（岩土工程专业论文）武广客运专线红粘土地基沉降计算与预测方法研究.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 武广客运专线设计时速为2 0 0 3 5 0 l ，全线采用无碴轨道，必须 具备高平顺性和高稳定性，该线对路基工后沉降量的要求非常严格， 工后沉降量一般要求不大于15 m m ，对长度大于2 0 m 的路基要求控制 在3 0 m m 以内。武广客运专线分布有近1 0 0 k m 的红粘土，红粘土作为 区域性的特殊土，具有独特的工程特性和分布特性，红粘土地基的变 形是否能满足客运专线的设计要求，是设计单位最为关心的问题。本 课题的核心是对武广客运专线红粘土地基的沉降变形进行研究，找出 最适合红粘土地基沉降计算和预测的方法，并对多个工点进行计算和 预测，为武广客运专线红粘土地基的设计提供验证的依据。 本论文紧扣课题，以现场原位试验为基础，对武广客运专线原位 试验结果进行分析研究，建立了载荷试验变形模量、标贯击数及静力 触探指标分别与室内压缩模量的经验关系；统计出各工点红粘土地基 的变形模量值及承载力特征值；同时对载荷试验p s 曲线进行分析， 使用基于载荷试验p s 曲线的切线模量法计算红粘土地基的沉降，并 通过多个工点的计算验证该方法的可靠性。在沉降预测方面，基于现 有的沉降预测模型，引入预测学中的变权重组合预测方法和最优组合 预测方法，分别对武广客运专线三个工点沉降进行预测，并与监测数 据对比，验证该方法的可靠性。本论文最后从数值模拟入手，分别采 用f l a c 3 d 模拟载荷试验和f l a c 2 d 模拟分级加载路堤荷载作用下的红 粘土地基沉降，通过采用室内压缩模量转换的变形模量用于数值模拟， 对比载荷试验读取的数据，发现数值模拟结果与载荷试验可以很好的 吻合，说明本论文建立的变形模量与压缩模量的经验关系非常可靠， 另外将f l a c 计算出的沉降量、实际监测的沉降量和沉降预测的沉降量 对比，验证沉降计算方法和沉降预测方法的正确性和可靠性。 关键词：红粘土，载荷试验，沉降计算，沉降预测，f l a c 数值模拟 硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t s i n c et h ew h o l el i n eo fw u h a n g u a n g z h o up a s s e n g e rd e d i c a t e d r a i l w a yu s e db a l l a s t l e s st r a c ka n di t sd e s i g ns p e e di s2 0 0 - 35 0 k m h ，t h e h i g hr i d e c o m f o r ta n d h i g h s t a b i l i t y i s s i g n i f i c a n t s p e c i f i c a l l y , t h e r e q u i r e m e n to fp o s t c o n s t r u c t i o ni ns u b g r a d es e t t l e m e n ti sg e n e r a l l yb e l l o w 15 m ma n dt h ed e m a n do fs e t t l e m e n tf o rt h eb e dl e n g t he x c e e d2 0 ms e c t i o n i sa l s os e v e r e ，w h i c hs h o u l dn o te x c e e d30 m m a sar e s u l t ，t h ef o u n d a t i o n d e f o r m a t i o ns h o u l db ec o n t r o l l e ds e v e r e l y h o w e v e r , a sar e g i o n a ls p e c i a l s o i lw h i c hh a v es p e c i a le n g i n e e r i n ga n dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e r e a r en e a r l ylo o k mr e dc l a yd i s t r i b u t e da l o n gt h e w u h a n g u a n g z h o u p a s s e n g e rd e d i c a t e dr a i l w a y t h e r e f o r e ，w h e t h e rt h ed e f o r m a t i o n f o r f o u n d a t i o no fr e d c l a y s a t i s f i e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n ti st h em o s t i m p o r t a n