第十三章：路堤固结沉降分析
本章中，我们将为用户介绍怎样对某一填筑路基进行固结沉降分析。
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引言
土的固结分析指的是，在外部荷载（永久荷载或可变荷载）作用下，土体的变形随时间增加的现象，在此过程中，附加荷载导致孔隙水慢慢排出，超静孔隙水压力减小，从而有效应力逐渐增加。主固结过程指的是土中的超静孔隙水压力全部转化成土体有效应力而引起的压缩过程，而次固结沉降是由于土骨架的流变过程（所谓的“蠕变效应”）导致的。土的固结沉降量取决于时间的长短，同时受到一系列因素（如渗透性和压缩性，排水路径长度等）的影响。关于固结度，进行如下说明：
最终沉降对应于土体在附加荷载作用下固结度等于 1 的情况；
部分沉降对应于土体在附加荷载作用下固结度小于 1 的情况。
任务
某路堤填筑于不透水的粘性土层上，根据“中国 - 国家标准（GB）”，分别计算该路堤在 1年后、10年后的固结沉降。
图 1３.1 固结沉降算例
计算
采用“GEO5 地基固结沉降分析”软件（2017 版），按照如下步骤进行分析：
工况阶段[1]——建立未填筑路堤的地层剖面，并计算初始地应力
工况阶段[2]——填方，填筑路堤
工况阶段[3]~[5]——计算不同时长后的固结沉降
工况阶段[1]：基本参数输入
首先，「分析设置」界面→「选择分析设置」，选择“中国 - 国家标准（GB）”，并在分析设置界面上勾选“固结计算”。
图 13.2 「分析设置」界面
由图 13.2 可知，在“中国 - 国家标准（GB）”中，变形深度的确定方法为“应力比法”。
注：本算例计算的固结沉降为主固结沉降（超静孔隙水压力消散）。对于主要存在于欠固结土或 有机土中的次固结沉降（蠕变），本算例不予考虑。
然后，在「多段线」界面中选择「范围」，由于本算例的计算深度为 9.5m，则深度应（距多段线最低点）≥5。
图 13.3「多段线」模型大小的设置
下一步，输入由多段线表示的土层界面。选择「多段线」界面→「添加」，多段线的坐标见表 13.1。
表 13.1 土层界面多段线坐标
图 13.4 添加多段线
注：如图 13.4，选择多段线：「添加」后，有两种添加多段线的方式。选择①“+”，直接用鼠标在界面上点击确定多段线；选择②「添加」，输入坐标点来确定多段线。另外，若用户只需要添加 一条水平多段线，可以仅仅输入一个点，并点击确定，软件便会自动绘制一条通过该点的水平多段线。
下一步，定义「不可压缩地基」。在本算例中，不可压缩地基深度为 9.5m。在不可压缩地基之下没有沉降变形。
表 13.2 不可压缩地基多段线坐标
下一步，输入「岩土材料」，对于发生固结的土体，还需输入“渗透系数 k”或者是“固结系数Cv”，用户在帮助文件（软件相应界面上点击 F1 键）中可以查阅这些参数的经验取值。
表 13.3 岩土材料参数
图 13.5 输入「岩土材料」
注：和第十二章的沉降计算相同，如果选择压缩模量法计算。当变形参数采用压缩模量时，泊松比的大小对计算结果没有影响，仅当输入变形模量时，泊松比才对计算结果产生影响。
下一步，选择「指定材料」界面，将定义好的岩土材料指定给相应土层。本算例中不需考虑超载，因为会在接下来工况阶段[2]~[5]，以填筑的路基作为超载。
下一步，选择「地下水」界面，输入地下水位多段线。在本算例中，地下水位线与天然地面齐平。
表 13.4 地下水位多段线坐标
下一步，选择「工况阶段设置」界面，用户可以自定义计算点的分布，在本算例中，选择“标准”。
图 13.6 「工况阶段设置」界面
接下来，选择「分析」界面，软件会对填筑路堤前地基土的初始地应力进行“分析”。在工况阶 段[1]的「分析」界面中，需要选定接下来工况阶段中需计算沉降固结的地基土边界，即“固结土的顶面”、“固结土的底面”还有“排水方向”。
图 13.7 「分析」界面
注：若模型中地基土全部由一种岩土材料构成，为了使用软件计算固结沉降，需引入一个虚拟的土层 界面，将地基土分为两层（界面上下岩土参数仍相同），该土层界面即为固结土底面。建议设置该土 层界面的位置为变形计算深度处。
工况阶段[2]~[5]：基本输入
添加工况阶段[2]，
图 13.8 添加工况阶段[2]
下一步，选择「填方」界面，如图 13.9 输入相应的多段线坐标：
图 13.9 「填方」界面
注：路堤相当于作用在初始地面上的超载，会使地基土产生固结沉降。理论上认为路堤填筑材料已达 到最大压实度，不再发生沉降。实际上，填料压实度不高或蠕变效应均会导致填筑材料发生沉降，用 户需要注意的是，GEO5 软件并不会计算这部分沉降。
下一步，选择「指定材料」界面，将之前定义的路堤材料指定给相应的路堤区域。
下一步，选择「分析」界面，根据路堤填筑的工期，输入“工况阶段时间”为“30”天；并且路堤是逐渐修建起来的，“加载方式”选择“线性加载（工况阶段内）”。在该工况阶段中，还不能进行 固结沉降计算，因为当考虑土体固结时，首先必须知道整个地基土的加载历史，因此，只有处于最后 一个工况时，才可勾选“总沉降”，从而计算出总沉降量以及每个工况内的沉降量和固结度。
图 13.10 「分析」界面 —— 工况阶段[2]
注：如果用户添加工况阶段[2]时，处于「分析」界面中，那么进入工况阶段[2]之后，需填写「分析」 界面中的“工况阶段时间”后，才能选择其他界面进行操作。
在接下来的工况阶段中，工况阶段时间分别是：
工况阶段[3] 365 天 （1 年） 一次性加载
工况阶段[4] 3650 天（10 年） 一次性加载
工况阶段[5] 计算地基土的总沉降（即工况阶段时间趋向无穷大，固结度趋近 1）
进入最后一个工况阶段时，即计算总沉降。除工况阶段[1]不产生沉降外（计算初始地应力），在 计算结果中可读取其他各个工况阶段内的沉降量。
图 13.11 工况阶段[5]
开始分析，所得结果如图 13.12：
图 13.12 分析结果
在此界面中，点击屏幕左上角工况阶段[1][2][3][4][5]，能读得截止相应工况阶段的沉降量：
工程阶段[1] 初始地应力分析 无沉降
工程阶段[2] 路堤填方荷载，30天，线性 32.1mm
工程阶段[3] 路堤填方荷载，365天，一次施加 118.8mm
工程阶段[4] 路堤填方荷载，3650天，一次施加 322.1mm
工程阶段[5] 最终总沉降量 363.1mm
我们还可通过“数值”，“变量”，“等值图”选项来改变输出的结果样式。例如，我们想知道在工 况阶段[2]完成之后的 1 年内，地基土的沉降量增加了多少，则可如图 13.13 进行操作：
图 13.13 工况阶段[3]内的地基土沉降量
选择工况阶段[3]，并且“数值”一栏选择“增量/相对于工况 2”，即可得出路基填筑后一年时间 内（工况阶段[3]内）的地基土沉降量为 86.7（118.8-32.1）mm。
结论
路堤填筑后，地基土在 1 年后的沉降量为 118.8mm，在10年后的沉降量为 322.1mm。
