高速公路软土路基沉降预测方法分析

第 19卷第 3期 2005年 6月 Vo1．19 NO．3 June．2005 -_ _ ‘j 同 速公路软土路基沉降预测方法 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 刘 鹏 ，陈泽松 ，赵 明 ，夏元友 ，冯仲仁 (1．武汉理工大学，湖北 武汉 430070；2．广东省路桥发展有限公司，广东 云浮 510635) 摘 要：对软土路基沉降预测方法发展现状及存在的问题进行了分析 ，介绍 了几种软土路基沉降预测方法以及每 种方法的适用性 ，指出应根据工程的实际条件选择合适的方法 。通过比较分析 ，提出了基于人工神经 网络并结合 遗传算法优化来预测软土路基沉降的方法。 关键词：高速公路 ，软土路基，预测方法 中图分类号：TU433 文献标识码 ：B 文章编号 ：1004—3152(2005)03—0052—04 1 引言 上世纪 9O年代以来，我国高速公路建设取得了 很大的发展，到 2003年底 已建成高速公路总里程超 过 20 000 km，跃居世界第二位。我国沿海诸省市， 特别是珠江三角洲地区的公路地基存在大量的软粘 土，其含水量大 ，压缩性高 ，沉降量大，排水固结稳定 性差。若不经过处理或处理不当，会 出现路堤沉降 量过大，引起路面、桥台破坏 ，桥头跳车等问题。随 着高速公路的建设规模加大，软土问题越来越突出， 已成为影响工程质量，工期和造价的关键因素之一。 在软土地基上修筑高等级公路路堤，最突出的问题 是稳定和沉降。为掌握路堤在施工期 中的变形动 态 ，就必须进行动态观测 。一方面保证路堤在施工 中的安全和稳定；另一方面能正确预测工后沉降，使 其控制在设计的允许范围之内。因此 ，对路基 的沉 降变形进行观测、预测，具有重要的实际工程意义。 2 软土路基沉降机理分析 工程界一般认为，软土路基在外荷载作用下的 沉降经历 3个不同的阶段，并 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现为 3种不 同类型 的沉降特征n]：瞬时沉降 S ；主固结沉降 s 和次 固 结沉降 s 。地基沉降计算的理 论公式，一般表示 为： S(￡)一 S：(￡)+ Sd+ S (￡)． (1) 瞬时沉降是地基土在不排水加载期间产生的， 在土体一维变形情况下 ，瞬时沉降很小。当土体完 全饱和时，由于土中水及土颗粒本身的变形可忽略 不计 ，故瞬时沉降接近于零 。对于土体在二维或三 维变形情况下，则瞬时沉降在地基总沉降量中占有 相当大的比例，它的发生非常迅速。主固结沉降是 当孔隙水从土体中流出后 ，引起土体体积随时间而 减小 ，因而路基逐渐发生沉降，随着超孔隙水压力的 消散 ，水流的速率将降低，土体有效应力增加，主固 结沉降也逐渐增加。次固结沉降一般定义为当土体 中超孔隙水压力基本消散后地基所产生的沉降。这 部分沉降通常较小 ，且历时很久。在主固结完成后， 沉降与时间的关系表现为次固结沉降或蠕变沉降。 3 软土路基沉降预测方法的发展现状 公路软基沉降预测是 目前高速发展的软土地区 高速公路建设中亟待解决的一大技术难题 。自从太 沙基(1923年)的有效应力原理及其 固结理论问世 以来 ，地基沉降计算理论的研究已取得了长足进展。 关于地基沉降问题已形成多种计算方法L2]，大致可 分为三类 ：一类是基于弹性理论结合太沙基固结理 论的解析方法或称理论公式法；第二类是 Biot固结 理论结合多种本构模型的数值分析法；第三类是基 于实测沉降时间过程的各种经验推算法。这几种方 法互为补充，已成为地基沉降计算 的主要手段 。然 而由于土体本身的复杂性 ，以及软土强度低、压缩性 大、受施工扰动的影响大、变形稳定时间长、施工过 程等存在的随机不确定因素等，使得利用现有的沉 收稿 日期：2004-0g一13 作者简介：刘鹏 ，男 ，1g77年生，硕士研究生 ，主要从事岩土体地面及地下工程和软土地基处理方面的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 刘 鹏等 ：高速公路软土路基沉降预测方法分析 53 降计算方法预测公路软基沉降的准确性尚无法得到 较好的解决。