軟土路基沉降計算方法及影響因素研究

胡鈺睿

摘 要：在軟土地區(qū)修筑高速公路，最重要的是控制路基沉降。本文探討了軟土路基沉降的計算方法，分析了影響沉降的一些主要因素，并指出軟土路基沉降計算存在的困難與問題，最后提出了自己的建議。

關(guān)鍵詞：軟土;路基;沉降計算

0引言

地基沉降分析是土力學(xué)的重要研究課題之一。自從Terzahgi的一維固結(jié)理論問世以來，土體固結(jié)沉降理論研究取得了長足的發(fā)展，并在工程建設(shè)中發(fā)揮了巨大的指導(dǎo)作用。且隨著計算機技術(shù)的進(jìn)步，采用有限元等數(shù)值計算、分析沉降已成為現(xiàn)實，但是軟土地基沉降的課題仍然困擾著許多巖土工程技術(shù)人員[1]。

軟土是一種特殊性土，具有壓縮性大、滲透性低、固結(jié)變形時間長等特點。在軟基上修建筑物，沉降問題和穩(wěn)定問題就顯得尤為突出。因此，高速公路路基沉降的分析與計算已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注。本文就軟土路基的沉降計算問題做一些探討。

1軟土路基的沉降計算

1.1沉降的組成

在軟土地區(qū)修筑高速公路，必然導(dǎo)致路基的下沉。通常認(rèn)為沉降是由瞬時沉降、主固結(jié)沉降與次固結(jié)沉降三部分組成。即S=Sd+Sc+Ss

式中：Sd—瞬時沉降，由于土體的側(cè)向變形引起的附加沉降;Sc—主固結(jié)沉降，是加荷后土體的體積壓縮變形引起的沉降;Ss—次固結(jié)沉降，由于土體蠕變而發(fā)生的沉降;

由于土體側(cè)向變形引起的那部分沉降，其實并不是瞬時發(fā)生的，它在沉降的整個過程顯示出其影響。

1.2常規(guī)計算方法

（1）泊松模型

泊松曲線反映了實際事物發(fā)生、發(fā)展、成熟，然后達(dá)到一定極限的過程。這一點和荷載逐步施加與對應(yīng)的沉降逐步發(fā)生的過程十分相似。在時間序列預(yù)測中，泊松曲線的表達(dá)式為

式中：y為第t期的沉降預(yù)測值，t為時間，a、b和c為待定參數(shù)。利用一時間序列求出上述3個待定參數(shù)即可建立泊松曲線方程，從而可以對今后的y進(jìn)行預(yù)測。由式（2）可以看到，泊松曲線具有以不通過原點、單調(diào)遞增、有界、曲線呈“s”形和靈敏性好等特點。對于飽和土和非飽和土，荷載加載后，雖變形機理不一樣，但在沉降曲線上都存在一個初始沉降，泊松曲線能很好地體現(xiàn)這一特點。但在采用泊松模型預(yù)測時，所需實測數(shù)據(jù)必須是等時空距數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)越多預(yù)測精度越高[3]。

（2）灰色模型

灰色模型方法是一種綜合運用數(shù)學(xué)方法對信息不完全的系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測、預(yù)報的理論和方法。其基本思想是將與時間有關(guān)的已知數(shù)據(jù)按某種規(guī)則加以組合，構(gòu)成白色模塊，然后按某種規(guī)則提高灰色模塊的白化度，其特點是應(yīng)用為數(shù)不多的數(shù)據(jù)就能建模。灰色預(yù)測是灰色系統(tǒng)重要的組成內(nèi)容，其基本3個環(huán)節(jié)為：模型識別（建模）、參數(shù)估計和預(yù)測。參數(shù)估計是指由系統(tǒng)過去行為構(gòu)成的數(shù)據(jù)序列反演確定模型下一步預(yù)測參數(shù)的過程，稱為灰色逆過程。參數(shù)確定以后就可以用灰色模型對目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測、預(yù)報。

