關于軟土地區高層建筑樁基沉降計算方法的探討

蔡子陽

摘要：本文通過對軟土區高層建筑地基的介紹，進行了軟土區高層建筑地基常用沉降計算方法分析。中國論文網

關鍵詞：高層建筑；軟土地基；計算方法

1前言

軟土地基主要是指有淤泥、淤泥質土、沖填土等高壓縮性土層構成的地基，沒有足夠的承受力來保證房屋的穩固，在主體施工前必須對其進行處理。由于不同的軟土地基具有不同的特點，在處理的時候必須根據軟弱土層的組成、分布情況和土質情況來進行填充鞏固。例如沖填土要了解其排水固結條件，雜填土應當考慮推擠歷史，明確其濕陷性等基本因素。

建筑物主體和地基之間的中介是基礎，即基礎是建筑物和地基之間的連接體。基礎把建筑物豎向體系傳來的荷載傳給地基。從平面上可見，豎向結構體系將荷載集中于點，或分布成線形，但作為最終支承機構的地基，提供的是一種分布的承載能力。在初步計算時，最好先計算房屋結構的大致重量，并假設它均勻的分布在全部面積上，從而得到平均荷載值，可以和地基本身的承載力相比較。如果地基的容許承載力大于4倍的平均荷載值，則用單獨基礎可能比筏形基礎更經濟；如果地基的容許承載力小于2 倍的平均荷載值，那么建造滿鋪在全部面積上的筏形基礎可能更安全經濟。如果介于二者之間，則用樁基或沉井基礎。

上部結構、基礎和地基的共同作用是軟土地基處理設計考慮的必要因素。首先要加強上部結構的強度，使其更好的適應地基的不均勻變形，其次是對需要處理的地基進行現場試驗并測試，檢驗設計參數和加固的效果，作為施工質量檢驗的依據。對于已經處理的軟土地基，在需要進行修正時，要充分的確定基礎面積及埋層的深度，對軟弱層的下方準確的驗算出其地基承載力。建筑物的地基變形度應當在規定的范圍內，并在施工期進行沉降觀測，作為其維護的主要依據。

2軟土區高層建筑地基常用沉降計算方法分析

軟土地基沉降計算方法，早在20世紀初，Terzaghi等人就曾建立了經典的軟土地基沉降分析法，以后又有很多人為該方法的改進和完善做出了重要貢獻。自20世紀70年代以來，隨著計算機技術的進步，采用有限元分析法計算地基沉降也已成為可能，但時至今日，地基沉降課題仍然困擾著土木工程技術人員。就一般的土木工程而言，仍在普遍沿用Terzaghi等人建立的經典分析法。在實用設計中，工程人員的經驗和技術往往起著關鍵的作用。究其原因，可概括為如下幾個方面：一是新的理論和技術尚未成熟，且對技術人員的素質和工程測試手段提出了很高要求；二是地基沉降的分析需要理論與實踐密切地結合，而工程技術人員總希望地基沉降的計算方法能盡可能地簡便直觀，所需試驗參數少而易確定，對各種工程情況均有良好的適應性，這就難免使地基沉降分析中需要加入一定的經驗成分；三是地基沉降分析中涉及到地面外荷載的計算、土中應力的計算、土體固結度的計算、土體變形的計算以及土體試驗參數的選用等許多環節，各環節之間又互有影響，其相互關系也隨時間變化，因此，地基沉降的分析也是一項復雜的系統工程，每一環節的疏忽都可能導致錯誤的結果。

地基沉降的計算方法可以分為四類：（l）彈性理論法，也稱直接法；（2）工程方法，也稱間接法；（3）經驗公式法；（4）數值分析法。

彈性理論方法立論嚴謹，對于彈性的、均質的、各向同性的半空間體，其數學解精確，但軟粘土地基而言，其本構方程有時與實際不符，因而其計算結果與實測結果有較大差異，主要用于瞬時沉降量的計算。

工程方法包括壓縮儀法、Skemptm-Bjerrum法、應力路徑法、狀態邊界面法等；這些方法仍利用彈性理論來計算地基中的附加應力，而土的應力-應變關系則取自試驗（間接法）。它應用最廣，其計算結果為瞬時沉降和固結沉降之和。

