软土地基固结沉降研究现状

2025-04-05 16:07:37

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1.2.3.1 软土地基渗流固结理论研究

软土的固结变形及地基沉降是土力学中重要的研究课题之一。Terzaghi^[111]提出了著名的有效应力原理，并以此建立了饱和土体的一维渗流固结理论。严格来说，只有当荷载面积比压缩土层的厚度大得多的情况，才和理论公式建立时假设的单向渗流和单向压缩条件一致，否则，理论计算结果和实际之间存在的差距是较大的^[103]。

一维固结理论的提出，极大地促进了土力学理论的发展。但是，在实际工程中遇到的多是二维、三维问题。Rendulic^[112]将Terzaghi的一维固结理论推广到二维和三维的情况，得出了Terzaghi-Rendulic固结理论。这是拟三维固结理论，并不符合三维的实际情况。Biot^[113]直接从弹性理论出发，根据有效应力原理、土的连续条件和平衡方程，提出了完善的土三维固结理论，被称为真三维固结理论。Cryer^[114]、Gibson^[115]、Schiffman^[116]等对Terzaghi-Rendulic固结理论、Biot固结理论的解作了相关试验和理论计算研究。

当软土地基采用排水固结法进行地基处理时，若在土层中设置了竖向排水井，则需计算其水平向渗流问题。Barron^[117]采用了自由应变和等应变两种假设来求解土层的径向（水平向）排水固结度。Richart^[118]比较了上述两种条件下的结果，当井径比大于5 时，计算所得地基平均固结度很接近。因此，工程上一般应用等应变条件的公式来计算地基土层的径向固结度。Hansbo^[119]得到了等应变条件下考虑井阻和涂抹作用的竖井地基固结理论解。此外，曾国熙^[120][121]、Jamikowski^[122]、谢康和^[123][124]、Albert J.Yeung^[125]等学者均在竖井地基固结领域有深入的研究。

以上几种固结理论都是建立在土体为线弹性变形的假定条件下的，而实际土体通常为非线性变形体^[126]。Mikasa^[127]经过大量软黏土固结过程的研究后发现，软黏土的固结特性与Terzaghi的固结理论不太符合。Gibson^[128]提出了一维有限非线性应变固结理论。Gibson、Schiffman等^[129]用有限非线性应变固结理论分析了厚层黏土的固结过程。窦宜^[130]、蔡正银^[131]曾对Gibson建立的一维有限非线性应变固结理论得出了简化条件下的解析解。景宏君^[132]提出了非饱和土体的三维固结计算方法。

1.2.3.2 软土地基沉降计算研究

早在20世纪初，Terzaghi 就提出了一维固结理论，建立了经典的地基沉降分析法。此后，又有很多学者为该方法的改进和完善做出了贡献。20世纪70年代以来，随着计算机技术的发展与进步，采用有限元分析法计算地基沉降也已经成为可能。地基沉降分析中涉及地面外荷载的计算、土中应力的计算、土体固结度的计算、土体变形的计算，以及土体试验参数的选用等许多环节，因此，地基沉降的分析是一项复杂的系统工程^[126]。

对于地基沉降的分析计算，通常的做法是针对地基竖向线沉降进行的，经过多年的理论与实践探索，目前关于线沉降计算的方法已经形成了丰富的内容，对线沉降计算也有许多不同的分类方法^[133][134]。本书对邱发兴^[134]的分类方法进行了补充和完善，得到如图1.4所示的地基线沉降计算方法的分类。

在软土地基沉降计算中，常采用时间阶段法。一般情况下，软土地基的总沉降量也可通过采用沉降经验修正系数对主固结沉降进行修正得到。沉降经验修正系数与地基条件、荷载强度、加荷速率等因素有关，根据地区沉降观测资料及经验确定。

在软土地基沉降的解析计算方面，周镜^[135]指出了常规一维固结理论分析软土沉降时不考虑偏应力对沉降的影响。董亮等^[136]在实践基础上提出用静力触探法和瞬态 R 波法进行地基沉降计算。王茂丽^[137]对饱和软土地基一维非线性固结沉降进行了计算与分析。唐明科^[138]对应力面积法和传统的分层总和法进行了比较。曹杰^[139]结合工程实例，指出应力路径法计算沉降的不足之处。王军等^[140]给出了考虑扰动影响的结构性软土沉降计算公式。杨光华^[141]根据原位土压板试验的 P-S 曲线建立了沉降计算的双曲线切线和割线模量法。

