軟土路基沉降發展規律及其預測
2014-11-24 08:40:37楊克志
建材發展導向 2014年6期
楊克志
摘 要：眾所周知，在工程建設中軟土具有高壓縮性、含水量大、透水性差、強度低等特點。在工程建設中需要經歷路基沉降的演化，到最后達到穩定的狀態。研究探討軟土路基沉降的發展規律。同時利用有限的沉降實測數據，可以選取合理預測及方法來預測軟土路基的沉降量。研究軟土路基沉降量對工程的設計具有重要的意義。
關鍵詞：軟土路基；沉降；發展規律
在高速公路建設的過程中，關于軟土路基的沉降屬于工程建設高度關注的問題。根據軟土路基沉降發展的規律，對防治公路路基沉降，保障公路運行的安全性具有重要的理論價值與實際意義。當前，預測軟土路基沉降的方法主要兩類，一類為利用土的基本構造模型，采用Biot故結理論分析方法。但是，該方法所測定的結果與實際工程的建設具有較大的差異，所預測的結果難以令人滿意，且可靠性不高，難以運用到工程實踐指導中。另外一類是根據實際所測量的沉降數據與時間的關系，用以測定未來軟土路基沉降的規律。例如，星野法、雙曲線法、Asaoka法等。在實際應用的過程中，任何一種預測結果都與實際工程具有一定的差異。因此，結合軟土路基沉降的發展規律，采用變權重組合“S”型成長模型探討軟土路基沉降的發展規律與預測方法。
1 軟土路基的沉降發展規律
通常情況下，軟土在工程建設中會發生以下幾種變形特征。第一，沉降量比較大。眾所周知，軟土主要組成部分為粉粒與粘粒。并且在軟土中粘粒的含量普遍較高，天然含水量比較豐富。通常孔隙比е>1.0.因此，軟土路基在承受負荷后就會產生壓縮。同時其沉降量通常會超過路堤的沉降量。第二，側向變形大。軟土路基在飽和狀態初期，受到負荷后土中水分就會排出來，土體容易向外擠，并隨著水分的流出而逐步排出，使得軟土地基進一步收縮，發展成豎向沉降。第二，滲透性較低，壓縮時間較長。軟土顆粒為粘粒，孔隙較大，但是耽擱孔隙比較小。水分在孔隙中流動較困難。使得軟土路基在受到負荷后很難很快排出，沉降發展的較為緩慢。
在軟土路基承受負荷后，地基中的應力就會發生一定的變化，進而導致地基發生變形，出現路基沉降。從現場路基沉降的情況可以發現，軟土地基發生沉降通常會經歷一定的過程。首先，發生階段。在剛加載的過程中所測試的土點除與彈性狀態，土中孔隙中的水分不能及時排出。土體在承受一定的負荷后就會發生變形使得土體瞬間出現剪切變形。在負荷增加的初始階段，沉降會呈直線性增加。其次，發展階段。在路基負荷不斷增加和時間延長時，地基土中孔隙水分會逐漸的排出。超靜孔隙水壓力會逐步減小，土體逐漸壓密產生體積壓縮變形，使得軟土地基進入彈塑性的狀態。在彈塑性區域不斷增加的過程中，所測試沉降點的沉降速度逐漸增大。再次，穩定階段。在軟土路基負載不再增加時，孔隙壓力基本上處于完全消失的狀態，固結過程尚未完全完成。并且土骨架的蠕動開始產生。所測試點的沉降量隨著時間的退役繼續會繼續增加，但是沉降的速度會逐漸變小。最后，極限狀態。在沉降時間夠長，沉降量達到極限狀態時，沉降的速度會逐漸趨于零。在這種狀態下沉降量就是軟土地基的最終沉降量。
2 沉降預測模型分析
當前，軟土地基沉降的曲線分析模型較多，但是大部分具有一定的局限性根據對我國相關高速公路進行大量地現場實測時間-沉降曲線與分析，發現軟土路基沉降曲線在前期處于加速增長的狀況。在達到一定時間后后增加的速度就會減緩，最終趨于一個限定值。由此可見“S”型成長模型可以很形象的描述軟土路基沉降的發展規律。在工程測試中，集中較為常見的“S”型成長模型如下。
a.Gomperts 模型：y1（t）=Lexp（-ae-bt）
b.Pearl模型：y2（t）=
c.Weibull模型：y3（t）=L-aexp（-btr）
