（地质工程专业论文）高速公路填方路基沉降预测方法研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 近年来，随着我国高速公路正逐步向中西部地区的延伸，出现了越来越多的高填方路堤，由于我国 东西部高速公路建设过程中遇到的地质问题差异较大，所以不能简单地将在东部积累的经验用于中西部， 为此，针对中西部地区出现的高路堤，开展高路堤沉降观测和沉降规律的研究就有其必要性通过对实测 的路基沉降观测资料进行整理分析既可以对后期沉降进行预测，也可以总结不同土质路堤的沉降变形规 律，据此可以指导进一步的优化设计，改进有关的施工工艺，直接为公路施工决策提供科学依据。 本论文主要涉及以下几方面的工作： 1 ) 路基沉降预测方法的研究 首先在了解高填方路基的地基沉降机理和路堤沉降机理的基础上进行路基沉降预测方法研究，总结 各种预测方法的优缺点。 2 ) 建立高路堤沉降的灰色预估修正模型 在建模中，考虑到沉降观测时间序列的非等时距性、实测沉降数据的不断更新性和填土加载过程对 沉降预估结果的影响，分别建立高路堤沉降的非等时距预估模型、等维新息模型和考虑路堤加载过程的 修正模型以对原模型进行修正；并通过实例分析验证比原模型更准确。 3 ) 建立非等时距的皮尔预估模型 在分析皮尔曲线在高路堤沉降预估中应用的理论基础上，为了解决非等时距实测沉降观测数据的建 模问题，运用l a g r a n g e 插值法实现了非等时距沉降时间序列的等时距变换，然后基于等时距的皮尔预估 模型建立了非等时距的皮尔预估模型；并通过实例分析验证比原模型更准确。 4 ) 提出一种新的高路堤沉降预估方法：模糊自适应变权重组合预测法 该算法能根据各个单项预测方法在过去和最近时期与实际观测值的匹配程度，自动地调整权重的分 配，因此其预测值较单一预测方法具有更高的可靠性。通过实例分析验证该路基沉降预测方法有一定的 合理性和可行性。 关键词：高路堤；沉降预测；皮尔曲线；自适应变权重组合预测；灰色预测； 桂林工学院硕士学位论文 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ep r o c e s so fh i g h w a ye x t e n d i n gt om i d w e s to fc h i n a , t h e r ew i l lb em o r ea n dm o l e h i 曲e m b a n k m e n t s d u et ot h eg r e a tg e o l o g i c a ld i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ew e s ta n dt h ee a s to fc h i n a , t h e e x p e r i e n c eg a i n e di nt h ee a s tp a r tc a nn o tb ea p p l i e dt ot h em i d w e s ti nt h ec o u r s eo fc o n s t r a c t i o no fh i g h w a y t h e r e f o r e ，f o rt h ec o n s t r u c t i o no fe m b a n k m e n ti nt h em i d w e s t ，i ti sn e c e s s a r yt ol a u n c ho b s e r v a t i o n so nt h el o c a l s e t t l e m e n ta n dr e s e a r c hp r o g r a m m e r sf o rh i g l le m b a n k m e n t ss e t t l e m e n tp a t t e m b ym o d e l i n ga n da n a l y z i n gt h e m e a s u r e dd a t af r o mt h eh i g he m b a n k m e n t ss e t t l e m e n t ，f u t u r es e t t l