地基沉降计算及预测方法研究

伍川生

摘 要：由于建筑物荷载差异和地基不均匀等原因，基础或路堤各部分的沉降或多或少总是不均匀的，使得上部结构之中相应地产生额外的应力和变形。地基不均匀沉降超过了一定的限度，将导致建筑物的开裂、歪斜甚至破坏。所以研究地基土的沉降变形机制，提高计算和预测模型精度具有重要意义。

关键词：地基沉降；沉降计算；双曲线法；割线模量法

在工程的设计、施工、工后沉降控制过程中，沉降分析是不可忽视的问题，工程技术人员都给予极大的重视。无论是公路工程，建筑工程，还是水利工程，地基沉降分析常被人们视作工程成败的关键。如果对地基变形估计不足小则影响工程的使用，大则引发严重工程事故造成巨大的经济损失。

1 路基沉降机理分析

1.1 土的变形性质

作为自然历史产物，所有的土都经过了十分漫长的变化过程，具有漫长的历史。并且依照年代、环境以及地点的差异，土质结构也不同，而形成方式的不同，导致了土体的变形特性会具有差异。

土体水重的变化引发因素主要由以下几种因素的变化组成：土粒重度、水的重度、孔隙比、饱和度等。为了对土中水重进行深入分析，可以进一步的定量分析水重变化率，可以将常见的土性指标带入土粒与水细化方程，进一步采用土骨架应变-应力关系，便可以得出土体变形特征。

土具有较为复杂的压缩规律以及固结规律，这种规律不仅仅受到土质本身的形状以及类别影响，也受到了外界条件以及荷载方式影响。例如：无粘性土和粘性土之间在变形机理上就具有差异；二相土同三相土之间在固结上具有差异，三相土中由于含气因而不容易确定其中变形指标，对于其状态的计算较为复杂。天然土体的构成相对较为复杂，因而如何对其变形影响因素进行确定，还需要进一步的研究。

1.2 路基沉降机理

通过密实度不同的土石可以构成路基，作为道路最基本的土工结构，强度相对大于一般的土体，受到荷载的影响，一般的土体所发生的形变以及强度变化机制，从本质上进行分析是土体内部的总体结构演化以及要素调整。所以，对路基沉降的内因进行分析，可以发现是由于土层中的空隙受到荷载的作用而发生了压缩变形，因而这种变形是竖直方向的；而对路基变形的外因进行分析，主要由于地基受到了外界作用力，因而在各个应力作用的方向上便出现了竖向变形、横向变形以及剪切变形，从而是的地基的不同点向着侧向、竖向等发生位移，在竖向上产生的位移便是沉降。从饱和土体方面讲，由于受到了上部荷载，土体空隙中存在的水分，即自由水便会排除，而孔隙受到挤压而变小，超空隙水压力转移至土骨架，土体变密集，有效应力增大，空隙密度减小，从微观角度观察土体会发现其结构密度明显得到改善。

受到荷载作用，在应力状态上路基必然会发生改变，因而地基会发生变形，从而发生沉降。但是，路基沉降并非一蹴而就，通常其沉降是分阶段的，按照时间先后对沉降进行分类可以分为以下几种：瞬时沉降、固结沉降以及次固结沉降。

2 常用沉降计算方法

2.1 分层总和法

2.1.1 根据不同土层的压缩系数或压缩模量计算各层土的压缩量，然后再把地基受压层范围内各土层压缩量相加即可；

2.1.2 选取实际压力变化范围，按照实测e～p压缩曲线进行计算；

2.1.3 考虑应力历史对沉降的影响，利用e-lgp'曲线计算沉降。

2.2 考虑三向变形效应的计算方法

中国学者黄文熙提出一种计及应力水平与应力路径影响的计算方法，他考虑了实际土体三向受力与三向变形条件，建议用三轴压缩试验实测土的应力应变关系。

2.3 按应力路径法计算沉降量

2.3.1 室内模拟试验法

用高质量的原状试样做三轴试验，加荷方式模拟现场土体的有效应力路径（不排水与排水）。直接测得垂直应变分量εu和εd（下标u、d分别表示不排水和排水），按下式计算沉降量

