对水工地基沉降计算方法问题的商榷

摘要　本文指出现行地基沉降计算方法，因计算模型与地基实际变形条件不符，导致计算误差较大；文中根据现代土力学的研究成果，提出改进建议，供设计人员和规范修编参考。

关键词　规范；地基沉降计算；压缩曲线；邓肯模型

1，存在主要问题

地基沉降是水利工程，也是土木工程设计计算的重要内容。随着人们对基础设计的认识，已从以“地基容许应力”为主要控制条件，向以地基容许变形为主要控制条件的转变，地基沉降计算的准确度越来越受工程技术人员的关注。地基沉降计算的准确度不仅关及工程造价，关及工程实施后能否安全、能否达设计预期的使用功能。《堤防工程设计规范》GB 50286―98推荐用土样压缩曲线e～p来计算地基最终沉降量：

计算式(1)是多年来水利行业部门规范一直使用的沉降方法，但在上世纪九十年代以前，求和符号之无沉降量修正系数m。到上九十年代末，可能发现计算值与实测值相差较大，才增加了地基沉降量修正系数m。在新编的《海堤设计规范》SL435－2008仍推荐用(1)式进行“堤身和堤基的最终沉降量”计算，但不同的是et；“为第i土层在平均自重应力和平均附加固结应力作用下的孔隙比”；“e2；第i土层在平均自重应力作用下和平均附加应力共同作用下的孔隙比”。如果承受附加荷重时的堤身和地基已固结，则《海堤设计规范》和《堤防工程设计规范》的沉降计算内容是完全相同的。

很明显，沉降计算式增加的修式系数的变幅达1.0～1.6，说明用(1)式计算与实际有很大的距离。

《建筑地基基础设计规范》GB50007―2002中，要求用压缩曲线e～p确定的压缩模量Es来计算地基变形，亦存在同样问题，至使沉降计算经验系数取值变化范围为0.2～1.4，说明计算亦可能脱离实际。

众所周知，土力学是一门典型的、以试验为基础的学科，基于一定条件和形式的试验研究，抽象成相应的数学物理模型，才能进行类似于试验条件的、具有一定准确度的技术计算。如果将数学物理模型用于与其试验条件不符的实际条件，计算结果必然与客观实际有较大的误差。图1a为获取压缩曲线e～p的压缩试验示意图，图1b和图1c为前人对某些土料进行压缩试验的e～p曲线。由于在常规的压缩试验中，土样受刚性很大的环刀约束，基本上不能发生侧向变形，土会越压越密实。随着垂直压力的逐渐增大，孔隙比的变化会越来越小，变形模量会越来越大，故由(1)式计算出的变形增量会随着载荷P的增量加大而减小，载荷P和沉降变形S的关系曲线是以某一平行于P轴的直线为渐近线。如图1c中的弯向P轴的曲线OA，不会计算出地基有可能破坏的迹象。而地基的压板试验曲线则形状恰好相反，弯向S轴，以某一平行于s轴的直线为渐近线，用(1)式计算结果永远无法与现场压板试验成果一致。一些软基工程的观测表明，实测值可达计算值的几倍。主要原因是(1)式只能反映土体由于体积压缩所引起的沉降，不能反映土体由于剪切(侧向)变形所引起的沉降。实际工程的地基沉降完全不符合图1a试验的条件，出现很大的计算误差是必然的。

2，合理计算模型

近代研究表明，土为非线性弹性，其变形模量E和泊松比是随应力状态变化而改变的变量。三轴试验得出单调加荷的条件下，(σ1－σ3)与加荷方向应变εa关系如图2，可用邓肯(Duncan)一张双曲线模型来表示。