在這三種模型中，L，a，b，r均屬于大于零的參數。這三種模型的曲線逐漸趨于直線y=L，參數b與相應變量y與從初值變為終值的速度相關。參數r在其中的作用就是增加數據擬合的靈活性。當然，這三種模型具有一定的共同特征。都屬于單調遞增的函數，在其后期的沉降發展中逐漸趨近與直線y=L。并且在拐點處會發生凹凸線條的變化，使得沉降量圖形呈現出“S”型。在t
這三種模型與“S”型成長曲線仍然存在一定的差異性。在原始數據擬合的過程中，往往還需要選擇多個成長曲線分別對你喝的線進行比較分析，以期能夠找出擬合度較高的模型作為預測模型。但是，從信息論的角度來看，每一種預測模型都具有其獨特的信息特征。為盡可能的利用模型中所獲取的有用的信息，可利用“組合預測”的聯想，提出變權重組合預測模型的方法。根據變權重系數為時間變化的函數，可綜合利用各種方法利用各種預測模型所提供的信息。利用這種預測方法，可以有效減少采用單個預測模型所授隨機因素的干擾，進一步提高了預測的精度。
3 變權重組合預測方法
在預測某一問題的過程中，采用n中預測模型，設定N個時間點，并提出假設：y（t）是第t期實際觀測值，t=1，2，…，N，yi（t）為i個模型所測得第t期預測值；wi（t）是i個預測模型在第t期的甲醛值，這些都必須滿足。
其中i=1，2，…，n，t=1，2，…，N。變權重組合預測模型可以表示為：
其中：y（t）是變權組合預測模型的第t期值。設定eit為第i中模型在第t期的預測誤差：eit=y（t）-yi（t），最佳變權系數wi（t）可利用最小二乘法求得。可以取：
又
因此
[e1t，e2t，…， ent]#[w1（t），…， wn（t）]T=WTtAtWt
其中Wt=[w1（t），…， wn（t）]T；At=[e1t，…， ent]T#[e1t，…， ent]=
此外，權系數均為非負數，故該問題轉化為用規劃方法求解非負權重組合預測模型，即minS約束條件為：
在研究該重組合的過程中，利用多方位的思考對其進行分析。
4 工程實例分析
根據某市政軟土路基實驗段的沉降實測數據與觀測時間。由此可見該曲線成“S”型。采用a—b分別進行單項模擬數據測試。在將其待入之后就可得出與之相應的沉降擬合預測取線。如圖1。
從圖中可以看出這三種模型都具有一定的差異性。而采用變權重組合預測方法，給定這3種單項預測模型權系數均等于1/3，先計算出無非負權重約束下的第t期權系數后，將wit[0的模型進行篩選并將其權系數設為0，重新組合剩余的模型得出曲線擬合段）各時期各種模型的變權系數，再由上述預測方法得出曲線預測段的變權系數。最后，由變權系數組合各個模型得到的最終組合預測值，其結果圖2所示。
根據所測試的沉降數據，由以上3種模型及變權重組合預測法得出的擬合精度，即它們的誤差平方和S。由圖2可見，采用組合預測模型預測精度比任一單項模型的預測精度高，變權重組合/S0型成長模型預測法能得到更精確的軟土路基沉降量。但組合預測模型所采用的數據量對其預測效果尚有明顯的影響。因此，要取得良好的預測效果，必須要以足夠的實測數據為基礎，通常需要土體沉降進入彈塑性階段。
5 結語
總之，軟土路基沉降基本上都會經歷發生—發展—穩定—極限這4個極端。軟土路基沉降的時間曲線特點與“S”型具有一定相似之處。在此研究基礎上，利用組合預測的思想，引出一種預測沉降的發展規律重組合預測方法。該方法在應用中能夠了解軟土路基沉降的發展的基本狀況，預測的效果與實際軟土路基發生的效果相符。由此可見，要想獲得精確地沉降預測值，應當給出一定數量的實例沉降測試數據。在此數據的基礎上，進行研究分析，擬合的實測數據就會增加，預測值的準確性就會增加。
參考文獻
[1] 孫小三，孫志久，范慶來，等.MGM（1，n）模型在軟土路基沉降預測中的應用[J].中南公路工程，2010，12（08）.
[2] 宰金珉，梅國雄.成長曲線在地基沉降預測中的應用[J].南京建筑工程學院學報，2010，21（25）.
[3] 楊明輝，劉煜，曹文貴，等.軟土路基固結沉降機理及其預測方法研究[J].鐵道科學與工程學報，2012，12（04）.
