饱和黏土地基基础施工后固结沉降分析

崔庆祥 （山东华邦建设集团有限公司，山东 潍坊 262500）

饱和黏土地基基础施工后的固结沉降分析是土木工程中一个重要的研究课题。在施工和运营过程中，饱和黏土地基含水量较高，具有较高的压缩性和较低的强度，在荷载加载过程中，黏土中产生超空隙水压力，并随着时间的增长，孔隙水压力消散，黏土颗粒重新排列，挤压密实后地基可能会产生不同程度的沉降和变形[1]。这种沉降和变形可能会对建筑物的安全性和稳定性产生重大影响，因此，对饱和黏土地基的固结沉降进行分析和预测显得尤为重要。为了准确分析和预测饱和黏土地基的固结沉降，现场沉降监测是必不可少的[2-3]。在施工过程中，通过在建筑物的基础部位设置沉降观测点可以实时监测地基不同施工阶段的沉降和变形情况，分析和预测地基的固结沉降趋势，从而为工程设计和施工提供重要的依据[4]。

本文结合山东省烟台市某多层建筑筏板基础沉降观测实例，对地基基础在建筑施工过程中沉降随时间和深度的变化特征进行研究，预测最终固结沉降值。研究成果可为饱和黏土地基条件下的建筑工程地基基础施工提供重要的参考依据，确保建筑物的安全性和稳定性。

1 工程概况

山东省烟台市某多层建筑为单栋单体建筑，结构形式为框架结构，总建筑面积23093m2，其中地上7层，首层层高6m，其余层层高均为4.2m，建筑面积20320m2；地下一层，层高4.8m，建筑面积2773m2。该建筑主要功能为满足学院教学实训需求。根据建设方使用要求及建筑方案，该项目地下室结构平面布置图如图1所示，地基采用筏板基础，基础厚度为400mm。

图1 建筑结构地下室结构平面图

本项目工程所在地属山前冲洪积扇地貌，拟建场地为林地及耕地。根据建设单位提供的正式地勘报告显示：该工程所在场地由第四纪冲洪积相堆积物组成，沉积规律比较明显且层位相对较稳定。从地勘报告中的地质剖面图可看出，该场地在垂直方向上的变化差异较大。因此，根据地基土的形成原因、岩性特征、物理力学指标的不同以及地基土层之间的接触关系、沉积先后顺序等将其划分为5个大的工程地质层，由上至下分别为：耕土、黏土、卵石、粉质黏土、卵石，地质条件具体情况如表1所示。

表1 地基基础地质条件

场地各层土的物理力学性质指标的统计是按划分的工程地质层分别进行的。采用数理统计方法，对各工程地质层的物理力学参数提供了算术平均值、最大值、最小值、统计个数、标准差及变异系数。根据现场实地勘探及室内土工试验的统计结果，对各土层物理力学性质指标进行了汇总，并结合当地工程经验综合分析，给出各土层的承载力特征值及压缩模量指标如表2所示。场区地下水位高度为地表以下1.0m，其中②黏土层为饱和黏土，为筏板基础的持力层，其物理力学性质直接影响到筏板基础的最终沉降，②黏土层的地基承载力特征值为150kPa，压缩模量为6.17MPa。

表2 各土层承载力特征值fak和压缩模量Es平均值

2 饱和黏土地基的固结分析基本控制方程

饱和黏土的Biot 固结理论是一种经典的土力学理论，用于描述饱和黏性土在荷载作用下的变形和固结过程。该理论由法国工程师Biot 提出，主要考虑了土体的弹性变形、塑性变形和渗透变形3个组成部分。饱和黏土在荷载作用下会产生弹性变形，这部分变形由土体的弹性模量决定，即当荷载作用于饱和黏土时，土颗粒之间会发生相对位移，从而引起土体的变形，当荷载撤除后，土体会恢复到原来的状态；其次，饱和黏土在荷载作用下还会产生塑性变形，这是由于土颗粒之间的摩擦力和黏聚力作用，使得土体在荷载作用下产生不可逆的变形，这种变形通常与土体的塑性性质有关，与时间因素有关；饱和黏土在荷载作用下还会产生渗透变形，这是由于土体的孔隙水压力作用，使得土体中的水分排出，从而引起土体的变形。这种变形通常与土体的渗透性质有关，与时间因素和水位变化等因素有关。

