浅谈地基沉降的预测方法及其影响因素

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摘要:过大的沉降,特别是不均匀沉降,会使建筑物发生倾斜、开裂以致不能正常使用。文章主要从地基沉降类型、地基沉降的预测方法、地基沉降影响因素分析这三个方面进行阐述,以供参考。

关键词:地基沉降;预测方法;附加应力;不均匀沉降

中图分类号:TU433文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)28-0173-02

地基沉降是指地基土层在附加应力作用下压密而引起的地基表面下沉。过大的沉降,特别是不均匀沉降,会使建筑物发生倾斜、开裂以致不能正常使用。因此,地基沉降预测是一个很重要的土工问题。为此,本文将主要谈谈地基沉降的预测方法及其影响因素,以供参考。

1地基沉降类型

软土地基下沉的一个主要原因是软土地基的沉降,包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。

(1)瞬时沉降:是指加荷后立即发生的沉降,对饱和或接近饱和的土地基,土中水尚未排出的条件下,沉降主要由土体侧向变形引起;这时土体不发生体积变化。

(2)主固结沉降:是指荷载作用于地基后,随着时间的延续,外荷不变而地基土中的孔隙水从土体中流出后,引起土体体积随时间而减小,因而路基逐渐发生沉降。这种由于土的压缩性构成了路基沉降的主要原因。

(3)次固结沉降:一般定义为当土体中超孔隙水压力基本消散后地基所产生的沉降。这部分沉降比主固结沉降要小得多,且历时很久,大都可以忽略。次固结沉降既包括剪应变,也包括体积变化。

2地基沉降的预测方法

2.1曲线拟合法

该方法属于经验方法,即假定地基沉降历程符合某一种已知函数曲线,利用实测沉降数据拟合曲线参数,然后利用确定后的曲线公式预估算地基在任一时间的沉降量。常用的方法有对数曲线法、双曲线法等。

(1)双曲线法。双曲线是假定沉降平均速率以双曲线形式递减的一种经验推倒法,其预测沉降变形方法的基本思想是用双曲线函数来表示路堤处于非线性状态的变形特性(土体应力应变曲线呈非线性关系)。即:

=a+b・(t-t0) (1)

式中,t0、S0 分别为起始点的时间和相应的地基沉降,起始点应设置在满载以后, St为t时刻的地基沉降。按式(1)作线性拟合求得待定参数a、b后,按式(2)推算地基的最终沉降量STφ。

STφ= S0+1/b (2)

(2)对数曲线法。固结度Ut普遍表达式:Ut=1-Aе-Bt,式中:A=8/π2;B――待定系数。根据沉降实测曲线,得到任一时刻的沉降量:

St=Sd+UtSc

地基最终沉降量S∞的关系式为:

(St-Sd)/(S∞-Sd)=1-Aе-Bt (3)

从实测早期的S-t曲线上选择荷载停止施加后t1、t2、t3三个时刻,t3应选在观测曲线的末端,使t3-t2 =t2-t1,建立联立方程解得:

e-B(t2-t1)=

B=ln

Sd=

S∞=

2.2灰色系统法

灰色系统是指信息不完全与不确知的系统,它是一种综合运用数学方法对信息不完全的系统进行预测、预报的理论和方法。其预测的基本思路是:把随时间变化的一随机正的数据列,通过适当的方式累加,使之变成非负递增的数据列,用适当的方式逼近,以此曲线作为预测模型,对系统进行预测。一般意义的灰色模型为GM(n,h),表示对h个变量建立n阶微分方程。做预测用的模型一般为GM(n,1),在沉降预测中实际应用最多的是GM(1,1)模型。由于GM法是在沉降预测中以已知的单位时段内的沉降量为研究对象,通过对这些数据的处理来获得沉降的变形规律,从而预测起在未来时间内的变化量。