此外，權系數均為非負數，故該問題轉化為用規劃方法求解非負權重組合預測模型，即minS約束條件為：
在研究該重組合的過程中，利用多方位的思考對其進行分析。
4 工程實例分析
根據某市政軟土路基實驗段的沉降實測數據與觀測時間。由此可見該曲線成“S”型。采用a—b分別進行單項模擬數據測試。在將其待入之后就可得出與之相應的沉降擬合預測取線。如圖1。
從圖中可以看出這三種模型都具有一定的差異性。而采用變權重組合預測方法，給定這3種單項預測模型權系數均等于1/3，先計算出無非負權重約束下的第t期權系數后，將wit[0的模型進行篩選并將其權系數設為0，重新組合剩余的模型得出曲線擬合段）各時期各種模型的變權系數，再由上述預測方法得出曲線預測段的變權系數。最后，由變權系數組合各個模型得到的最終組合預測值，其結果圖2所示。
根據所測試的沉降數據，由以上3種模型及變權重組合預測法得出的擬合精度，即它們的誤差平方和S。由圖2可見，采用組合預測模型預測精度比任一單項模型的預測精度高，變權重組合/S0型成長模型預測法能得到更精確的軟土路基沉降量。但組合預測模型所采用的數據量對其預測效果尚有明顯的影響。因此，要取得良好的預測效果，必須要以足夠的實測數據為基礎，通常需要土體沉降進入彈塑性階段。
5 結語
總之，軟土路基沉降基本上都會經歷發生—發展—穩定—極限這4個極端。軟土路基沉降的時間曲線特點與“S”型具有一定相似之處。在此研究基礎上，利用組合預測的思想，引出一種預測沉降的發展規律重組合預測方法。該方法在應用中能夠了解軟土路基沉降的發展的基本狀況，預測的效果與實際軟土路基發生的效果相符。由此可見，要想獲得精確地沉降預測值，應當給出一定數量的實例沉降測試數據。在此數據的基礎上，進行研究分析，擬合的實測數據就會增加，預測值的準確性就會增加。
參考文獻
[1] 孫小三，孫志久，范慶來，等.MGM（1，n）模型在軟土路基沉降預測中的應用[J].中南公路工程，2010，12（08）.
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[3] 楊明輝，劉煜，曹文貴，等.軟土路基固結沉降機理及其預測方法研究[J].鐵道科學與工程學報，2012，12（04）.
此外，權系數均為非負數，故該問題轉化為用規劃方法求解非負權重組合預測模型，即minS約束條件為：
在研究該重組合的過程中，利用多方位的思考對其進行分析。
4 工程實例分析
根據某市政軟土路基實驗段的沉降實測數據與觀測時間。由此可見該曲線成“S”型。采用a—b分別進行單項模擬數據測試。在將其待入之后就可得出與之相應的沉降擬合預測取線。如圖1。
從圖中可以看出這三種模型都具有一定的差異性。而采用變權重組合預測方法，給定這3種單項預測模型權系數均等于1/3，先計算出無非負權重約束下的第t期權系數后，將wit[0的模型進行篩選并將其權系數設為0，重新組合剩余的模型得出曲線擬合段）各時期各種模型的變權系數，再由上述預測方法得出曲線預測段的變權系數。最后，由變權系數組合各個模型得到的最終組合預測值，其結果圖2所示。
根據所測試的沉降數據，由以上3種模型及變權重組合預測法得出的擬合精度，即它們的誤差平方和S。由圖2可見，采用組合預測模型預測精度比任一單項模型的預測精度高，變權重組合/S0型成長模型預測法能得到更精確的軟土路基沉降量。但組合預測模型所采用的數據量對其預測效果尚有明顯的影響。因此，要取得良好的預測效果，必須要以足夠的實測數據為基礎，通常需要土體沉降進入彈塑性階段。
5 結語
總之，軟土路基沉降基本上都會經歷發生—發展—穩定—極限這4個極端。軟土路基沉降的時間曲線特點與“S”型具有一定相似之處。在此研究基礎上，利用組合預測的思想，引出一種預測沉降的發展規律重組合預測方法。該方法在應用中能夠了解軟土路基沉降的發展的基本狀況，預測的效果與實際軟土路基發生的效果相符。由此可見，要想獲得精確地沉降預測值，應當給出一定數量的實例沉降測試數據。在此數據的基礎上，進行研究分析，擬合的實測數據就會增加，預測值的準確性就會增加。
參考文獻
[1] 孫小三，孫志久，范慶來，等.MGM（1，n）模型在軟土路基沉降預測中的應用[J].中南公路工程，2010，12（08）.
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[3] 楊明輝，劉煜，曹文貴，等.軟土路基固結沉降機理及其預測方法研究[J].鐵道科學與工程學報，2012，12（04）.
