房建区域内道路沉降规律分析研究

何青莲

【摘 要】本文通过应用费尔哈斯特的非线性模型和比奥特固结有限元程序对房建区域内道路路基沉降进行了有限元模拟，围绕着软土路基沉降过程中的一些规律做了一些探索，对于以后类似工况下的房建区域内道路施工具有一定的参考价值。

【关键词】费尔哈斯特；有限元；房建区域内道路；沉降规律

【Abstract】This paper through the application of fil hastert nonlinear model and finite element program， consolidation than for soft soil under the condition of railway embankment settlement in the finite element simulation， around the soft soil roadbed settlement process of some rules made some exploration， for future similar soft soil under the conditions of railway construction to have the certain reference value.

【Key words】Verhulst； Finite element； The soft soil subgrade； Settlement； Highway

0 前言

在房建区域，由于周围高大建筑的存在，承载房建区域内道路的地基与天然地基有很大的区别。相对于天然地基，这些地基基础往往具有天然含水量高、天然孔隙比大、粘粒含量高、塑性指数大、压缩性高、抗剪强度低等特性，导致地基结构不稳定，容易发生局部沉降甚至坍塌等事故。随着我国房建工程的迅猛发展，多次出现了各类房建区域内道路沉降事故，造成了重大的经济损失，因此，建立合理的模型对房建区域内道路地基进行模拟研究，探讨其沉降规律对保证其工程质量、提高其运营寿命有着十分重要的意义。

1 弹性非线性模型

根据实际通车情况计算平均作用荷载，并对试验路段K185+200断面进行取填土结束并通车后600d内路基表面的沉降量进行计算，其计算与实际测量结果对比图如图1所示。从图中可以清楚地看到沉降量随时间增加也逐渐递增。前110天，此时土体处于弹性阶段，地基中的孔隙水来不及变形，沉降主要由土体内气填充孔隙压缩引起，因此沉降量与时间基本呈线性变化；在110～140天的时候，此时由于土体内气填充骨架体孔隙基本被压缩，沉降量主要转变为由排水固结引起，由于液体比气体难压缩，超静水压力要远大于孔隙压力，因此此阶段沉降速度变缓；在140～230天，此时地基中的孔隙水逐渐被排出，超静水压力逐步减小，沉速增大；随着时间增加，在230天以后，孔隙压力及超静水压力逐渐完全消散，土体固结基本完全完成，荷载压力与孔隙阻力保持平衡，沉降量主要由土体骨架错动或颗粒重新排列导致，随着时间推移略有增加，变形量非常小。整个土体沉降量变化过程与费尔哈斯特S型曲线非常相似。

并且，通过实测值与计算值的对比，发现绝大多数对比差值都在2mm以内，吻合较好，说明使用比奥特固结有限元程序分析地基沉降的结果是合理可信的。

3.2 横剖面与纵剖面沉降差异分析

图1为通车150d三个取样断面路基表面的沉降横向分布图，从图中可看出，各断面的沉降量差别不大，沉降量沿横向分布比较均匀。这是由于我国的软土地基主要是由滨海、湖泊、谷地河滩沉积而成，因此在竖向上呈层状分布。在同一层土层内，落淤的土质性质差别不大，在水平方向基本表现为各向同性。

图3为通车第200d，在K187+600纵向上三个土层：地基表面、距地基表面3m和距地基表面7.5m处土体沉降曲线图。从图中可以看出，沉降量沿纵向分布差异较大，离地基表面越远，沉降量越小。这是由于在纵向上，由于沉积时间不同使得土层之间土质差异较大，加之各土层自重应力不同，在固结应力的长期作用下，使其性能（如密度、含水量、孔隙比、渗透性、弹性模量等）差别较大，因此在竖直方向表现为各向异性。

