软土路基沉降计算问题探讨

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  摘要:在软土地区修筑高速公路,最重要的是控制路基沉降。本文主要讨论了软基上高速公路路基的沉降计算,归纳分析了其中主要的常见问题,并提出了软土路基沉降计算存在的困难与问题。
  关键词:软土 路基 沉降计算
  中图分类号:TU471文献标识码: A
  
  Discussion on Settlement Calculation of Soft Soil Roadbed
  LY Ying1,CHEN Yao Hua1,ZHANG Ai Hua1
  Abstract: Settlement is the key problem in building highway on soft ground. Settlement calculation is discussed in the paper, and the common problems are generalized. Based on those, the paper puts forward the critical issues of the soft soil roadbed in expressway.
  Keywords: soft soil ,roadbed, settlement calculation
  1.引言
  高速公路对地基要求甚高,为了实现其“安全、舒适、高速”的服务目的,在使用年限内不应出现较大的工后沉降,同时还应避免不均匀沉降的发生。估算施工期的沉降量,还可以估计因沉降而增加的土方数量,另外,计算建成后的沉降量还可以作为路堤顶面设计加宽的依据,以保证后期仍有足够的路肩宽度[1]。随着我国“五纵七横”高速公路网的全面展开,高填方路堤和软土路基也越来越多,如何准确地预测它们的沉降量将会是高速公路建设中的一个重要课题。目前高速公路路基沉降的分析与计算已经引起广泛的关注,本文就软土路基的沉降計算问题做一些探讨。
  2. 软土路基的沉降计算
  2.1 沉降的组成
  在软土地区修筑高速公路,必然导致路基的下沉。通常认为沉降是由瞬时沉降、主固结沉降与次固结沉降三部分组成。即
  S=Sd+Sc+Ss
  式中: Sd—瞬时沉降,由于土体的侧向变形引起的附加沉降;
   Sc—主固结沉降,是加荷后土体的体积压缩变形引起的沉降;
   Ss—次固结沉降,由于土体蠕变而发生的沉降;
  由于土体侧向变形引起的那部分沉降,其实并不是瞬时发生的,它在沉降的整个过程显示出其影响,文献[2]对此作了详细的论证。因此将瞬时沉降分量称为不排水沉降更为合适。
  
  2.2 路基沉降计算方法
  现有的软土路基沉降计算方法可划分为数值分析法和理论公式法两类。其中,数值分析法可以较全面地考虑土体变形特性及其边界条件,理论上较严密。但这种方法比较复杂,工作量大,计算参数的选取较为困难,目前主要应用于理论研究和重大工程,且有待于完善。工程中通常采用理论公式法,这类方法具有简便、直观,计算参数少且易取得等优点。
  2.2.1 常规计算方法
  这是工程中最为常用的计算方法,按分层总和法计算最终沉降,采用一维固结理论计算沉降速率。计算分层沉降时考虑不排水沉降Sd、主固结沉降Sc和次固结沉降Ss,三部分沉降。不排水沉降Sd用弹性理论或一些经验公式计算,较好经验公式的有:我国《铁道工程设计技术手册》中推荐使用的公式,张诚厚、戴济群(1993年)根据实测侧向位移建立的半经验公式[3];主固结沉降Sc的计算可用一维的e-p曲线法或考虑土体应力历史的e-lgp曲线法,也可用黄文熙提出的三维分析法(1957年)或Skempton和Bjerrum法(1957年);次固结沉降Ss,采用次固结系数计算。工程实际中经常采用主固结沉降乘以一个修正系数ms的办法来计算总沉降量。沉降速率则根据Terzaghi (1923年)一维固结理论或Gibson (1967年)一维有限非线性应变固结理论,有限非线性应变固结理论考虑了土体压缩性和渗透性与孔隙比的非线性变化,以及土体自重应力等方面的因素,较Terzaghi一维固结理论合理。
