隙壓力，因此此階段沉降速度變緩；在140～230天，此時地基中的孔隙水逐漸被排出，超靜水壓力逐步減小，沉速增大；隨著時間增加，在230天以后，孔隙壓力及超靜水壓力逐漸完全消散，土體固結基本完全完成，荷載壓力與孔隙阻力保持平衡，沉降量主要由土體骨架錯動或顆粒重新排列導致，隨著時間推移略有增加，變形量非常小。整個土體沉降量變化過程與費爾哈斯特S型曲線非常相似。

并且，通過實測值與計算值的對比，發現絕大多數對比差值都在2mm以內，吻合較好，說明使用比奧特固結有限元程序分析地基沉降的結果是合理可信的。

3.2 橫剖面與縱剖面沉降差異分析

圖1為通車150d三個取樣斷面路基表面的沉降橫向分布圖，從圖中可看出，各斷面的沉降量差別不大，沉降量沿橫向分布比較均勻。這是由于我國的軟土地基主要是由濱海、湖泊、谷地河灘沉積而成，因此在豎向上呈層狀分布。在同一層土層內，落淤的土質性質差別不大，在水平方向基本表現為各向同性。

圖3為通車第200d，在K187+600縱向上三個土層：地基表面、距地基表面3m和距地基表面7.5m處土體沉降曲線圖。從圖中可以看出，沉降量沿縱向分布差異較大，離地基表面越遠，沉降量越小。這是由于在縱向上，由于沉積時間不同使得土層之間土質差異較大，加之各土層自重應力不同，在固結應力的長期作用下，使其性能（如密度、含水量、孔隙比、滲透性、彈性模量等）差別較大，因此在豎直方向表現為各向異性。

從圖4及圖5可以看出，沉降速率與荷載大小成正比，在加載期間路基沉降速度明顯高于停載時期。這是由于在加載初期，土體處于彈性階段，立即由土體的側向變形導致瞬時剪切變形，沉降也呈線性增加，隨著荷載增大，強壓使得孔隙水排出產生壓縮變形，變形速率減小。隨著時間推移，孔隙接近消散，此時土體形態趨于穩定，僅有土體內固結變形產生少許沉降。同時，由圖5可觀察出，即使最后加載總量一致，但加載速度大的情況下最終沉降量略大，產生的原因主要因為施工速率大的工況下，日均荷載較大，土體內孔隙壓縮較完全，同時，更早的完成施工也使得土體有更多的固結沉降量。

4 結論

4.1 根據對仿真模擬計算結果和實測資料的分析，房建區域內道路路基的沉降可分為發生（線性增長）—發展（沉速大幅增加）—穩定（僅有少許固結沉降）—極限（沉速為零）四個階段。其沉降量隨時間關系變化曲線圖可用費爾哈斯特S型曲線來模擬。

4.2 由于房建區域內道路地基一般都是分層沉積形成的，因此在沉量分布上表現為水平方向各向同性、豎直方向各向異性。

4.3 施工期地基的沉降量與荷載大小成正比，荷載加載速度越快，沉降速度越快；工（停載）后，沉降速度大幅下降，但仍隨時間的增加有部分固結沉降量增加。

4.1 施工期地基的超孔隙水壓力與荷載大小成正比，且加載完成瞬時超孔壓最大，隨后的超孔壓逐漸消散，其消散速度與前期加載速度成正比，且施工速率越快，最終的超孔壓越小，最終沉降量越大。

【參考文獻】

[1]中華人民共和國交通部行業標準.公路軟土地基路堤設計與施工技術規范[S].人民交通出版社，1996.

[2]T.Helbo. Prediction of settlement and consolidation period using field observational method， Field Measurements in Geomechanics（Leung， Tan & Phoon）[M].Balkema， 1999：57-68.

[3]Yin J-H.，Graham J. Viscous Elastic Plastic Modeling of One Dimensional Time-dependent Behavior of Clays[J].Can. Geotech， 1989， 26 （2）：199-209.

[4]錢家歡，殷宗澤.土工原理和計算[M].2版. 北京：中國水利電力出版社，1996.

[5]華南理工大學等. 地基與基礎[M].北京：中國建筑工業出版社，1991：8-120.

[6]崔柏華. 京珠高速公路廣珠東線某試驗段軟基加固效果分析[C]//第八屆土力學及巖土工程學術會議論文集.北京：萬國學術出版社，1998：385-388.

[7]宇云飛，張文彤，張梅. 泊松曲線在軟土路基沉降預測中的應用研究[J].河北農業大學學報，2004，27（4）：96-99.

