1、高速公路软土地基沉降预测方法综述摘 要：高速公路软土地基沉降直接影响公路行车安全，由于地基的沉降是长期而复杂的过程，决定了沉降预测的复杂性。本文对高速公路软土地基沉降预测方法进行简单探讨。 关键词：高速公路；软土地基；地基沉降；沉降预测 中图分类号：X734 文献标识码： A 一引言 在高速公路路堤建设过程中，为了控制施工进度，指导后期施工组织及安排并保证路堤的稳定和实用，需要对路基不同时刻的沉降和最终沉降量进行预测，尤其是针对以软土为地基的路基施工，由于路基实际土层的性质很复杂，针对软土地基的沉降预测更为重要。软土地基在其顶部荷载及重力作用下产生压缩变形，引起基础沉降。软土作为一种特殊工程材
2、料，土体本身性质变异性较大，特性复杂，而且取样时容易受许多不确定因素的影响，导致无法有效控制软土地基的沉降。 二.高速公路软土地基沉降机理 软土地基沉降主要包括本体的压密变形和地基沉降，前者可以通过选用优质路堤填料和提高施工压实度来加以控制，且在施工期间就可以控制大部分沉降，后期沉降主要是由填料的塑性变形引起。地基沉降占总沉降的大部分，固结压缩沉降决定了其发展的形态，持续时间长短取决于土性、排水条件等。许多研究资料和工程实测数据表明，路基沉降大致表现为 3 个过程： 1.加载后的瞬时变形，土颗粒问的孔隙水来不及排出，土体体积不发生变化，土体在荷载作用下的侧向变形引起瞬时剪切变形，由于这时土体处
3、于所谓弹性状态，所以沉降呈线性增长，每一级荷载施加后沉降一时间曲线上都会呈现阶梯状变化； 2.发展阶段，随着时间的增长，荷载在土颗粒和水之间重新分配，超孔隙水压力逐渐消散，孔隙水逐步排出，土体产生压密沉降，进入弹塑性状态，此阶段也是沉降稳定增长阶段，沉降一时间曲线呈加速增长，斜率不断增大； 3.收敛阶段，当上部荷载不再增加，孔隙水压力基本肖散完毕，主固结过程临近结束时，土骨架的粘滞蠕变开始出现，次固结变形所占比例变大，但一致的是其对总沉降的影响都很小，沉降随时间继续增大，但增加趋于缓慢，并逼近某个最终值。沉降时间曲线斜率逐渐减小，趋于水平。这一过程对于深厚软土层则相当漫长，可能到沉降变形后期下
4、部软土的主固结也尚未结束。 三.高速公路软土路基沉降预测方法 1.分层总和法 建立一维变形假定的基础之上使用变形计算方法，这就是分层总和法，也就是范围控制在地基压缩层之内，把土分成若干层，根据其特性和应力状态来区分，然后对各部分的压缩量进行计算，在侧限条件之下，参照土的压缩性指标，得出最后的总和。在具体的实践过程中，一维变形的假定具有一定的误差，所以使得得出的计算结果跟实测数据出现非常大的误差，再用经验系数 m 来调整在实际中的应用，如下式所示： S=mS 在上式中：用 S 代表最终取值；用 S代表分层计算总和法值；m作为经验系数，取值范围是 0.71.7。从理论方面上来分析，m 主要起到调整
5、作用，在计算地基一维固结公式时，由土体剪胀性而引起的变形可以不计。但是使用 m 调整之后的分层总和法，跟实测结果相比也会出现非常大的误差，其原因是计算土的附加应力和特性参数会出现一些导误差，而且还会因为 m 取值的不正确而产生误差。m 取值具有很大的空间，并且在取值标准上并不仔细，所以该法的最后结果具有一定的人为性。想要提高 m 取值，并且获得准确性，就要照顾到各种因素，比如软土的强度、厚度、填土高度和加载方式等，这些都是需要照顾到的，同时还要顾虑到该区域经验值的累加和统筹并进行加强。 2.有限元法 有限单元法是应用最为广泛的一种方法之一，主要是通过假定介质材料的连续力学性质，对一般土体采用非