  2.2.2 应力路径法
  Lambe(1967年)提出用应力路径法来计算沉降[4]。软粘土受荷载作用后,往往有两个过程:首先是形变,然后是体变。加荷初始,孔隙水一时来不及排出,孔隙水压力上升,这就相当于固结不排水过程,体积不变。随着孔隙水压力的消散,体积压缩,有效法向应力增加,而偏应力不变,这相当于固结排水过程。因此,沉降就可分成两部分计算,通过模拟现场实际加荷条件,进行室内固结不排水和固结排水试验,分别量测不排水应变和排水应变,由此求得不排水沉降与固结排水沉降。应力路径法对于认识沉降机理,分析常规计算中可能产生的误差趋势,都是很有益的。但该法使用较为麻烦,试验技术要求过高,目前尚未被工程界采用。
  2.2.3 有限单元法
  有限单元法是将路基和路堤作为一个整体来分析,将其划分网格,形成离散体结构,在荷载作用下算得任一时刻路基和路堤各点的位移和应力。其中路基顶面的竖向位移就是所要求的沉降。该法除了可以采用非线弹性、弹塑性、粘弹-塑性等多种描述土体应力一应变关系的模型外,目前已能考虑到较为复杂的土体本构关系,如一些考虑流变的粘弹一塑性模型[5][6]。目前,用的最广的是邓肯一张双曲线模型。该方法将路基作为二维甚至三维问题来考虑,可以反映侧向变形对沉降的影响。它还可以考虑应力历史对变形的影响,可以考虑土与结构物的相互作用,考虑复杂的边界条件,考虑施工逐级加载,考虑土层的各向异性等。它对土体的固结计算,可以采用比奥固结理论,避免了一维固结计算的许多弊端,从计算方法上来说,是一种较为完善的方法。它的缺点是计算工作量大,其采用的模型中所涉及的计算参数多而且确定困难,要做三轴排水试验来确定,目前主要用于重要工程、重点地段的计算。
  2.2.4 曲线拟合法
   根据现场前期实测沉降资料,用曲线拟合法,可以预测沉降发展规律,推算最终沉降量,由此确定路面铺筑时间。曲线拟合法有指数曲线法、双曲线法、高木俊介法或曾国熙1975年提出的高木俊介改进法等。高速公路软土路基沉降随时间的关系一般较符合双曲线形式[7]。但也有人认为双曲线方程本身没有反映出地基土的固结速度,与沉降速率缺乏内在的联系,用指数曲线法拟合更恰当[8]。宰金现[9]认为这些方法均难以反映全过程的沉降与时间的关系,建议用泊松曲线预测沉降,但也只适用一级线性加载情况。
  2.2.5 反演分析法
  反演分析法是近十几年发展起来的一项新技术、它通过已有的沉降观测资料,反演得到正分析中的某些输人参数,使正分析得到的结果与实测沉降充分接近。如可以通过反演分析确定原位固结系数,再根据Terzaghi的一维固结理论推算最终沉降量及沉降发展过程[10]。黄少杰等(2000年)[11]用Merchant一维黏弹性固结模型进行了一维反演分析,在不考虑侧向变形的条件下,建立了沉降与沉降速率的计算式,该式包含四个计算参数,分别反映主固结与次固结的沉降大小和发展快慢,用实测沉降进行反演分析,求得这些参数,即可计算总沉降量和沉降速率。由于采用黏弹性模型,次固结的影响可以得到考虑。
  2.2.6 人工神经网络法
  人工神经网络法自20世纪80年代中后期以来,迅速发展为一个前沿研究领域,并广泛应用于各个学科。目前,已有人将人工神经网络运用于路基沉降计算[12]。神经网络具有集体运算和自适应能力,善于联想、综合与推断,能够对路基前期沉降资料进行分析,记忆存储路基填土的基本性质,通过模拟填土性质、加载与变形之间的复杂的函数关系,就可以进行路基沉降的预测。在用神经网络分析路基沉降问题时,只要取三层网络(输人层、中间层、输出层)。考虑到土的非线性,输出层取为荷载增量下的沉降增量;输入层则为反映路基沉降的主要因素(如施工加载方式、施工加载速率、施工间歇期、前期沉降值等);中间层为反映土的力学性质和变形特征(如土的重度、强度指标、压缩系数、渗透系数、固结系数等)。建立起反映路基沉降影响因素与路基沉量之间的映射关系的神经网络后,就可以用已有的沉降观测资料对网络进行学习训练,待到网络误差小于预先设定值时,网络就能够抽取并记忆填土的力学性质和变形特性,再输人要进行预测的加载情况,就可以通过网络预测出将要发生的沉降变形情况。神经网络法预测沉降尤其适合于只有一些沉降观测资料而无土性参数的情况,与实测沉降误差较小,有一定的发展前景。