tp r o b l e mw h i c hd e s i g nu n i tc o n c e r n e d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h f o rs e t t l e m e n td e f o r m a t i o no fr e dc l a yf o u n d a t i o ni nt h ew u h a n g u a n g z h o u p a s s e n g e rd e d i c a t e dr a i l w a y , t h em o s ts u i t a b l em e t h o dt oc a l c u l a t ea n d p r e d i c tt h ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n to f r e dc l a yi sd e r i v e d b yc a l c u l a t i n ga n d p r e d i c t i n gs e v e r a lw o r kp o i n t s ，t h ev e r i f i e db a s i sf o rf o u n d a t i o nd e s i g no f r e dc l a yi nt h ew u h a n g u a n g z h o up a s s e n g e rd e d i c a t e dr a i l w a yh a sb e e n p r o v i d e d ，w h i c hi sc o r ep a r to f t h i ss t u d y b a s e do ni n s i t up l a t el o a d i n gt e s t ，a n da n a l y z i n gt h er e s u l t so ff i e l d i n s i t ut e s t ，t h ee m p i r i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o d u l u so fc o m p r e s s i b i l i t y a n di n s i t um o d u l u so f d e f o r m a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n t e r i o r m o d u l u so fc o m p r e s s i b i l i t ya n ds t a t i cc o n ep e n e t r a t i o nt e s ti n d e xa n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n t e r i o rm o d u l u so fc o m p r e s s i b i l i t ya n db l o wc o u n t o f s t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s ta r es u m m a r i z e dr e s p e c t i v e l y t h ev a l u eo fr e d c l a y f o u n d a t i o nf o rd e f o r m m i o nm o d u l u si ne a c h w o r k i n gp o i n t i s s t a t i s t i c e da n dm e a n w h i l et h ep sc u r v eo fl o a d i n gt e s ti sa n a l y z e d t h e s e t t l e m e n to fr e dc l a yf o u n d a t i o ni sc a l c u l a t e du s i n gt h et a n g e n t i a lm o d u l u s m e t h o dw h i c hb a s e do np - sc u r v eo fl o a d i n gt e s t ，a n di t sr e l i a b i l i t yi s p r o v e dt h r o u g hc o m p u t i n gt h ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n ti ns e v e r a lw o r k i n g p o i n t s a c c o r d i n gt oe x i s t i n gs e t t l e m e n tf o r e c a s tm o d e l ，t h ev a r i a b l ew e i g h t c o e f f i c i e n tc o m b