6、线性弹性本构模型或弹塑性本构模型，综合考虑地基复杂的边界条件、土体应力应变关系的非线性特性、土体的应力历史和水与骨架上应力的耦合效应，模拟现场逐级加荷，求得任意时刻的沉降、水平位移等的变化，从而预测地基沉降变形等参数，为工程建设提供基础数据。 3.应力面积法 应力面积法是国家标准建筑地基基础设计规范中推荐使用的一种计算地基最终沉降量的方法，故又称为规范方法。应力面积法一般按地基土的天然分层面划分计算土层，引入土层平均附加应力的概念，通过平均附加应力系数，将基底中心以下地基中 zi- 1zi 深度范围的附加应力按等面积原则化为相同深度范围内矩形分布时的分布应力大小，再按矩形分布应力情况计算土层的
7、压缩量，各土层压缩量的总和即为地基的计算沉降量。 4.应力路径法 应力路径是指在外力作用下土中某点的应力变化过程在应力坐标图中的移动轨迹。土体中任意一单元的变形和强度变化都与应力路径有关。应力路径法是用应力轨迹表示现场在施工前、施工中及完工后地基中某点的应力变化情况。应力路径法能够促进和发展新的更符合地基应力状态变化的室内土工试验方法和成果分析方法。 5.人工神经网络预测法。 由于路基沉降容易受到多种外界因素的影响，因此沉降变化的规律很难用明确的数学公式或者显著的规律对其表示和描述，因此人们采用了一种新型的预测方法-人工神经网络法。这种新型的信息处理系统是通过对生物的脑神经进行模拟的计算机处理
8、模式，该系统中有许多高度互联的简单的处理单元。该法的输出和输入对应的是传统函数中的因变量和自变量，其具有优良的处理非线性问题的功能，因此在高速公路软土路基沉降预测中发挥了良好的拟合复杂非线性系统的功能。该方法能够对典型的影响路基沉降的因素分析整理，连同工程特性一起作为训练样本，将样本代入到神经网络中进行训练，最后能够得到输出映射（路基最终沉降） 。相关人员能够根据影响沉降资料和沉降特性，完成沉降预测。利用该方法进行预测时，首先选取样本参数，然后建立路基沉降模型，最后进行检测结果分析。这种方法进行预测时，其泛化性非常强，并且精度也比较高，预测操作简便。但是在训练样本中输入路基最终沉降值时，其输入
9、的准确率对预测样本精度的影响非常大，因此在工程中的运用不广泛，但是随着我国科研技术不断发展，相关的监测设备的精度不断提高，该预测方法的应用将会越来越广泛。 6.灰色系统法 灰色系统理论的提出在 20 世纪 80 年代，被一位知名教授提出后，在岩土工程中该理论的应用显得十分广泛，尤其软土地基沉降预测领域的运用显得更为广泛。灰色模型是灰色系统法核心，通常用意义上的GM（n，h）来代表灰色模型，代表的是建立 n 阶微分方程针对 h 个变量。通常用 GM（n，1）来作为预测模型。现在被广泛运用的灰色预测模型是，该 GM（1，1）模型针对数列预测的一个变量、一阶微分。是在随机的原始时间序列的基础上，GM
10、（1，1）模型通过时间累加，时间序列呈现出新的状态，对应的规律就可以发现，用一阶线性微分方程式来算出逼近方法的值。 四.结束语 想要使得后期沉降量推算结果具有准确性，就必须准确观测路基的沉降情况，并且要在刚刚填筑路堤就要观测，而且还要最大限度地保持长期的观测，要选择具有实用性的数据处理。通过合理的沉降预测，提高高速公路软土地基承载能力，确保公路交通网络安全运行。 参考文献： 1周焕云,黄晓明.高速公路软土地基沉降预测方法综述J.交通运输工程学报,2002,2(4):7-10. 2李西斌.高速公路软土地基沉降预测方法现状探讨J.公路,2011,(5):16-20. 3杨超,杨浩波.高速公路软土地基沉降预测方法综述J.中国高新技术企业 2013,(25):96-97. 4杨超,杨浩波.高速公路软土地基沉降预测方法综述J.中国高新技术企 业 ,2013,(17):96-97. 5崔海丽.高速公路软土地基沉降预测方法的研究及其应用D.山东大学,2009.