[責任編輯：曹明明]

【摘 要】本文通過應用費爾哈斯特的非線性模型和比奧特固結有限元程序對房建區域內道路路基沉降進行了有限元模擬，圍繞著軟土路基沉降過程中的一些規律做了一些探索，對于以后類似工況下的房建區域內道路施工具有一定的參考價值。

【關鍵詞】費爾哈斯特；有限元；房建區域內道路；沉降規律

【Abstract】This paper through the application of fil hastert nonlinear model and finite element program， consolidation than for soft soil under the condition of railway embankment settlement in the finite element simulation， around the soft soil roadbed settlement process of some rules made some exploration， for future similar soft soil under the conditions of railway construction to have the certain reference value.

【Key words】Verhulst； Finite element； The soft soil subgrade； Settlement； Highway

0 前言

在房建區域，由于周圍高大建筑的存在，承載房建區域內道路的地基與天然地基有很大的區別。相對于天然地基，這些地基基礎往往具有天然含水量高、天然孔隙比大、粘粒含量高、塑性指數大、壓縮性高、抗剪強度低等特性，導致地基結構不穩定，容易發生局部沉降甚至坍塌等事故。隨著我國房建工程的迅猛發展，多次出現了各類房建區域內道路沉降事故，造成了重大的經濟損失，因此，建立合理的模型對房建區域內道路地基進行模擬研究，探討其沉降規律對保證其工程質量、提高其運營壽命有著十分重要的意義。

1 彈性非線性模型

根據實際通車情況計算平均作用荷載，并對試驗路段K185+200斷面進行取填土結束并通車后600d內路基表面的沉降量進行計算，其計算與實際測量結果對比圖如圖1所示。從圖中可以清楚地看到沉降量隨時間增加也逐漸遞增。前110天，此時土體處于彈性階段，地基中的孔隙水來不及變形，沉降主要由土體內氣填充孔隙壓縮引起，因此沉降量與時間基本呈線性變化；在110～140天的時候，此時由于土體內氣填充骨架體孔隙基本被壓縮，沉降量主要轉變為由排水固結引起，由于液體比氣體難壓縮，超靜水壓力要遠大于孔隙壓力，因此此階段沉降速度變緩；在140～230天，此時地基中的孔隙水逐漸被排出，超靜水壓力逐步減小，沉速增大；隨著時間增加，在230天以后，孔隙壓力及超靜水壓力逐漸完全消散，土體固結基本完全完成，荷載壓力與孔隙阻力保持平衡，沉降量主要由土體骨架錯動或顆粒重新排列導致，隨著時間推移略有增加，變形量非常小。整個土體沉降量變化過程與費爾哈斯特S型曲線非常相似。

并且，通過實測值與計算值的對比，發現絕大多數對比差值都在2mm以內，吻合較好，說明使用比奧特固結有限元程序分析地基沉降的結果是合理可信的。

3.2 橫剖面與縱剖面沉降差異分析

圖1為通車150d三個取樣斷面路基表面的沉降橫向分布圖，從圖中可看出，各斷面的沉降量差別不大，沉降量沿橫向分布比較均勻。這是由于我國的軟土地基主要是由濱海、湖泊、谷地河灘沉積而成，因此在豎向上呈層狀分布。在同一層土層內，落淤的土質性質差別不大，在水平方向基本表現為各向同性。

圖3為通車第200d，在K187+600縱向上三個土層：地基表面、距地基表面3m和距地基表面7.5m處土體沉降曲線圖。從圖中可以看出，沉降量沿縱向分布差異較大，離地基表面越遠，沉降量越小。這是由于在縱向上，由于沉積時間不同使得土層之間土質差異較大，加之各土層自重應力不同，在固結應力的長期作用下，使其性能（如密度、含水量、孔隙比、滲透性、彈性模量等）差別較大，因此在豎直方向表現為各向異性。

從圖4及圖5可以看出，沉降速率與荷載大小成正比，在加載期間路基沉降速度明顯高于停載時期。這是由于在加載初期，土體處于彈性階段，立即由土體的側向變形導致瞬時剪切變形，沉降也呈線性增加，隨著荷載增大，強壓使得孔隙水排出產生壓縮變形，變形速率減小。隨著時間推移，孔隙接近消散，此時土體形態趨于穩定，僅有土體內固結變形產生少許沉降。同時，由圖5可觀察出，即使最后加載總量一致，但加載速度大的情況下最終沉降量略大，產生的原因主要因為施工速率大的工況下，日均荷載較大，土體內孔隙壓縮較完全，同時，更早的完成施工也使得土體有更多的固結沉降量。