i n a t i o nf o r e c a s t i n gm e t h o da n do p t i m a lc o m b i n a t i o n t t 硕士学位论文a b s t r a c t f o r e c a s t i n gm e t h o di nf o r e c a s ts c i e n c ea r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e la n dt h e v a l u e so fs e t t l e m e n ti nt h r e ew o r k i n gp o i n t so fr e dc l a yf o u n d a t i o ni s p r e d i c t e d b yc o m p a r i n gw i t ht h em o n i t o r i n gd a t e s ，t h em e t h o di sv a l i da n d r e l i a b l e a tl a s t ，t h es e t t l e m e n to fe m b a n k m e n tf o rr e dc l a yf o u n d a t i o n u n d e rs t e pl o a d i n ga n dl o a dt e s ta r es i m u l a t e db yf l a c r e s p e c t i v e l yu s i n g t h ed e f o r m a t i o nm o d u l u sw h i c hc o n v e r tf r o m i n t e r i o rm o d u l u so f c o m p r e s 嗣i b i l i t y b yc o m p a r i n gw i t ht h er e s u l t so fl o a dt e s t ，i ti sf o u n dt h a t t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h el o a dt e s ti s q u i t e a n a s t o m o s i s ，w h i c hi n d i c a t et h ee m p i r i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e f o r m a t i o n m o d u l u sa n dc o m p r e s s i b i l i t ym o d u l u sd e r i v e di nt h i s p a p e ri sr e l i a b l e f u r t h e r m o r e ，t h ec o m p a r i s o na m o n gt h es e t t l e m e n tc a l c u l a t e db vf l a c t h es e t t l e m e n to fp r a c t i c a l m o n i t o r i n g a n dt h ev a l u eo fs e t t l e m e n t p r e d i c t i o n ，i l l u s t r a t et h a tt h em e t h o do fc a l c u l a t i n gs e t t l e m e n ta n dp r e d i c t i n g s e t t l e m e n ti sv a l i da n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：r e dc l a y ，p l a t e l o a d i n gt e s t ，s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n ， s e t t l e m e n tf o r e c a s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yf l a c i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 醐。号链胜日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：导师签名盏! ! 望兰至日期：j 竺l 年月竺日 硕十学位论文第一章绪论 1 1 研究目的及意义 第一章绪论弟一早 珀了匕 高速铁路在我国称作客运专线，它是现代高新技术集合的产物。国家已经批 准立项的客运专线项目有：郑西、武广、京津、石太、合宁、合武、甬温、温福、 福厦、沪一汉一蓉通道。武广客运专线的建设，是我国铁路发展的一个重要里程 碑，标志着铁路客货分离新理念的正式实施。武广客运专线建成后，老武广线将 主要承担货运，客流则由武广客运专线承运。