从图4及图5可以看出，沉降速率与荷载大小成正比，在加载期间路基沉降速度明显高于停载时期。这是由于在加载初期，土体处于弹性阶段，立即由土体的侧向变形导致瞬时剪切变形，沉降也呈线性增加，随着荷载增大，强压使得孔隙水排出产生压缩变形，变形速率减小。随着时间推移，孔隙接近消散，此时土体形态趋于稳定，仅有土体内固结变形产生少许沉降。同时，由图5可观察出，即使最后加载总量一致，但加载速度大的情况下最终沉降量略大，产生的原因主要因为施工速率大的工况下，日均荷载较大，土体内孔隙压缩较完全，同时，更早的完成施工也使得土体有更多的固结沉降量。

4 结论

4.1 根据对仿真模拟计算结果和实测资料的分析，房建区域内道路路基的沉降可分为发生（线性增长）—发展（沉速大幅增加）—稳定（仅有少许固结沉降）—极限（沉速为零）四个阶段。其沉降量随时间关系变化曲线图可用费尔哈斯特S型曲线来模拟。

4.2 由于房建区域内道路地基一般都是分层沉积形成的，因此在沉量分布上表现为水平方向各向同性、竖直方向各向异性。

4.3 施工期地基的沉降量与荷载大小成正比，荷载加载速度越快，沉降速度越快；工（停载）后，沉降速度大幅下降，但仍随时间的增加有部分固结沉降量增加。

4.1 施工期地基的超孔隙水压力与荷载大小成正比，且加载完成瞬时超孔压最大，随后的超孔压逐渐消散，其消散速度与前期加载速度成正比，且施工速率越快，最终的超孔压越小，最终沉降量越大。

【参考文献】

[1]中华人民共和国交通部行业标准.公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].人民交通出版社，1996.

[2]T.Helbo. Prediction of settlement and consolidation period using field observational method， Field Measurements in Geomechanics（Leung， Tan & Phoon）[M].Balkema， 1999：57-68.

[3]Yin J-H.，Graham J. Viscous Elastic Plastic Modeling of One Dimensional Time-dependent Behavior of Clays[J].Can. Geotech， 1989， 26 （2）：199-209.

[4]钱家欢，殷宗泽.土工原理和计算[M].2版. 北京：中国水利电力出版社，1996.

[5]华南理工大学等. 地基与基础[M].北京：中国建筑工业出版社，1991：8-120.

[6]崔柏华. 京珠高速公路广珠东线某试验段软基加固效果分析[C]//第八届土力学及岩土工程学术会议论文集.北京：万国学术出版社，1998：385-388.

[7]宇云飞，张文彤，张梅. 泊松曲线在软土路基沉降预测中的应用研究[J].河北农业大学学报，2004，27（4）：96-99.

[责任编辑：曹明明]

【摘 要】本文通过应用费尔哈斯特的非线性模型和比奥特固结有限元程序对房建区域内道路路基沉降进行了有限元模拟，围绕着软土路基沉降过程中的一些规律做了一些探索，对于以后类似工况下的房建区域内道路施工具有一定的参考价值。

【关键词】费尔哈斯特；有限元；房建区域内道路；沉降规律

【Abstract】This paper through the application of fil hastert nonlinear model and finite element program， consolidation than for soft soil under the condition of railway embankment settlement in the finite element simulation， around the soft soil roadbed settlement process of some rules made some exploration， for future similar soft soil under the conditions of railway construction to have the certain reference value.

【Key words】Verhulst； Finite element； The soft soil subgrade； Settlement； Highway

0 前言

在房建区域，由于周围高大建筑的存在，承载房建区域内道路的地基与天然地基有很大的区别。相对于天然地基，这些地基基础往往具有天然含水量高、天然孔隙比大、粘粒含量高、塑性指数大、压缩性高、抗剪强度低等特性，导致地基结构不稳定，容易发生局部沉降甚至坍塌等事故。随着我国房建工程的迅猛发展，多次出现了各类房建区域内道路沉降事故，造成了重大的经济损失，因此，建立合理的模型对房建区域内道路地基进行模拟研究，探讨其沉降规律对保证其工程质量、提高其运营寿命有着十分重要的意义。