e m e n ta sw e l la st h ep a t t e mo fs e t t l e m e n tc a l l b ef o r e c a s t e d ，s e t t l e m e n td e f o r m a t i o no ft h ec a l lb eg e n e r a l i z e d ，w h i c hc a na l lb e n e f i tf u r t h e ro p t i m i z a t i o no f d e s i g n ，i m p r o v er e l e v a n tc o n s t r u c t i o nc r a f t s ，a n do f f e rd i r e c t l ys c i e n t i f i cb a s i sf o rd e c i s i o no fh i g h w a y c o n s t r u c t i o n m a i nc o n t e n t ： 1 ) a n a l y s i so ft h ee m b a n k m e n ts e t t l e m e n tp r e d i c t i o n ： f i r s t l y , b a s e do nr e c o m m e n d i n gg r o u n da n de m b a n k m e n tt h es u b s i d em e c h a n i s ma n da n a l y s i sf o rt h e e x i s t i n gf o r e c a s t i n gm o d e l s ，g e tt of o r t ea n df a i l i n go fv a r i e ds e t t l e m e n tp r e d i c t i o nm e t h o d 2 1e s t a b l i s h m e n to ft h ee m b a n k m e n ts e t t l e m e n te s t i m a t e dt h a tt h ea m e n d m e n tg r e ym o d e l ： i nm o d e l i n g ，t a k i n gi n t oa c c o u n ts e t t l e m e n ts o m eu n c e r t a i nf a c t o r s 。s u c ha so b s e r v a t i o nn o n t i m e d i s t a n c e s e r i e s ，c o n t i n u o u s l yu p d a t e dt h em e a s u r e dd a t as e t t l e m e n ta n dt h ei m p a c to ft h es e t t l e m e n tf o rt h eo u t c o m eo f i n c r e a s e dl o a df i l l i n gs o i l ，e s t a b l i s hn e wm o d e l st ob ec o n s i d e r e da m e n d m e n t st ot h e o r i g i n a lm o d e l ，a n dv e r i f i e d b ye x a m p l e s 3 ) e s t a b l i s h m e n to f t h en o n t i m e - d i s t a n c ep e a r lp r e d i c t i o nm o d e l b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep e a r lc u r v et h e o r y ，i no r d e rt or e s o l v et h en o n - t i m e d i s t a n c eo ft h eo b s e r v a t i o n d a t am o