2.3神经网络法

神经网络法是运用人工神经网络较强的非线性映射能力和学习能力,利用实测的地基沉降观测资料来对非线性的地基沉降问题进行直接建模。地基沉降受多种因素的影响和制约(如路基土受到的应力、填土高度、地下水位变化、路基侧向位移、路基填筑速率等),其变化的自然规律很难用一个显式的数学公式表示。但是神经网络法在处理非线性问题上,则是具有独特的优越性。在针对软土地基沉降预测时,就是利用实测资料对复杂的非线性的土工结构进行直接建模:先用神经网络建立沉降影响参数(如处理方式、软土层厚度、地基硬壳层厚度、软土的压缩模量、硬壳层的压缩模量、路堤宽高比、施工期和竣工时沉降量)与沉降之间的非线性关系,再将待测点沉降影响参数输入到已训练好的网络中,即可得到沉降量预测值。

2.4分层总和法

分层总和法是假定地基土为直线变形体,在外荷载作用下的变形只发生在有限厚度的范围内,将压缩层厚度内的地基土分成许多薄的水平土层,假定地基土压缩时无侧向变形(膨胀),由各分层的应力应变关系式求出各分层的变形量,加起来即为地基的沉降量。但由于该法无法考虑地基排水引起的质量变化等因素,一般只用来粗略推球最终沉降量。

3地基沉降影响因素分析

3.1应力历史对地基沉降的影响

土体的压缩变形情况不仅与其当前所受应力大小有关,还与先前所受的应力变化情况紧密联系。所谓应力历史就是指土在形成的地质年代中经受应力变化的情况。天然土层在历史上所经受过的包括自重应力和其他荷载作用形成的最大竖向有效固结压力称为先期固结压力pc。一般,软土可分为正常固结、超固结、次固结状态,只有当外荷超过pc后,土转入正常压密状态,剪应力变形的影响才趋于明显。对于超固结土,先期固结应力大于自重应力,只要外部荷载引起的附加应力与自重应力的和小于或等于先期固结应力,土体的变形就一定很小。对于欠固结土,由于先期固结应力小于目前的自重应力,当地基上没有外荷载时,土中的有效应力也在增加,直到有效应力增大到自重应力时,土体才完全固结。

3.2填土高度对地基沉降的影响

路堤填土高度是影响路基沉降的主要原因之一。路堤填土高度决定路堤对地基施加的附加应力大小,填土高度越高,地基承受的应力越大,其地基沉降量越大,路基侧向位移也越大。同时,随着路堤填筑高度的增加,路堤自身压缩层厚度增大,造成的路堤自身沉降量就越大。故在路堤的设计过程中,一般要设置路堤高度上限,减少自重,以此来减小地基沉降。通过观测资料分析,路堤填土层较薄时,沉降量与填土高度之间呈现非线性的关系。

3.3路堤填筑速率对地基沉降的影响

在施工期间,填土高的路段沉降量大,填土低的路段沉降量就小。且在填土暂停后,路基断面各部位的沉降都会延续很长时间,但主要沉降发主在填土过程中,因此,路堤填筑速率对沉降过程是有影响的。填筑速率缓慢时,土中孔隙水压力有较充分的排出和消散时间,路基的沉降便随路堤填土荷载的缓慢增加而逐渐增加。施工填筑速率过快,产主过大孔隙水压力,土体没有充分固结,将造成较大的工后沉降,还可能危及路基的稳定性。

3.4地基侧向位移对沉降的影响

软土地基中的沉降,如果不计次固结沉降,主要由两部分组成:主固结沉降和侧向位移引起的沉降。主固结沉降与土的压缩特性及应力的大小有关。而瞬时沉降是由土体侧向变形引起的,侧向变形与荷载引起的剪应力及土的抗剪强度有关。如果外荷载增长的速度过快,可能引起较大的侧向变形,所以由侧向变形引起沉降的大小与施工速度有关。过快的施工速率使填土荷载达到或超过地基的极限承载能力时,侧向位移将急剧增大,以坡脚的反应尤其敏感,表明地基土体已产生剪切破坏。

4结语

总之,地基沉降的控制是保证路基施工质量的重要环节。一般,地基沉降可通过曲线拟合法、灰色系统法、神经网络法、分层总和法进行预测。同时,本文还阐述了地基沉降的影响因素,即应力历史、填土高度、路堤填筑速率和地基侧向位移等,以期能对地基沉降规律研究具有一定的指导意义。

参考文献

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