軟土條件下高層建筑復合地基沉降長期預測算法

摘要：深入分析軟土復合地基特征，以此為基礎，探究軟土復合地基沉降原因，采用關系圖描述軟土復合地基沉降過程。應用灰色理論推出軟土復合地基沉降長期預測算法，將實測數據輸入至推出算法中，即可獲得軟土復合地基沉降長期預測結果。實驗數據表明：提出算法縮短了沉降長期預測時間，減小了沉降長期預測誤差，充分證實提出算法具有可行性。

關鍵詞：軟土條件;復合地基;沉降;預測;長期

0" "引言

近年來，基礎建設迎來了發展新機遇，高層建筑建設工程項目劇增。與此同時高層建筑建設相關問題也逐漸顯現，尤其是地基沉降問題，極大地影響著高層建筑的整體安全，是建筑領域亟待解決的問題之一。經過調查研究發現，無論是上世紀建設的傳統建筑結構，還是現代建設的新式建筑結構，均存在著不均勻沉降現象。不均勻沉降不僅會影響建筑結構的剛度，也會對建筑周圍居民造成一定的不利影響。由此可見，對建筑結構沉降進行深入研究具有一定的現實意義。

一般情況下，地基存在壓縮性，若是對其施加附加應力，即會出現沉降現象。而高層建筑建設工程施工與使用是一個長期的過程，周邊影響因素變化較大，復合地基向下位移是不可逆的現象，影響因素主要包括水位、荷載、地震等。一般高層建筑都會出現沉降，但大部分都在可控范圍內，不會影響高層建筑的使用[1]。但若高層建筑結構沉降產生較大的沉降差，就會對建筑安全產生一定的威脅。再加上現代高層建筑結構自身質量較大，地基環境較為復雜，建筑沉降情況也愈加難以預測，為此建筑沉降成為建筑領域重點研究方向之一。

軟土在中國分布較為廣泛，主要分布在沿海地區，具有壓縮性高、強度低、性質軟弱、滲透性差等特性，為建筑領域帶來了極大的困難。若無法正確認識軟土特性，地基處理技術選取不當，在高層建筑建設過程中，極易出現由于地基失穩產生較大的建筑沉降，導致建筑開裂破壞，影響高層建筑的正常使用。

隨著航運行業的發展，沿海地區經濟發展速度較快，基礎建設水平也較高，高層建筑規模越來越大。在軟土條件下，高層建筑地基逐漸復合化，地基沉降情況更加復雜，極大增加了沉降預測的難度，也為高層建筑建設工程項目的開展帶來了障礙。復合地基通過堆載預壓，可以消除大部分的固結沉降，但盡管如此，高層建筑建設完成后，仍然會出現持續的、長期的沉降。若沉降超過一定的限值，高層建筑地基產生形變，致使建筑結構安全性降低，將威脅建筑內部與周邊人員的安全。為了提升高層建筑的整體安全，本文提出軟土條件下高層建筑復合地基沉降長期預測算法研究。

1" "高層建筑復合地基沉降長期預測算法研究

1.1" "軟土復合地基特征分析

一般情況下，軟土存在形式為軟塑或者流塑狀態，土體以細顆粒為主[2]。軟土復合地基是指在軟土條件下填注的地基類型，具有多種特性，例如孔隙比大、承載力低、壓縮性高等。軟土微觀結構如圖1所示。

如圖1所示，軟土微觀結構中，砂粒、粉粒隨機分布在土體中，顆粒之間存在部分接觸，通過短鏈或長鏈進行連接。軟土主要表現為深灰色，若振動超過閾值，軟土結構非常容易受到破壞，軟土強度產生下降，狀態改變為稀釋狀態，從而產生滑動現象。軟土基本力學特征如表1所示。

