軟土地基沉降數(shù)值模擬與監(jiān)測分析

王慧芳

[摘要]在軟土地基沉降數(shù)值模擬中，考慮主次固結(jié)的Merchant粘彈性模型是一個比較理想的模型。作者在梳理基本理論的基礎(chǔ)上結(jié)合案例，應(yīng)用Merchant模型對軟土地基沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，分析整理監(jiān)測結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)比對驗證了采用Merchant模型計算和預(yù)測軟土地基沉降足合適的。

[關(guān)鍵詞]地基沉降；Merchant模型：有限元法；監(jiān)測 文章編號：2095-4085（2018）06-0012-02

地基沉降是指地基土層在附加應(yīng)力作用下壓密而引起的地基表面下沉。主固結(jié)沉降是由飽和粘性土在荷載作用下產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力逐漸消散，孔隙水排出，孔隙體積減小而產(chǎn)生的。次固結(jié)沉降是指孔隙水壓力完全消散，主固結(jié)沉降完成后的那部分沉降。通常認(rèn)為次固結(jié)沉降是由于顆粒土之間的蠕變和重新排列而產(chǎn)生的。對不同的土類，次固結(jié)沉降在總沉降量中所占的比例不同，有機質(zhì)土、高壓縮性粘土的次固結(jié)沉降量較大。

鑒于軟土地基工后沉降，具有速率慢、周期長的特點，軟土地基沉降數(shù)值模擬須考慮軟土的次固結(jié)沉降。作者首先分析了Merchant粘彈性模型的基本特征，推導(dǎo)得到了有限元計算公式，進(jìn)而可編程計算。隨后，結(jié)合某工程軟土地基沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，并通過和實測沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對比來驗證計算模型適用性。

1 Merchant模型

Merchant模型認(rèn)為土體被施加荷載后，同時產(chǎn)生主次固結(jié)。Merchant三元件模型是將虎克彈簧體系與開爾文體系串聯(lián)，構(gòu)成復(fù)合流變模型，即：用虎克彈簧體描述土的主固結(jié)，用Kelvin體描述土的次固結(jié)。其流變方程為：在應(yīng)力σ不隨時間改變的情況下，利用初始條件ε0=σ/E0，求解上式后得：式中，η=E1/K1。應(yīng)變隨時間增大而增大，而其速率由起始時的最大值逐漸趨于零。在應(yīng)變ε保持為常量時，σ0=E0ε，求解式（1）可得：

Merchant粘彈性模型固結(jié)計算主要受μ，k，E0，E1，K等參數(shù)影響。其中，泊松比μ的取值，深部軟粘土μ的選取，是根據(jù)室內(nèi)三軸試驗測出的側(cè)壓力系數(shù)K0按公式換算而得，淺部土層μ值采用經(jīng)驗值，一般對于軟土地基，0.3<μ<0.5。用于表達(dá)模型性質(zhì)的3個參數(shù)E0，E1，K（或E0，α=E0/E1，η=E1/K1），可通過室內(nèi)土的流變試驗測定。

2 Merchant粘彈性模型有限元計算

基于Merchant粘彈性模型和簡化雙曲線模型，建立軟土地基沉降的二維非線性粘彈性Biot固結(jié)有限元計算公式，可編程進(jìn)行數(shù)值計算。在計算時，假定軟土地基底面和側(cè)面作為固定邊界，地基表面作為自由且唯一透水邊界。

3 軟土地基監(jiān)測

為了保證軟基處理的施工質(zhì)量和評價軟基處理效果，通常對軟土地基進(jìn)行表層沉降、分層沉降、孔隙水壓力的消散情況及土體深層水平位移的監(jiān)測。表層沉降觀測主要所需的設(shè)備主要包括沉降板、水準(zhǔn)點及水準(zhǔn)儀。通過表層沉降監(jiān)測可以繪制沉降時程曲線，推算軟土的最終沉降量，從而計算出各時期的軟土固結(jié)度和殘余沉降量，以檢驗軟基處理的效果。深層沉降觀測主要是通過監(jiān)測軟土層不同深度的沉降值，了解填筑荷載對沉降的影響深度和深層土體的工后沉降趨于穩(wěn)定的時間，為沉降計算提供依據(jù)。

4 案例分析

4.1 工程概況

某工程位于沿海丘陵地區(qū)，部分地基落在濱海沉積平原上，屬軟土地基。根據(jù)該路段的巖土工程勘察資料，主要地基土為粉質(zhì)粘土、淤泥、殘積砂質(zhì)粘土。采用塑料排水板+砂墊層地基處理，排水板間距1.5m，入土深度10～14m，砂墊層厚度為40～70cm，以沉降觀測數(shù)據(jù)較為完整的斷面進(jìn)行沉降計算和監(jiān)測分析。

4.2 計算模型

根據(jù)進(jìn)度劃分為3級荷載：第一、二級加載，歷時50d，100d填筑完成，預(yù)壓100d后加下一級荷載，填土高度為4.00m，2.50m；第三級加載，預(yù)壓期過后的地面附加荷載。計算時所選用的參數(shù)見表1。

選取典型斷面地基劃分有限元網(wǎng)格，地基頂寬22.00m，地基填土高度為6.50m，坡度為1：1.3，網(wǎng)格劃分為2760個單元。根據(jù)地質(zhì)資料計算寬度150m，計算深度取25.00m，地基左右兩邊在水平向、底面在水平和豎直兩個方向固定，其它邊界可以排水。

4.3 監(jiān)測結(jié)果

按施工進(jìn)度和設(shè)計要求進(jìn)行觀測，歷時420d，累計觀測150次。監(jiān)測點布置地表沉降觀測64點，分層沉降觀測23孔，孔隙水壓力觀測10孔，監(jiān)測結(jié)果為連續(xù)10個月沉降速率均小于5mm/月，且其固結(jié)度均大于85%，表層沉降量為19.5cm（觀測數(shù)據(jù)略）。

4.4 數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

程序計算得到軟土地基各點在不同時刻的沉降量，繪制表層沉降時程曲線。據(jù)監(jiān)測結(jié)果實測表層沉降量為19.5cm，理論計算沉降量為20.8cm，計算值與實測值之間差值較小僅為1.3cm。從變化軌跡來看，兩個曲線數(shù)據(jù)和趨勢都比較接近（見圖1），說明沉降數(shù)值計算采用的模型和方法是合適的。

5 結(jié)語

在軟土地基施工前期和施工過程中持續(xù)的對地基沉降進(jìn)行觀測，采用數(shù)值模擬的方法預(yù)測沉降，對控制進(jìn)度和保證質(zhì)量具有十分重要的現(xiàn)實意義?；诜治鯩erchant粘彈性模型，對軟土地基沉降進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，通過某工程案例驗證了其適用性，這對類似軟土地基工程計算和預(yù)測沉降具有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算（第二版）[M].北京：水利電力出版社，1995.

[2]GB50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].