在低速情况下，路基变形对列车运 行造成的影响不太突出，即便有不均匀沉降，对于低速行车并不构成严重影响， 可以通过施工作业来改善这一问题。但是在高速情况下，路基在重复荷载作用下 所产生的累计沉降和不均匀下沉所造成的轨道不平顺将严重影响列车运行速度、 舒适度和线路养护工作量。客运专线必须具备高平顺性、高稳定性、高精度、小 残变、少维修等特点。根据其出现的新特点，武广客运专线主要引进国外无碴轨 道设计及施工技术为主。轨道的高平顺性是保障列车高速、平稳运行的基本条件， 路基是保持线路平顺性的基础，路基作为轨道的基础，其变形的大小会直接反映 在轨面上。控制路基沉降和纵向刚度均匀性变化，是高速铁路路基设计和施工的 关键之一。因此必须准确预估地基的沉降量，从而采取措施使地基沉降在施工阶 段提前完成或使路基建成后地基的工后沉降控制在一定的允许范围内，使之不影 响列车安全运行。目前各高速铁路国家确定地基工后沉降的方法主要有两个途径： 一种是根据高速行车对线路的要求及线路维修能力来确定；另一种是通过比较前 期建设投资与后期养护维修的经济性来确定。有关计算方法是先计算出地基的最 终沉降量，然后确定地基拟采用的处理方案，计算出该方案下地基在施工工期内 完成的沉降量，两者之差即为工后沉降。 与普通铁路不同，设计速度为2 0 0 - - - 3 5 0 k m h 的客运专线全线采用无碴轨道， 对路基沉降的目标要求为”零 工后沉降，在特殊土地段对沉降量要求也很严，要求 控制在2 0 m m 以内，任意路基地段2 0 m 长度范围的不均匀沉降不得大于2 0 m m 2 0 m 。 无碴轨道对沉降吸收，只允许有很小的沉降，并保证该沉降能够通过调整轨道扣件 吸收掉，工后沉降最多只能为1 5 m m ，这样才能均衡由于荷载产生的5 m m 的额外弹 性位移。武广铁路客运专线是中长期铁路网规划中第一批经国务院审批立项 的铁路客运专线，也是我国铁路目前开工建设的线路里程最长、技术标准最高、 投资最多的客运专线，全长9 9 5 公里，工程投资9 3 0 亿元，建设工期4 年半。它要为 我国今后的客运专线建设提供经验，不仅要在工程质量上起到示范作用，而且要 在技术规范和施工工艺上提供范本。 1 硕十学位论文 第一章绪论 武广客运专线武汉至韶关段分布近1 0 0 k m 的灰岩残积层红粘土地基，厚度由 数米到数十米不等。该类红粘土地基从上至下分别为红色硬塑网纹状粘土、褐黄 色硬塑粘土夹粗细砂砾、褐黄色软塑粘土夹锰铁质结核。红粘土是一种弱膨胀性 的土，具有大孔隙、高含水量、高液限、高塑性、低密实度、低压缩性的特点， 由于单个孔隙体积微小，土粒间为铁铝氧化物胶结，所以具有较强的结构联接。 但土体沿深度从上向下含水量增加，土质状态由硬变软，强度降低，接近下卧基 岩面处，常呈软塑状态，其强度低，压缩性较大。对于高速客运专线铁路无碴轨 道路基，由于对工后沉降要求很严，而红黏土的大孔隙、高含水量、高液限、高 塑性、非饱和等特殊性质，使红黏土的沉降估算很难满足设计精度要求，并有可 能造成红黏土路基工程地基处理费用的不必要增加。经国内外调研发现，国外对 红土的研究主要集中在农林、地质、环境、土壤等领域，国内许多学者从宏观、 微观多角度对红粘土的物理力学性质等进行研究，并取得大量的研究成果，但是 针对于红粘土地基的沉降变形规律的研究，相关文献资料不多。鉴于目前国内尚 缺乏深入研究，也是武广客运专线路基稳定性及变形控制设计与治理综合技术面 临的难题，迫切需要进行深入而广泛的研究。为此，武汉至广州客运专线乌龙泉 至花都段修改初步设计审查意见要求针对本线红黏土地基开展调研、理论分析、 室内试验、现场填筑试验、平板载荷试验、静力触探、标贯等，旨在研究红黏土 地基、基床、路堑边坡的变形规律，为本线施工图设计提供验证，修正沉降计算 方法与相关参数。 1 2 红粘土地基沉降问题国内外研究现状 1 2 1 红粘土简介 红粘土f j 】是指岩石( 或原土) 主要于中更新世时期( q 2 ，在华南热带区则包括第 三纪和更新世以来的整个第四纪时期) ，经过红土化作用形成的褐红色、棕红色、 棕褐色、紫红色、黄红色等的红土，或与灰白色、黄白色、黄色等相间组成网纹 红土，或为砾质、砂质粘性土等，其工程特性与一般粘性土不同。原生红土经过 搬运后而仍具有红粘土主要特征的则是次生红粘土，也可以叫做类红粘土，有冲 洪积、坡洪积、洪积等成因。 1 2 2 沉降理论的形成 沉降问题历来是土力学中的主要研究课题之一。自从t e r z a g h i 2 ( 1 9 2 3 年) 的一 维固结理论问世以来，路基沉降的理论研究已取得了长足的进展，并且在工程建 设中发挥了巨大的指导作用，此后又有很多人为该方法的改进和完善做出了重要 2 硕+ 学位论文第一章绪论 的贡献。随着土力学学科的发展，路基的沉降计算也得到了发展，最近二、三十 年来，许多学者又提出了新的计算方法。然而从工程建设的发展与要求来看，仍 需对现有的路基沉降理论作进一步的研究和改进。正如b a l a s u b r a m a n i a m 和 b r e n n e r 3 j 所指出的那样地基的沉降计算理论尽管有了很大改进，但沉降的预估比 一般的土工计算更具技术性，在高速铁路施工中，沉降量的变化与路堤填筑、预 压、路面结构层施工及完建后运行等四个阶段相关。