由表1可知，軟土復合地基具有不良工程力學特性，對于高層建筑工程具有極大的危害性，具體如下：

一是剪切破壞。由于軟土復合地基抗剪強度較低，無法承受上部的高層建筑結構靜荷載，使得軟土復合地基受到破壞，主要表現為建筑結構下沉，鄰近地基隆起。

二是不均勻沉降破壞。軟土復合地基具有較高的壓縮性，容易產生不均勻沉降，使得上部建筑結構出現裂縫，降低建筑結構的可靠性，嚴重情況會使得建筑結構失去其使用功能。

三是均勻沉降破壞。軟土復合地基含水率與孔隙比較高，在高層建筑施工過程中，容易產生排水固結，致使建筑結構向下沉降，此種現象即稱為均勻沉降。當高層建筑結構剛度較大時，均勻沉降并不會對建筑結構可靠性造成較大的影響，但是會埋下安全隱患，也需要對其進行實時注意。

通過上述過程完成了軟土復合地基特征的分析，并描述了軟土復合地基對高層建筑工程的不利影響，為后續軟土復合地基沉降原因探究打下堅實的基礎。

1.2" "軟土復合地基沉降原因探究

本文以上述軟土復合地基特征分析結果為基礎，探究軟土復合地基沉降原因，為最終沉降長期預測作準備。高層建筑復合地基沉降是由多種因素造成，經過調查研究分析可知，主要影響因素為軟土復合地基、高層建筑結構、建筑施工三個方面[3]。為了提升高層建筑復合地基沉降長期預測的精度，對上述展示的復合地基沉降影響三大因素進行深入的探究。

其中，軟土復合地基會隨著上部荷載的增大，內部孔隙比之間減小，使得軟土復合地基體積變小，建筑結構出現下沉現象。軟土復合地基體積變化影響因素有多個，分別為荷載加載速率、土體濕度及其土體含水量。一般情況下，隨著荷載加載速率的增加，軟土復合地基剪力作用出現，地基強度下降，抗剪強度增加，引起地基整體剪切受到破壞，造成地基傾斜。

隨著季節的變化，土體濕度也會隨之變化。在樹木休眠季節時，土體濕度相對較大，土體強度會下降，無法承受較大的載荷，從而產生沉降;反之，在樹木生長季節時，土體濕度相對較小，土體強度較好，能夠承載較大的荷載。

土體含水量與地基內部管道有著緊密的聯系，若是地基內部管道存在泄漏，土體含水量會增加，土體容易出現液化現象，改變土體力學性質，降低土體的承載力，從而引發地基沉降風險。

高層建筑結構也是造成其復合地基沉降的關鍵因素之一。高層建筑結構會影響荷載分布，若是建筑結構過于復雜，橫、縱載荷單元對地基產生的附加應力出現一定的重疊，會導致交叉部分荷載較大，沉降也比其他位置大。這會致使復合地基出現沉降差，破壞高層建筑結構，威脅建筑結構的可靠度。高層建筑結構基礎相對剛度決定著其對地基作用的強弱。基礎相對剛度分類情況如表2所示。

表2中，L表示的是基礎長度;k表示的是基礎系數;E與I表示的是基礎特征值——慣性矩與彈性模量，需要注意的是，兩個基礎特征值具有一致的單位。

傾斜量的大小由偏心距e決定。當eB/4時，建筑中心與偏心方向相同。其中，表示的是偏心荷載方向的矩形基礎基底邊長數值。

高層建筑施工過程中，填土回填順序不對、填土不均勻等，都會對復合地基產生極大的不利影響，造成復合地基的不均勻沉降[4]。由于篇幅的限制，不對建筑施工相關因素進行過多的贅述。

通過上述過程，完成了軟土復合地基沉降原因的探究，并對沉降影響因素進行了深入的分析與介紹，能為后續高層建筑復合地基沉降發展過程的描述提供充足的支撐[5]。

1.3" "軟土復合地基沉降發展過程描述

以上述軟土復合地基沉降原因的探究結果為依據，描述軟土復合地基沉降過程，為最終軟土復合地基沉降長期預測算法的推出做好充足的準備。在高層建筑自重荷載作用下，軟土復合地基沉降是持續存在的，但是每個階段沉降的速率是有區別的，依據沉降機理與速率的不同，將高層建筑軟土復合地基沉降劃分為三個階段，具體如下：

第一階段為瞬時沉降。此階段沉降變形主要發生在地基承受外荷載的瞬間，地基土體孔隙水無法及時排出，說明土體體積不會發生較大的變化，表明瞬時沉降主要表現為土體的剪切變形，引發地基向下位移[6]。瞬時沉降的位移大小與荷載加載速率與方式緊密相關。

