基于SFIA的路基沉降預測應用研究

胡其志，黃希程，葉忠武，游 鵬

（1湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430068；2湖北省路橋集團有限公司，湖北 武漢430000）

國內外數據統計結果［1］表明:高速公路出口匝道在互通區域內事故率占到約40%，出口匝道發生側翻和碰撞路側護欄等交通事故率高達75%。入口匝道采用RLRM［2］控制方法有效地控制了交通堵塞緩解率，交通量越大效果越明顯。隨著我國交通工程學科的不斷發展深入，必將為高速公路互通立體匝道建設提供更好的發展平臺，并且匝道路基沉降控制決定著道路工程匝道建設的成敗，也關系著高速公路運營的安全性與舒適性。通過對路基沉降估算常見的方法進行優劣分析，選用SFIA方法對某匝道填方地段的沉降進行預測。

1 SFIA方法

SFIA方法也稱為地基與基礎共同作用分析方法（Subsoil ＆Foundation Interaction Analysis），大體經歷三個階段:建立對立靜力平衡體系計算的初級階段，通過彈性地基和彈塑性地基應用分析的過渡階段，和運用有限元（子結構）研究共同作用的最終階段。

國外的研究起源于20世紀40年代。1947年G.G.Meyerhof［3］首先提出框架結構與土的共同作用概念，推導出框架結構等效剛度的公式，以考慮上部結構剛度對基礎剛度的貢獻。隨著有限元和計算機的發展，O.C.Zeinkeiwicz和 Y.K.Cheung［4］應用有限元研究地基基礎的共同作用。1968年，J.S.Pr Zen1ieniec［5］提出子結構的分析方法，用來解決計算機存儲問用研究的發展。張國霞［6］為核心研究團隊，經過20多年比較系統的理論研究與現場測試，創建了一種地基土非線性本構模型，以此為基礎逐漸形成了一套較完整的地基與基礎共同作用分析方法-SFIA。

根據布辛奈斯克應力假設［7］和分層總和法［8］建立起地基柔度矩陣，推出地基沉降與基底反力的關系式:

S為節點沉降量；δ為地基柔度系數；p為平均基地反力向量；S0為外來沉降量，包括外荷塊的荷載引起的沉降量；nb為計算節點數；hik為i節點處第K土層厚度；σijk為j加荷塊作用單位壓力時；i節點第k層土的垂直應力；Mik為由單向壓剪非線性本構關系確定的第i節點第k層土的計算模量。

國內外公路路基沉降預測的方法各異，如曲線擬合法、神經網絡法、泊松模型、三點法、經驗系數校正法等等。

目前工程上常用的擬合曲線有:雙曲線法、降時間倒數法及對數曲線法等。曲線擬合法屬于經驗方法，應用比較簡單，但它的推算原理不強，預測精度不高。神經網絡能對復雜問題進行預測，但其對預測結果不能準確的解釋。泊松模型預測方法對實測數據有一定要求，實測數據越多預測精度越高并且必須是等時空距數據。三點法中3點的選擇以時間—沉降的曲線趨于穩定階段為依據，并且要求選取3點間隔盡可能大，這樣推算的沉降值最接近真實值［9］。經驗系數校正法是目前國內公路軟土地基總沉降預測最常用的方法，其計算結果取決于沉降系數的選取。根據《公路軟規》中相關規定:地基的總沉降應采用沉降系數m與主固結沉降Sc計算:S＝mSc，沉降系數m為一經驗數據，與地面狀況、負荷強度、負荷率等因素有關，其范圍值為1.1～1.7，應根據現場沉降觀測資料確定。

相比上述方法，SFIA方法具有以下新特點:1）采用簡單實用的地基土非線性本構關系，即地基土的單向壓密非線性模量與地基土的單向剪切非線性模量，并確定了地基土的單向壓剪模型；2）考慮基礎剛度對建筑物沉降的調整作用，使沉降分布更接近實際；3）總沉降量采用增量法分階段計算及最后計總沉降量，并且可以模擬不同階段荷載與剛度變化；4）通過大量的建筑物沉降實測資料“反演”得到的經驗修正系數，可獲得與實際較接近的沉降估計值和分布情況［10］.

2 工程實例

湖北黃岡至鄂州高速公路，起于黃岡市團風縣黃州區回龍鎮，設黃州北樞紐互通連接大廣北高速公路。路基表層厚度為0.6～9.3m，路基填料為處理后的粘性土。根據地質鉆探結果，該段地基的工程地質條件為:①第四系填土（Qme）層:人工填筑填土主要呈黃褐色或褐色，以含碎石的粘性土為主，結構松散－稍密且稍濕－濕性。局部為人工填筑雜填土（含建筑垃圾）鉆孔揭露層厚約0.5～4.0m。②第四系全新統沖積（Q4a1）層:第四系全新統沖積淤泥及淤泥質土層呈黃褐色、深灰色或褐色，局部混砂，厚度2.2～9.3m。③第四系更新統沖積（Q2＋3a1）層:粘土及粉質粘土呈紅黃色～磚紅色，濕－飽和狀態，局部含少量礫石。④第四系更新殘坡積（Qe1＋d1）層:以粉質粘土為主呈褐色或桔黃色，底部含礫石，硬塑為主，厚度0.5～6.3m。

