軟土路基沉降及預(yù)測方法對比研究

洪英維

(南昌鐵路勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330002)

1 工程概況

該路段位于沖湖積平原，地區(qū)軟土多為積海成因。這些軟土強(qiáng)度低、含水量高、壓縮性高、靈敏度高、易受干擾、變形、承載力低等特點(diǎn)，地質(zhì)條件差。路段的路基處理方式采用了塑料排水板堆載預(yù)壓法，該方法為當(dāng)前軟土路基的主要處理方法之一。其原理主要是塑料排水板作為軟土地基中的豎向排水體，加大地基滲透參數(shù)，加快土體孔隙水排出。具有施工方法簡便，造價(jià)低廉，加固效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，適用于大面積軟基加固處理工程。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

該試驗(yàn)路累計(jì)觀測625 d，共測76次，在路基填筑期平均3～4 d觀測一次，在路基交驗(yàn)期平均9～10 d觀測一次。填土施工按照每周每次填筑不超過25 cm的速率進(jìn)行，同時(shí)依據(jù)觀測數(shù)據(jù)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整填筑的時(shí)間間隔，當(dāng)沉降速率超過15 mm/d并收斂較緩時(shí)，減緩填筑速率。沉降板的埋設(shè)采用地表埋設(shè)方式進(jìn)行。沉降觀測采用全自動(dòng)電子水準(zhǔn)儀測定進(jìn)行復(fù)合或閉合。

該路段共布置了4個(gè)觀測斷面，12塊沉降板。根據(jù)觀測資料繪制的荷載-沉降-時(shí)間曲線圖及填筑與沉降速率變化曲線圖，以典型斷面K4+943為例說明，如圖1、2所示。

圖1 K4+943荷載-沉降-時(shí)間曲線圖

圖2 K4+943荷載-沉降速率曲線圖

經(jīng)圖1、2，得出：

(1)與路基中心沉降板相對應(yīng)的沉降量大于與兩側(cè)相對應(yīng)的沉降量，主要原因是道路荷載分布對稱，而沉降由路邊沉降觀測點(diǎn)觀測到是半邊載荷。

(2)在填筑期間，沉降率明顯上升，停填一段時(shí)間后，沉降率放緩，收斂值較小。因此，當(dāng)荷載-時(shí)間-沉降曲線出現(xiàn)更陡峭的方向時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制加載率，以確保路基的穩(wěn)定性和安全性。

(3)考慮到主要原因，早期軟土地層孔隙大、含水量高、負(fù)荷早、孔隙水消散率相對較快，隨著施工的進(jìn)行，沉降速率變化較大軟土地層的施工、荷載、孔隙比逐漸減小，承載力逐漸增大，荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力逐漸由土粒骨架承擔(dān)，加載后，排水效應(yīng)減小，沉降率變化幅度減小，使填土厚度在施工初期盡可能減小，并隨著路基承載力的提高，路堤的填充厚度可以加快。

3 軟土路基沉降預(yù)測

沉降預(yù)測方法多為結(jié)合固結(jié)理論和本構(gòu)關(guān)系建立正演模型，利用實(shí)測的沉降數(shù)據(jù)資料和數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，反演分析出地基土的各項(xiàng)參數(shù)，最后利用所建立的正演模型預(yù)測后期的軟土沉降量。

本文在考慮了路基上負(fù)載荷的穩(wěn)定性后，將沉降近似看作是固定荷載作用下某介質(zhì)變化的過程，并采用全局優(yōu)化方法對路基進(jìn)行了優(yōu)化。利用測量的沉降數(shù)據(jù)，可以得到更常用的預(yù)測公式。反演模型中的各參數(shù)，運(yùn)用于后期的沉降預(yù)測，并將預(yù)測值與實(shí)測值進(jìn)行對比。

3.1 預(yù)測方法介紹

(1)雙曲線模型及其解法

雙曲線法是一種純經(jīng)驗(yàn)的曲線擬合方法，根據(jù)實(shí)測的沉降曲線采用雙曲線擬合，預(yù)測未知某時(shí)刻的沉降量或最終的沉降量。其基本公式為：

