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1、路基沉降预测分析 路基沉降预测分析 【摘要】随着高速公路的日益增多，许多道路问题相应出现，特别是路基问题。路基的稳定和沉降是高速公路建设成败的关键，尤以沉降问题较为突出。沉降问题处理不好，施工期间易出现路堤滑塌等事故，影响施工进度和工期, 给工程质量留下隐患；在公路运营阶段，因(不均匀) 沉降，路面易出现沉陷，桥头发生跳车现象，轻者影响正常使用或美观，重者会发生平安事故。因此，路基沉降预测分析一直是公路建设过程中一个重要课题。基于此，本文对路基沉降预测分析进行了研究。 【关键词】高速公路 路基沉降预测分析 中图分类号： U416文献标识码：A 我国高速公路多建于沿海省份, 就我国高速公路建设过
2、程中遇到的软土而言, 主要有两种, 以海洋沿岸的淤积形成的软土为主, 其次是由于内陆、山区、以及河、湖盆地和山前谷地的淤积形成的软土。因此, 针对我国目前高速公路建设的现状, 为了到达符合工程实际, 延长使用寿命并符合设计要求, 有必要研究高速公路的软土路基沉降预测方法。大量的研究说明，路基的稳定和沉降是否符合实际要求是高速公路建设成败的关键，并且以不均匀沉降问题最为突出。假设路基沉降在施工或使用过程中未加以预测或预测不当，就会在公路施工期间时常出现路堤滑塌等事故，严重时会影响施工进度，或给工程质量留下隐患。并且在高速公路运营阶段，因不均匀沉降，路面极易出现沉陷或破损，桥头发生跳车现象，严重时
3、会发生交通平安事故。因此，软土路基沉降预测计算与监测结果分析历来就是高速公路施工、运营阶段的一个重要研究课题。 路基沉降机理分析 路基沉降主要包括本体的压密变形和地基沉降，前者可以通过选用优质路堤填料和提高施工压实度来控制，且在施工期间就完成大局部沉降，后期沉降根本是由填料的塑性变形引起。地基沉降占总沉降的大局部，固结压缩沉降决定了其开展的形态，持续时间长短取决于土性、排水条件等。许多研究资料和工程实测数据说明，路基沉降大致表现为3个过程： 1、加载后的瞬时变形，土颗粒问的孔隙水来不及排出，土体体积不发生变化，土体在荷载作用下的侧向变形引起瞬时剪切变形，由于这时土体处于所谓弹性状态，所以沉降呈
4、线性增长，每一级荷载施加后沉降一时间曲线上都会呈现阶梯状变化； 2、开展阶段，随着时间的增长，荷载在土颗粒和水之间重新分配，超孔隙水压力逐渐消散，孔隙水逐步排出，土体产生压密沉降，进入弹塑性状态，此阶段也是沉降稳定增长阶段，沉降一时间曲线呈加速增长，斜率不断增大； 3、收敛阶段，当上部荷载不再增加，孔隙水压力根本肖散完毕，主固结过程临近结束时，土骨架的粘滞蠕变开始出现，次固结变形所占比例变大，但一致的是其对总沉降的影响都很小，沉降随时间继续增大，但增加趋于缓慢，并逼近某个最终值。沉降时间曲线斜率逐渐减小，趋于水平。这一过程对于深厚软土层那么相当漫长，可能到沉降变形后期下部软土的主固结也尚未结束
5、。 二、路基沉降预测模型分析 关于路基沉降预测计算的方法有很多, 一般而言, 沉降预测计算大多数是根据实测数据进行数理统计后进行回归分析。目前, 用沉降监测的实测数据进行回归分析的主要方法可归纳为曲线拟合法、灰色模型法、神经网络法等。其中, 曲线拟合法包括双曲线法、指数曲线法、泊松曲线法等, 基于数学模型的预测计算方法有神经网络法等。但是利用沉降监测的实测数据进行回归分析存在一定缺陷。但是如果利用这些实测沉降过程曲线推算沉降量, 然后选择适当的曲线进行拟合, 通过实测沉降过程曲线推算沉降量法是基于实测数据通过数值模拟来预测地基沉降的, 所以具有较强的实用性。可供选择的曲线类型主要有双曲线法、指
