软基筑堤沉降计算的思考

摘要：本文从剖析沉降固结的概念，探讨常规沉降计算公式的适用性出发，对照海堤工程实践中暴露出来的问题，指出软基筑堤工程实践中沉降计算分析的注意事项。

关键词：沉降量、固结度、有效应力

中图分类号： TF351 文献标识码： A 文章编号：

软基筑堤，沉降和稳定是最为突出的两个问题。一般路堤或者海堤高度大约在几米左右，稳定要求很容易满足，沉降问题则显得比较突出。软基筑堤沉降量主要是由于土体变形和土体本身的力学特性引起的。土体变形主要是由土体应力状态的改变引起的；土体自身特性主要指土体的压缩特性，或土体的应力-应变关系，是土体在附加应力作用下产生的效应。对于饱和的地基土而言，土体在附加应力的作用下会产生剪切变形；当土体中的孔隙水逐渐消散还会产生固结变形；随着时间的推移又会产生蠕变变形。

软基筑堤工程实践中暴露出的问题

土体的应力-应变关系表现为弹性、塑性、弹塑性等,并且还呈非线性、各向异性,同时又受应力历史影响。地基中附加应力的正确计算和地基土体应力-应变关系的合理描述是提高沉降计算精度的两个关键所在，然而就目前的研究进展来说，很难达到。用数学手段建立的土体本构模型也只能在一定程度上拟合现场实测结果。

常规的沉降计算方法对上述两个问题的处理思路是这样的：在荷载的作用下，地基中附加应力场是根据半无限空间的各向同性体弹性理论计算的，土体的压缩特性是根据一维压缩试验测定的，并采用分层总和法来计算地基的沉降的，这也是规范采用的方法。实际软基筑堤工程中主要存在以下几个问题：

（1）常规计算方法适用性问题：主要表现为海堤的最终沉降量实测值远大于按规范计算值，各区域土体特性差异明显，沉降修正系数离散程度较大，不易选取。

(2) 运行期工后沉降控制问题：按固结度标准进行沉降控制设计，海堤运行期工后沉降实测值普遍偏大，导致堤顶高程不足。采用海堤动态施工技术控制，预抛高量不易确定。

（3）主、次固结界定和计算问题：主、次固结密不可分，没有明显的先后顺序，对于某一特定的施工阶段来说，主、次固结表现程度不同，工后沉降若主要由次固结沉降引起的，目前具体计算方法比较缺乏。

（4）土体物理力学指标随土体固结程度变化规律问题：采用超载预压或塑料排水板软基处理方式，随着软土固结程度的提高，土体的物理力学指标发生变化，稳定分析和沉降计算中的土体参数也发生变化。

常规沉降计算方法中若干概念及计算公式

2.1地基沉降量

2.1.1理论分析方法

从机理上分析，饱和软土地基在荷载作用下，沉降主要由瞬时沉降，固结沉降，次固结沉降组成。

瞬时沉降（Sd）：是在荷载刚作用下立即发生的沉降。对于饱和软粘土地基来说，变形是在体积不变情况下由负荷区域下剪应变引起的，当粘土的渗透性很低时，则几乎不发生排水。

固结沉降（Sc）是由于外荷载引起超孔隙水压力的水力梯度促使水从土中排出，应力增量转移到土骨架上引起土体的压缩而发生的沉降。

次固结沉降（Ss）主要部分是指超静孔隙水压力完全消散之后，亦即有效应力不变的情况下发生的沉降。

对于软基筑堤沉降来说，瞬时沉降，固结沉降，次固结沉降是无法截然分开的。虽然在一定阶段会以某种沉降为主，但也会伴随由其他方式的沉降发生。数学模型的描述只能着重于主要因素，忽略次要因素，然后通过系数进行修正。一般认为次固结沉降较小，主固结较大，若工后沉降主要由主固结沉降组成，可以采用经典计算方法进行计算，施工中也可以采取延长预压时间进行解决。

2.1.2常规沉降计算方法（规范法）

地基总沉降量计算公式：

（2-1）

即用修正系数综合考虑初始沉降、次固结沉降的分层总和法。

式中：最终沉降量，mm；为压缩层范围的土层数；为第土层在平均自重和平均附加固结应力作用下的孔隙比；为第土层在平均自重和平均附加应力共同作用下的孔隙比；为第土层的厚度，mm；为修正系数，一般堤基的＝1.0，对软土地基可采用＝1.3～1.6，堤身较高、地基土较软弱时取较大值，否则取较小值。