4 結論

4.1 根據對仿真模擬計算結果和實測資料的分析，房建區域內道路路基的沉降可分為發生（線性增長）—發展（沉速大幅增加）—穩定（僅有少許固結沉降）—極限（沉速為零）四個階段。其沉降量隨時間關系變化曲線圖可用費爾哈斯特S型曲線來模擬。

4.2 由于房建區域內道路地基一般都是分層沉積形成的，因此在沉量分布上表現為水平方向各向同性、豎直方向各向異性。

4.3 施工期地基的沉降量與荷載大小成正比，荷載加載速度越快，沉降速度越快；工（停載）后，沉降速度大幅下降，但仍隨時間的增加有部分固結沉降量增加。

4.1 施工期地基的超孔隙水壓力與荷載大小成正比，且加載完成瞬時超孔壓最大，隨后的超孔壓逐漸消散，其消散速度與前期加載速度成正比，且施工速率越快，最終的超孔壓越小，最終沉降量越大。

【參考文獻】

[1]中華人民共和國交通部行業標準.公路軟土地基路堤設計與施工技術規范[S].人民交通出版社，1996.

[2]T.Helbo. Prediction of settlement and consolidation period using field observational method， Field Measurements in Geomechanics（Leung， Tan & Phoon）[M].Balkema， 1999：57-68.

[3]Yin J-H.，Graham J. Viscous Elastic Plastic Modeling of One Dimensional Time-dependent Behavior of Clays[J].Can. Geotech， 1989， 26 （2）：199-209.

[4]錢家歡，殷宗澤.土工原理和計算[M].2版. 北京：中國水利電力出版社，1996.

[5]華南理工大學等. 地基與基礎[M].北京：中國建筑工業出版社，1991：8-120.

[6]崔柏華. 京珠高速公路廣珠東線某試驗段軟基加固效果分析[C]//第八屆土力學及巖土工程學術會議論文集.北京：萬國學術出版社，1998：385-388.

[7]宇云飛，張文彤，張梅. 泊松曲線在軟土路基沉降預測中的應用研究[J].河北農業大學學報，2004，27（4）：96-99.

[責任編輯：曹明明]

【摘 要】本文通過應用費爾哈斯特的非線性模型和比奧特固結有限元程序對房建區域內道路路基沉降進行了有限元模擬，圍繞著軟土路基沉降過程中的一些規律做了一些探索，對于以后類似工況下的房建區域內道路施工具有一定的參考價值。

【關鍵詞】費爾哈斯特；有限元；房建區域內道路；沉降規律

【Abstract】This paper through the application of fil hastert nonlinear model and finite element program， consolidation than for soft soil under the condition of railway embankment settlement in the finite element simulation， around the soft soil roadbed settlement process of some rules made some exploration， for future similar soft soil under the conditions of railway construction to have the certain reference value.

【Key words】Verhulst； Finite element； The soft soil subgrade； Settlement； Highway

0 前言

在房建區域，由于周圍高大建筑的存在，承載房建區域內道路的地基與天然地基有很大的區別。相對于天然地基，這些地基基礎往往具有天然含水量高、天然孔隙比大、粘粒含量高、塑性指數大、壓縮性高、抗剪強度低等特性，導致地基結構不穩定，容易發生局部沉降甚至坍塌等事故。隨著我國房建工程的迅猛發展，多次出現了各類房建區域內道路沉降事故，造成了重大的經濟損失，因此，建立合理的模型對房建區域內道路地基進行模擬研究，探討其沉降規律對保證其工程質量、提高其運營壽命有著十分重要的意義。

1 彈性非線性模型

根據實際通車情況計算平均作用荷載，并對試驗路段K185+200斷面進行取填土結束并通車后600d內路基表面的沉降量進行計算，其計算與實際測量結果對比圖如圖1所示。從圖中可以清楚地看到沉降量隨時間增加也逐漸遞增。前110天，此時土體處于彈性階段，地基中的孔隙水來不及變形，沉降主要由土體內氣填充孔隙壓縮引起，因此沉降量與時間基本呈線性變化；在110～140天的時候，此時由于土體內氣填充骨架體孔隙基本被壓縮，沉降量主要轉變為由排水固結引起，由于液體比氣體難壓縮，超靜水壓力要遠大于孔隙壓力，因此此階段沉降速度變緩；在140～230天，此時地基中的孔隙水逐漸被排出，超靜水壓力逐步減小，沉速增大；隨著時間增加，在230天以后，孔隙壓力及超靜水壓力逐漸完全消散，土體固結基本完全完成，荷載壓力與孔隙阻力保持平衡，沉降量主要由土體骨架錯動或顆粒重新排列導致，隨著時間推移略有增加，變形量非常小。整個土體沉降量變化過程與費爾哈斯特S型曲線非常相似。

