软土路基沉降计算问题探讨

郑澄锋 ，等 ：软土路基沉降计算问题探讨 软土路基沉降计算问题探讨 郑澄锋 (南京水利科学研究院土工所) 王 保 田 (河海大学岩土工程研究所 ) 摘 要 在软 土地 区修 筑高速公路 ，最重要 的是控制路 基沉 降。探讨软 土路基 沉降的计算方 法 ，分析 了影 响沉 降的一 些主要 因素 ，并指 出软 土路 基 沉降计算存在 的 困难 与问题 ，最后提 出了 自己的建议 。 关键词 软土 路 基 沉 降计算 1 引言 随着 社会经济 的发展 ，为满足 交通现代化 的要 求 ，我国迫切需要 建设 高速公路 网。路 基 的不均匀 沉降会破坏或降低高速公路的质量 ，影响行车的舒 适性和安全性。在软土地 区修筑高速公路 ，最关键 的问题就是控制路基的沉降。因此 ，高速公路路基 沉降的分析与计算 已经引起广泛的关注。本文就软 土路基的沉降计算问题做一些探讨。 2 软 土路基的 沉降计算 2．1 沉降的组成 在软土地区修筑高速公路 ，必然导致路基的下 沉。通常认为沉降是由瞬时沉降、主固结沉降与次 固结沉降三部分组成。即 S= Sd+．s + ．s 式中：．s ——瞬时沉降，由于土体的侧向变形引起 的附加沉降； ．s ——主固结沉降，是加荷后土体的体积压 缩变形引起的沉降 ； — — 次固结沉降，由于土体蠕变而发生的 沉降； 由于土体侧向变形引起的那部分沉降，其实并 不是瞬时发生的，它在沉降的整个过程显示出其影 响，文献 [1]对此作 了详细的论证。因此将瞬时 沉降分量称为不排水沉降更为合适。 2．2 路基沉降计算方法 目前计算沉降及沉降速率的方法可归纳为以下 几类 。 2．2．1 常规计算方法 这是工程中最为常用的计算方法，按分层总和 法计算最终 沉降，采用一维固结理论计算沉降速 率。计算分层沉降时考虑不排水沉降 ．s 主固结 沉降 ．s 和次固结沉降 ．s 三部分沉降。不排水沉降 ．sd用弹性理论或一些经验公式计算，较好经验公式 的有 ：我国 《铁道工程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 技术手册》中推荐使用 的公式 ，张诚厚、戴济群 (1993年)根据实测侧 向位移建立 的半经验公式_2 ；主固结沉降 ．s 的计 算可 用一维 的 e—P曲线 法或 考虑 土体应力历 史的 e—lgp 曲线 法 ，也 可用 黄 文 熙 提 出 的三 维 分析 法 (1957年 )或 Skempton和 BieITUiTI法 (1957年)；次 固结沉降 ．s 采用次固结系数计算。工程实际中经 常采用主固结沉降乘 以一个修正系数 m 的办法来 计算 总 沉降 量。沉 降速 率则根据 Terzaghi(1923 年 )一维 固结理论或 Gibson (1967年)一维 有限非 线性 应变 固结理论 ，有 限非线性应 变 固结理论考虑 了土体压缩性和渗透性与孔隙比的非线性变化，以 及 土体 自重应 力等方 面的 因素 ，较 Terzaghi一维 固 结理论合理。 2．2．2 应 力路径法 Lambe(1967年)提出用应力路径法来计算沉 降 3。软黏土受荷载作用后 ，往往有两个过程 ：首 先是形变，然后是体变。加荷初始，孔隙水一时来 不及排 出 ，孔 隙水 压力 上升 ，这就相 当于 固结不排 水过程 ，体积不变。随着孔隙水压力的消散 ，体积 压缩 ，有效法向应力增加，而偏应力不变，这相当 于固结排水过程。因此，沉降就 可分成两部分计 算 ，通过模拟现场实际加荷条件 ，进行室内固结不 排水 和固结排水试验 ，分别量测不排 水应变和排水 应变 ，由此求得不排水沉降与固结排水沉降。应力 路径法对于认识沉降机理，分析常规计算中可能产 维普资讯 http://www.cqvip.com 路基工程 2002年第 4期 (总第 103期) 生的误差趋 势 ，都是 很有益 的。但该法使用较 为麻 烦 ，试验技术要求过高，目前尚未被工程界采用。 2．2．3 有 限单 元法 有限单元法可以考虑复杂的边界条件、土体应 力应 变关系 的非 线性 特性 、土体 的应力历史 、水 与 骨架上应力的耦合效应，可以模拟现场逐级加荷和 处理超填土问题 ，能考虑侧向变形 、三维渗流对沉 降的影响，并能求得任一时刻 的沉降、水平位移、 孔隙应力和有效应力的变化，使得计算所得总沉降 量及沉降速率等结果越来越接近实测结果．