例如用分层总和法计算沉降时未能考 虑土体非线性以及土体侧向变形对沉降的影响，在 不同地质、加载条件下沉降修正系数的选用也有一 定难度；用数值分析方法时，对各种本构模型的识别 以及模型参数的确定方 面还存在着不同程度 的困 难；而经验推算法不能考虑土质条件、加载方式以及 观测数据随机性对沉降的影响。软土地基总沉降预 测 目前 国内最 常用 的方 法是应 用 经验 系数 校正 法[3]，它分析模式简单，将理论计算与实际工程经验 数据紧密结合 ，但其计算结果的可靠性在很大程度 上取决于沉降系数的选取 相关规范规定：“地基的 总沉降宜采用沉降系数 1TI与主固结沉降 S 计算 ：S =mS ，1TI为一经验数据 ，与地基条件、荷载强度 、加 荷速率等 因素有关 ，其范围值 为 1．1～1．7，应根据 现场沉降观测资料确定”。在规范说 明中指出“在设 计时，对沉降系数的取值不能取其平均值，也不能保 守地取最大值”。在实际应用 中，经常碰到如下两个 问题：(1)沉降系数有相当数量介于 0．8和 1．1之 间，经常超出了规范所规定的范围；(2)沉降系数值 究竟如何相对定量确定，规范条款中未曾明朗化。 目前计算 沉 降量 与 时间关 系的方 法 有两 大 类[4]。第一类为根据固结理论，结合各种土的本构 模型，计算地基最终沉降量的各种有限元法。如考 虑非线性弹性模型及弹塑性模型的有限元法 ，考虑 粘弹塑性模型的有限元法 ，考虑结构性的损伤模型 的有限元法，以及大变形固结有限元方法。但是 由 于计算参数较多，且一般需通过三轴试验确定，因而 在工程设计中难以采用，目前还不可能把有 限元法 作为每个断面沉降计算 的主要方法应用于设计 ，主 要用于重要工程、重点地段 的计算 。第二类为根据 实测资料推算沉降量与时间关系的预测方法。如指 数曲线法，双曲线法和高木俊介法以及曾国熙 1975 年改进的高木俊介法等。事实上 ，这些预测方法难 以反映全过程的沉降量与时间的关系。 4 软土路基沉降预测方法分析 在公路施工过程中，为了控制施工进度，指导后 期的施工组织与安排，同时保证路基的稳定与适用 ， 需要对路基的沉降量进行计算预测。用土工试验指 标按常规的一维固结理论进行理论计算是常用的方 法，但其结果往往与实测结果相距甚远，这是因为地 基沉降多属于三维课题且实际情况又很复杂，因此 利用沉降观测资料推算后期沉降(包括最终沉降)有 着重要的现实意义 。根据实测资料来推测沉降量， 归纳起来主要有这几类方法：曲线拟合法，反分析方 法，多元非线性相关分析法，灰色系统法，有限元法， BP人工神经网络法等。现对以上各种方法作一简 要论述 。 4．1 曲线拟合法 路基工程中常用分层总和法进行沉降计算。该 法是假定地基土为一线弹性体，未考虑土体的侧向 变形 、土的非线性特性及土层间的相互作用等影响 因素，从而造成了沉降计算结果与实测值之间有相 当大的误差。国内外实测资料表明：对正常固结粘 性土地基 ，用分层总和法计算的沉降量一般 比实测 沉降量小 ；而对于超固结粘性土地基，计算结果一般 较实测沉降量大，理论计算值与实测值之间的比值 介于 0．7～1．5之间。为了改善沉降计算结果 ，根据 实测资料统计分析常用经验系数对分层总和法进行 修正。我国现行的《建筑地基基础设计规范 》和《公 路桥涵地基与基础设计规范》等即采用了此法。其 中修正系数是一个综合经验系数，是根据建筑物长 期观测资料得到的。利用实测资料推求沉降避免了 室内试验和理论 计算假设条件中存在的问题。因 此，分析实测沉降与时间关系采取经验估算方法，即 为沉降与时间曲线选配适 当的函数方程，然后再进 行计算。目前，工程上常用的拟合曲线有：指数曲线 法，双曲线法及沉降时间倒数法等[5 ]。 曲线拟合方法属于经验方法，即采用与沉降预 测曲线相似的曲线进行拟合 ，然后外延求出后期沉 降量。双曲线型、对数 曲线型经验公式具有需要样 本分布典型、信息参数多的不足和缺陷，且人为地将 软土地基的沉降与时间曲线假定为某一数学模型 ， 由此使得沉降计算值与实际值之间存在一定距离。 其推算原理不强 ，理论性不够明确 ，预测精度不高， 也会因实测沉降时间不够，无法用拟合推测，但比较 简单明了，所以有一定的实用性。 4．2 反分析方法 通常情况下 ，计算地基土的沉降所采用的计算 模型参数是由室内试验确定的。