d e l i n g ，l a g r a n g ei n t e r p o l a t i o nm e t h o du s e dt oa c h i e v et i m e - d i s t a n c et r a n s f o r m , a n dt h e nb a s e do nt h e t i m e d i s t a n c ep e a r lf o r e c a s tm o d e l s ，e s t a b l i s han o n t i m e - d i s t a n c ep e a r lm o d e l ，a n dv e r i f i e db ye x a m p l e s 4 1an e wh i g he m b a n k m e n ts e t t l e m e n tp r e d i c t i o nm e t h o d ：c o m b i n a t i o np r e d i c t i o nm e t h o d a c c o r d i n gt ot h ea l g o r i t h mc a r lp r e d i c te v e r ys i n g l em e t h o di nt h ep a s ta n dt h er e c e n to b s e r v a t i o np e r i o da n d t h ea c t u a lv a l u eo ft h em a t c h ，a u t o m a t i c a l l ya d j u s t i n gt h ed i s t r i b u t i o no fw e i g h t ，s oi t sp r e d i c t i v ev a l u et h a na s i n g l ep r e d i c t i o nm e t h o dh a sh i g h e rr e l i a b i l i t y e x a m p l e so fc e r t i f i c a t i o nt h r o u g ht h es u b g r a d es e t t l e m e n t p r e d i c t i o nm e t h o d s h a v es o m er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：h i g he m b a n k m e n t ；s e t t l e m e n tp r e d i c t i o n ；p e a r lc u r v e ；g o m p e r t zc u r v em e t h o d ；c o m b i n a t i o n p r e d i c t i o n ；g r a yp r e d i c t i o n ； 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在幸宰教授指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作 了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 鹰痖 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部 内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 力遗 签字日期：坠型：笪：! 桂林工学院硕士学位论文 1 1 研究问题的提出 第一章绪论弟一早珀化 公路是国民经济的重要命脉，由于其特有的优越性和灵活性而发挥着其它运输方式所不 可替代的作用。公路建设又是国家最主要的基础产业之一，它的迅速发展对于促进国民经济 并推动其它相关产业的发展具有非常重要的意义。 近几年来为保持我国国民经济持续快速、健康发展，党中央作出了扩大内需、加快基础 设施建设的重大决策，加大了对公路建设的投入，公路建设又一次迎来了飞速的发展。