f4 J。有限 元分 析时 ，将路 堤和地 基作为整 体划分 网格 ，取 孔 隙应力 、竖向位移和水平 向位移为基本未知量 ，采 用理论 上较严密 的 比奥 固结理论 ，在路堤荷载作用 下 ，根据土体的劲度和渗透性建立方程组，从而解 得孔压与位移。有 限元确实是一种较为完善的方 法 ，但 是 由于其计 算参数 多 ，且需 通过三轴试验确 定 ，程序 复杂难 以为一般 工程设计人 员接受 ，在实 际工 程中没有得 到 普 遍 应用 ，只 能用 于重 要 工程 、 重要地段的路基沉降的计算。此外 ，有限元 目前很 难考 虑大变形 固结 问题 即几何非线 性 ，往往使计算 结果偏离 较大 。 2．2．4 曲线拟合法 根据现场前期实测沉降资料 ，用曲线拟合法， 可以预测沉降发展规律 ，推算最终沉降量，由此确 定路 面铺筑时间 。 曲线 拟合法有 指数曲线法 、双 曲 线法、高木俊介法或 曾国熙 1975年提出的高木俊 介改进法等。高速公路软土路基沉降随时间的关系 一 般较符合双曲线形式_5j。但也有人认为双曲线方 程本 身没有反映 出地基 土的 固结速度 ，与沉降速率 缺乏 内在 的联系 ，用指数 曲线法 拟合更恰 当‘6 J。宰 金珉 J认 为这些方 法均难 以反映全 过程 的沉降与 时 间的关系，建议用泊松曲线预测沉降，但也只适用 一 级线 性加载情况 。 2．2．5 反演分析 法 反 演分 析 法 是 近 十 几 年发 展 起 来 的一 项 新技 术 ，它通过 已有 的沉降 观测资料 ，反演得到正分 析 中的某些输入参数 ，使 正分析得 到的结果与实 测沉 降充 分接近 。如 可 以通 过反演分 析确定原位 固结 系 数 ，再根据 Terzaghi的一维固结 理论 推算 最 终沉 降 量及沉降发 展过 程_8 J。黄 少杰 等 (2000年) J用 Merchant一维 黏 弹 性 固 结 模 型 进 行 了 一维 反 演分 析，在不考虑侧向变形的条件下，建立了沉降与沉 降速率的计算式，该式包含四个计算参数 ，分别反 映主固结与次固结的沉降大小和发展快慢，用实测 沉降进行反演分析 ，求得这些参数 ，即可计算总沉 降量和沉降速率。由于采用黏弹性模型，次固结的 影 响可 以得 到考虑 。 2．2．6 人工神 经 网络法 人工神 经 网络法 自 20世 纪 80年代 中后 期 以 来 ，迅速发展 为一个前沿研究 领域 ，并 广泛应用 于 各个学科。目前 ，已有人将人工神经网络运用于路 基沉降计算l_l 。神经网络具有集体运算和 自适应 能力 ，善 于联想 、综合 与推断 ，能够对路 基前期沉 降资料进行分析，记忆存储路基填土的基本性质， 通过模 拟填土性 质 、加载 与变形 之间 的复杂 的 函数 关系 ，就可 以进行 路基沉 降的预测 。在用神 经 网络 分析路基沉降问题 时，只要取三层 网络 (输入层、 中间层 、输 出层 )。考 虑到 土 的非线性 ，输 出层 取 为荷 载增量下 的沉降增量 ；输 入层则 为反 映路基沉 降的主要 因素 (如 施 工加 载 方式 、施 工加 载 速率 、 施工 间歇期 、前期 沉 降值 等 )；中间层 为反 映 土 的 力学性 质和变形特 征 (如土 的重 度 、强度指标 、压 缩系数 、渗透系数、固结系数等)。建立起反映路 基沉降影响因素与路基沉量之间的映射关系的神经 网络后 ，就可以用 已有的沉降观测资料对网络进行 学习训练，待到网络误差小于预先设定值时，网络 就能够 抽取并记忆 填土 的力学性 质和变形特性 ，再 输入 要进行预测 的加载情况 ，就 可 以通过 网络 预测 出将要发生的沉降变形情况。神经网络法预测沉降 尤其适合于只有一些沉降观测资料而无土性参数的 情况 ，与实测沉降误差较小 ，有一定的发展前景。 2．3 沉降计算方法的讨论 以上介绍的六类方法中，前三类为沉降及沉降 速率 的预估 ，用 于施 工前 的设计 ，而后 三类根据前 期沉降实测资料进行后期沉降的推算 ，指导后续施 工，确定路面的最佳铺筑时问，减少工后沉降量。 目前 ，工程中最为常用的沉降预估还是采用常规计 算方法，沉降推算采用曲线拟合法 ，这是由于这两 类方法较其它方法来得简单 ，工程技术人员便于应 用。