软粘土地基沉降计算问题探讨
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【摘 要】目前国内的沉降计算，都是根据规范采用压缩试验所得的数据，推导计算公式，并加以经验系数校正的方法。多年的公路建设表明，这样的近似计算方法，己难以满足实际工程的需要。随着对软粘土工程性质及其应力一应变关系理解的深化和计算技术的改进，可以对应力与变形机理做出进一步的解释，其沉降计算方法也从最初只考虑单向压缩变形，发展到计及侧向变形，近几年来，更将土的应力历史、应力路径等影响因素纳入到计算方案之中。
1.软粘土地基的工程特性分析
目前我国展开大规模建设的沿海地区，分布着大面积的软粘土地基。所谓软粘土地基，即是由淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土以及其它高压缩性土组成的地基。这类土一般具有以下的一些工程特性:土的抗剪强度很低 ；土的压缩性较高；土的含水量较高，孔隙比较大；软粘土的渗透性较差；软粘土具有明显的触变性；软粘土具有明显的流变特性。
2.软粘土地基沉降变形机理分析
天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架体，再由孔隙水和气填充骨架体孔隙而组成的三相体系。七颗粒压缩性很小，一般都认为其不可压缩。因此，土体的变形是孔隙流体的流失以及气体体积的减小、颗粒重新排列、粒间距离缩短、骨架体发生错动的结果。
3.软粘土地基常用沉降计算方法分析
地基沉降的计算方法可以分为四类:（1）弹性理论法，也称直接法;（2）工程方法，也称间接法;（3）经验公式法;（4）数值分析法。
弹性理论方法立论严谨，对于弹性的、均质的、各向同行的半空间体，其数学解精确，但软粘土地基而言，其本构方程有时与实际不符，因而其计算结果与实测结果有较大差异，主要用于瞬时沉降量的计算。
工程方法包括压缩仪法、Skemptm-Bjerrum法、应力路径法、状态边界面法等;这些方法仍利用弹性理论来计算地基中的附加应力，而土的应力-应变关系则取自试验(间接法)。它应用最广，其计算结果为瞬时沉降和固结沉降之和。
第三类方法包括经验和半经验公式，利用原位测试结果来推算地基的沉降;数位分析方法主要有有限元法、有限差分法和集总参数法等。
3.1瞬时沉降量的计算方法
在剪应力作用下，地基内会产生剪切变形及侧向挤出引起附加沉降。实际上，此项沉降量也是随着路堤的填高而增大，越接近极限高度，增长的数值越大。如地基受到显著扰动时，此项沉降增加得更多。通常都是根据固结沉降量的计算结果进行修正来确定最终沉降量，而没有专门的合适的方法来计算这项沉降量。日本及我国铁路系统也曾提出过经验关系式，从表达形式上看，考虑的影响因素似嫌简单，一般地，我们用弹性理论公式法来计算。弹性理论公式法是用弹性理论公式来计算建(构)筑物的沉降，然后再考虑地基中由塑性开展区的校正方法。
3.2主固结沉降量的计算
3.2.1传统分层总和法(单向压缩法)
分层总和法有如下假定:①少权缩时地基不能有侧向变形;②根据基础中心点下的土的附加压力进行计算;③基础最终固结沉降量等于基础底面下压缩层范围内各土层压缩量的总和。
分层总和法将压缩层范围内的土层分成n层，应用弹性理论计算在荷载作用下齐土层中的附加应力，采用侧限条件下，即单向压缩条件下的压缩性指标，分层计算各七层的压缩量，然后求和得到压缩层范围内的总沉降。单向压缩法中，附加压力一般取基础轴线处的附加应力值，以弥补采用该法计算得到的沉降偏小的缺点。由于附加应力沿深度方向的分布是非线性的，为避免产生较大的误差，计算中土层的分层不宜过大，建议一般每分层的厚度不超过基础宽度的0.4倍。