1 弹性非线性模型

根据实际通车情况计算平均作用荷载，并对试验路段K185+200断面进行取填土结束并通车后600d内路基表面的沉降量进行计算，其计算与实际测量结果对比图如图1所示。从图中可以清楚地看到沉降量随时间增加也逐渐递增。前110天，此时土体处于弹性阶段，地基中的孔隙水来不及变形，沉降主要由土体内气填充孔隙压缩引起，因此沉降量与时间基本呈线性变化；在110～140天的时候，此时由于土体内气填充骨架体孔隙基本被压缩，沉降量主要转变为由排水固结引起，由于液体比气体难压缩，超静水压力要远大于孔隙压力，因此此阶段沉降速度变缓；在140～230天，此时地基中的孔隙水逐渐被排出，超静水压力逐步减小，沉速增大；随着时间增加，在230天以后，孔隙压力及超静水压力逐渐完全消散，土体固结基本完全完成，荷载压力与孔隙阻力保持平衡，沉降量主要由土体骨架错动或颗粒重新排列导致，随着时间推移略有增加，变形量非常小。整个土体沉降量变化过程与费尔哈斯特S型曲线非常相似。

并且，通过实测值与计算值的对比，发现绝大多数对比差值都在2mm以内，吻合较好，说明使用比奥特固结有限元程序分析地基沉降的结果是合理可信的。

3.2 横剖面与纵剖面沉降差异分析

图1为通车150d三个取样断面路基表面的沉降横向分布图，从图中可看出，各断面的沉降量差别不大，沉降量沿横向分布比较均匀。这是由于我国的软土地基主要是由滨海、湖泊、谷地河滩沉积而成，因此在竖向上呈层状分布。在同一层土层内，落淤的土质性质差别不大，在水平方向基本表现为各向同性。

图3为通车第200d，在K187+600纵向上三个土层：地基表面、距地基表面3m和距地基表面7.5m处土体沉降曲线图。从图中可以看出，沉降量沿纵向分布差异较大，离地基表面越远，沉降量越小。这是由于在纵向上，由于沉积时间不同使得土层之间土质差异较大，加之各土层自重应力不同，在固结应力的长期作用下，使其性能（如密度、含水量、孔隙比、渗透性、弹性模量等）差别较大，因此在竖直方向表现为各向异性。

从图4及图5可以看出，沉降速率与荷载大小成正比，在加载期间路基沉降速度明显高于停载时期。这是由于在加载初期，土体处于弹性阶段，立即由土体的侧向变形导致瞬时剪切变形，沉降也呈线性增加，随着荷载增大，强压使得孔隙水排出产生压缩变形，变形速率减小。随着时间推移，孔隙接近消散，此时土体形态趋于稳定，仅有土体内固结变形产生少许沉降。同时，由图5可观察出，即使最后加载总量一致，但加载速度大的情况下最终沉降量略大，产生的原因主要因为施工速率大的工况下，日均荷载较大，土体内孔隙压缩较完全，同时，更早的完成施工也使得土体有更多的固结沉降量。

4 结论

4.1 根据对仿真模拟计算结果和实测资料的分析，房建区域内道路路基的沉降可分为发生（线性增长）—发展（沉速大幅增加）—稳定（仅有少许固结沉降）—极限（沉速为零）四个阶段。其沉降量随时间关系变化曲线图可用费尔哈斯特S型曲线来模拟。

4.2 由于房建区域内道路地基一般都是分层沉积形成的，因此在沉量分布上表现为水平方向各向同性、竖直方向各向异性。

4.3 施工期地基的沉降量与荷载大小成正比，荷载加载速度越快，沉降速度越快；工（停载）后，沉降速度大幅下降，但仍随时间的增加有部分固结沉降量增加。

4.1 施工期地基的超孔隙水压力与荷载大小成正比，且加载完成瞬时超孔压最大，随后的超孔压逐渐消散，其消散速度与前期加载速度成正比，且施工速率越快，最终的超孔压越小，最终沉降量越大。

【参考文献】

[1]中华人民共和国交通部行业标准.公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].人民交通出版社，1996.