当前， 随着“十五规划”的实施和“五纵七横”国家道路主干线系统的建设，我国的高速公路正逐步 从东部向中西部延伸，在中西部地区将会修建越来越多的高速公路，这些高速公路的修建对 于整个中西部地区的发展将起到非常重要的作用。在高速公路向中西部延伸的过程中，高速 公路沿线的地质条件愈来愈复杂，工程难度不断增加。以湖南为例，高等级公路建设的地质 条件日趋复杂，如已建成的耒宜高速公路和潭邵高速公路、衡枣高速公路等，由于沿线多为 丘岭山区，地形和土质条件复杂，高填深挖及半填半挖极其普遍，填切交界高度6 1 0 米者 较多，填方高度l o 米以上者常见，最大填方高度达2 0 余米甚至3 0 余米，这使得出现了大 量的高路堤。对于高路堤，在我国公路规范中没有明确的、严格的定义，一般认为当填筑高 度为1 2 米( 碎石、粗砂、中砂为填筑填料) 或2 0 米( 其它填料) 时可视为高路堤。 为了使高速公路在使用年限内能够很好地运营，高速公路对于工后沉降、差异沉降和路 面平整度都提出了很高的要求。一般要求在设计使用年限内i l l ，路面的工后沉降量应小于30 厘米，桥头路堤应小于1 0 厘米：对平整度要求更高，其标准差应在1 8 毫米以内，不应出 现人工构造物与路堤衔接处产生差异沉降。由于高速公路对地基沉降的要求十分严格，所以 如何较为合理地预估地基沉降量就成了高速公路建设中的一个重要问题。以往，在我国东部 公路建设中遇到的问题主要是软基沉降问题，对于这个问题，国内外十分重视并开展了大量 的研究，取得了许多研究成果，然而在高路堤方面则缺乏全面系统的沉降观测资料和研究成。 同时，由于我国幅员辽阔，东西部高速公路建设过程中遇到的地质问题差异较大，所以不能 简单地将在东部积累的经验用于中西部，而必须重视中西部地区的地质特殊性。为此，针对 中西部地区出现的高路堤，开展高路堤沉降观测和预估方法的研究可以极大地丰富和发展这 一领域的成果，同时通过对实测的路基沉降观测资料进行整理分析可以预测高路堤沉降过 程，据此可以指导进一步的优化设计，推算预报各结构层次的施工时间表，改进有关的施工 工艺，直接为公路施工决策提供科学依据，并起到指导施工、保证工程质量和加快进度的目 的。 桂林工学院硕士学位论文 1 2 国内外研究动向 路基沉降预测的方法主要有三种：以经典土力学为基础的传统预测方法、本构理论为基 础的数值计算法和根据实测沉降资料预测法曲比。”，如图1 1 所示。 传统的沉降预估方法是建立在太沙基等人创立的经典土力学基础之上，其中引入了许多 简化假定，在预估时将地基沉降分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分，并按分层总 和法分别计算。瞬时沉降是在外荷载加上的瞬间，土体中的孔隙水来不及排出时所发生的沉 降，即地基土在不排水加载期间所产生的沉降。此时土体只发生形变而没有体变，荷载使土 体产生剪切变形。固结沉降又称为主固结沉降，是荷载置于地基上后，随着时间的延续，地 基土中的孔隙水逐渐排出过程中所发生的沉降。在此过程中，孔隙水排出，孔隙水压力转换 为有效应力，土体逐渐压密，产生体积压缩变形。次固结沉降的主要部分是在地基土中的超 静孔隙水压力完全消散以后，亦即在有效应力不变的情况下所发生的沉降。此种方法包括一 维沉降计算法和从土的应力状态出发而改进的沉降计算方法。 数值计算法是近代土力学研究的产物。7 0 年代以来，随着计算机和数值计算方法的飞 速发展，对土体本构关系认识的不断深入，人们可以将复杂的地基沉降计算问题编制成计算 机程序，通过计算机运算，得到较准确的计算结果。其中有限元法和有限差分法应用较广。 在高速公路设计和施工中客观存在的不确定因素使得常规的路基沉降计算分析方法计 算的沉降量和实际沉降量有较大的出入，因此出现了根据实测沉降资料的预测方法，此种方 法预测精度相对较高，同时通过对此种方法的大量运用可以积累这方面的资料和实际监测经 验供日后借鉴。为此，许多高速公路都开展了沉降观测工作，如京津塘( 1 9 8 7 ) 、沪嘉( 1 9 8 9 ) 、 广佛( 1 9 9 0 ) 、广深珠( 1 9 9 2 ) 、沪宁( 1 9 9 2 ) 、杭甬( 1 9 9 2 ) 、佛开( 1 9 9 4 ) 、广珠( 1 9 9 5 ) 、耒宜( 1 9 9 9 ) 、 衡枣( 2 0 0 1 年) 、常张( 2 0 0 3 ) 和常吉( 2 0 0 4 ) 等高速公路，以此来对高速公路的设计和施工提 供依据并指导施工。