  2.2.7遗传算法[13]
  软土路基沉降非线性模型的参数识别实质上是一个优化问题,遗传算法是处理复杂优化问题的理想方法。它同常规的优化方法相比,遗传算法不直接和模型参数打交道,而是处理代表参数的编码,遗传算法在整个操作过程中,同时控制着一个解群,而不是局限于一个点。这就大大提高了搜索效率,并避免陷入局部极值;求解时,不计算目标函数的微分,故对目标函数和约束条件没有苛刻要求,这在处理高度非线性问题方面与传统方法比较,具有明显的优势。
  2.3沉降计算方法讨论
  以上介绍的七类方法中,前三类为沉降及沉降速率的預估,用于施工前的设计,而后四类根据前期沉降实测资料进行后期沉降的推算,指导后续施工,确定路面的最佳铺筑时间,减少工后沉降量。目前,工程中最为常用的沉降预估还是采用常规计算方法,沉降推算采用曲线拟合法,这是由于这两类方法较其它方法来得简单,工程技术人员便于应用。虽然其它方法可能精度更高,但由于过于复杂,对试验技术和参数选取的要求过高或需要高深的数学理论,因此即使在将来,也不会在工程中完全替代常规分析法。
  3. 沉降计算中的一些问题
  3.1 土体自重应力的计算
  软土地基中的地下水位通常很高,对于地下水位以下的土体,当其液性指数为0  3.2 沉降系数ms
  影响软基沉降计算值的因素很多,由地形、软基特征、设计与施工等多方面因素组合的情况十分复杂,因此沉降计算值与实测值之间的误差不可避免。综合考虑这些因素而提出的沉降系数ms经验值的变化范围从<1 ~2。一般取I.1~1.4(正常固结或稍超固结土)。我国一些高速公路工程中对ms值进行研究,其中有考虑了填土高度、施工速率、地基处理类型、软土层厚度、软土强度及渗透性等多种因素,提出ms的计算式或对ms取值的规定。
  关于ms,一方面由于影响因素复杂,从实测资料统计得到的经验公式变异较大,难以得到一个普遍适用的关系式。因此,开展对ms的广泛试验研究也是十分必要。
  3.3 压缩层计算深度
  国内许多高速公路工程的观测研究表明,软土层的压缩沉降可达地基总沉降的80%以上,是沉降的关键土层。因此,沉降计算应选择软土层为主要压缩层。当软土层厚度相对较小,其下有可忽略其压缩沉降的硬层时,可以软土层底面为计算压缩层的下限。当软土层厚度大时。如采用以压缩层下限处附加应力为基底原有应力的10%来控制压缩层计算深度。对于填土低的情况计算值可能偏小,而填土高、软土层相对较薄时计算值将偏大。由于地基沉降主要发生在基底以下15~20 m深度范围,因此,以压缩层下限处分层的压缩值占总沉降2. 5%以下作为控制压缩层深度较为合理。
  4.小结与建议
  (1)目前工程中常用的软土路基沉降计算方法含有许多简化假定,与实际情况不完全符合。进一步研究新的计算理论和计算方法,尽可能考虑多种因素的影响,又做到简单直观,方便工程设计人员使用。
   (2)用来计算路基沉降的e-lgp曲线法与e-p曲线法相比可以考虑土体的应力历史,在计算精度上有了进一步的改善,但二者都无法考虑土体侧向变形对沉降的影响,仅仅用修正系数加以校正,将会带来设计沉降量与实测路基沉降之间的偏差。
  (3)由于高速公路路堤的设计一般以变形控制为主,对工后沉降量的要求很高。因此有必要建立高速公路专家设计系统,指导信息化施工,有效地控制工后沉降量。
  
  参考文献:
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