软土地基沉降数值模拟与监测分析

王慧芳

[摘要]在软土地基沉降数值模拟中，考虑主次固结的Merchant粘弹性模型是一个比较理想的模型。作者在梳理基本理论的基础上结合案例，应用Merchant模型对软土地基沉降进行了数值模拟计算，分析整理监测结果，进行数据比对验证了采用Merchant模型计算和预测软土地基沉降足合适的。

[关键词]地基沉降；Merchant模型：有限元法；监测 文章编号：2095-4085（2018）06-0012-02

地基沉降是指地基土层在附加应力作用下压密而引起的地基表面下沉。主固结沉降是由饱和粘性土在荷载作用下产生的超静孔隙水压力逐渐消散，孔隙水排出，孔隙体积减小而产生的。次固结沉降是指孔隙水压力完全消散，主固结沉降完成后的那部分沉降。通常认为次固结沉降是由于颗粒土之间的蠕变和重新排列而产生的。对不同的土类，次固结沉降在总沉降量中所占的比例不同，有机质土、高压缩性粘土的次固结沉降量较大。

鉴于软土地基工后沉降，具有速率慢、周期长的特点，软土地基沉降数值模拟须考虑软土的次固结沉降。作者首先分析了Merchant粘弹性模型的基本特征，推导得到了有限元计算公式，进而可编程计算。随后，结合某工程软土地基沉降进行了数值模拟计算，并通过和实测沉降数据进行对比来验证计算模型适用性。

1 Merchant模型

Merchant模型認为土体被施加荷载后，同时产生主次固结。Merchant三元件模型是将虎克弹簧体系与开尔文体系串联，构成复合流变模型，即：用虎克弹簧体描述土的主固结，用Kelvin体描述土的次固结。其流变方程为：在应力σ不随时间改变的情况下，利用初始条件ε0=σ/E0，求解上式后得：式中，η=E1/K1。应变随时间增大而增大，而其速率由起始时的最大值逐渐趋于零。在应变ε保持为常量时，σ0=E0ε，求解式（1）可得：

Merchant粘弹性模型固结计算主要受μ，k，E0，E1，K等参数影响。其中，泊松比μ的取值，深部软粘土μ的选取，是根据室内三轴试验测出的侧压力系数K0按公式换算而得，浅部土层μ值采用经验值，一般对于软土地基，0.3<μ<0.5。用于表达模型性质的3个参数E0，E1，K（或E0，α=E0/E1，η=E1/K1），可通过室内土的流变试验测定。

2 Merchant粘弹性模型有限元计算

基于Merchant粘弹性模型和简化双曲线模型，建立软土地基沉降的二维非线性粘弹性Biot固结有限元计算公式，可编程进行数值计算。在计算时，假定软土地基底面和侧面作为固定边界，地基表面作为自由且唯一透水边界。

3 软土地基监测

为了保证软基处理的施工质量和评价软基处理效果，通常对软土地基进行表层沉降、分层沉降、孔隙水压力的消散情况及土体深层水平位移的监测。表层沉降观测主要所需的设备主要包括沉降板、水准点及水准仪。通过表层沉降监测可以绘制沉降时程曲线，推算软土的最终沉降量，从而计算出各时期的软土固结度和残余沉降量，以检验软基处理的效果。深层沉降观测主要是通过监测软土层不同深度的沉降值，了解填筑荷载对沉降的影响深度和深层土体的工后沉降趋于稳定的时间，为沉降计算提供依据。

4 案例分析

4.1 工程概况

某工程位于沿海丘陵地区，部分地基落在滨海沉积平原上，属软土地基。根据该路段的岩土工程勘察资料，主要地基土为粉质粘土、淤泥、残积砂质粘土。采用塑料排水板+砂垫层地基处理，排水板间距1.5m，入土深度10～14m，砂垫层厚度为40～70cm，以沉降观测数据较为完整的断面进行沉降计算和监测分析。

4.2 计算模型

根据进度划分为3级荷载：第一、二级加载，历时50d，100d填筑完成，预压100d后加下一级荷载，填土高度为4.00m，2.50m；第三级加载，预压期过后的地面附加荷载。计算时所选用的参数见表1。

选取典型断面地基划分有限元网格，地基顶宽22.00m，地基填土高度为6.50m，坡度为1：1.3，网格划分为2760个单元。根据地质资料计算宽度150m，计算深度取25.00m，地基左右两边在水平向、底面在水平和竖直两个方向固定，其它边界可以排水。

4.3 监测结果

按施工进度和设计要求进行观测，历时420d，累计观测150次。监测点布置地表沉降观测64点，分层沉降观测23孔，孔隙水压力观测10孔，监测结果为连续10个月沉降速率均小于5mm/月，且其固结度均大于85%，表层沉降量为19.5cm（观测数据略）。

4.4 数值模拟与监测数据分析

程序计算得到软土地基各点在不同时刻的沉降量，绘制表层沉降时程曲线。据监测结果实测表层沉降量为19.5cm，理论计算沉降量为20.8cm，计算值与实测值之间差值较小仅为1.3cm。从变化轨迹来看，两个曲线数据和趋势都比较接近（见图1），说明沉降数值计算采用的模型和方法是合适的。

5 结语

在软土地基施工前期和施工过程中持续的对地基沉降进行观测，采用数值模拟的方法预测沉降，对控制进度和保证质量具有十分重要的现实意义。基于分析Merchant粘弹性模型，对软土地基沉降进行有限元数值模拟，通过某工程案例验证了其适用性，这对类似软土地基工程计算和预测沉降具有一定借鉴意义。

参考文献：

[1]钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算（第二版）[M].北京：水利电力出版社，1995.

[2]GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].