根据对现场实测沉降资料的整理分析和研究，提出了许多沉降预估的方 法，如双曲线法、指数瞳线法、泊松曲线法、浅岗法、星野法、三点法、沉降速率法、灰色 预测法、神经网络预测法、模糊综合评判法和反分析法等。见图1 1 。 2 桂林工学院硕士学位论文 地基沉降 预估方法 纂剥篓羚 i 应力路径法 数纂算伫纛 根据实测 沉降资料 预估法 图1 1 地基沉降预估方法总结 1 3 本文的研究对象和研究内容 本论文是在耒宜高速公路和常张高速公路实测沉降观测资料的基础上，吸取以往的沉降 预估研究成果，在高路堤沉降预估方面，提出自己的见解。 耒宜高速公路是京珠国道主干线在湖南境内的一部分，北起耒阳，南至宜章，全长1 3 5 公里，沿线多为丘陵山区，地形及土质条件复杂，高填深挖及半填半挖极为普遍，在北线全 段填切交界高差5 米以上者较多，填方高度l o 米以上者常见，最高填方达2 8 米，同时还分 布有一、二十公里的红砂岩、紫砂岩等不良土质，在部分路段还分布有相当多的山谷型软基 和古河道软基，软基最厚达6 米；此外，在部分路段还存在白沙矿务局和其他乡镇煤矿的采 空区，部分地段还存在溶洞等不利因素。 常( 德) 张( 家界) 高速公路是交通部规划的国家重点干线公路泉州至毕节线的一段，是省 会长沙通往张家界旅游风景区公路干线的重要组成部分，该路东起常德檀树坪与长常高速公 路终点相接，止于张家界城南田家台，主线全长1 6 0 7 8 公里，为双向四车道，项目总工期4 年，已于2 0 0 5 年1 2 月底前建成通车。常张高速公路沿线多为丘陵山区，不仅地形和土质条 件复杂，高填深挖及半填半挖极其普遍，全段填切交界高差5 米以上者较多，填方高度l o 米以上者常见。 3 法法 法法法 法线线 测络率法线曲曲法预网速析曲数松点色经降分双指泊三灰神沉反 桂林工学院硕士学位论文 因此，开展高速公路的沉降观测及路基沉降变形特性研究，对大幅度降低路基工后沉降、 提高高速公路的建设质量、科学合理地安排各结构层次的施工时间表，具有极为重要的现实 意义，而且通过对有关实测数据及室内实验得出的成果分析整理，必然对今后类似工程施工 具有现实的指导意义。 本论文主要涉及以下几方面的工作： 1 ) 路基沉降预测方法的研究 在了解高填方路基的地基沉降机理和路堤沉降机理的基础上进行路基沉降预测方法研 究，总结各种预测方法的优缺点。总结各种预测方法的优缺点。 2 ) 建立高路堤沉降的灰色预估修正模型 在建模中，考虑到沉降观测时间序列的非等时距性、实测沉降数据的不断更新性和填土 加载过程对沉降预估结果的影响，分别建立高路堤沉降的非等时距预估模型、等维新息模型 和考虑路堤加载过程的修正模型以对原模型进行修正；并通过实例分析验证比原模型更准 确。 3 ) 建立非等时距的皮尔预估模型 在分析皮尔曲线在高路堤沉降预估中应用的理论基础上，为了解决非等时距实测沉降观 测数据的建模问题，运用l a g r a n g e 插值法实现了非等时距沉降时间序列的等时距变换，然 后基于等时距的皮尔预估模型建立了非等时距的皮尔预估模型。并通过实例分析验证比原模 型更准确。 4 ) 提出一种新的高路堤沉降预估方法：模糊自适应变权重组合预测法 该算法能根据各个单项预测方法在过去和最近时期与实际观测值的匹配程度，自动地调 整权重的分配，因此其预测值较单一预测方法具有更高的可靠性。通过实例分析验证该路基 沉降预测方法有一定的合理性和可行性。且该方法计算量小，这对实际中的定量预测也很有 意义。 4 桂林工学院硕士学位论文 第二章填方路基沉降机理及其沉降观测方法 2 i 地基沉降机理 当建筑物通过基础将荷载传给地基以后，在地基内部将产生应力和变形，从而引起基础 的下沉，在工程上将荷载引起的基础下沉称为基础的沉降【2 6 1 。土体受力后引起的变形可分为 体积变形和形状变形。体积变形主要由正应力引起，它只会使土的体积缩小压密，不会导致 土体破坏。而形状变形主要由剪应力引起，当剪应力超过一定限度时，土体将产生剪切破坏， 变形将不断发展。这里讨论的沉降主要是指由正应力作用引起的体积变形。 基础沉降量或沉降差的大小，首先与土的压缩性有关，易于压缩的土，基础的沉降大。 