地基沉降计算和预测方法探究

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1、地基沉降计算和预测方法探究　　摘要：地基的沉降是地基处理和基础设计中重要问题，由于地基的沉降是长期而复杂的过程，决定了沉降计算与预测的复杂性。通过对常用计算与预测方法的研究，系统介绍了分层总和法、有限元法和现场实测资料推算法，比较了各种方法在实际应用中的优点，并指出了其存在的不足。关键词：地基沉降；计算；预测中图分类号：TU47文献标识码：A文章编号：9地基尤其是软土地基在荷载的作用下会产生较大的沉降，地基的沉降会直接影响到建筑物的工作状态，或导致开裂甚至破坏。因此地基的沉降计算与预测是土建工程与地基

2、处理设计中的一项必不可少的内容。根据变形机理，地基的沉降主要由初始沉降、固结沉降和次固结沉降三部分组成[1]，瞬时沉降是地基在荷载作用下发生剪切变形的沉降；固结沉降是孔隙水排出、孔隙体积减小以及土体压密所致，占总沉降量的大部分；次固结沉降是土中孔隙水消散后，土粒骨架在持续荷载下发生蠕变引起的。对于地基沉降的计算和预测主要有两项内容，一是对地基最终沉降量的计算，二是计算沉降量与时间的关系，即全过程的沉降量预测。文献[1]中列出了弹性理论法，分层总和法、有限元法、现场实验法等19种沉降计算与预测方法，在工

3、程实践中，常选用一种或几种方法对地基沉降进行计算和预测，当前实践与研究中常采用分层总和法、有限元法、现场实测资料推算等方法。1分层总和法目前在地基最终沉降量的计算中，应用最广的是单向压缩分层总和法。它是通过试验指标和地基上的附加应力对地基土进行分层计算压缩量，最后求得总压缩量即沉降的一种方法，主要公式如下：(1)(2)式中Si——第i层土的压缩量，m；hi——第i层土的厚度，m；e1——第i层土压缩前的孔隙比；e2——第i层土压缩终止后的孔隙比；S——最终压缩量，m。当考虑应力历史对土的压缩性的影响时

4、，式(1)转化为如下形式：(3)式中——第i土层的压缩指数——土层自重应力——土层附加应力9大多数规范所规定的地基最终沉降量基于这种方法，单向分层总和法虽然具有物理意义明确，计算参数易于选取，计算简单的优点，但其计算结果与实际结果有着较大的偏差，首先，其基于地基土的弹性假定，即地基土为一均匀、等向的半无限空间弹性体，这一假定与土的实际工程特性有着很大的差异，其次，单向分层总和法所计算的沉降为理想的侧限压缩条件，计算参数也由侧限压缩试验得出，未考虑侧向膨胀变形，而在实际中，地基土尤其软土在荷载作用下均会

5、产生较大的侧向变形。这些假定与实际的差别都对计算的精度产生了很大的影响。2有限元法由于土的非线性本构关系及其运算的复杂性，借用计算机手段，常采用有限元法对地基的沉降进行预测，如考虑非线性弹性模型及弹塑性模型的有限元法、考虑粘弹塑性模型的有限元法、考虑结构性的损伤模型的有限元法以及大变形固结有限元法等。在有限元法计算中，对于固结沉降的预测常采用理论上比较完善的比奥固结理论来建立有限元方程，通过比奥固结理论的平衡方程和连续方程的联立，可得到有限元公式[2]：(4)式中——与有效应力相关的刚度系数；——与超

6、静孔隙水压力相关的刚度系数；——与孔隙水压力差相关的刚度系数；R，S——外荷载与体积压缩量；9——单元位移矩阵；——单元超静孔隙水压力矩阵计算时，根据固结过程中对不同时刻、随着有效应力的变化可采用不同的力学指标，由于在比奥固结有限单元法计算中，土的应力－应变关系，指的是骨架应力与应变的关系。因此这些力学指标均由三轴固结排水试验测得。有限元法中，常采用的本构关系有邓肯－张双曲线模型、剑桥模型、修正剑桥模型、SMP模型等。相对于单向压缩分层总和法，有限元法可以考虑侧向变形、水平向渗流对沉降的影响，考虑土体

7、的应力应变非线行特性，考虑对施工分级加荷过程的模拟，可以求得任一时刻的沉降、水平位移、孔隙压力和有效应力的变化。3实测资料推算法前面所介绍的方法均基于土力学几种变形理论，如太沙基固结理论，比奥固结理论等，这些理论基于基本假设（如边界条件，本构关系等方面）结合小土样试验的应力应变关系推导出来，在地基沉降预测过程中，计算参数也由室内试验得出，这些都和实际工程有很大的差别，因此通过前期施工中的沉降实测资料对后期施工以及竣工后沉降量随时间的发展过程进行预测的方法在工程中被广泛运用。目前由实测资料预测都是以下式

8、为基础[3]：(5)9式中：St——时间t时的沉降量；Sd——瞬时沉降量；S∞——由沉降曲线推算的最终沉降量。根据f(t)的函数形式，传统的方法有双曲线法、指数曲线法、三点法、Asaoka法、沉降速率法等。这些方法均是利用f(t)函数来拟合沉降与时间关系曲线，通过实测的曲线上的点来推算f(t)函数中的参数，进而求得任意时刻沉降量。以双曲线法为例，在一次加荷情况下，(6)式中：S0——初始沉降，是荷载带到恒定值时实测沉降量；St——t时刻地基沉降a,b——