一维压缩的沉降计算方法是不符合实际情况的，在一般情况下都应该考虑地基的三维变形条件。目前，关于地基三维沉降计算的方法主要有：Егоров法^[142]、Цытович的等值层法^[143]、Skempton和Bjerrum的半经验法^[144]、Lambe的应力路径法^[145]、黄文熙的三维压缩法^[146][147]等。此外，不少专家学者也对地基的三向压缩变形进行了研究^{[148]～[152]}，但大多数研究均为三维变形条件下的最终沉降量计算问题，很少涉及三维变形沉降量随时间的变化关系。

图1.4 地基线沉降计算方法分类图^[134]

20世纪70年代以来，随着计算机技术的进步，沉降计算方法也得到了长足的发展，数值分析方法解决了很多以前利用解析法无法求解的沉降和变形问题，使软土地基沉降研究进入了崭新的研究阶段。常用的数值计算方法主要有：有限元法、有限差分法、边界元法、变分法、加权余量法等^{[153]～[156]}。

1.2.3.3 软土地基沉降预测研究

基于实测沉降资料的软土地基沉降预测是软基沉降分析的重要手段。沉降监测资料能够反映各种复杂因素对土体性质的影响信息，因此具有较高的精确度。工程中常用的沉降预测方法及其分类见表1.6。

表1.6 沉降预测方法分类^[157]

在选择沉降预测方法时，应充分考虑预测方法的适用条件。因为每种预测方法都有其适用性，对实测沉降数据有一定的要求，部分预测方法及其使用的限制条件见表1.7。

表1.7 沉降预测方法的适用性^[157]

1955年，尼奇波罗维奇根据 Terzaghi 一维固结理论公式，最早提出了双曲线法。Asaoka^[158]将Mikasa一维固结状态下以体积应变表示的固结方程表示为一个包含待定系数的级数形式的微分方程，即 Asaoka 法。1837年，德国生物学家 Verhulst 建立了 Ver-hulst模型，用来描述生物繁殖过程中的数量变化。邓聚龙^[159]于1983年最早建立了 GM（1，1）模型用于我国粮食的发展预报与粮食发展的长期规划。此后，Verhulst模型、GM（1，1）及其衍生模型在沉降预测方面得到了广泛的应用。Meculloch和Pitts^[160]提出了神经网络MP模型，开创了用数学逻辑的方法研究生物神经网络的先河。20世纪90年代初，神经网络技术开始应用于工程研究方面。Holland^[161]首先提出了遗传算法，它是生命科学与工程科学相互渗透的结果。遗传算法作为软土地基沉降计算的全新算法，克服了传统算法的诸多弊端。Karanagh^[162]首先提出了岩土工程位移反分析的基本思想，基本方法是根据现场实测位移，利用有限元方法来计算岩体的力学参数。

Tan T.S.^[163]和Tan S.A.^[164]分别将双曲线法应用于大变形固结和竖井地基沉降计算。叶朝良^[165]引进了一种新的沉降预测模型——龚帕斯曲线方程，并通过工程实例验证了龚帕斯模型的适用性。颜可珍^[166]以伊洛河河滩相软土为研究对象，利用三点法、双曲线法等计算理论对实测沉降资料进行回归分析。肖桃李^[167]对中山古神高等级公路不同断面的软土地基沉降采用了修正的双曲线和修正的指数曲线模型模拟，预测了公路软土地基工后沉降。吴雪婷^[168]结合温州浅滩灵霓海堤观测资料，采用灰色系统理论进行沉降预测。高永^[169]综合考虑高速公路加载卸载作用以及土体流变，建立多级加载条件下的沉降预测模型，使用FORTRAN语言，采用优化反演方法编制计算机程序，结合申嘉湖高速公路沉降资料对预测方法进行验证。

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