现在，在许多情况下已经能 够预测出不超过7 0 - - - - 8 0 的最终沉降量，但是预估沉降与时间关系的能力仍然相 当差。自上个世纪7 0 年代以来，随着计算机技术的进步，采用有限元分析法计算 地基沉降已成为可能，但时至今日，路基沉降课题仍然困扰着土木工程技术人员。 沉降问题至今仍然是工程中的世界性难题，究其原因有：( 1 ) 新的理论和技 术尚不成熟，且对技术人员的素质和工程测试手段提出了很高的要求。虽然有限 元技术的发展已为分析地基沉降提供了一种有用的手段，但即使在将来，也不会 在工程中完全代替经典分析法；( 2 ) 工程技术人员总希望地基沉降的计算方法能 够尽可能地简便直观，所需试验参数少而易确定；( 3 ) 土中自重应力和附加应力 的应力传递受场地土性的影响较大，而理论自重应力和理论附加应力计算中几乎 没有考虑土性的影响，必然引起较大差异，尤其在土性变化比较大的场地，差异 尤为明显；( 4 ) 地基沉降的分析中涉及外荷载计算、土体应力的分布、土体固结 度计算、土体变形计算，以及土体试验参数的选用等许多环节，各种环节之间又 互有影响，其相互关系也随时间而变化，因此地基沉降分析是一项复杂系统的工 程，每一环节的疏忽都可能导致错误的结果。 在实际应用中，工程人员的经验和技术仍然起着关键作用。这一方面是因为 新的理论与技术尚不成熟，且对技术人员的素质及工程测试手段提出了很高的要 求；再者由于路基沉降的分析需要理论与实践密切结合，所需的试验参数少而易 确定，对各种工程情况均有良好的适应性，这就使路基沉降分析中难免加入一定 的经验成分。近十几年来，路基沉降的预估成了_ _ 大技术难题，各地相继开展了 规模较大的沉降观测工作，积累了大量的数据和资料。纯经验或纯理论的观点都 不可取，从工程的建设与需求来看，对现有的路基沉降计算理论作进一步的研究 与改进，充分利用现有的实测资料，使沉降的计算值与实测值更为接近，更好地 为工程建设服务，是一件很有价值的工作。 1 2 3 红粘土地基沉降计算方法研究现状 目前，地基沉降的计算方法有：理论公式法、数值分析法、观测资料的回归 分析法。 路基沉降按照其发生的机理可以分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部 硕+ 学位论文第一章绪论 分。固结沉降是构成地基沉降中最主要的部分，一般采用弹性理论或一些经验公 式计算，如：单向压缩法、规范法、割线模量法、三向应力法、p z g p 法、现场试 验法等。 理论公式法建立在t e r z a g h i f 2 】等人创立的经典土力学基础上，并在其中引入 了许多简化假定，这类方法具有简便、直观、计算参数少且容易获取等优点，因 而在工程中得到了广泛的应用。在基于纯理论进行沉降计算的方法中，最常用的 是基于e - p 曲线或p 切曲线的单项压缩法【4 j ，方法简单实用，公式所用参数通过 室内试验获得，试验难度小，技术成熟，时间花费少，试验费用低，因此在工程 中被普遍应用。 黄文熙【7 0 】在建议在沉降计算中考虑土体三维变形情况，在一维计算的基础上 乘以大于l 的系数，建立三向应力沉降计算法。三向应力法【6 胴和割线模量澍引， 参数通过三轴试验和固结试验获取，也是工程中经常用到的沉降计算方法。 静力触探法【6 】【7 】是原位测试中常见的方法，用该方法进行沉降计算，也很值得 推广，因为原位试验获取的参数较室内试验更为准确可靠。基于原位试验和室内 试验指标相结合进行沉降计算，可以结合载荷试验、静力触探试验、标贯试验和 室内土工试验指标，分别用静力触探指标与压缩模量建立的经验关系、载荷试验 与压缩模量建立的经验关系、标贯击数与压缩模量建立的经验关系进行沉降计算。 建筑地基基础设计规范 5 1 采用修正系数伊。来反映沉降量计算值与实测值 的差别，对计算结果进行修正，最大的特点是从若干实际工程中积累沉降实测数 据，进行统计分析确定理论计算值与实测值之间的经验系数，这个经验系数具有 综合性、可靠性和实用性。 王福胜【9 】在综合考虑地基填土高度( 功、填土容重( 功、施工速率( 功、地基处 理类型口、土层地质条件( y ) 等影响因素条件下，提出了推算地基沉降系数的经验 公式m 。= 0 6 1 6 y o + 7 ( 秒h o 2 + v 日) + 】，。 王志亮【l0 】通过非线性有限元计算，分别给出了一般粘性土和软土的沉降修正 系数式子，提出了考虑应力历史的沉降修正系数和考虑土体侧胀性的修正系数； 并指出随着路堤相对高度的增大以及软土的孔隙比增大，沉降修正系数也在不断 增大。 何思明【l l j 基于土体的非线性弹性塑性本构方程提出了修正分层总和法， 其中弹性矩阵采用d u n c e n c h a n g 本构模型，塑性部分则采用修j 下剑桥模型。该理 论既有常规分层总和法简单，便于理解运用的优点，又能考虑土体的弹性非线性 以及塑性变形特性，同时还能考虑土体三向应力对其变形的影响。 陈开圣等【1 2 】对于分层总和法计算路基沉降中应注意的问题，如梯形断面荷载 附加应力的计算、压缩层厚度的确定、压缩模量的确定均进行了初步的探讨。 