[2]T.Helbo. Prediction of settlement and consolidation period using field observational method， Field Measurements in Geomechanics（Leung， Tan & Phoon）[M].Balkema， 1999：57-68.

[3]Yin J-H.，Graham J. Viscous Elastic Plastic Modeling of One Dimensional Time-dependent Behavior of Clays[J].Can. Geotech， 1989， 26 （2）：199-209.

[4]钱家欢，殷宗泽.土工原理和计算[M].2版. 北京：中国水利电力出版社，1996.

[5]华南理工大学等. 地基与基础[M].北京：中国建筑工业出版社，1991：8-120.

[6]崔柏华. 京珠高速公路广珠东线某试验段软基加固效果分析[C]//第八届土力学及岩土工程学术会议论文集.北京：万国学术出版社，1998：385-388.

[7]宇云飞，张文彤，张梅. 泊松曲线在软土路基沉降预测中的应用研究[J].河北农业大学学报，2004，27（4）：96-99.

[责任编辑：曹明明]

【摘 要】本文通过应用费尔哈斯特的非线性模型和比奥特固结有限元程序对房建区域内道路路基沉降进行了有限元模拟，围绕着软土路基沉降过程中的一些规律做了一些探索，对于以后类似工况下的房建区域内道路施工具有一定的参考价值。

【关键词】费尔哈斯特；有限元；房建区域内道路；沉降规律

【Abstract】This paper through the application of fil hastert nonlinear model and finite element program， consolidation than for soft soil under the condition of railway embankment settlement in the finite element simulation， around the soft soil roadbed settlement process of some rules made some exploration， for future similar soft soil under the conditions of railway construction to have the certain reference value.

【Key words】Verhulst； Finite element； The soft soil subgrade； Settlement； Highway

0 前言

在房建区域，由于周围高大建筑的存在，承载房建区域内道路的地基与天然地基有很大的区别。相对于天然地基，这些地基基础往往具有天然含水量高、天然孔隙比大、粘粒含量高、塑性指数大、压缩性高、抗剪强度低等特性，导致地基结构不稳定，容易发生局部沉降甚至坍塌等事故。随着我国房建工程的迅猛发展，多次出现了各类房建区域内道路沉降事故，造成了重大的经济损失，因此，建立合理的模型对房建区域内道路地基进行模拟研究，探讨其沉降规律对保证其工程质量、提高其运营寿命有着十分重要的意义。

1 弹性非线性模型

根据实际通车情况计算平均作用荷载，并对试验路段K185+200断面进行取填土结束并通车后600d内路基表面的沉降量进行计算，其计算与实际测量结果对比图如图1所示。从图中可以清楚地看到沉降量随时间增加也逐渐递增。前110天，此时土体处于弹性阶段，地基中的孔隙水来不及变形，沉降主要由土体内气填充孔隙压缩引起，因此沉降量与时间基本呈线性变化；在110～140天的时候，此时由于土体内气填充骨架体孔隙基本被压缩，沉降量主要转变为由排水固结引起，由于液体比气体难压缩，超静水压力要远大于孔隙压力，因此此阶段沉降速度变缓；在140～230天，此时地基中的孔隙水逐渐被排出，超静水压力逐步减小，沉速增大；随着时间增加，在230天以后，孔隙压力及超静水压力逐渐完全消散，土体固结基本完全完成，荷载压力与孔隙阻力保持平衡，沉降量主要由土体骨架错动或颗粒重新排列导致，随着时间推移略有增加，变形量非常小。整个土体沉降量变化过程与费尔哈斯特S型曲线非常相似。