(1)

由式(1)可推導(dǎo)出：

(2)

式中：st為t時(shí)刻的預(yù)測沉降量；s0為預(yù)測起始時(shí)刻t0的沉降量實(shí)測值。

(2)星野法模型

星野法根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)得出t時(shí)刻固結(jié)沉降量的計(jì)算式：

(3)

則總沉降的計(jì)算公式為：

(4)

式中st為t時(shí)刻的預(yù)測沉降量；s0為預(yù)測起始時(shí)刻t0的沉降量實(shí)測值，A、K為待定系數(shù)。

(3)指數(shù)函數(shù)法模型

指數(shù)曲線法與雙曲線法類似，它假定地基土體在上部荷載的作用下，沉降量的平 均增長速率以指數(shù)曲線形式減少的一種經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)法，其經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為：

st=s∞-(s∞-s0)e(t0-t)/n

(5)

式中：t為任意時(shí)刻；s0為t0時(shí)刻對應(yīng)的沉降量；s∞為最終沉降量；n為待定系數(shù)。

3.2 算例分析及其與實(shí)測數(shù)據(jù)對比研究

選取試驗(yàn)路段的K4+943斷面為研究對象，對雙曲線模型、星野法模型和指數(shù)函數(shù)模型中的模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，求出最優(yōu)解，得出各種預(yù)測模型的數(shù)學(xué)方程表達(dá)式，并通過數(shù)學(xué)方程的表達(dá)式，與實(shí)測沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。通過上述操作，預(yù)測的具體數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)對比見圖3～圖4。

圖3 K4+943(路中)沉降預(yù)測與實(shí)測值對比圖

圖4 K4+943(路右)沉降預(yù)測與實(shí)測值對比圖

從實(shí)測數(shù)據(jù)以及預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得：

(1)雙曲線法、星野法和指數(shù)函數(shù)法均能對實(shí)測數(shù)據(jù)的擬合度均較好，其擬合的平均線性相關(guān)系數(shù)分別99.53、98.36和99.51。其中雙曲線模型及指數(shù)函數(shù)模型的擬合度稍高于星野法模型。

(2)在預(yù)測數(shù)據(jù)里，星野法模型預(yù)測的數(shù)據(jù)最大，其次為雙曲線法模型，指數(shù)函數(shù)法模型預(yù)測的數(shù)據(jù)較小。

(3)根據(jù)圖3～圖4中的預(yù)測模型獲得的沉降的預(yù)測值與實(shí)測量值之間的比較，可以看出通過指數(shù)函數(shù)方法預(yù)測的沉降數(shù)據(jù)類似于圖中的最終測量沉降數(shù)據(jù)相近;圖3中通過雙曲線方法預(yù)測的沉降數(shù)據(jù)相近于實(shí)測量的結(jié)算數(shù)據(jù)。圖4中道路右側(cè)沉降板的預(yù)測值表明，Hoshino方法預(yù)測的沉降數(shù)據(jù)與測量的沉降數(shù)據(jù)接近。比較每種預(yù)測方法與實(shí)測量值之間的誤差。相對而言，雙曲線擬合法具有比星野法和指數(shù)函數(shù)更小的誤差比，并且相應(yīng)誤差百分比的值是：2.64%，3.33%和4.22%。表明這三種預(yù)測模型對結(jié)算數(shù)據(jù)具有良好的預(yù)測。

4 結(jié) 論

施工期，沉降速率受填土荷載影響較大，在填土期間應(yīng)及時(shí)測量沉降速率值，并及時(shí)調(diào)整填土速率和頻率。在路基填筑初期，沉降速率受填土影響波動(dòng)較大，隨著孔隙水的排放，將有更多的土顆粒骨架來承擔(dān)填筑荷載，沉降速率波動(dòng)也將逐漸減小。