第二階段為主固結沉降。隨著時間的推移，軟土復合地基土體中孔隙水逐漸排出，造成地基土體有效應力增加，土體內部顆粒距離逐漸變小，地基土體體積產生壓縮變形，造成軟土復合地基主固結沉降[7]。

第三階段為次固結沉降。此階段發生在軟土復合地基土體孔隙水排放基本完成后，地基土體狀態趨于穩定，主固結變形幾乎停止。地基土體水粘滯流動易導致水膜厚度產生變化，進而推動土骨架蠕變，復合地基出現次固結沉降。次固結沉降在整體沉降中占比較小，但仍然不能對其忽視。其蠕變沉降持續的時間較長，沉降量也非常可觀，直接影響著高層建筑的安全性。

軟土復合地基沉降發展時間主要劃分為兩個部分，分別為工期沉降與工后沉降。工期是指高層建筑建設開始到建設完成的時間[8]。通常情況下，工期沉降并不會對整體高層建筑進程產生較大的影響。工后是指高層建筑建設完成后的時間。工后沉降量的大小對上部建筑結構的可靠性、安全性有著至關重要的影響[9]。軟土復合地基沉降關系如圖2所示。

圖2中Sd表示的是瞬時沉降，Sc表示的是主固結沉降;Ss表示的是次固結沉降;S表示的是沉降量;t表示的是時間;T表示的是工期時間;tc表示的是高層建筑建設完成時間。通過上述過程完成了軟土復合地基沉降發展過程的描述，為后續軟土復合地基沉降長期預測的實現提供幫助。

1.4" "軟土復合地基沉降長期預測實現

以上述軟土復合地基沉降發展過程描述結果為基礎，應用灰色理論推出軟土復合地基沉降長期預測算法，將實測數據輸入至推出算法中，即可獲得軟土復合地基沉降長期預測結果。

依據樣條曲線法，獲取等時距沉降時間條件下的沉降量序列及其累加生成序列Se（0）與Se（1），結合灰色理論，構建灰色微分方程如下：

（1）

式（1）中，α表示的是軟土復合地基沉降發展系數;β表示的是灰變量。

沉降發展系數α計算公式如下：

（2）

將公式（2）計算結果輸入至公式（1）中，對公式（1）進行求解，獲得時間響應方程如下：

（3）

式（3）中，k表示的是時間響應方程的項，取值范圍為[1，n]。

為了可以與原始高層建筑復合地基沉降數據進行比較，將序列時間代入時間ti響應方程，即可獲得沉降長期預測算法，取表達式如下：

（4）

式（4）中，t0表示的是原始沉降數據對應時間。通過公式（4）即可實現高層建筑復合地基沉降長期的預測，為高層建筑的安全提供更準確的數據支撐。

2" "實驗與結果分析

為了驗證提出算法的應用性能，選取考慮群樁效應的加筋碎石樁復合地基沉降比計算公式[10]作為對比算法，設計對比實驗，具體實驗過程如下所示。

2.1" "實驗對象簡介

選取某高層建筑工程作為實驗對象，此建筑工程屬于復式住宅建筑，共18層，長度為72.7m，寬度為17m，整體高度為97.2m。高層建筑結構采用了筏形與剪力墻基礎結構。為了保障實驗的順利進行，在實驗工程開始之前，需要對工程地質進行勘察，設計勘探鉆孔數量為8個，深度為50～70m不等，獲得實驗對象工程地質土體剖面結構如圖3所示。由圖3可以看出，實驗對象工程地質土體以粉質黏土為主，說明實驗對象工程地質屬于明顯的軟土條件，符合提出算法性能測試的需求。

2.2" "沉降觀測點布置

以上述選取實驗對象相關參數為基礎，布置沉降觀測點，方便后續實驗數據的獲取。沉降觀測點需要全面、詳細的反映實驗對象建筑工程的變化情況，同時結合建筑結構特征布置沉降觀測點。建筑外圍墻體與轉角處，沉降觀測點距離為10～20m。若建筑結構較為復雜，在建筑基礎位置兩側布置沉降觀測點。若建筑基礎埋深差距較大，在埋深分界處布置沉降觀測點。若建筑結構寬度超過15m，還需要在建筑承重墻中心、室內四角和正中心布置沉降觀測點。

