超软土地基处理的大变形固结理论与工程应用分析

张秉鹤　梁冠军

【摘要】自改革开放以来，我国国民经济呈上涨状态，人们生活水平显著性的提高，推动着城市化建设的进程加快，随着城市建筑的大规模越来越大，由于工程建设的土层软硬不一，时常会处理到超软土地基，而本文主要分析超软土地基处理的大变形固结理论与工程应用，为相关单位提供便利。

【关键词】超软土地基；大变形固结理论；工程应用

众所周知当前时代是科技经济时代，在经济不断发展的今天，建筑业的规模越来越大，但针对土地资源匮乏的尴尬局面，为更好的解决这一问题，我国常使用围堰吹填造地技术，并针对已造好的土地进行地基处理用作各种城市化建设和中。不过这种造地技术所造地基含水量高孔隙大，与一般软土相较其在荷载或自重作用下产生的固结沉降更严重，所以，通常会应用到大变形固结理论加固地基，本文就这方面工程应用进行分析，以便提供给相关施工单位参考性意见。

一、大变形固结理论

通常在施工中施工单位常用排水固结法处理超软土地基，因此处理基于排水固结原理的地基时，时常会用到超、加载及真空预压法、电渗排水法和降低水位法这几种方法，不过其中真空预压或一堆栽联合预压这两种方法是最为常用的，且这方法都是以传统太沙基的一堆固结理论或比奥固结理论为作业原理，虽然在很多工程实践中都证明了这些传统的固结理论的实用性，可是，不管是那种固结理论其基础都是骨架线性弹性变形微小等之上，并不适用于所有的地基处理中。尤其是在围堰吹填造地为代表的超软土地基中，由于土体在承受较大荷载时会发生极大的变形，若是分析地基参数等各方面数据以小变形执行，将会为施工带来巨大的偏差，导致施工无法正常开展。所以20世纪60时代时便有学者投身研究大变形固结理论，并且在1969年Weber报道中就指出，在泥土地基之上建筑的堤坝，压缩层厚度在固结期间减少了80%，显而易见的传统固结理论的基本假定范围达不到这种巨大的变形程度。实际上早在1965年和1967年Mikasa及Gibson等便尝试过将小变形固结理论转变为大固结理论，自此大变形固结理论的发展方向一分为二：第一，以Mikasa及Gibson等学者的理论为基础，进行完善和求解及实证等；第二，以非线性连续介质力学为基础构建的有限变形理论之上的大变形固结理论与数值分析也在逐步完善。

二、方程式计算和固结系数

大变形固结理论比较是传统固结理论来，其分析中的孔隙比e的函数可采用参透及压缩的系数，而孔隙比e或移位为其基本变量，表示参透速度的流速为孔隙水相对土骨架的流速。由于大变形容易引起几何非线性，因此，不予采用均在空间上固定所有时间的欧拉坐标系，换做流动坐标系，或参照系为初始状态的拉格朗日坐标系，亦或是固相不随时间改变的坐标系。同时，考虑到超软土地基加固工程的实际情况，通常以单向固结问题来进行分析，更加有益。

（一）控制变量为孔隙比的固结方程

为推算出流动坐标 下的单向大变形固结方程式，需基于有效应力原理、平衡微分方程和土体连续条件及达西定理之上，其基本方程为： 方程式中各英文字母和符合皆有自身含义：孔隙比e、土粒比重 、水的重度、有效应力和渗透系数分别为 、k，即孔隙比e的函数。由于 ，在数学方程式1的处理不简单，所以该用拉格朗日坐标a表示，那么变式为方程式2：

（二）控制变量为位移的方程式

方程式中的字母符号分别各有含义：通过边界排水条件确定的土体固相与液相表观速度之和 ；土体压缩模量在现时坐标下的表示E；初始和现时的坐标分别以a、y表示；土体固相重度 ，此外的符合与方程式1的表示相同。

（四）有限差方程式

此外还可以结合以上式12、13等，得出各种有限差的方程式表述方法，因篇幅有限笔者就不一一做解了。

三、工程应用分析

1、工程介绍

该例为某造船基地工程施工，其主要为大厚度吹填及软粘土的土层，具体地层情况有这几方面：一、粘土吹填土层，整个施工场地为灰和灰黑色的粘土淤泥，其厚度基本维持在3.8-4.1m左右，这一地层几乎没有优质土质，具有流动状、饱和的特点；二、粘土淤泥层，场地局部存在流泥味腥呈流动状，颜色为灰色具有饱和特点，此外，表层有少量的砂石混杂，局部还混有粉土粉砂薄层，并包含腐殖质有机质等，而且该地层可见贝壳碎屑，其厚度基本在5.5-14.0m左右，主要土质为淤泥质粉质粘土；最后，在这下面还分布有粉质粘土、粉砂、粘土、细砂等。下表为相关土层物理力学性质数据：

2、加固方案

这一过程的地基加固方法主要是以真空预压加塑料排水板法，在执行时按梅花形每隔1.2m的间距布置各塑料排水板，并且在地层三粉质粘土0.5m中插入有板身，即塑料排水板插入深度为11.7-20.0m，同时，以射流真空泵为真空预压的抽气设备，空抽时压力必须>95kPa以上，真空抽取的正常期间，必须达到650mmHg以上膜下真空度，且过滤管在抽真空时的间距为6.0m。

3、分析结果

分析該工程地表沉降发展规律采用单向大变形固结有限差分法计算，其计算与实测结果比较如下图所示：

通过图表可看出96天内地表沉降值得大变形固结理论值和实测值分为1270㎜、1150㎜，其差距不大约有120㎜，且二者之间是相似的曲线变化，由此可见，超软土地基处理中大变形固结理论是能够实现合理化的。

四、总结：

本文基于前者研究的结论，分析了大变形固结理论在工程中的实际应用和其计算方程式，希望能给相关单位一定的启示，以促进在建筑业内大变形固结理论能更加完善健全，从而更好的解决在工程实际中所遇到的问题。

参考文献：

[1]李国维，胡龙生，王虎子，王润. 软土地基大变形位移计研制与工程应用[J]. 公路交通科技，2013，05：30-37.