S=Si+Sc=（ε1u+ε1d）H

式中，H为压缩土层厚度。

2.3.2 应变等值线法

在地基中采取原状试样，绘制原状土试样在不同等压固结后的三轴不排水试验的有效应力路径和等应变线，然后计算瞬时加荷后地基的瞬时沉降和固结后总沉降。

2.4 数值方法

在沉降的计算中，数值方法相对较为完善，可以对土体的应力状态以及弹塑性和非线性和非均质进行分析，但是在计算的过程中最难的还是构建合理的土体结构模型，因而还需要进一步提高建模理论，其主要的参数大多还依赖于室内实验，因而就需要克服扰动影响，加之数值计算较为复杂，建立本构模型也复杂，数值方法计算是相当精确的，但由于本构模型和参数误差大，因而最终结果也难以准确，因而在一般的工程应用中实用方法仍是主流应用的方法。

3 常用沉降预测方法

在进行公路施工时，为了保证施工进度可以得到控制，对后期施工的安排以及组织进行知道，并保证路基的稳定，需要对路堤进行实时沉降量和最终的沉降量预测。对于软基路堤的沉降量，通常需要通过三维分析，并且由于土层的复杂状况，需要通过对实时数据进行后期沉降的推算。应用最为广泛的方式为经验公式法，该种方法主要可以分为：指数曲线模型法、双曲线模型法、Logistic模型法、Verhulst模型法、和对数抛物线拟合法。另外还有灰色理论方法和神经网络预测法等，其他非经验公式法普遍存在理论复杂、参数多、理解困难、一般工程技术人员难以掌握的特点，因其原理复杂内容较多在此不一一赘述。

通过前面的叙述可以知道：计算地基沉降的方法众多，不同的模型各有利弊，通过对工程岩土体的分类特点采取不同的计算方法、获取相关参数来描述沉降过程很重要。后续两种方法（灰色理论和神经网络）虽然精确度较前面好，但理论复杂参数较多不易用于工程实践。一个好的预测模型应该准确性好；适应性高；参数容易取得；前期观测数据尽量少；公式简单易懂，计算方便。最后，通过计算+监测+预测的综合运用，到达掌握沉降规律。

4 基于P-S曲线的沉降计算法

正如上所述，影响实用方法计算精度一方面是计算模型的简化误差，而最主要的则是土的参数采用与实际相差较大，从而造成计算误差大，而土力学的发展从1925年沙基土力学诞生以来到现在已80多年，但地基沉降变形计算的准确性仍是一个没有很好解决的问题。

针对传统沉降计算方法的优点和不足，文章介绍一个新的沉降计算方法。该方法依据原位压板试验曲线确定土的非线性变形参数——原位土的切线模量或割线模量，然后用于分层总和法，该法参数来源于原位土，可克服传统取樣扰动的影响，同时，切线模量或割线模量可考虑荷载水平的影响，这是目前采用变形模量法所不能考虑的，文中同时介绍了该方法在筏板、桩基、复合地基、堤坝地基等的初步应用。初步应用表明，这是一个具有较高精度的地基沉降计算方法。具体应用包括以下四种方法：原位土的双曲线模型法、原位土的双曲线切线模量法、原位土的双曲线割线模量法、原位土的任意曲线的切线模量法

5 结束语

通过从地基土变形的根本机理出发，阐述了不同的地基变形计算方法及其优缺点，通过对比研究可以知道，地基沉降计算的复杂性主要来源于地基土本构模型的复杂性，模型及其参数的合理确定的困难。以原位压板试验曲线提炼相应的土体参数用于地基及基础的非线性沉降计算，可以较好地解决现有的计算理论中主要以室内试验为主所带来的误差，由此建立的计算方法可以进行较准确的基地沉降计算，进一步发展完善可望成为一个较精确的地基沉降计算方法，对于促进和发展按沉降变形控制的设计理论具有重要作用。最后，因为岩土体自身的复杂性，任何一种计算模型都不可能适用所有的岩土体，运用统计分类的方法针对不同的地基类型和荷载工况找出最优计算模型是非常有意义的。

参考文献

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