選取黃岡互通段AB匝道路基沉降為例。為確保公路建設的質量和指導施工，觀測小組對所選路段路基進行了長期的沉降與穩定性觀測。觀測小組于2012年6月進行現場勘查，確定沉降觀測方案和觀測點的埋設位置。對黃鄂高速公路黃岡互通段AK0＋420和BK0＋170兩個觀測斷面的沉降觀測資料進行整理，并選用本文所述SFIA方法計算路基最終沉降量。路基的工后沉降值可以按路基施工完成后的實測沉降值與利用SFIA方法計算所得最終沉降的差值計算。

表1 路基沉降量實測值與計算值

圖1 AKO＋420斷面時間～沉降曲線擬合圖

圖2 BKO＋170斷面時間～沉降曲線擬合圖

由圖1～2可以看出，從路基開始施工到250d時，各斷面處的沉降量的變化由大到小逐漸趨于穩定。兩斷面月沉降量連續3個月都小于0.3cm時，根據觀測結果綜合分析，兩斷面沉降已基本穩定。到150d時，發生的主要是瞬時沉降和主固沉降，受前期短工期荷載影響較大，其沉降速率和沉降量都較大。而到200d時，地基土經過預壓固結以后，主固結沉降基本上完成，工后沉降主要為次固結沉降，其沉降速率和沉降量都相對較小。由表1和圖1可知道，AK0＋420斷面處的計算最終沉降比實測沉降要大，差值為－2.3cm，實測和計算差值與最終沉降的百分比為－8.6%（負值代表實測值比計算值小）；BK0＋170斷面處實測值比計算值大（圖2），差值為＋1.9cm，實測和計算差值與最終沉降的百分比為＋1.03%（正值代表實測值比計算值大）。到110d時，兩斷面均出現“反彈”現象，BK0＋170處“反彈”比AKO＋420處更加明顯，此時計算沉降值更能說明路基沉降規律變化。

結合現場實際情況綜合分析，得出結論:極易出現“反彈”現象是由于在施工作業期間連續加載后停止加載；現代機械化施工導致地基加載的不均勻；觀測人員受觀測儀器和客觀因數等影響；沉降觀測點的變動。直到150d觀測時再沒有出現過“反彈”現象，加載周期均勻，沉降比較有規律地變化，地基變形基本穩定，沉降擬合曲線趨于平緩，最終AB兩匝道觀測的沉降計算值誤差均較小，且最大不超過5%，充分說明了SFIA方法在路基沉降預測中的適用性。

3 結束語

軟土路基的沉降變形包括瞬時沉降、主固結沉降和次固結沉降三部分，最終總沉降量為三者之和。路基沉降主要發生在主固結沉降和次固結沉降部分，這是因為瞬時沉降是加載后路基瞬時發生的沉降，沉降時間較短，沉降值較小，而主固結沉降和次固結沉降往往是逐漸產生的，沒有固定的界限。

結合長期的工后沉降觀測資料及本文敘述可知，路堤填筑期和預壓期路基加荷逐步增加，路基沉降量變化相對較大，采用SFIF方法計算出來的沉降值也存在誤差。路面施工期隨著路基填筑增高，每層填筑厚度逐步減少，沉降量逐漸減少，沉降曲線趨于平緩，與采用SFIA方法計算最終沉降值相近。據此可以知道SFIA方法是一種簡單實用、能夠比較準確推算沉降量的方法，即根據實測數據修正參數模型，對參數進行反演分析，即可預測路基工后沉降量。結合本文兩個路基斷面，采用SFIA方法對其進行預測，充分說明了該方法在路基沉降預測中的適用性。

［1］ 劉亞非，楊少偉，潘兵宏，等.基于交通心理學的高速公路出口匝道事故成因研究［J］.公路，2011（11）:104-108.

［2］ 王興舉，高桂鳳，宮城俊彥.高速公路單點入口匝道RLRM 控制方法［J］.交通運輸工程學報，2012（06）:101-107.

［3］ Meyerhof G G.Some recent foundation research and its application to design［J］.Struct.Eng，1955-3（82）:1-9.

［4］ Zeinkeiwicz O C，Cheung Y K.Plates and tankson elastic foundation an application of finite element method［J］.Solids and Struc，1965（01）:451-461.

［5］ Przemienicki J S.Theory of matrix structural analysis.1968.

［6］ 張國霞，張乃瑞，張鳳林.非線性差異沉降分析［J］.巖土工程學報，1981，3（03）:41-48.

［7］ 丁繼輝，梁金國，張建平，等.地基工程可靠性設計原理與應用［M］.中國水利水電出版社，2010:151-157.

［8］ 周玉鳳，李洪會.地基與基礎協同作用分析在確定地基方案中的應用［J］.工業建筑，2002，3-（07）:84-86

［9］ 饒為國，杜文鋒，羅衛東.用三點法推算樁一網復合路基工后沉降量［J］.公路，2001（08）:92-95.

［10］薛 祥，宋連亮，賈 亮，等.高速公路軟土路基工后沉降預測的新方法［J］.巖土工程學報，2011，33（01）:125-130.

［11］徐純標.對高層建筑沉降觀測中"反彈"現象的分析與思考［J］.建筑施工，2007，29（03）:192-194.