然而由于土样在取 土、运输过程 中的扰动 ，现场和试验两者边界条件的 差异 ，以及地基土分布的不均匀，由室内试验测定的 参数往往与实际值存在较大差异。运用实测沉降数 据反演地基主要固结参数 ，再进行地基沉降预测的 反分析方法。该方法考 虑几种常用 的地基处理方 法，利用早期的沉降实测数据和准确的加载信息，可 以预测更长时间内的累计沉降量、沉降速率、工后沉 降和最终沉降量 ，同时也可 以推算 出一些土体主要 维普资讯 http://www.cqvip.com 54 土 工 基 础 变形的平均参数。计算出任意时刻地基的沉降值 ， 并可以画出沉降一时间关系曲线。 反分析方法具有较高的实用价值，这不仅能够 指导软基路段的加、卸载施工 ，而且能够得到实测的 参数来修正实验室试验参数 ，同时还可以给相似地 基高速公路的设计 、施工提供参考依据。但是反分 析方法受到所选择的预测模型精度的影响。 4．3 多元非线性相关分析法 在沉降预测方面 ，大部分的预测是针对工后沉 降问题对最终沉降的预测 ，而在软土地基上修建高 速公路时，如何控制填土速率，在工程中，往往是通 过沉降观测分析等来指导施工。多元非线性相关分 析法能对沉降中短期进行预报[8]，可以有效地预测 未来一段时间的沉降 ，从而对调整工程进度很有意 义 。 该方法在广(州)梧(州)高速公路软土路基沉降 预测中，选取了表面沉降量 、分层沉降量、侧向位移 和孔隙水压力等作为相关 因素，且选取直观反映软 土路基稳定的表面沉降因素作为目标函数。根据实 测数据进行相关系数分析，通过两步筛选后确定预 报因素，进而列出回归方程，运用 MATLAB数学工 具编程求解 ，并将回归方程还原为非线性方程，最后 拟合出目标函数表面沉降与时间之间的关 系，并进 行短期预测 ，应用效果较好。但是该方法不能对软 土路基沉降作长期预测，并且要求样本量大且有较 好的分布规律等 。 4．4 灰 色 系统法 灰色系统理论的基本思路是：首先对数据进行 累加处理(1一 AGO)，使观测数据序列的随机因素 影响淡化 ，从而提高观测数据序列的内在规律 ，然后 再将数据序列建成一个变量具有微分、差分、近似指 数规律兼容的灰色模型[g]。 利用灰色模型(GM)进行预测 ，它对 实测数据 没有严格的要求 ，而且灰色预测还是一个动态预测 ， 它可以根据新增加的实测数据而相应地变动模型， 而计算程序不需要变化，这正好适应于软土路基 的 信息化施工。用灰色模型预测软土路基最终沉降量 的计算程序 ，对观测数据不需要进行特殊处理 ，因而 不会出现与实际不符的情况 ，具有一般性 ，它克服和 弥补了传统模型需要样本分布典型、信息参数多 的 不足和缺陷 ；它具有要求数据少 、计算简单而严密 、 精度高等优点。其计算结果 比用三点法 、双曲线法 的预测结果具有更高的精度 。当然 ，灰色模型的信 息参数是决定模型是否取得 良好精度的关键 ，灰色 模型虽然是动态的，但其建模 的前提是要求原始时 间序列隐含着指数变化规律。 4．5 有 限元法 有限元法是将地基和结构作 为一个整体来分 析，将其划分网格，形成离散体结构，在荷载作用下 算得任一时刻地基 和结构 各点 的位移 和应力[1 。 其中基础底面的竖向位移就是所要求的沉降量，有 限元法分为弹性有限元法和弹塑性有限元法。土的 弹性应力一应变数学模型包括线性和非线性弹性模 型。目前应用较广的是邓肯一张双曲线非线性弹性 模型。它可以考虑应力历史 ，土与结构共同作用 ，复 杂的边界条件 ，施工逐级加荷、土层的各向异性等对 变形的影响因素。但是它的缺点是计算工作量大， 参数确定困难大，要做三轴排水实验 。 4．6 基于 MATLAB的 BP人工神经网络法 神经网络工具箱是 MATLAB环境下所开发出 来的许多工具箱之一。它是以人工神经网络理论为 基础 ，用 MATLAB语 言构造 出典型神经网络的激 活函数，使设计者对所选定网络输出的计算 ，变成对 激活函数的调用。另外，根据各种典型的修正网络 权值的规则，加上网络的训练过程 ，用 MATLAB编 写出了各种网络权值训练的子程序 ，直接调用即可 。 地基沉降受多种因素的影响和制约 ，其变化的 自然规律很难用一个显式的数学公式予以表示。而 人工神经网络是这一领域的一个突破 ，该方法视传 统函数的 自变量和因变量为输入和输 出，将传统的 函数关系转化为高维的非线性映射，而不是显式的 数学表达式。