大面积高厚度填土场地沉降变形计算探讨

大面积高厚度填土场地沉降变形计算探讨

孙巍杨伟

孙巍杨伟

西北电力设计院有限公司陕西西安710075

摘要：针对大面积高厚度填土场地沉降变形计算方法加以探讨，并结合实例对计算该类工程场地沉降变形的多种方法加以分析和对比，为同类工程设计提供了参考。

关键词：大面积高厚度填土场地沉降变形；分层总和法；孔隙比计算法

1引言

近年来，工程项目建设用地越来越多的采用挖山填沟造地或推土填土平整土地，形成很多高挖方、高厚度填土、高边坡等场地。这类场地具有面积大、填土厚度高等特点。对这类场地，设计方需充分考虑场地稳定、地基安全等问题，并采取应对措施。其中，准确计算场地沉降变形量是关键。以下结合工程实例，对大面积、高厚度填土场地沉降变形计算方法进行分析和探讨。

2工程主要参数及设计方案

2.1工程概况

2.1.1地层分布及主要指标

某工程场地上部为第四系上更新世风积的马兰黄土（Q3），中、下部为中更新世晚期风积离石黄土（Q2），下伏第三系泥岩（E）。各层地基土层从上到下为：①黄土状粉土、②黄土状粉土、③卵石、④黄土、⑤黄土、⑥-1强风化泥岩、⑥-2中等风化砾岩；地下水位埋深大于50m。

2.2填土场地设计方案

该场地地坪设计标高为绝对标高1306.16米，场地自然地坪绝对标高为1278.14米，两者标高差约28米，主要建（构）筑物的基底设计标高均高于自然地坪，因此需在此区域进行大面积填土至场地地坪设计标高。大面积填土采用本地区黄土状土料进行填充，施工时应分层碾压回填，分层厚度为400mm，压实系数应不小于0.94。

3填土场地沉降变形计算

3.1《建筑地基基础设计规范》中的计算方法

目前最常用的场地地基变形计算方法是分层总和法，这也是《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011中给出的方法。该方法考虑因素较全面，可利用勘测资料中均有的室内压缩试验成果。分层总和法基本假设：（1）在应力计算中，假设土体为各向均质的弹性体，应力分布服从弹性半无限体理论的布辛奈斯克公式；（2）在沉降计算中土体可以分为变形参数各不相同的土层，不同位置土层可以不同；（3）被计算的土体只有竖向压缩变形，没有侧向变形，与实验得到的压缩模量条件相同；（4）基底作用的附加反力P认为是作用于地表的局部柔性荷载。基于以上假定，利用布辛奈斯克的积分表达式可以求得局部附加压力对不同位置下的各土层的附加压力值，并根据实测的各土层相应压缩模量值计算该位置下各土层的竖向变形。根据应力叠加原理，这种计算方法很容易计算出相邻荷载的影响。对于因无法量化而忽略的一些次要因素所造成的理论计算值和实测值的差异，采用一个由长期沉降观测资料统计分析所获得的经验系数ΨS来加以调整，于是就得到《建筑地基基础设计规范》5.3.5条的地基变形计算公式。

3.2按《建筑地基基础设计规范》计算的结果

按《建筑地基基础设计规范》给出的方法和公式进行计算，在上部填土自重荷载585kPa作用下，土层计算深度分别取15m和28m，该场地最终沉降变形量为407.02mm和733.96mm；

在上部填土自重荷载515.2kPa作用下，土层计算深度分别取15m和28m，该场地最终沉降变形量为361.46mm和652mm。

3.3现场实际测量结果

根据现场实地观测资料，该场地人工填土施工完毕后观测场地整体沉降变形量最大值约1866mm，远大于按分层总和法的计算结果。

4.填土场地沉降变形计算方法讨论和对比

4.1《建筑地基基础设计规范》中的计算方法

《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011中给出的分层总和法假设地基土在侧向是不能变形的，但实际上仅当基底面积很大且压缩土层较薄时，才会比较接近于此侧限条件，否则会得出较小的计算结果。因此，采用分层总和法，一般取基底中心点下的地基附加应力来计算基础平均沉降量，以弥补不考虑侧向变形而引起就是那结果偏小的差值。另外，按规范中的方法计算出的地基沉降值，还要乘上一个沉降计算经验系数，以便综合修正包括侧限条件在内的各种因素影响。

但从工程实例可以看出，基底面积大（基底长、宽尺寸均大于100m）、高填方（人工填土厚度超过20m）土体造成的大范围地基变形模式比较复杂，《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011中5.3.5条规定的计算公式不一定能够准确模拟地基土的变形破坏模式，其相关参数不一定能够准确取值，按其计算得出的地基最终变形量往往与现场实测结果有一定的偏差。

4.2采用孔隙比计算填土场地变形量

以上述工程为例，从基础底面至⑥层泥岩顶有③层、④层、⑤层三种可压缩土层，总厚度共计33.50米，高填土压实堆积平台基底长、宽尺寸均大于100m，即可压缩土层厚度小于基底宽度的1/2，据此判断本工程属于基底下可压缩土层较薄且其下为不可压缩岩层的情况。由于基底摩阻力和岩层层面摩阻力对可压缩土层的限制作用，土层压缩时只出现很少的侧向变形，因此认为其与试验压缩仪中土样的受力和变形条件很相近，地基最终沉降量可以直接利用下列公式计算：

上式中：

S—地基最终变形量（m）；

e1—根据薄土层顶面处和底面处自重应力平均值σC从土的压缩曲线上查得的相应孔隙比；

e2—根据薄土层顶面处和底面处自重应力平均值σC与附加平均应力值σZ之和从土的压缩曲线上查得的相应孔隙比；

H—可压缩土层的厚度（m）。

计算沉降变形量时，在地基可能受荷变形的压缩土层范围内，根据土的特性、应力状态以及地下水位进行分层，然后按上式计算各分层的变形量Si。最后将各分层的沉降量总和起来即为场地地基的最终变形量。地基变形计算深度的下限，一般取地基附加应力等于自重应力的20%处，在该深度以下如还有高压缩性土，则应继续向下计算至地基附加应力等于自重应力的10%处，核算精度均为±5kPa；分层厚度一般取0.4倍基底宽度或1～2m，成层土的层面和地下水面是自然分层面。以上述工程为例，计算得出的最终沉降变形量为1854.35mm，与现场实测的结果基本一致。

5结论

综上所述，对于大面积（基底长、宽尺寸均大于100m）、高填方（填土厚度超过20m）人工填土场地，可采用分层总和法计算地基最终变形量，但应根据工程实际情况判断地基土的变形破坏模式，采用相应的计算参数。若判断工程实际情况满足要求，可采用孔隙比计算场地地基的最终变形量，可得出和实际情况基本一致的计算结果。

参考文献：

[1]GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]工程地质手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2007.

第一作者简介：孙巍（1972–），男，高级工程师，从事发电工程结构设计与研究。