其次，与作用在基础上的荷载性质和大小有关。一般而言，荷载愈大，相应的基础沉降也愈 大：而偏心或倾斜荷载作用所产生的沉降差要比中心荷载作用产生的大。 目前在研究土的压缩性时，均认为土的压缩完全是由于孔隙中水和气体向外排出。孔隙 中水和气体向外排出要有一个时间过程。饱和土体或部分饱和土体，当其应力状态改变时， 土体积逐渐压缩( 应力解除时为膨胀) ，同时部分水量从土体中排出，外加压力相应地从孔隙 水和气传递到土骨架上，直至变形达到稳定为止。土体的这一变形全过程就是固结。固结速 率取决于土体排水的速率，并且是时间的函数，所以土体固结变形与时间有关。对于饱和粘 土，由于它的透水性弱，孑l 隙中的水不能迅速排出，因而固结需要很长时间才能完成。 固结与压缩对土的工程性状有重要影响，与土工建筑物和地基的渗流、稳定和沉降等问 题密切相关。土的固结和压缩的规律相当复杂。它不仅取决于土的类别和状态，也随土的边 界条件、排水条件和受荷方式等因素而异。 地基的沉降分析包括两部分内容：一是地基压缩变形的绝对大小，即沉降量的大小；二 是压缩变形随时间的变化，即沉降速度。 土体的压缩变形速度由两部分组成：土粒间相互移动的速度；孔隙中流体的排出速 度。如果土体未发生剪切破坏，土粒的移动速度与水流动速度相比很小，一般可忽略不计， 因此认为土体变形是孔隙中气体和水体积变化的结果。土体变形的速度由气体和水移动速度 决定。土体所受荷载在作用瞬间，主要由孔隙流体承担。随后，由于孔隙流体逐渐渗出，孔 隙压力逐渐消散，有效应力逐渐增加。在有效应力作用下，骨架体产生的变形分为瞬时变形 和蠕动变形，其中后者由于颗粒重新排列和骨架体错动的时间效应而与时间有关。将有效应 力卸去后，若变形可恢复，则称为弹性变形；若变形不可恢复，则称为塑性变形。因此，骨 架体变形可细分为瞬时弹性变形、瞬时塑性变形、蠕动弹性变形和蠕动塑性变形。 地基土的最终沉降量& ，按其变形特征分为三部分：瞬时沉降髟( 亦称为初始沉降、不 排水沉降) 、固结沉降s ，( 亦称为主固结沉降) 和次固结沉降s ( 亦称为次压缩沉降、蠕变沉降) ， 5 桂林工学院硕士学位论文 计算公式为1 2 6 。 s 。= s s + s d + sc 1 次国结沉降：是指超静孔隙水压力基本消散，在有效应力基本不变的情况下，随时 间继续发生的沉降量，一般认为这是在恒定应力状态下，土中的结合水以粘滞流动的形态缓 慢移动，造成水膜厚度相应的发生变化，土骨架产生徐变的结果。在次固结过程中，实际上 也有微小的超孔隙压力存在，驱使水在土粒之间流动。但由于次固结进行的极慢，水的流动 速度是很小的，上述超孔隙压力d , n 无法测量。所以这部分沉降通常较小，与土层的厚度无 关且历时较长，一般不予考虑。 2 瞬时沉降：是指在加荷瞬间，土中孔隙水来不及排出，孔隙体积没有变化即不产生 体积变化，但荷载使土产生剪切变形。对于严格的土体一维变形情况，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 体的二维( 平面应变) 或三维变形情况，则瞬时沉降在沉降地基总沉降量中占有很大比例。瞬 时沉降与加荷方式和加荷速率有很大的关系，如采用瞬时一次加载方式时，地基的瞬时沉降 比均匀慢速加载的情况要大得多。这主要是由于在不同增量加载的时刻，土中有效应力随着 土体的固结而增大，土体的变形模量也相应增大。 瞬时沉降包括两部分：一部分是由地基的弹性变形产生的；另一部分则由低级塑性区开 展继而扩大所产生的侧向剪切位移引起的。目前，对于瞬时沉降的计算均针对前一部分，后 一部分至今没有令人信服的计算方法。 3 固结沉降：是由于外荷载引起超孔隙水压力的水力梯度促使水从土内排出，而应力 增量转移到土骨架上而发生的沉降。这是一个与时间有关的过程，而且主要发生在体积的变 化，其中包括剪切变形在内，故导致了进一步的沉降，是粘性土地基沉降最主要的组成部分。 事实上这三种沉降并不能截然分开，而是交错发生的，只是某个阶段以一种沉降变形为 主而己。不同的土，三个组成部分的相对大小及时间是不同的。 2 2 路堤沉降机理 2 2 。1 填土的压实机理 在工程建设中，经常遇到填土或松软地基，为了改善这些土的工程性质，常采用压实的 方法使土得到密实，这往往是一种经济合理的改善土的工程性质的方法。