浅议软粘土地基的沉降计算

【摘 要】目前国内的沉降计算，都是根据规范采用压缩试验所得的数据，推导计算公式，并加以经验系数校正的方法。多年的工程建设表明，这样的近似计算方法，己难以满足实际工程的需要。随着对软粘土工程性质及其应力一应变关系理解的深化和计算技术的改进，可以对应力与变形机理做出进一步的解释，其沉降计算方法也从最初只考虑单向压缩变形，发展到计及侧向变形，近几年来，更将土的应力历史、应力路径等影响因素纳入到计算方案之中。

【关键词】软粘土;地基;沉降计算

1.软粘土地基的工程特性分析

目前我国展开大规模建设的沿海地区，分布着大面积的软粘土地基。所谓软粘土地基，即是由淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土以及其它高压缩性土组成的地基。这类土一般具有以下的一些工程特性:

1.1土的抗剪强度很低

抗剪强度与加荷速度及排水固结条件密切相关。根据大量土工试验的数据结果，我国软粘土的天然不排水抗剪强度一般小于20KPa，其变化范围一般为5-25KPa，与其它非软粘土的不排水抗剪强度相比，其差距还是比较明显的。软粘土的直剪快剪内摩擦角一般为20-50，内聚力一般在10-15KPa之间。排水条件下的抗剪强度随固结程度的增加而增大，固结快剪的内摩擦角一般为80-120，内聚力为20KPa左右。这表明随着土体超孔隙水的排除，土体得到压密，强度得以增强。因此，要提高软粘土的地基强度，必须控制施工和使用时的加荷速度，特别是在开始阶段加荷不能过大，以便使增加的每一级荷重与土体在新的受荷条件下强度的提高相适应。反之，土体中的水分将来不及排出，土体强度不但来不及得到提高，反而会由于上中孔隙水压力的急剧增大，有效应力降低，而产生土体的挤出破坏。

1.2土的压缩性较高

天然状态的软粘土层大多数属于正常固结状态，但也有部分属于超固结状态，近代海岸滩涂沉积为欠固结状态。由此产生的总沉降是很显著的。该类上高压缩性的形成，首先在于其一定程度的欠压密性。在软粘土沉积的初期，土粒间由于形状不规则和粒间电荷，使其形成一定强度的粒间联结，从而阻碍它已进一步压密。其次，与其组成成分和结构所决定的高容水性以及低渗透性有关，土中的水不易排除，不易压密。

1.3土的含水量较高，孔隙比较大

根据统计资料显示，软粘土的一般含水量为35%-80%，孔隙比约为1-2。这一特征不但反映土中的矿物成分和介质相互作用的性质，同时也反映了软粘土的抗剪强度越小，压缩性越大;反之，抗剪强度越大，压缩性越小。

1.4软粘土的渗透性较差

软粘土的渗透系数一般为1x10-6-1x10-8cm/s，在荷载作用下固结速率很慢。所以在软粘土层上的建筑物基础的沉降往往拖延很长时间才能稳定。在荷载作用下地基土的强度增长也是很缓慢的。而大部分淤泥和淤泥质土地区，由于该土层中夹有数量不等的薄层细砂、粉土等，故在垂直方向的渗透性较水平方向要小。

2.软粘土地基沉降变形机理分析

天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架体，再由孔隙水和气填充骨架体孔隙而组成的三相体系。土颗粒压缩性很小，一般都认为其不可压缩。因此，土体的变形是孔隙流体的流失以及气体体积的减小、颗粒重新排列、粒间距离缩短、骨架体发生错动的结果。

对于软粘土这样的饱和两相土，孔隙水压缩量很小。孔隙水体积的变化主要是因为孔隙水的渗出。由于孔隙体积变化和颗粒重新排列需要一个时间过程，土体的固结变形与时间有关。土体所受荷载(总应力)在作用瞬间，主要由孔隙流体承担。随后，由于孔隙流体体积逐渐渗出，孔隙压力逐渐消散，有效应力逐渐增加。在有效应力作用下，骨架体产生的变形分为瞬时变形和蠕动变形。其中后者由于颗粒重新排列和骨架体错动的时间效应与时间有关。将有效应力卸去后，若变形恢复，则称为弹性变形;若变形不可恢复，则称为塑性变形。根据以上分析，当建(构)筑物传递的荷载作用到软弱土层上时，一般的可将沉降分为两部分或三部分。

