高速鐵路軟土地基沉降計算方法淺析

付紅梅

摘要：高速鐵路軟土地基沉降計算是高速鐵路路基的主要研究課題之一，由于實際地質條件的復雜性，理論計算的沉降往往與實際值有較大的差異。大量的工程實踐表明，要準確地計算軟土地基的沉降，特別是預測工后沉降，仍是高速鐵路建設中要解決的關鍵問題。因此，本文對目前各種文獻出現過的高速鐵路軟土地基沉降計算方法加以總結，為進行軟土地基沉降計算提供方法上的參考。

關鍵詞：高速鐵路軟土地基沉降計算方法

中圖分類號：TU4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（c）-0048-01

軟土地基沉降計算方法，早在20世紀初，Terzaghi等人就曾建立了經典的軟土地基沉降分析法，以后又有很多人為該方法的改進和完善做出了重要貢獻。自20世紀70年代以來，隨著計算機技術的進步，采用有限元分析法計算地基沉降也已成為可能，但時至今日，地基沉降課題仍然困擾著土木工程技術人員。就一般的土木工程而言，仍在普遍沿用Terzaghi等人建立的經典分析法。在實用設計中，工程人員的經驗和技術往往起著關鍵的作用。究其原因，可概括為如下幾個方面：一是新的理論和技術尚未成熟，且對技術人員的素質和工程測試手段提出了很高要求；二是地基沉降的分析需要理論與實踐密切地結合，而工程技術人員總希望地基沉降的計算方法能盡可能地簡便直觀，所需試驗參數少而易確定，對各種工程情況均有良好的適應性，這就難免使地基沉降分析中需要加入一定的經驗成分；三是地基沉降分析中涉及到地面外荷載的計算、土中應力的計算、土體固結度的計算、土體變形的計算以及土體試驗參數的選用等許多環節，各環節之間又互有影響，其相互關系也隨時間變化，因此，地基沉降的分析也是一項復雜的系統工程，每一環節的疏忽都可能導致錯誤的結果。

1計算方法

1.1 常規計算方法

按分層總和法計算最終沉降，計算分層沉降時考慮瞬時沉降、主固結和次固結沉降。計算沉降速率時，則采用Terzaghi的一維固結理論。這種方法采用了一系列假定，與實際情況不完全符合，但由于簡單易用，所需參數可在常規試驗中確定，因而仍是實際工程中國內外最通用的方法，被納入許多國家的規范。計算總沉降量S時，一般情況下，按瞬時沉降Sd與主固結Sc之和計算。當地基為泥炭土，富含有機質黏土或高塑性黏土時，應考慮計算次固結沉降Ss。

瞬時沉降Sd用彈性理論或一些經驗公式計算；主固結沉降Sc的計算可用一維的e—lg p曲線或壓縮模量Es，也可用黃文熙提出的三維分析法或Skempton和Lambe法；次固結沉降Ss采用次固結系數計算。工程實際中經常采用主固結沉降乘以一個修正系數ms的方法來計算總沉降量。

1.2 有限元法

理論上，這一方法可適合于任意的邊界條件和加載方式，可計入土層的不均勻性和土層性質的非線性特征等。

近30年來，已經提出了大量的土體本構關系模型理論，歸納起來有兩大類：一是彈性非線性本構模型理論，它以彈性理論為基礎，在各微小的荷載增量范圍內，把土看成彈性材料，從一個荷載增量變化到另一個荷載增量，土體的彈性常數發生變化以考慮非線性；二是彈塑性本構模型理論，認為土體的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分，把彈性理論和塑性理論結合超來建立土的本構關系模型。

在彈性非線性模型方面，最常用的有E-μ和K-G彈性非線性模型。在軟土問題計算中，Duncan-Chang的E-μ模型應用最廣。其主要特點在于模型概念明確，簡單實用，可以利用常規三軸剪切試驗測定所需的計算參數。另外，其計算結果近似地反映工程的實際情況，特別是計算的沉降值與觀測值具有較滿意的一致性，但水平位移相對較差。

用彈塑性模型成功地解決一些實際的土工問題不是很多。多數集中在應用改進的劍橋彈塑性模型上。國內沈珠江、黃文熙和殷宗澤各自的彈塑性模型的應用也取得了較為滿意的結果。一般認為，彈塑性模型的計算結果偏小。

1.3 曲線擬合法

鑒于固結沉降理論在很多情況下尚不能滿足設計的要求，因此，用實際的沉降過程線推算固結度以及最終沉降量等，是預壓固結軟土地基工程最重要和最基本的分析工作。國內外曾采用經驗公式來預估沉降和時間的關系，由此建立起來的數學模型有幾種方法，分別是三點法、雙曲線法、指數曲線法、沉降速率法以及在日本比較常用的方法是淺崗法、星野法等等。在觀測的時間具備了一定的條件后，而后期的沉降往往推求上面就會出現誤差很小的，而這樣就會用在軟基的最終沉降的推求上面。通過各項資料中顯示，在各種方法中的預測精度與觀測和預測的時間上面有著密不可分的關系，同時在軟基加固方法、對應的不同地質條件以及荷載條件上與適用性和預測精度都相互存在著問題。

1.4 反演分析法

反演分析法是近十幾年發展起來的一項新技術，它通過已有的沉降觀測資料，反演得到正分析中的某些輸入參數，使正分析得到的結果與實測沉降充分接近。如可以通過反演分析確定原位固結系數，再根據Terzaghi的一維固結理論推算出最終的沉降和沉降量的發展過程。

1.5 人工神經網絡法

人工神經網絡法自20世紀80年代中后朝以來，迅速發展為一個前沿研究領域，并廣泛應用于各個學科。近幾年，國外已將人工神經網絡成功應用于巖土工程位移預測，國內也已開始將人工神經網絡用于巖土工程位移預測、砂土液化、邊坡穩定、本構模型等領域。神經網絡方法從模擬人腦的形象思維人手，具有非線性、并行性、魯棒性和強泛化性等特點，對于處理具有非線性的巖土工程信息具有一定的發展前景。

2結語

地基的沉降計算方法很多，很難對它進行簡單的歸納分類，許多計算方法是相互滲透有機聯系的。從現有的文獻來看，大致可分為以上幾種。本文僅對高速鐵路軟土地基沉降計算方法進行了介紹，不同的計算方法有不同的適應情況。在實際工程的沉降計算中，要熟練的掌握各種方法才能在實際運用的過程中靈活地選擇適合的計算方法。

參考文獻

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