该方法在处理非线性问题上，具有独 特的优越性。在针对软土地基沉降预测时，就是利 用实测资料对复杂的非线性的土工结构进行直接建 模 。具体做法是：先应用 ANN 建立沉降影响因素 参数(如处理方式、软土层厚度、地基硬壳层厚度、软 土的压缩模量、硬壳层 的压缩模量、路堤宽高比、施 工期和竣工时沉降量等)与沉降之间的非线性关系， 再将待测点的实测沉降影响因素参数输入到已训练 好的网络中，即可得到预测的沉降量[1 ]。 虽然反向传播法得到广泛的应用 ，但也存在 自 身的限制与不足 ，具体表现有 ：(1)对于一些复杂问 题 ，可能要进行长时间的训练；(2)完全不能训练，网 络出现麻痹现象 ；(3)陷入局部极小值，不能保证所 求解为误差平面的全局最小解。为了避免这些 问 题 ，本文提出采用遗传算法解决 了传统优化方法对 于复杂优化问题容易陷入局部最小的问题 。近年来 发展起来的遗传算法(GA)是借鉴生物 的自然选择 和遗传进化机制而开发出的一种全局优化 自适应概 率搜索算法 ，它可克服神经网络方法的缺点。它使 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 刘 鹏等 ：高速公路软土路基沉降预测方法分析 55 用群体搜索技术 ，通过对当前群体施加选择 、交叉 、 变异等一系列遗传操作，从而产生出新一代的群体 ， 并逐步使群体进化包含或接近最优解 的状态 。 采用遗传算法和神经网络相结合 ，既利用了神经网 络的非线性映射网络推理预测功能，又利用了遗传 算法的全局优化特性 ，二者结合相得益彰 ，不仅提高 了沉降预测精度，而且使得计算操作可行 ，沉降预测 更能反应工程实际。 5 结束语 为了得到较为准确的后期沉降量推算结果，必 须对路基的沉降进行准确的观测 ，应该在路堤开始 填筑时就进行观测 ，同时应尽可能地进行长期观测， 在数据处理时应选择有实际意义的数据 。而且在实 际的沉降预测中，并不单纯地依赖某一种方法，只有 对每一种计算方法 的原理 、优缺点和计算结果 的精 度都有了了解之后 ，才能在实际的运用过程中灵活 地选择。 基于人工神经网络并结合遗传算法进行优化的 方法，在高速公路软土路基沉降预测 中应该是一个 发展方向。另外 ，近年来有限元方法发展迅速，在沉 降计算时有其独特的优势 ，也应该是个发展方向。 参 考 文 献 [13 折 学森．软 土地基沉降计算 [M]．jE京 ；人 民交通 出版 社， l999． [2] 钟才根，丁文其 ，王茂 ，张胜．神经网络模型在高速公路软基沉 降预测中的应用E1]．中国公路学报，2003，16(2) [3] 刘银生，杨东援．公路软土地基总沉降预测研究[J]．公路交通 科技 ，1999，16(3) [4] 宰金珉，梅国雄．全过程的沉降量预测方法研究[J]．岩土力 学 ，2000，21(4) [5] 钱玉林 ，丁毅．路基沉降预测及其工程应用[J]．扬州大学学报 (自然科学版)，2001，4(2) [6] XU Yong—ming，XU ze—zhong．A new method to predict the settlement of embankment[1]．Journal of Hehai Universi- ty，2000，28(5) [7] ZAI Jin—min，WEI Guo—xiong．Forecast method of settle— ment during the complete process of construction and operation [J]．Rock and Soil 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artificial neural network with genetic algorithm based on M ATLAB tO forecast settlement of soft clay subgrade is put forward． Key words expressway，soft clay subgrade，forecasting methods 维普资讯 http://www.cqvip.com