在实际工程中，Biot固结理论被广泛应用于饱和黏性土的固结设计和计算中。通过该理论，工程师可以预测饱和黏性土在荷载作用下的变形和固结过程，从而为工程设计提供重要的依据和支持。Biot 固结理论假设黏土体颗粒与颗粒孔隙间的水均是不可压缩的，水体在土体中的渗流符合达西定律，且三相的黏土体为饱和土体，具有各向同性特征，在荷载作用下发生的变形与应力关系符合广义胡克定律，并且变形为小变形[5-7]。饱和黏土Biot固结理论的平面应变方程如公式（1）所示。

饱和黏土的位移和应变关系如公式（2）所示[8]。

式中u为x方向位移；εx为x 方向正应变；w为z方向位移；εz为x方向正应变；γzx为将切应变。

饱和黏土的Biot 固结理论本构方程如公式（3）所示。

式中υ 为饱和黏土的泊松比；E为饱和黏土的弹性模量。

3 饱和黏土地基基础施工后固结沉降现场监测

饱和黏土地基的固结沉降分析方法主要包括室内试验方法、数值模拟方法和现场观察方法。室内试验方法通过在试验室内对饱和黏土采取压缩试验、剪切试验和三轴试验等试验，获得土体的固结特性和沉降规律，并反推和预测饱和黏土地基的固结和沉降过程[9]；数值模拟则是借助计算机辅助计算软件，建立土体的力学模型，模拟土体在不同荷载和环境边界下的应力、应变和位移等变化规律；现场监测方法则是一种最有效的沉降分析方法，通过在现场设置观测点，定期观测地基的沉降情况，可以获得实时的沉降数据，数据反映了如地质条件、荷载条件、施工条件等多种因素的真实影响，从而为工程设计和施工提供重要的依据和支持。

研究在建筑物筏板基础底部设置了不同的垂直沉降监测传感器，传感器为不锈钢结构一体化VWD型振弦式位移计，具有温度自动补偿、防旋转、防折弯、抗跌落等功能，传感器直径为24mm，测量范围不超过400mm，灵敏度不超过0.08mm，耐水压不低于1MPa。传感器的监测点布置图如图2所示，共计58个监测点，每个监测点均布置在地下室承重柱下方，每个监测点在深度方向上布置6个位移传感器，主要监测筏板基础底部以下的饱和黏土竖向沉降，监测点垂直间距为0.5m。

图2 饱和黏土固结沉降传感器布置

4 饱和黏土地基基础施工后固结沉降监测结果分析

图3为筏板基础以下0.5m不同监测点位置饱和黏土的固结沉降随施工过程的变化曲线。从图3 可以看出，不同监测点位置饱和黏土固结沉降随着楼层的增高，其变化趋势大致相同，均呈非线性单调增加的趋势；在筏板基础中心的CJ-30监测点，其固结沉降最大，而CJ-39 监测点和CJ-21 监测点、CJ-01 监测点和CJ-58监测点，由于监测点位置在平面上关于中心点对称，CJ-39 监测点和CJ-21 监测点的固结沉降值相近，CJ-01 监测点和CJ-58 监测点的固结沉降值相近，且离基础中心CJ-30 监测点越近，监测点的固结沉降越大。CJ-30 的最大固结沉降值为43mm，CJ-39 的最大固结沉降值为39mm，CJ-21 的最大固结沉降值为36mm，CJ-01 的最大固结沉降值为20mm，CJ-58 的最大固结沉降值为19mm。

图3 饱和黏土固结沉降随施工过程的变化

图4为施工至7层时，筏板基础以下不同深度位置处饱和黏土的固结沉降变化曲线。从图4中可以看出，不同监测点的固结沉降值随深度的变化趋势均大致相同，为非线单调降低趋势，筏板基础以下3.0m最大固结沉降值降低至15mm；在相同的深度位置处，监测点CJ-30的固结沉降值最大，CJ-39监测点和CJ-21监测点的固结沉降值相近，CJ-01监测点和CJ-58监测点的固结沉降值相近，表现为平面上关于中点对称。

图4 筏板基础以下不同深度位置饱和黏土的固结沉降变化曲线

5 结语

以山东省烟台市某多层建筑筏板基础为研究对象，运用现场实测的方法研究饱和黏土在地基基础施工后的固结沉降变化特征，得到以下几个结论：

（1）不同监测点位置饱和黏土固结沉降随着楼层的增高，其变化趋势大致相同，均呈非线性单调增加的趋势，饱和黏土的最大固结沉降值为39mm。

（2）不同监测点的固结沉降值随深度的变化趋势均大致相同，为非线单调降低趋势，筏板基础以下3.0m最大固结沉降值降至15mm。

（3）在筏板基础中心处的饱和黏土固结沉降最大，距离筏板中心越远固结沉降值越小。