（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在處理非線性問題上具有其獨特的優(yōu)越性，可以充分運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較強的非線性映射能力，基于路堤沉降的前期實測資料，對高度復(fù)雜、高度非線性的土工結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接建模來預(yù)測路堤的沉降量，這樣更能反映軟基路堤的沉降規(guī)律。彭濤[4]和張慧敏等[5]都曾采用傳統(tǒng)的三層BP網(wǎng)絡(luò)模型對此作過研究，二者具體實施方法盡管不太相同，但均取得了較滿意的結(jié)果。但是該法對多級荷載下的路堤沉降預(yù)測，特別是沉降一時間曲線上有明顯“臺階現(xiàn)象”的情形適用性較差。

（4）曲線擬合法

曲線擬合方法屬于經(jīng)驗方法，即采用與沉降預(yù)測曲線相似的曲線進(jìn)行擬合，然后外延求出后期沉降量。目前，工程上常用的擬合曲線有：指數(shù)曲線法、雙曲線法及沉降時間倒數(shù)法等。曲線擬合方法推算原理不強，理論性不夠明確，預(yù)測精度不高。也會因?qū)崪y沉降時間不夠，無法用擬合推測。但它比較簡單明了，所以有一定的實用性[7]。

2影響軟土路基沉降計算的一些主要因素

影響軟土路基沉降計算的因素很多，本文著重討論以下幾個方面：

2.1土體自重應(yīng)力的計算

軟土地基中的地下水位通常很高，對于地下水位以下的土體，當(dāng)其液性指數(shù)為0

2.2土中壓力隨沉降變化

當(dāng)軟土地基上的荷載是填土?xí)r，一方面，在施工期間的地基沉降由后繼填土補填起來，從而使實際填土荷載大于原設(shè)計荷載;另一方面，當(dāng)?shù)叵滤缓芨邥r，沉至地下水位以下的填土?xí)艿礁×ψ饔茫瑢?dǎo)致基底附加壓力減少。常規(guī)計算很難考慮這兩方面的影響。事實上，由于路基沉降導(dǎo)致的超填荷載與填土浸水后受到的浮力作用，對沉降量的影響具有互補性，故在沉降分析中應(yīng)對這兩方面的影響綜合考慮，否則將會導(dǎo)致更大的誤差。

2.3側(cè)向變形

軟土變形中不僅包含彈性變形，也包含塑性變形。路堤荷載作用下，軟土的固結(jié)過程中，側(cè)向變形也逐漸增大，土體的沉降不僅由于主應(yīng)力引起的排水固結(jié)，還由于土體中不斷發(fā)展的側(cè)向變形。側(cè)向變形的大小與土的性質(zhì)、軟土層的位置、路堤的高度等因素有關(guān)。如果在沉降計算中不考慮側(cè)向變形的影響，會使計算沉降與實測沉降出現(xiàn)較大偏差。

2.4加載方式和加載速率

實際施工中的加載方式變化很大，采用不同的加載方式和加載速率，路基的沉降一時間曲線顯著地不同。加載速率對初期沉降有明顯影響，而對后期沉降影響不大。填筑速率過快，土體沒有充分固結(jié)，會造成較大的工后沉降。

3結(jié)論

（1）目前工程中常用的軟土路基沉降計算方法含有許多簡化假定，與實際情況不完全符合。進(jìn)一步研究新的計算理論和計算方法，盡可能考慮多種因素的影響，又做到簡單直觀，方便工程設(shè)計人員使用。

（2）土力學(xué)問題的分析與計算，目前仍處在半理論半經(jīng)驗階段，計算參數(shù)的選用可能比計算方法更為重要。建議進(jìn)行廣泛的試驗研究，深入了解各地區(qū)軟土的基本特性。

（3）由于高速公路路堤的設(shè)計一般以變形控制為主，對工后沉降量的要求很高。因此有必要建立高速公路專家設(shè)計系統(tǒng)，指導(dǎo)信息化施工，有效地控制工后沉降量。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 彭濤， 楊岸英， 梁杏， et al. BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-灰色系統(tǒng)聯(lián)合模型預(yù)測軟基沉降量[J]. 巖土力學(xué)， 2005， 26（11）：1810-1814.

[5] 張慧梅， 李云鵬， 毛成. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軟土地基路基沉降預(yù)測中的應(yīng)用[J]. 長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2002（4）：20-22.

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[7] Xiang X ， Lianliang S ， Liang J ， et al. 高速公路軟土路基工后沉降預(yù)測的新方法[J]. 巖土工程學(xué)報， 2011， 33（S1）：132-137.