依據上述給出的沉降觀測點布置規則，結合實驗對象高層建筑結構與數值，在實驗對象工程布置了16個沉降觀測點，具體如圖4所示。上述過程完成了沉降觀測點的布置，為后續實驗的進行提供便利。

2.3" "實驗結果分析

以上述選取的實驗對象與布置的沉降觀測點為基礎，進行高層建筑復合地基沉降長期預測實驗。為了量化顯示沉降長期預測算法的應用性能，選取沉降長期預測時間與沉降長期預測誤差作為評價指標。

沉降長期預測時間反映著算法的應用效率。一般情況下，沉降長期預測時間越短，表明算法應用效率越快;反之，沉降長期預測時間越長，表明算法應用效率越慢。通過實驗獲得沉降長期預測時間如圖5所示。由圖5可以看出，與對比算法相比較，應用提出算法獲得的沉降長期預測時間更短，最小值能夠達到3ms，表明提出算法應用效率更快。

沉降長期預測誤差直接反映著算法的沉降預測精度。一般情況下，沉降長期預測誤差越小，表明算法沉降預測精度越高;反之，沉降長期預測誤差越大，表明算法沉降預測精度越低。通過實驗獲得沉降長期預測誤差如圖6所示。

由圖6可以看出，與對比算法相比較，應用提出算法獲得的沉降長期預測誤差更小，最小值能夠達到0.7%，表明提出算法沉降長期預測精度更高。

上述實驗結果顯示：相較于對比算法來看，應用提出算法獲得的沉降長期預測時間更短，沉降長期預測誤差更小，充分證實了提出算法具有可行性與有效性。

3" "結語

本文在軟土條件下，提出了高層建筑復合地基沉降長期預測算法，通過實驗證實了提出算法的可行性，并縮短了沉降長期預測時間，減小了沉降長期預測誤差，為軟土復合地基沉降預測提供更有效的算法支撐，也為沉降預測相關研究提供一定的參考。

參考文獻

[1] 陳建峰，顧子昂，王興濤，等.凍融條件下加筋碎石樁復合地基路堤性狀研究[J].巖土工程學報，2020， 42（8）：1393-1400.

[2] 朱彥博，凌賢長，唐亮，等.軟土場地路堤-加筋碎石樁復合地基工作狀態分析[J].自然災害學報， 2020， 29（1）：38-48.

[3] 畢俊偉，高廣運，張建經.下覆傾斜地層軟土樁-網復合地基破壞機理試驗[J].哈爾濱工業大學學報， 2020， 52（2）：1-9.

[4] 畢俊偉，高廣運，張建經.斜樁加固下覆傾斜基底軟土樁-網復合地基離心模型試驗[J].同濟大學學報：自然科學版， 2020，48（7）：953-961.

[5] 潘濤.軟土地區雙線區間盾構隧道施工對周邊地表以及建筑物沉降的影響[J].水文地質工程地質，2021， 49（1）：101-108.

[6] 李良勇，陳建峰，彭銘.基于新型人工軟土技術的加筋碎石樁復合地基承載特性模型試驗[J].長江科學院院報，2021， 38（7）：88-95.

[7] 肖艷，姜永光，井彥青，等.非深厚軟土地基下樁筏基礎減沉樁的設計與應用[J].建筑結構， 2020， 50（17）：109-115+108.

[8] 酈亮，葉俊能，周曄，等.軟土地區竹節樁復合地基承載特性試驗研究[J].地下空間與工程學報， 2020， 16（4）：986-992.

[9] 崔遠東，卞榮，王淑紅，等.不均勻沉降條件下不同接頭形式預制電纜隧道結構反應分析[J].工業建筑，2021， 51（7）：64-70+97.

[10] 朱彥博，陳樹培，石秀峰，等.考慮群樁效應的加筋碎石樁復合地基沉降比計算公式[J].鐵道建筑， 2020， 60（2）：86-90.