雙層地基固結研究現狀及進展

摘要：本文以雙層地基固結研究現狀及進展為研究對象，主要分析了雙層地基的概述、理論研究、數值計算研究與試驗研究幾個方面。希望本文的研究能為雙層地基固結的實際應用提供指導和借鑒。

關鍵詞：雙層地基；固結；概述

一 雙層地基概述

在我國廣大沿海、內陸湖泊地區，軟土分布十分廣泛。其表面往往在外因如荷載遷移、水分蒸發、化學風化等因素長期作用下，在地表會形成的厚達幾米的天然硬殼層。這種硬殼層物理性質和其下的土層往往存在明顯的差異，它們結構性強，呈中等壓縮性，面積廣大，具有很好的承載作用。這種天然形成的上硬下軟的地基稱為天然雙層地基。

天然雙層地基在我國東南、華南沿海和平原地區十分常見，代表性的有上海地區、天津及塘沽地區、連云港地區以及浙江沿海地區以及廣東福建部分地區等。例如上海地區表土層的褐黃色亞粘土，含氧化鐵，可塑到軟塑態，其孔隙比為0.7-1.0，厚度一般3m左右，壓縮模量在4—8Mpa之間，是淺基礎的良好持力層。其下臥軟土多數地區為灰色淤泥質亞粘土和灰色淤泥質粘土層。灰色淤泥質亞粘上處流塑態，厚度3－12米，一般6米，其孔隙比在1.0－1.3之間，含水量35％－40％，壓縮模量2.7—4.0Mpa。灰色淤泥質粘土層亦處流塑態，厚度3-10米，最厚可達20米，其孔隙比在1.3-1.6之間，含水量40％－60％，壓縮模量1.8-2.4MPa。

在廣東沿海江河入海口，有許多地方人工造地，在淤泥上回填砂、土等，夯實后形成人工硬殼層；或對沒有天然硬殼層的軟土進行加固，提高表層軟土的強度，如大面積強夯加固飽和軟粘土地基，形成人工硬殼層，形成的地基與天然雙層地基具有相似的承載作用。這種人工形成的上硬下軟的地基稱為人造雙層地基。

二、理論研究

雙層地基是水平層狀地基，Terzaghi一維固結理論不能直接應用，需建立雙層地基的固結方程來解決其固結問題。自1945年H.Gray給出了瞬時加荷情況下雙層地基一維固結解析解以來，國內外學者紛紛就類似的固結模型以及不同的邊界條件展開了研究。首先，Schiffiman R L等通過引申經典的Terzaghi固結理論來模擬成層體系，針對一系列邊界條件和復雜應力歷史給出了成層地基固結問題的解答，應該說是GrayH.研究的深入與推廣。架茂田等針對層狀飽和土體，運用分離變量法直接求解太沙基一維固結方程，建立了不同時刻各深度處孔隙水壓力及總體固結度的解析計算公式，獲得了雙層地基飽和土體孔隙水壓力擴散與消散的理論解答，討論了土體壓縮性與滲透性的非均質對土層固結度的影響。謝康和等通過研究雙層地基一維固結的問題，給出荷載隨時間任意變化及起始孔壓沿深度任意分布情況下雙層地基一維固結解答，討論了雙層地基一維固結特性，并為雙層地基平均固結度的實際計算提供了圖表，此外還分析了根據沉降定義和根據平均孔壓定義計算雙層地基平均固結度的區別，從而使雙層地基固結理論的研究趨于完善。對成層粘彈性地基，藍柳和、謝康和建立了成層地基的一維固結方程，并運用半解析方法進行求解。謝康和、鄭輝、李冰河和劉興旺首次建立能綜合考慮荷載、土的成層性和自重等因素影響的固結控制方程，運用半解析解法對成層地基進行非線性分析。

以上關于雙層地基固結問題的研究雖然可以得到解析解，但是往往需要解答復雜的超越方程，結果給計算分析和工程運用帶來諸多的不便。而雙層地基固結理論研究的另一個途徑，是經過Laplace變換求其固結方程的通解，在一些近似假設下可以求得其固結問題的解析解，但對于一般的情形Laplace逆變換需借助數值方法來求解。陳根媛應用Laplace變換、初參數法和矩陣法得到任意多層一維固結通用解法，并給出了雙層地基固結度的計算公式。楊峻、蔡袁強和吳世明基于Terzagh假設，利用Laplace變換對循環荷載作用下雙層地基的一維固結進行了研究，推導出任意荷載下一維固結方程的通解。蔡袁強、徐長節，袁海明[v2味弓用Laplace變換及傳遞矩陣法求解了任意荷載下成層粘彈性地基一維固結。