6、数曲线法、对数曲线法、最小二乘法、人工神经网络法等。 1、曲线拟合法 双曲线法 这是一种纯经验的曲线配合方法，近似认为地基的沉降变形量与时间成双曲线函数的关系。利用实测沉降量时间曲线，确定某拐点(起点，通常取恒载下的某个时刻)，将实测t 曲线的起点放在处，那么沉降曲线将接近于双曲线，可近似地用双曲线方程表示，即：= 。其中，为某一时刻沉降量值；为拐点处的时间或时间零点；为对应时间的沉降量；A ，B均为待定参数。 当t时，有t，由上式可得最终沉降量： 指数曲线法 指数曲线法是从土层平均固结度为时间的指数函数出发, 根据太沙基的固结理论, 曾国熙教授用一个表达式概括了不同条件下土体t 时刻的固结度
7、Ut 的计算式为: Ut = 1- a 。其中, a,b 均为待定系数, 与土的性质、排水距离以及受荷情况等因素有关; 在路基计算中, 常取a= 8/ , 又根据实测沉降, 在忽略次固结沉降作用的前提下，某一时刻的沉降量为:=。其中,S t 为某一时刻的沉降量; Sd 为瞬时沉降量; Sc 为主固结沉降量。 图解法 Asaoka法也简称图解法。它是以垂直单向固结理论为主, 根据实测的沉降量推算工后沉降量的一种方法。该法可以作为路基最终沉降的一种简便预测方法, 优点在于可利用较短期的观测资料就可得到较为可靠的沉降推算值, 还能对进入次固结阶段进行判断与推算。它的缺点之一就是对最终沉降的预测值过分
8、的依赖于时间间隔的划分。Asaoka 根据固结微分方程推导出以级数形式表示的沉降预测微分方程: 。其中, S 为固结沉降量; a, b 均为取决于固结系数和土层边界的常数。 2、数值分析法 数值方法在岩土工程中的应用, 正逐步得到普及, 广泛使用的是有限单元法, 该方法比拟成熟, 不仅理论已经比拟完善, 而且已有大量实用的计算机软件, 其中既有专用软件, 也有大型通用软件包。数值分析法可以应用较为复杂的土体本构模型, 如一些考虑流变的粘弹塑性模型, 考虑损伤效应的弹塑性损伤模型。计算沉降的各种有限元法, 如考虑非线性弹性模型及弹塑性模型的有限元法, 考虑粘弹塑性模型的有限元法, 考虑结构性的损
9、伤模型的有限元法, 以及大变形固结有限元法等。但由于计算参数较多, 且一般需通过三轴试验确定, 因而在工程设计中难以采用, 目前还不能把有限元作为每个断面沉降计算的主要方法应用于设计, 仅用于重要工程、重点地段的计算。 3、灰色理论法 灰色系统理论简称GM 理论, 针对“数据少“信息不确定的特点, 通过观测得到的较少的信息, 建立所需微分方程的动态模型, 来进一步认识结构的形态及运行机制。石世云等研究多变量灰色模型MGM( 1, n ) 在变形预测中的应用, 将单点的GM ( 1, 1)扩充为多点的MGM ( 1, n ) 模型, 通过沉降实例分析, 证明了MGM( 1, n) 模型精度高于分
10、别单独使用单点的GM( 1, 1) 模型;张仪萍等阐述了灰色理论在沉降预测中的应用, 并指出了沉降灰色模型预测法与Asaoka 法是一致的, 从而为灰色理论在中国沉降预测中的应用奠定了理论根底。韩女才利用灰色理论对地基沉降进行了不等距预测, 并建立相应的预测GM( 1, 1) 模型。 总结 路基沉降包括其本体沉降和地基沉降，而后者占主要局部；沉降变形过程表现为“加载后的瞬时变形沉降开展一沉降收敛三个阶段，对于非粘性土路基，前两个过程不能截然分开；地基沉降的开展主要是由于其主固结变形，不管次固结沉降的机理如何，它都不会成为工程工程中控制不均匀沉降所需要考虑的首要问题。 参考文献 【1】 许兴旺，李肖伦。 湿陷性黄土地区客运专线路基沉降观测分析J. 岩土力学. 2021(01) 【2】 吕秀杰。 软土地基工后沉降预测模型的研究J. 岩土力学. 2021(07) 【3】 王登浩。 武广铁路客运专线沉降观测与预测技术J. 铁道科学与工程学报. 2021(03) 【4】 王丽琴，靳宝成，杨有海，贾文君。黄土路基工后沉降预测模型比照研究J. 铁道学报. 2021(01) 【5】 尤昌龙。 无碴轨道工后沉降变形观测、评估的集成理念J. 铁道工程学报. 2007(03) 【6】 周全能。 软土路基后期沉降推算方法及误差分析J. 岩土力学. 2007(03)