一种是将沉降-时间关系分为瞬时压缩和滞后压缩两部分。第一部分表示瞬时荷载引起的超孔隙水压力随外荷载作用而立即消散所产生的沉降;而第二部分则是有效应力不变时产生的沉降。这个思想基本上没有考虑孔隙水的作用，这种划分形式最适合于(至少在概念上)描述土体结构对有效应力的特性。

而更为人们普遍接受的是软粘土地基在外力作用下的沉降经历三个不同的阶段，并表现为三种类型的沉降特征:瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降。在有限的时间内，施加一定的作用荷载后，软粘土地基的总沉降以这三部分之和表示。

3.软粘土地基常用沉降计算方法分析

地基沉降的计算方法可以分为四类:(l)弹性理论法，也称直接法;(2)工程方法，也称间接法;(3)经验公式法;(4)数值分析法。

3.1瞬时沉降量的计算方法

在剪应力作用下，地基内会产生剪切变形及侧向挤出引起附加沉降。实际上，此项沉降量也是随着荷载的的增大而增大。如地基受到显著扰动时，此项沉降增加得更多。通常都是根据固结沉降量的计算结果进行修正来确定最终沉降量，而没有专门的合适的方法来计算这项沉降量。日本及我国铁路系统也曾提出过经验关系式，从表达形式上看，考虑的影响因素似嫌简单，一般地，我们用弹性理论公式法来计算。弹性理论公式法是用弹性理论公式来计算建(构)筑物的沉降，然后再考虑地基中由塑性开展区的校正方法。

3.2主固结沉降量的计算

3.2.1传统分层总和法(单向压缩法)

分层总和法有如下假定:①压缩时地基不能有侧向变形;②根据基础中心点下的土的附加压力进行计算;③基础最终固结沉降量等于基础底面下压缩层范围内各土层压缩量的总和。

3.2.2规范推荐法(修正的分层总和法)

用单向压缩法计算地基最终沉降量时，由于理论上作了一些与实际情况不完全符合的假设以及其它因素的影响，计算值往往与实测值不尽相符，甚至相差很大。为此，可以根据传统的分层总和法原理，将计算方法加以简化。分析沉降观测资料表明，可以采用修正系数来反映沉降量计算值与实测值的差别，对计算结果进行修正。修正系数综合考虑了沉降计算中所不能反映的一些影响因素，诸如土的类型不同、选用的压缩模量与实际有出入、土层的非均质性对应力分布的影响、荷载性质的不同与上部结构对荷载分布的调整作用等。

3.2.3考虑先期固结压力计算固结沉降量方法

现场的软粘上在其地质历史上一般受过前期固结压力的作用，由于土层的变动、河流的冲刷等原因，这一压力不一定等于目前现场的有效应力。为此，可将粘土分为三类:①正常固结土;②超固结土;③欠固结土。在沉降计算中应考虑先期固结压力的影响，当土体处于不同的状态时要求采用不同的压缩性指标计算沉降量。

3.3次固结沉降量的计算

许多室内试验和现场量测的结果表明，次固结的大小与时间的关系在半对数纸上接近为一条直线，发生在主固结之后。若地基土由可塑性大的土或有机土组成，次压缩沉降必占地基总沉降中很可观的一部分。

除了以上的一些方法外，沉降量也可以通过原位试验来估计，常用的有平板载荷试验法、静力触探法、标准贯入试验法和旁压试验法。也可以通过现场实测资料来推算总沉降，比如对数曲线法、Asaoka切法、双曲线法、灰色系统理论、遗传算法等。有限元法、有限差分法和集总参数法等数值计算方法也越来越多地应用到地基的沉降计算中。■

【参考文献】

［1］刘勇健.遗传算法在软土地基沉降计算中的应用[J].工业建筑,2001,(05).