徐金明 1 3 1 通过编制可视化应用程序，对分层总和法计算沉降的传统方法作了 4 硕士学位论文第一章绪论 较大的改进，地基中的附加应力采用原始积分公式，压缩曲线采用双曲线形式， 使用非线性最d - - 乘法进行拟合处理，压缩层计算深度与分层厚度也做了很大的 改进。 王志亮【l o 】还介绍了一种在无高压固结试验时可在a v 法、e p 法中计入土体应力 历史影响的思路，提出了相应的修正系数概念，分析了该修正系数对于不同状态 土体的大致取值范围，并给出了其近似计算式。 杨光华【1 4 】【1 5 】根据原状地基的载荷试验曲线，建立原状土的切线模量与应力水 平关系的切线模量方程，对地基不同点根据其应力水平由切线模量方程确定计算 点原状土的切线模量，该切线模量对地基沉降进行分层总和法计算，其特点是切 线模量是由原位试验得到的，能反映原状地基土的特点，同时考虑应力水平的影 响，反映了土的非线性特点。 c a s a g r a n d e 用室内试验得到前期固结压力，并同现场有效应力相比较，把粘性 土分为正常固结土、超固结土和次固结土三类，对这三类地基土采用不同的沉降 计算方法，这种方法是考虑了应力历史的沉降计算方法。 余湘娟【i6 j 通过总结和分析，得出结果表明：对超固结土，次压缩系数随荷载 增大而增大；对正常固结土，次压缩系数随荷载增大而减小。 殷宗泽【1 7 l 在e 1 9 p 曲线理论的基础上，提出了相对时间坐标系与绝对时间坐标 系的概念，建议在次压缩计算中采用绝对时间坐标系，从而建立了一种新的适合 用于正常固结土和超固结土的次固结计算方法。 于芳等【l 驯采用改进的m e r c h a n t 模型和参数确定方法，编制非线性黏一一弹性 固结模型有限元计算程序对地基土沉降计算进行蠕变一固结有限元分析。 谢康和等【1 9 j 基于单层超固结饱和土固结理论研究表明，。考虑应力历史影响比 未考虑应力历史影响时，地基沉降小，固结发展；荷载的大小、上下土层先期固 结压力、土体压缩性和渗透性的变化等对双层地基的固结性状均有明显影响。周 瑾指出考虑应力历史影响比未考虑应力历史影响时，地基沉降小、固结发展快。 s k e m p t o n b j e r r u m t 2 0 】主张在一维计算结果基础上，当地基为欠固结土时乘以 小于1 的系数。固结沉降采用一维固结沉降值乘以一个系数得到，总沉降值等于 初始沉降、固结沉降和次固结沉降之和。 1 9 6 7 年l a m b e 2 1 提出应力路径法，该法的计算程序为：计算某点的自重应力， 在根据弹性理论计算附加应力引起的竖向和水平应力；进行三轴试验，土样先在 自重应力下固结，然后加上附加应力。量取在附加应力作用下固结前( 即尚未排 水) 及固结后竖向应变；用量得的两种应变分别计算地基的初始沉降及固结沉降。 李纲林【2 2 j 利用两种应力路径法( 室内试验模拟现场有效应力路径法和应力一应 变等值线法) 对软粘土地基进行了沉降计算，通过与实测值进行了比较，得出室内 试验模拟现场有效应力路径法是一种更符合实际的沉降计算法。 气 硕十学位论文第一章绪论 周j 下茂【2 3 】以翰状态为计算起点，运用增量理论给出了变形模量随应力增量比 变化的计算方法，在此基础上得到了新的考虑应力路径的沉降计算法。 数值分析法是近代土力学研究的产物，上个世纪7 0 年代以来，随着计算机和 有限元应用技术的发展，人们可以将复杂的土工计算问题，通过计算机运算，得 到较精确的计算结果。数值计算方法依据土的本构关系，建立土的应力应变模型， 利用计算机对地基沉降进行数值求解，分析得出地基沉降。先后有多种形式的数 值方法被提出。地基沉降计算的数值方法【2 4 】【2 5 】【2 6 】【2 7 】主有5 种形式：差分法、有限 元法、边界元法、变分法、离散元法，目前应用最广泛的是有限元法。 有限元法是计算路堤沉降常见的数值计算方法，但其模型参数一般需要做三 轴排水试验确定。为了使该法更为实用，王志亮1 0 l 等人对已有的d u n c a n c h a n g 2 8 】【2 9 】 模型中切线弹模简化确定法进行了误差分析，提出了具体的修正系数；基于土体 的杨状态条件，给出了一个切线泊松比近似计算公式，对砂性土和粘性土均可适 用。刘国明用b i o t 3 0 j 固结有限元法对路堤软基沉降作非线性有限元分析，计算中 考虑了土体侧向变形、水平向渗流对沉降的影响；采用非线性本构模型，考虑了 土体应力、应变关系的非线性特性；考虑了施工的逐级加载，计算结果与实测吻 合较好。利用数值分析法，可以较全面地考虑土体的变形特性及其边界条件，理 论上较严密。但这种方法有一定的难度，缺乏理论公式法所具有的许多优点，因 此，在工程中未能得到广泛应用。由于红粘土上硬下软的特点，当荷载应力不大 时，非线性模型与弹塑性模型都能用爿二对红粘土地基进行数值模拟，但当荷载应 力较大时，土体出现塑性变形，此时非线性模型就不能模拟土体屈服塑性变形。 因此在数值模拟的时候，要据实际情况选择数值分析的本构模型。 观测资料的回归分析法是一种重要而有实际意义的方法，但须有足够多的观 测资料才具有较高的价值，本课题对武广客运专线沿线的郴州和咸宁两地的多个 工点都有大量实测资料，因此本论文将在红粘土地基沉降预测中使用这种方法来 研究红粘土地基的沉降，找到最适合于红粘土地基的沉降预测方法。 