軟土地基沉降數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)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(gè)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(duì)軟土地基沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析整理監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)驗(yàn)證了采用Merchant模型計(jì)算和預(yù)測(cè)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(cè) 文章編號(hào)：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(duì)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(jī)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(zhǎng)的特點(diǎn)，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(jì)算公式，進(jìn)而可編程計(jì)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(jì)算，并通過和實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)間增大而增大，而其速率由起始時(shí)的最大值逐漸趨于零。在應(yīng)變?chǔ)疟３譃槌Ａ繒r(shí)，σ0=E0ε，求解式（1）可得：

Merchant粘彈性模型固結(jié)計(jì)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(yàn)測(cè)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(yàn)值，一般對(duì)于軟土地基，0.3<μ<0.5。用于表達(dá)模型性質(zhì)的3個(gè)參數(shù)E0，E1，K（或E0，α=E0/E1，η=E1/K1），可通過室內(nèi)土的流變?cè)囼?yàn)測(cè)定。

2 Merchant粘彈性模型有限元計(jì)算

基于Merchant粘彈性模型和簡(jiǎn)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(jì)算公式，可編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在計(jì)算時(shí)，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(cè)

為了保證軟基處理的施工質(zhì)量和評(píng)價(jià)軟基處理效果，通常對(duì)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(cè)。表層沉降觀測(cè)主要所需的設(shè)備主要包括沉降板、水準(zhǔn)點(diǎn)及水準(zhǔn)儀。通過表層沉降監(jiān)測(cè)可以繪制沉降時(shí)程曲線，推算軟土的最終沉降量，從而計(jì)算出各時(shí)期的軟土固結(jié)度和殘余沉降量，以檢驗(yàn)軟基處理的效果。深層沉降觀測(cè)主要是通過監(jiān)測(cè)軟土層不同深度的沉降值，了解填筑荷載對(duì)沉降的影響深度和深層土體的工后沉降趨于穩(wěn)定的時(shí)間，為沉降計(jì)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(cè)數(shù)據(jù)較為完整的斷面進(jìn)行沉降計(jì)算和監(jiān)測(cè)分析。

4.2 計(jì)算模型

根據(jù)進(jìn)度劃分為3級(jí)荷載：第一、二級(jí)加載，歷時(shí)50d，100d填筑完成，預(yù)壓100d后加下一級(jí)荷載，填土高度為4.00m，2.50m；第三級(jí)加載，預(yù)壓期過后的地面附加荷載。計(jì)算時(shí)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(gè)單元。根據(jù)地質(zhì)資料計(jì)算寬度150m，計(jì)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(gè)方向固定，其它邊界可以排水。

4.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

按施工進(jìn)度和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行觀測(cè)，歷時(shí)420d，累計(jì)觀測(cè)150次。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置地表沉降觀測(cè)64點(diǎn)，分層沉降觀測(cè)23孔，孔隙水壓力觀測(cè)10孔，監(jiān)測(cè)結(jié)果為連續(xù)10個(gè)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(cè)數(shù)據(jù)略）。

4.4 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

程序計(jì)算得到軟土地基各點(diǎn)在不同時(shí)刻的沉降量，繪制表層沉降時(shí)程曲線。據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)測(cè)表層沉降量為19.5cm，理論計(jì)算沉降量為20.8cm，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間差值較小僅為1.3cm。從變化軌跡來(lái)看，兩個(gè)曲線數(shù)據(jù)和趨勢(shì)都比較接近（見圖1），說(shuō)明沉降數(shù)值計(jì)算采用的模型和方法是合適的。

5 結(jié)語(yǔ)

在軟土地基施工前期和施工過程中持續(xù)的對(duì)地基沉降進(jìn)行觀測(cè)，采用數(shù)值模擬的方法預(yù)測(cè)沉降，對(duì)控制進(jìn)度和保證質(zhì)量具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義?；诜治鯩erchant粘彈性模型，對(duì)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(yàn)證了其適用性，這對(duì)類似軟土地基工程計(jì)算和預(yù)測(cè)沉降具有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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