3.2.2规范推荐法(修正的分层总和法)
用单向压缩法计算地基最终沉降量时，由于理论上作了一些与实际情况不完全符合的假设以及其它因素的影响，计算值往往与实测值不尽相符，甚至相差很大。为此，可以根据传统的分层总和法原理，将计算方法加以简化。分析沉降观测资料表明，可以采用修正系数来反映沉降量计算值与实测值的差别，对计算结果进行修正。修正系数综合考虑了沉降计算中所不能反映的一些影响因素，诸如土的类型不同、选用的压缩模量与实际有出入、土层的非均质性对应力分布的影响、荷载性质的不同与上部结构对荷载分布的调整作用等。
3.2.3考虑先期固结压力计算固结沉降量方法
现场的软粘上在其地质历史上一般受过前期固结压力的作用，由于土层的变动、河流的冲刷等原因，这一压力不一定等于目前现场的有效应力。为此，可将粘土分为三类:①正常固结土;②超固结土;③欠固结土。在沉降计算中应考虑先期固结压力的影响，当土体处于不同的状态时要求采用不同的压缩性指标计算沉降量。
3.2.4考虑侧向变形的固结沉降计算
利用e-lgP曲线来计算沉降，对正常固结、超固结和欠固结粘性土，可分别对待，这似乎比利用e-P曲线计算沉降前进了一步。实际上，地基中的土受到附加应力后，变形并不是如前所述的那样简单，也不是象在固结仪中简单地沿一个垂直方向压缩，侧向变形对固结沉降的影响很大，特别是当地基中粘性土层的厚度超过基础面积的尺寸时，这种影响更大。对此，我们可以利用半径法来解决。
3.2.5应力路径法计算沉降
为了更好地考虑侧向变形对垂直沉降的影响，我们可以使用一个更为方便的方法，根据地基土体所经过的应力路径计算上体的压缩量。在这种方法中，估计和模拟所选单元的应力路径要与室内试验尽可能接近。常用的应力路径法有两种:①采用室内试验模拟现场有效应力路径法;②应变等值线法。
第一种方法的基本思路是:①根据弹性理论计算出各典型单元应力路径;②按照计算所得的应力路径进行三轴试验，并视现场条件确定排水条件，测量竖向应变量;③将实测竖向应变乘以相应土层厚度，计算沉降量。该方法的优点是能较好地模拟实际应力路径的影响;缺点是采用弹性理论计算得到的应力路径同地基中的实际应力路径有一定的误差，按照规定的应力路径试验比较复杂，且有一定难度。
应变等值线法的基本思想是:①通过一系列的三轴固结不排水剪切试验(CIU试验)，得到等轴向应变图。对正常固结粘土，等轴向应变线同等强度发挥应变线重合，均为过原点的直线;②将由弹性理论计算得到的总应力路径转化成有效应力路径画在等轴应变图上；③不排水加荷载阶段的竖向应变和孔隙竖水压力消散固结过程部分的竖向应变可以由等轴向应变图求得；④土体总的竖向应变即为上述两部分竖向应变之和，然后将应变乘上土层厚度即可得到土体的竖向固结变形量。
3.3次固结沉降量的计算
许多室内试验和现场量测的结果表明，次固结的大小与时间的关系在半对数纸上接近为一条直线，发生在主固结之后。若地基土由可塑性大的土或有机土组成，次压缩沉降必占地基总沉降中很可观的一部分。
除了以上的一些方法外，沉降量也可以通过原位试验来估计，常用的有平板载荷试验法、静力触探法、标准贯入试验法和旁压试验法。也可以通过现场实测资料来推算总沉降，比如对数曲线法、Asaoka切法、双曲线法、灰色系统理论、遗传算法等。有限元法、有限差分法和集总参数法等数值计算方法也越来越多地应用到地基的沉降计算中。
【参考文献】
［１］谢康和，潘秋元.变荷载下任意层地基一维固结理论[J].岩土工程学报,1995,(05).
［２］雷学文,白世伟,孟庆山.灰色预测在软土地基沉降分析中的应用[J].岩土力学,2000,(02).