根据国内外已有的沉降计算方法，结合本课题的实际情况，对武广客运专线 非饱和红粘土地基沉降计算，拟选用单向压缩法、规范法、p z g p 法、割线模量法、 三向应力法、标准贯入法六种方法进行红粘土地基沉降计算，再与实测载荷试验 结果进行对比分析，选出最接近实测结果的计算方法，并利用沉降修正系数对计 算结果进行修正，然后将修正后的计算方法应用到红粘土地基沉降变形计算中， 找到最适合于红粘土地基的沉降计算方法及修正系数。本论文用f l a c 有限差分方 法对红粘土地基沉降变形进行数值模拟，再与地基沉降监测数据对比，检验数值 模拟的可靠性，然后建立最实用有效的数值模型，以及模型参数，建立红粘土地 基沉降计算的源程序，用于计算和预测红粘土地基的最终沉降量。 6 硕士学位论文第一章绪论 1 2 4 红粘土地基沉降预测方法研究现状 目前常用的地基最终沉降量预测方法较多，大体上可分为以下几种类型：曲 线拟合法【3 i 】、灰色系统法【3 2 1 、神经网络法【3 3 】【3 4 】、遗传算法【3 5 l 。基本上都是基于实 测沉降资料的预测方法，分述如下： ( 一) 静态预测法 静态预测法主要是指曲线拟合法，即采用与沉降预测曲线相似的各种曲线进 行拟合，然后外延求出后期沉降量。常用的方法有t a y l o r 法、c a s a g r a n d e 法( s - - l o g t ) 、 双曲线、法【3 6 】【3 7 】【3 羽、指数曲线法【3 9 1 、a s a o k a 法1 4 0 1 、星野法1 4 1 1 以及各种生长曲线沉降 预测模型，比如：v e r h u l s t 4 2 1 曲线模型、w e i b u l l l 4 3 1 曲线模型、l o g i s t i c 1 曲线 模型和g o m p e r t z t 4 5 】【4 6 1 1 4 7 1 曲线模型等。 ( 二) 动态预测法 1 x 色理论法【3 2 】 部分信息已知部分信息未知的系统称作为灰色系统，灰色理论包含许多内容， 其中灰色模型是其核心部分。灰色模型是利用系统部分已知信息，建立起反映系 统发展规律的微分数学模型，并通过建立的灰色模型来预测系统的发展。一般的 灰色模型为g m ( n ，h ) 模型，表示h 个变量的n 阶微分方程。利用灰色理论将无规律的 原始数据经生成后，变成有规律的数列模型。灰色理论从1 9 8 2 年提出至今2 0 余年， 在许多领域得到了应用，在岩土工程中亦有许多方面的应用。关于沉降的灰色预 测也在诸多文献谈及。 石世云【4 8 】( 1 9 9 8 ) 将多变量灰色模型m g m ( 1 ，n ) 应用到沉降变形预测中，将单 点的g m ( 1 ，1 ) 扩展为多点的m g m ( 1 ，n ) 模型，通过对建筑物沉降实例的分析，表 明m g m ( 1 ，n ) 模型精度高于分别单独使用g m ( 1 ，1 ) 模型的精度。 吕海澍4 9 】( 2 0 0 0 ) 探讨了应用灰色模型在数据统计方面应注意的一些问题。 郭红梅【5 0 】( 2 0 0 1 ) 探讨了灰色模型对复合地基的沉降预测。 张仪萍 s h ( 1 9 9 9 ) 阐述了灰色理论在沉降预测中的应用，并指出沉降灰色模型 预测法与a s a o k a 法是一致的，从而为灰色理论在沉降预测中的应用提供了坚实的 理论基础。 陆少伟、周春平【5 2 】利用灰色理论对地基进行不等时距预测，建立了不等时距 的地基沉降预测g m ( 1 ，1 ) 模型，后者利用模型对某住宅地基沉降进行了预测，预 测结果精度高于常用的双曲线法推算结果。 曾超等( 2 0 0 2 ) 1 5 3 】讨论了灰色系统理论在软土路基沉降量预测中的应用，以京 珠高速公路灵山实验段沉降观测数据为例，建立了沉降量灰色预测模型，并与三 点法、双曲线法的预测结果以及实测结果进行了对比，结果表明，灰色预测模型 的预测沉降量与实际沉降量更接近。 7 硕士学位论文 第一章绪论 2 神经网络法【3 3 】就是采用物理可实现的系统来模仿人脑神经细胞的结构和功 能的系统，它是由大量功能精度的神经元相联结而成的高度非线性动力系统，是 并行的结构；并有较强的容错能力，少量的神经元和连接发生差错对整体功能影 响较小；同时具有很强的自适应性能，可通过自身学习，以适应外部环境的变化。 尤其在处理信息复杂、背景不清楚、规则不明确的问题时，更显示其独特的优越 性。 3 遗传算法【3 5 】是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法，其基本思路 是模拟生物进化过程，生物遗传物质的主要载体是染色体，染色体的演化是一个 复制、杂交、变异、竞争和不断选择的过程。遗传算法的优化方式就是将一串数 据作为染色体种群，尽管它们不一定就是优化问题的解，但通过一个复制、杂交、 变异、竞争和不断选择的过程得到优化问题的解。 本课题有郴州和咸宁两工点的多个监测断面的沉降观测资料，拟选用曲线拟 合法对武广客运专线红粘土地基沉降进行预测，并通过对多个工点的试算和验算 来验证所选用方法的可靠性。 