并且，通過實測值與計算值的對比，發現絕大多數對比差值都在2mm以內，吻合較好，說明使用比奧特固結有限元程序分析地基沉降的結果是合理可信的。

3.2 橫剖面與縱剖面沉降差異分析

圖1為通車150d三個取樣斷面路基表面的沉降橫向分布圖，從圖中可看出，各斷面的沉降量差別不大，沉降量沿橫向分布比較均勻。這是由于我國的軟土地基主要是由濱海、湖泊、谷地河灘沉積而成，因此在豎向上呈層狀分布。在同一層土層內，落淤的土質性質差別不大，在水平方向基本表現為各向同性。

圖3為通車第200d，在K187+600縱向上三個土層：地基表面、距地基表面3m和距地基表面7.5m處土體沉降曲線圖。從圖中可以看出，沉降量沿縱向分布差異較大，離地基表面越遠，沉降量越小。這是由于在縱向上，由于沉積時間不同使得土層之間土質差異較大，加之各土層自重應力不同，在固結應力的長期作用下，使其性能（如密度、含水量、孔隙比、滲透性、彈性模量等）差別較大，因此在豎直方向表現為各向異性。

從圖4及圖5可以看出，沉降速率與荷載大小成正比，在加載期間路基沉降速度明顯高于停載時期。這是由于在加載初期，土體處于彈性階段，立即由土體的側向變形導致瞬時剪切變形，沉降也呈線性增加，隨著荷載增大，強壓使得孔隙水排出產生壓縮變形，變形速率減小。隨著時間推移，孔隙接近消散，此時土體形態趨于穩定，僅有土體內固結變形產生少許沉降。同時，由圖5可觀察出，即使最后加載總量一致，但加載速度大的情況下最終沉降量略大，產生的原因主要因為施工速率大的工況下，日均荷載較大，土體內孔隙壓縮較完全，同時，更早的完成施工也使得土體有更多的固結沉降量。

4 結論

4.1 根據對仿真模擬計算結果和實測資料的分析，房建區域內道路路基的沉降可分為發生（線性增長）—發展（沉速大幅增加）—穩定（僅有少許固結沉降）—極限（沉速為零）四個階段。其沉降量隨時間關系變化曲線圖可用費爾哈斯特S型曲線來模擬。

4.2 由于房建區域內道路地基一般都是分層沉積形成的，因此在沉量分布上表現為水平方向各向同性、豎直方向各向異性。

4.3 施工期地基的沉降量與荷載大小成正比，荷載加載速度越快，沉降速度越快；工（停載）后，沉降速度大幅下降，但仍隨時間的增加有部分固結沉降量增加。

4.1 施工期地基的超孔隙水壓力與荷載大小成正比，且加載完成瞬時超孔壓最大，隨后的超孔壓逐漸消散，其消散速度與前期加載速度成正比，且施工速率越快，最終的超孔壓越小，最終沉降量越大。

【參考文獻】

[1]中華人民共和國交通部行業標準.公路軟土地基路堤設計與施工技術規范[S].人民交通出版社，1996.

[2]T.Helbo. Prediction of settlement and consolidation period using field observational method， Field Measurements in Geomechanics（Leung， Tan & Phoon）[M].Balkema， 1999：57-68.

[3]Yin J-H.，Graham J. Viscous Elastic Plastic Modeling of One Dimensional Time-dependent Behavior of Clays[J].Can. Geotech， 1989， 26 （2）：199-209.

[4]錢家歡，殷宗澤.土工原理和計算[M].2版. 北京：中國水利電力出版社，1996.

[5]華南理工大學等. 地基與基礎[M].北京：中國建筑工業出版社，1991：8-120.

[6]崔柏華. 京珠高速公路廣珠東線某試驗段軟基加固效果分析[C]//第八屆土力學及巖土工程學術會議論文集.北京：萬國學術出版社，1998：385-388.

[7]宇云飛，張文彤，張梅. 泊松曲線在軟土路基沉降預測中的應用研究[J].河北農業大學學報，2004，27（4）：96-99.

[責任編輯：曹明明]