2.2地基平均固结度定义及计算公式

2.2.1理论分析方面

（1）按地基沉降定义的平均固结度

对于单向固结，土层的平均固结度可用沉降量的关系表示，即

（2-2）

式中：为经过时间t后的基础（固结）沉降量，为基础的最终沉降量。

（2）按应力定义的地基平均固结度

在Terzaghi的一维固结理论中，地基平均固结度与平均孔隙水压力的消散程度相同，即

（2-3）

式中：分别为地基土中初始的和t时刻的平均超静孔隙水压力。

2.2.2海堤工程设计规范计算公式

2.2.2.1竖向排水平均固结度。

当地基的附加应力呈均匀分布（如图2.1中的情况），某一时间t的竖向平均固结度为

（2-4）

（2-5）

式中 ：——竖向平均固结度，%；

——正奇数（1，3，5…）；

——自然对数底，自然数，可取=2.718；

——竖向固结时间因数（无因次）；

——固结时间，s；

——竖向排水距离，单面排水时为土层厚度，双面排水时取土层厚度的一半，cm；

——竖向固结系数，cm2/s。

当>30%时，可用式（2-6）计算：

（2-6）

对旧堤加固工程，一般可用式（2-6）计算。若遇计算要求较高，则可按地基附加应力呈不同的几何图形从图2.2查取。

图2.1 附加应力均匀分布时固结度计算

图2.2 固结度～时间因素关系曲线

2.2.2.2有排水竖井的固结度计算。

（1）一级或多级等速加载条件下，当固结时间为t时，对应总荷载的地基平均固结度可按下式计算：

（2-7）

式中——t时间地基的平均固结度；

——第i级荷载的加载速率，kPa/d；

——各级荷载的累加值，kPa；

、——分别为第i级荷载加载的起始和终止时间（从零点算起），d，当计算第i级荷载加载过程中某时间t的固结度时，改为t；

、——参数，根据地基土排水固结条件采用。

（2）当排水竖井采用挤土方式施工时，应考虑涂抹对土体固结的影响。当竖井的纵向通水量与天然土层水平向渗透系数的比值较小，且长度又较长时，尚应考虑井阻影响。瞬时加载条件下

（3）对排水竖井未打穿软土层时，应分别计算竖井范围土层的平均固结度和竖井底面以下软土层的平均固结度。

公式的适用性探讨

3.1地基沉降量方面

（1）对于海堤工程来说，软土层在一定深度范围内为欠固结土，除按正常固结土计算沉降量外，还应考虑因欠固结产生的沉降增加量。

（2）沉降修正系数，应结合地基塑性区的开展范围、程度以及区域土体特性综合选取。

3.2地基固结度方面

（1）上述不同的固结度定义，就一维固结阶段而言，起止时间与数值是相应的，但不同的算法过程值并不对应。因为孔压消散与沉降发展并非线性相关。

（2）有排水竖井的固结度计算公式，直接用荷载加权来计算各级荷载作用下的平均固结度，实质上只有大面积均布堆载条件下才适用。至于海堤等条状荷载条件下，直接用此法计算将产生较大的偏差。

（3）用沉降量发生率表示土层的平均固结度，其前提是单向固结条件，对于非一维固结条件，在用沉降量比值来推算固结度时，还应进一步进行分析。

软基筑堤实践中注意事项

（1）不同的固结度定义，应区分其不同的适用范围。在需要考虑施工期地基土强度增长，如计算施工期抗剪强度指标、有效应力时，应采用孔压消散程度的固结度定义；

（2）在沉降计算时，应注意欠固结土因素，妥善处理好地基表层流动状土对沉降量的影响。

（3）在初始沉降计算时，应考虑施工方法、加载速率的影响。如软基排水板处理，瞬时沉降可达到30-50cm。加载速率大时，地基塑性土开展范围大，地基沉降将增加。

（4）在工后预留沉降量或超载预压量（及时间）确定时，应满足一个条件，即有效应力的外包线应大于设计荷载条件下产生的应力；同时考虑使用年限内的次固结沉降量。

（5）软基筑堤，以堤顶高程为控制标准，应考虑地基沉降量荷载对地基产生的附加沉降。

（6）细化总沉降计算修正系数值选取条件或总结积累分瞬时沉降、固结沉降、次固结沉降计算的规律。

马沈沙 （1984-） 女江苏省吴江市人，单位：杭州华正建筑设计院有限公司职称 初级工程师 研究方向 建筑结构