1 3 本论文的主要工作 1 3 1 研究思路 结合武广客运专线红粘土变形特性及路堑边坡稳定性试验研究课题的需 要，对红粘土特殊土地基的沉降进行研究，从地基沉降理论计算、基于现场实测 数据的沉降预测、基于f l a c 有限差分法对红粘土地基的沉降数值模拟三个方面 出发，找到适合红粘土地基沉降计算及红粘土地基变形研究的有效方法，为红粘 土特殊土地基的沉降研究填补空白，同时利用现场监测数据、理论计算结果、沉 降预测结果和数值模拟结果进行对比分析，形成四维一体的研究思路，形成完备 的红粘土地基沉降研究方法的论文。以武广客运专线实际工程背景为依托，研究 红粘土地基沉降计算方法，应用于工程设计，指导以后的工程建设。同时以该课 题为支撑，分析红粘土地基载荷试验，得出红粘土地基的承载力以及现场原位变 形模量，并以有空介质理论作为理论支撑，建立红粘土地基载荷试验的原位变形 模量与室内压缩模量之间的经验关系，用于红粘土地基沉降计算。 1 3 2 研究内容 本论文研究的第一部分为红粘土地基的现场原位试验，重点是研究平板载荷 试验，对武广客运专线沿线的红粘土地基进行了1 9 组的载荷试验，根据对这些载 荷试验的分析，总结出武广客运专线红粘土地基的基本承载能力，并建立武广客 8 硕士学位论文第一章绪论 运专线红粘土地基原位变形模量与室内试验压缩模量之间的经验关系，用于沉降 计算。 本论文研究的第二部分为武广客运专线红粘土地基沉降计算，借鉴用于软土 及其它土地基沉降计算的方法，分析红粘土特殊土的工程特性，选用单项压缩法、 规范法、割线模量法、三向应力法、e - l g p 法、标准贯入试验法等六种沉降计算方 法，对载荷试验工点及其影响深度范围内的红粘土地基沉降进行计算，由于各种 计算方法都有各自的假定，而且选取的参数多为室内试验参数，室内土样经过扰 动参数有误差，考虑对各种计算方法引入沉降修正系数，通过多个工点的沉降计 算，期望找到适合红粘土地基沉降计算的各种计算方法的修正系数，然后再对比 分析，找到最适合红粘土地基的沉降计算方法。同时，考虑到现场原位土试验参 数更可靠，而且本课题做了大量的现场平板载荷试验，因此引入基于载荷试验曲 线的切线模量法计算红粘土地基的沉降，对比其它各种沉降计算方法及载荷试验 实测沉降数据，看其是否合理可用，如可用则在多个工点推广应用计算红粘土地 基沉降，并对比地基沉降监测数据，检验其正确性及可靠性。 本论文研究的第三部分内容为红粘土地基沉降预测方法，基于多个工点的沉 降观测曲线，找到其曲线发展规律，利用各种曲线拟合方法进行拟合，期望能找 到最适合红粘土地基沉降的预测方法及预测模型，并引入变权重组合预测模型， 采用多种沉降预测模型进行变权重组合，减小各种模型预测值与实测值之间的误 差，建立最适合红粘土地基沉降预测的方法，将该方法运用于实际监测工点的沉 降预测，对比实测曲线，检验其可靠性。 本论文研究的第四部分内容是以红粘土实测沉降值作为对比依据，采用f l a c 数值模拟的方法对红粘土地基沉降进行计算，利用f l a c 内嵌的多种本构模型，强 大的前后处理功能，模拟实际地基各土层分布情况及路堤填筑的工况，经过计算 机运算得出路基断面的各个监测点的沉降计算值，对比实际监测值，检验数值模 拟的精度。利用f l a c 3 d 模拟平板载荷试验，并与平板载荷试验实测沉降值对比分 析，检验数值模拟的精度。本章的主要目的是看数值模拟的计算方法用于沉降计 算是否可靠，如果可靠，可建立普遍适用的沉降计算模型，用于红粘土地基的沉 降计算。 本论文的中心思想是研究红粘土地基的沉降变形计算，基于前人关于软土地 基的沉降研究思路，各种沉降计算方法、沉降预测方法和本课题所开展的大量原 位及室内试验，同时考虑到红粘土地基的特性，引入数值模拟分析方法，在计算 和处理数据的时候，加入将误差降到最低的数学处理思想，以求高精度和高稳定 性的沉降计算和预测方法。 9 硕十学位论文 第二章武广客运专线红粘士的试验成果 第二章武广客运专线红粘土的试验成果 2 1 武广客运专线红粘土室内试验得出的物理力学指标 在武广客运专线沿线的多个红粘土地基试验点( 咸宁工点，泉口工点，岳阳 工点，耒阳工点，郴州工点等) 取样，进行了大量的室内试验及现场原位试验， 总结出武广客运专线红粘土的物理力学指标参数，经过统计分析，发现该线红粘 土具有如下特点： 1 红粘土的物理力学指标具有两大特征：一是天然含水量w ，孔隙比e ，饱和 度s 以及塑性界限( 液限既，塑限w e ) 都很高，同时又具有较高的力学强度和较 低的压缩性；二是各类指标的变化幅度很大( 见表2 1 2 3 ) 。 表2 - 1武广客运专线红粘土室内试验指标统计表 形ps ， e sa 1 2 n 统计量 g s p ( ) ( g c m 3 ) ( ) ( m p a )( m p a l ) ( ) 最人值5 1 3 02 0 92 8 81 0 0 2 5 0 30 6 21 4 55 9 2 0 最小值 1 8 7 01 7 12 7 27 7 2 03 6 80 0 7o 3 53 7 0 0 平均值3 1 1 21 9 l 2 7 79 3 2 41 1 5 7o 2 1o 9 14 7 0 6 标准差 4 7 00 0 70 1 04 6 9 95 6 2o 0 9o 1 2 1 4