但在實際設計工作中，為方便計算，常把多層地基看成具有等效固結系數的均質單層地基，用單層地基的一維固結公式計算。計算等效固結系數的方法有加權平均固結系數法和平均指標法。

雙層地基的一維固結無疑是最簡單的雙層地基固結問題，對于更具有實際意義的二維、三維固結問題，目前尚缺乏較深入的解析解。胡亞元等采用積分變換、算子法研究了多層地基二維Biot固結問題，獲得地基表面作用荷載是任意層內任意點應力、位移的一般積分形式解。

三 數值計算研究

雙層地基固結問題的解析解一般都是附加了諸多的簡化條件得到的，只要邊界條件、初始條件或加荷曲線變得稍微復雜，其解析解就很難得到，于是此問題的數值解法就應運而生了，并且隨著計算機技術的不斷更新也愈加得到人們的歡迎。

有限元法：理論上，這一方法可適用任意的邊界條件和加載方式，可計入土層的不均勻性和土層性質的非線性特征等。許多學者為用有限元研究提出了多種描述土的本構關系的模型。但復雜的模型所涉及的計算參數較難測試，復雜的程序使用者一般也要費許多時間才能真正掌握。因而，有限元法在實際工程中未能得到普遍應用。

有限差分法：羅嗣海運用有限差分法，以雙層地基為例分析層狀地基固結的若干特性。同時對常用的簡化計算法進行比較和分析，指出不同的簡化法的計算誤差與地基各層的指標組合有關。

DQM法：DQM(Differential QuadratureMethod)是Bellman~在1971年提出的一種快速求解偏微分方程的數值方法。它的主要思想是用空間上全部離散點的函數值的加權和近似表示每個點的各階導數值，經過這種D Q M變換后，求解與時間無關的偏微分方程將轉化為求解一個代數方程組，而求解與時間有關的偏微分方程則轉化為求解一個常微分方程組。Wang等將DQM應用于雙層地基的一維線性固結問題中，得到了令人滿意的效果。陳仁朋、周萬歡等基于Davi和Raymond一維非線性固結理論，推導了初始有效應力沿深度變化、任意邊界條件，任意荷載作用下成層地基一維非線性固結的DQM表達式，得到了孔壓、有效應力和平均固結度的解答。

四 試驗研究

包括模型試驗和現場試驗。

模型試驗：M C R Davies和R H GParry通過離心模擬試驗對建于上硬下軟地基上的路堤全過程進行了研究，發現用傳統一維固結理論對固結沉降量估計偏大，對超孔隙水壓力的完全消散時間預計偏長，這也說明傳統一維固結理論可能過于簡化了。同時，也發現路堤腳趾處的水平向位移和中心沉降量是在一個數量級上的。費涵昌等取上海NO.3b層(灰色輕亞粘土夾薄層粉砂)、NO.4(灰色淤泥質粘土)組成的上硬下軟地基為研究對象，通過離心模擬試驗發現：持力層越厚、軟弱下臥層對減小沉降越有利，變形主要發生在基礎寬度1.6倍深度之內。

現場試驗：三總隊軟土試驗隊在武昌附近的陽新湖軟土地區進行了具有硬殼層的軟土地基填土試驗。滬寧高速公路的軟土地基沉降課題研究的實測資料表明，地基淺層的硬殼層有一定的抗變形能力，即填土高度較小時，有硬殼層的區域其沉降速率平緩，沉降量很小；當填土超過一定高度后，出現沉降的拐點，沉降速率迅速增大，沉降量明顯增大。淺層硬殼層的存在對于填土初期的橫向差異沉降也是有利的；但隨著荷載的增加，硬殼層的作用逐步減弱，差異沉降率逐步接近。廣東南沙軟弱地基泵站基礎沉降觀測，當道路與管道基礎的深層側向位移己經較大時，埋設在硬殼層中邊樁的側向位移仍然較小。