第三類方法包括經驗和半經驗公式，利用原位測試結果來推算地基的沉降；數位分析方法主要有有限元法、有限差分法和集總參數法等。

2.1瞬時沉降量的計算方法

在剪應力作用下，地基內會產生剪切變形及側向擠出引起附加沉降。實際上，此項沉降量也是隨著荷載的的增大而增大。如地基受到顯著擾動時，此項沉降增加得更多。通常都是根據固結沉降量的計算結果進行修正來確定最終沉降量，而沒有專門的合適的方法來計算這項沉降量。日本及我國鐵路系統也曾提出過經驗關系式，從表達形式上看，考慮的影響因素似嫌簡單，一般地，我們用彈性理論公式法來計算。彈性理論公式法是用彈性理論公式來計算建（構）筑物的沉降，然后再考慮地基中由塑性開展區的校正方法。

2.2主固結沉降量的計算

2.2.1傳統分層總和法（單向壓縮法）

分層總和法有如下假定：①壓縮時地基不能有側向變形；②根據基礎中心點下的土的附加壓力進行計算；③基礎最終固結沉降量等于基礎底面下壓縮層范圍內各土層壓縮量的總和。

分層總和法將壓縮層范圍內的土層分成n層，應用彈性理論計算在荷載作用下土層中的附加應力，采用側限條件下，即單向壓縮條件下的壓縮性指標，分層計算各土層的壓縮量，然后求和得到壓縮層范圍內的總沉降。單向壓縮法中，附加壓力一般取基礎軸線處的附加應力值，以彌補采用該法計算得到的沉降偏小的缺點。由于附加應力沿深度方向的分布是非線性的，為避免產生較大的誤差，計算中土層的分層不宜過大，建議一般每分層的厚度不超過基礎寬度的0.4倍。2.2.2規范推薦法（修正的分層總和法）

用單向壓縮法計算地基最終沉降量時，由于理論上作了一些與實際情況不完全符合的假設以及其它因素的影響，計算值往往與實測值不盡相符，甚至相差很大。為此，可以根據傳統的分層總和法原理，將計算方法加以簡化。分析沉降觀測資料表明，可以采用修正系數來反映沉降量計算值與實測值的差別，對計算結果進行修正。修正系數綜合考慮了沉降計算中所不能反映的一些影響因素，諸如土的類型不同、選用的壓縮模量與實際有出入、土層的非均質性對應力分布的影響、荷載性質的不同與上部結構對荷載分布的調整作用等。

2.2.3考慮先期固結壓力計算固結沉降量方法

現場的軟粘上在其地質歷史上一般受過前期固結壓力的作用，由于土層的變動、河流的沖刷等原因，這一壓力不一定等于目前現場的有效應力。為此，可將粘土分為三類：①正常固結土；②超固結土；③欠固結土。在沉降計算中應考慮先期固結壓力的影響，當土體處于不同的狀態時要求采用不同的壓縮性指標計算沉降量。

2.3次固結沉降量的計算

許多室內試驗和現場量測的結果表明，次固結的大小與時間的關系在半對數紙上接近為一條直線，發生在主固結之后。若地基土由可塑性大的土或有機土組成，次壓縮沉降必占地基總沉降中很可觀的一部分。

除了以上的一些方法外，沉降量也可以通過原位試驗來估計，常用的有平板載荷試驗法、靜力觸探法、標準貫入試驗法和旁壓試驗法。也可以通過現場實測資料來推算總沉降，比如對數曲線法、Asaoka切法、雙曲線法、灰色系統理論、遺傳算法等。有限元法、有限差分法和集總參數法等數值計算方法也越來越多地應用到地基的沉降計算中。

參考文獻：

[1]劉勇健.遺傳算法在軟土地基沉降計算中的應用[J].工業建筑，2011，（05）.

[2]雷學文，白世偉，孟慶山.灰色預測在軟土地基沉降分析中的應用[J].巖土力學.2011，（02）