并且，通过实测值与计算值的对比，发现绝大多数对比差值都在2mm以内，吻合较好，说明使用比奥特固结有限元程序分析地基沉降的结果是合理可信的。

3.2 横剖面与纵剖面沉降差异分析

图1为通车150d三个取样断面路基表面的沉降横向分布图，从图中可看出，各断面的沉降量差别不大，沉降量沿横向分布比较均匀。这是由于我国的软土地基主要是由滨海、湖泊、谷地河滩沉积而成，因此在竖向上呈层状分布。在同一层土层内，落淤的土质性质差别不大，在水平方向基本表现为各向同性。

图3为通车第200d，在K187+600纵向上三个土层：地基表面、距地基表面3m和距地基表面7.5m处土体沉降曲线图。从图中可以看出，沉降量沿纵向分布差异较大，离地基表面越远，沉降量越小。这是由于在纵向上，由于沉积时间不同使得土层之间土质差异较大，加之各土层自重应力不同，在固结应力的长期作用下，使其性能（如密度、含水量、孔隙比、渗透性、弹性模量等）差别较大，因此在竖直方向表现为各向异性。

从图4及图5可以看出，沉降速率与荷载大小成正比，在加载期间路基沉降速度明显高于停载时期。这是由于在加载初期，土体处于弹性阶段，立即由土体的侧向变形导致瞬时剪切变形，沉降也呈线性增加，随着荷载增大，强压使得孔隙水排出产生压缩变形，变形速率减小。随着时间推移，孔隙接近消散，此时土体形态趋于稳定，仅有土体内固结变形产生少许沉降。同时，由图5可观察出，即使最后加载总量一致，但加载速度大的情况下最终沉降量略大，产生的原因主要因为施工速率大的工况下，日均荷载较大，土体内孔隙压缩较完全，同时，更早的完成施工也使得土体有更多的固结沉降量。

4 结论

4.1 根据对仿真模拟计算结果和实测资料的分析，房建区域内道路路基的沉降可分为发生（线性增长）—发展（沉速大幅增加）—稳定（仅有少许固结沉降）—极限（沉速为零）四个阶段。其沉降量随时间关系变化曲线图可用费尔哈斯特S型曲线来模拟。

4.2 由于房建区域内道路地基一般都是分层沉积形成的，因此在沉量分布上表现为水平方向各向同性、竖直方向各向异性。

4.3 施工期地基的沉降量与荷载大小成正比，荷载加载速度越快，沉降速度越快；工（停载）后，沉降速度大幅下降，但仍随时间的增加有部分固结沉降量增加。

4.1 施工期地基的超孔隙水压力与荷载大小成正比，且加载完成瞬时超孔压最大，随后的超孔压逐渐消散，其消散速度与前期加载速度成正比，且施工速率越快，最终的超孔压越小，最终沉降量越大。

【参考文献】

[1]中华人民共和国交通部行业标准.公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].人民交通出版社，1996.

[2]T.Helbo. Prediction of settlement and consolidation period using field observational method， Field Measurements in Geomechanics（Leung， Tan & Phoon）[M].Balkema， 1999：57-68.

[3]Yin J-H.，Graham J. Viscous Elastic Plastic Modeling of One Dimensional Time-dependent Behavior of Clays[J].Can. Geotech， 1989， 26 （2）：199-209.

[4]钱家欢，殷宗泽.土工原理和计算[M].2版. 北京：中国水利电力出版社，1996.

[5]华南理工大学等. 地基与基础[M].北京：中国建筑工业出版社，1991：8-120.

[6]崔柏华. 京珠高速公路广珠东线某试验段软基加固效果分析[C]//第八届土力学及岩土工程学术会议论文集.北京：万国学术出版社，1998：385-388.

[7]宇云飞，张文彤，张梅. 泊松曲线在软土路基沉降预测中的应用研究[J].河北农业大学学报，2004，27（4）：96-99.

[责任编辑：曹明明]