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1、软粘土地基沉降计算问题研究软粘土地基沉降计算问题研究 - 工程事故分析工程事故分析导读：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。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。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。关键词：软粘土，地基，沉降计算
2、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。多年的实践表明，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。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
3、.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，软粘土的天然不排水抗剪强度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 30-110，内聚力一般在 8-12KPa 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 10-15KPa 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
4、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，从而阻碍其进一步压密。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
5、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。论文大全。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。这种低渗透性，高含水量且呈饱和状态的特性，不但延缓其土体的固结过程，而且在加荷初期，常易出现较高的孔隙水压力，对地基强度
6、有显著的影响。1.5 软粘土具有明显的触变性软粘土的触变性指的是土体强度因受扰动而削弱，又因静置而增长的特性。通过显微镜结构扫描试验发现，一般软粘土具有典型的空架结构，结构抗力相对片架结构为大，但土的结构性和灵敏性也大。软粘土的触变性可由灵敏度来判断，灵敏度值越大，触变性越明显。软粘土在其结构未被破坏时，一般呈软塑-流塑状态，一经扰动，致使结构破坏时，土体强度显著降低，将扰动过的软粘土静置一定时间，则强度随历时的增大而增长。软粘土的这种高灵敏性也给室内试验的取土造成困难，往往室内试验前已对土体产生扰动，破坏了其结构和强度，所得指标已失真。所以现场原位测试的十字板强度和静力触探值常作为软粘土地基
7、稳定分析的指标。因此，在强度低而且灵敏度较高的软粘土地基上连续施工，分级加荷的大小与时间要严格控制，并尽可能避免扰动，以防土体失稳导致滑动破坏。1.6 软粘土具有明显的流变特性软粘土典型的空架结构，一方面决定了此类土灵敏度高，不宜扰动；另一方面导致软粘土地基变形大，流变特性明显。即在荷载作用下，软粘土除产生主固结沉降外，还会产生可观的次固结沉降。从这一现象可以看出，土是具有粘滞性的。一般软粘土的变形可分为三个阶段:第一阶段为空架结构变形阶段。此时变形速率小，一般可小于 10mm/d；随着荷载的增加，结构应力超过结构抗力，空架结构遭到破坏，此时要严格控制加荷速率，否则土体易失稳，变形速率可控制在
8、 15-20mm/d;随着变形的发展，土体进入片架式结构变形阶段，此时变形发展缓慢，变形持续时间较长，表现出明显的流变特性。有时土体蠕变长达数年，变形量也会累积增加，如果此阶段变形过大，时间过长，会给工程带来许多问题，如墙面开裂、沉降不均等，对高等级公路则表现为桥头跳车、道路起伏、路面开裂等。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。矿物颗粒压缩性很小，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三相土，孔隙水压缩量很小。孔隙
9、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。论文大全。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
10、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。弹性理论方法立论严谨，对于弹性的、均
11、质的、各向同行的半空间体，其数学解精确，但对软粘土地基而言，其结构方程有时与实际不符，因而其计算结果与实测结果有较大差异，主要用于瞬时沉降量的计算。工程方法包括压缩仪法、Skemptm-Bjerrum 法、应力路径法、状态边界面法等;这些方法仍利用弹性理论来计算地基中的附加应力，而土的应力-应变关系则取自试验(间接法)。它应用最广，其计算结果为瞬时沉降和固结沉降之和。上述二种方法中，准确确定地基土的压缩模量是一个关键性的问题。据目前的勘察水平，通过室内试验很难准确确定地基土的压缩模量，因为原状土样的采取受到很大的限制，特别是粉性土、砂土扰动程度很大，室内试验得到的压缩模量往往偏小。第三类方法包
12、括经验和半经验公式，已有许多学者提出了各种经验公式直接来计算地基的沉降，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。原位试验能够正确反映地基土的力学性质，用原位试验成果确定甚至替代室内土工试验结果，用于沉降计算，具有不可比拟的优势。数值分析方法主要有有限元法、有限差分法和集总参数法等，目前也越来越多地应用到地基的沉降计算中。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增加而增大。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
13、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:压缩时地基不能有侧向变形;根据基础中心点下的土的附加压力进行计算;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。分层总和法将压缩层范围内的土层分成 n 层，应用弹性理论计算在荷载作用下各土层中的附加应力，采用侧限条件下，即单向压缩条件下的压缩性指标，分层计算各土层
14、的压缩量，然后求和得到压缩层范围内的总沉降。单向压缩法中，附加压力一般取基础轴线处的附加应力值，以弥补采用该法计算得到的沉降偏小的缺点。论文大全。由于附加应力沿深度方向的分布是非线性的，为避免产生较大的误差，计算中土层的分层不宜过大，建议一般每分层的厚度不超过基础宽度的 0.4 倍。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，主要是基底下土中有效附加应力，采用了弹性理论中的 Mindlin 和 Boussinesq 应力解，与土性无关，这与实际土体中的有效应力不相符，对软粘土而言可能偏小，对砂性土则偏大，这样计算值往
15、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:正常固结土;超固结土;欠固结土。在沉降计算
16、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。3.2.4 考虑侧向变形的固结沉降计算利用 e-lgP 曲线来计算沉降，对正常固结、超固结和欠固结粘性土，可分别对待，这似乎比利用 e-P 曲线计算沉降前进了一步。实际上，地基中的土受到附加应力后，变形并不是如前所述的那样简单，也不是象在固结仪中简单地沿一个垂直方向压缩，侧向变形对固结沉降的影响很大，特别是当地基中粘性土层的厚度超过基础面积的尺寸时，这种影响更大。对此，我们可以利用路径法来解决。3.2.5 应力路径法计算沉降为了更好地考虑侧向变形对垂直沉降的影响，我们可以使用一个更为方便的方法，根据地基土体所经过的应力路径计算土体的压缩量。在这种方法中，估计和模拟所选单元的应力路径要与室内试验尽可能接近。常用的应力路径法有两种:采用室内试验模拟现场有效应力路径法;应变等值线法。第一种方法的基本思路是:根据弹性理论计算出各典型单元应力路径;按照计算所得的应力路径进行三轴试验，并视现场条件确定排水条件，测量竖向应变量;将实测竖向应变乘以相应土层厚度，计算沉降量。该方法的优点是能较好地