虽然其它方法 可能精度更高，但 由于过于复 杂 ，对试验技术和参数选取的要求过高或需要高深 的数学理论 ，因此即使在将来 ，也不会在工程中完 全替代常规分析法。 3 影 响软土路基 沉降计算的 一些主 要 因素 影 响软土路基 沉降计算 的因素很 多 ，本文着重 维普资讯 http://www.cqvip.com 郑 澄锋 ，等 ：软 土路 基沉 降 计算 问题 探讨 讨 论 以下几个 方面 ： 3．1 土体 自重应力 的计算 软土地基中的地下水位通常很高，对于地下水 位以下的土体 ，当其液性指数为 0<，l<1时 ，土 颗粒是否受到水的浮力作用，浮力多大 ，尚无法确 定 ，从 而影 响到此 种情况下 的土 中应力计算 。 目前 只能按对工程不利情况考虑，在沉降计算中是采用 浮容重计算 自重应 力。 3．2 土 中压 力随沉降 变化 当软 土地 基上 的荷 载是填土 时 ，一方面 ，在施 工期间的地基沉降由后继填土补填起来 ，从而使实 际填土荷载大于原设计荷载；另一方面 ，当地下水 位很高时，沉至地下水位以下的填土会受到浮力作 用，导致基底附加压力减少。常规计算很难考虑这 两方面的影响。事实上 ，由于路基沉降导致的超填 荷载与填土浸水后受到的浮力作用，对沉降量的影 响具有互补性 ，故在沉降分析中应对这两方面的影 响综合 考虑 ，否则 将会导致更 大的误差 。 3．3 侧 向变形 软土 变形 中不仅 包含 弹性 变形 ，也包含塑性 变 形 。路堤荷 载作用下 ，软 土的固结过程 中，侧 向变 形也逐渐增大，土体的沉降不仅由于主应力引起的 排水 固结 ，还 由于土体 中不 断发 展 的侧 向变形 。侧 向变形 的大小 与土 的性 质 、软 土层 的位置 、路堤 的 高度等因素有关。如果在沉降计算中不考虑侧向变 形的影响，会使计算沉降与实测沉 降出现较大偏 差 。 3．4 加载 方式和加 载速率 实际施工 中的加 载方式变化很 大 ，采用不 同的 加载方式和加载速率 ，路基的沉降一时间曲线显著 地不同。加载速率对初期沉降有明显影响，而对后 期沉降影响不大。填筑速率过快 ，土体没有充分固 结，会造成较大的工后沉降。 4 小 结与建 议 (1)目前工程中常用的软土路基沉降计算方法 含有许多简化假定，与实际情况不完全符合。进一 步研 究新 的计算 理论和计算方法 ，尽可 能考虑多种 因素的影响，又做到简单直观，方便工程设计人员 使 用 。 (2)土力学问题的分析与计算 ，目前仍处在半 理论 半经验 阶段 ，计算参数的选用 可能 比计算 方法 更 为重要 。建议进行 广泛的试验 研究 ，深入 了解各 地 区软土 的基本特性 。 (3)由于高速公路路堤的设计一般以变形控制 为主，对工后沉降量的要求很高。因此有必要建立 高速公路专家设计系统，指导信息化施工 ，有效地 控制工后沉降量。 参 考文献 1 周镜 ．软土沉 降分析中的某些 问题 ．中国铁道科学 ，1999，20 (2)：17—29。 2 张诚厚 ，袁文明，戴济群编著 ．高速公路软基处理 ．北京 ：中 国建筑工业出版社，1997。 3 Lambe T W Stress path method．Soil Meeh．and Found 1967，93 (1)： 309— 331。 4 殷宗泽等 ．沪宁高速公路地基沉降有限元 计算分析 ．水利水电 科 技进 展 ，1998，18 (2)：22—26。 5 赵九斋 ．连云港软土路基沉降研究 ．岩土工程学报．2000，22 (6)：643—649 6 王引生 ．高速公路软土地基的沉降问题 ．中国公路学报，1993， 6 (1)：61—66。 7 宰金珉 等 ．全 过程 的沉 降量预测 方法 研究 ．岩土 力学 ，2000，21 (4)：322—325 8 魏汝龙 ，从实测沉降过程推算固结系数 ．岩土工程学报，1993， 15 (2)：12—19。 9 黄少杰等 ．一维反演分析预测汕汾高速公路软基沉降 ．东南大 学 学报 ，2000，30 (3A)：111—115。 l0 袁俊平等 ．用神经网络预测路基总沉降和工后沉降 ．东南大学 学 报 ，2000，30 (3A)：162—166。 收稿 日期：200l—o6—25 维普资讯 http://www.cqvip.com