这里所说的使土变 密实是指采用人工或机械的手段对土体施加机械能量，使土颗粒重新排列变密实，使土在短 时间内得到新的结构强度，包括增强粗粒土之间的摩擦和咬合，以及增加细粒土之间的分子 引力姒3 4 3 卯。 一般认为土的压实特性同土的矿物成分、土的颗粒组成、土的结构和构造、土中的水和 6 桂林工学院硕士学位论文 气体等因素均有关系。压实的作用是使土块变形和结构调整以致密实，在松散湿土的含水量 处于偏干状态时，由于粒间引力使土保持比较疏松的凝聚结构，土中孔隙大都相互连通，水 少而气多，在一定的外部压实功能作用下，虽然土孔隙中的气体易被排出，密度可以增大， 但由于较薄的强结合水水膜润滑作用不明显以及外部功不足以克服粒间引力，土粒相对移动 便不显著，因此压实效果比较差；含水量逐渐加大时，水膜变厚、土块变软，粒间引力减弱， 施以外部压实功能则土粒移动，加之水膜的润滑作用压实效果渐佳。在最佳含水量附近时， 土中所含的水量最有利于土粒受击时发生相对移动，以致能达到最大干重度，当含水量再增 加到偏湿状态时，孔隙水中出现了自由水，击实时不可能使土中多余的水和气体排出，从而 孔隙压力升高更为显著，抵消了部分击实功，击实功效反而下降。含水量超过一定值时，即 使增大压实功，土体也达不到要求的最大干密度。 2 2 2 路堤的变形阶段 土是固体颗粒、液态水和气体组成的多孔介质，对于这种三相体系的非饱和土，在自重 力和外动力的作用下，路堤土孔隙间的空气首先被压缩，然后是多余的气体和孔隙水被挤出， 这时土的变形比较快。由于固体骨架和孔隙结合水之间的摩擦力和内聚力不断增大，使得孔 隙结合水和气体的排出受到阻碍，从而使变形延迟。故土的应力变化与变形均是时间的函数， 土所显示的特征既不是弹性体，也不是塑性体，而是具有弹性、塑性和粘滞性的粘弹塑体。 依据变形发展过程，可以分为如下几个阶段： 1 塑性一弹性变形阶段 扰动土在填筑过程中，经过摊铺、洒水、分层碾压而被压缩，塑性变形是主体。随着填 土高度的增加，下层土受上层土的荷载作用，开始发生弹性压缩变形，此时孔隙结合水和颗 粒间摩擦力产生的抗力比较大。这一阶段的变形明显地表现出填土高度与压缩量正相关，所 以路堤横向中间变形大，两侧变形量小。 2 不均匀变形阶段 土在变形过程中，在横剖面上，由于填方材料的不均匀及侧向无约束，应力分布远不同 于自重应力，出现边坡应力下降，堤内应力集中，易产生剪切变形，这就造成横向不均匀变 形，这种变形在施工后期和使用期内比较明显。 3 蠕变阶段 当应力一定时，应变随时间不断增长的过程，这就是蠕变现象。土体与材料的不同之处 是：蠕变过程复杂，蠕变过程中仍有弹塑性变形存在。 2 2 3 填土路堤的沉降组成 填土路堤本身的沉降由两部分组成：施工期沉降和工后沉降。 7 桂林工学院硕士学位论文 1 ) 施工期沉降：填土各层在施加荷载期间产生的沉降总和，这部分沉降在施工期荷载 施加完成时完成，即一般所说的施工期沉降：这部分沉降主要为瞬时沉降和主固结沉降。 2 ) 工后沉降：填土荷载和路面荷载完成较长时间内蠕变产生的沉降总和，即工后沉降。 工后沉降主要是因孔隙水压力消散而产生的主固结沉降与因土骨架蠕变产生的次固结沉降 组成。这部分沉降在荷载施加完成后的时间段内逐步发生，蠕变并非在公路竣工之后才开始 发生的。填方路堤都是进行分层填筑施工的，各层次施工的工序间都可能有或长或短时间间 隔，因此在填筑间隙时间内也会发主蠕变沉降。这种蠕变不是连续性的，因为产生蠕变的主 要原因是土颗粒的应力重分布，所以在分层填筑的时间间隙内产生的应力重新分布会被下一 工序添加的荷载所破坏，蠕变重新开始。由于大部分路堤均在较短时间内完成沉降，填筑间 隙时间较短，因此在分析计算施工期沉降中一般不考虑蠕变影响，仅考虑其瞬时沉降。 2 3 影响路基沉降稳定的因素 公路路基是路面的基础，对路面的使用性能有着重要的影响，它承受着本身岩土自重和 路面重量以及由路面传递下来的行车荷载，且属一种线型结构物，具有路线长、工程数量大、 耗费劳动力多、耗资大、与大自然接触面广等特点。路基的施工质量如何，路基是否稳定， 直接影响路面的工程质量，最终影响整个公路的使用品质。因此，深入调查公路沿线的自然 条件，从整体( 按地区) 和局部( 按具体路段) 去分析、研究和掌握有关自然因素的变化规律及 其对路基稳定性的影响，从而因地制宜地采用有效的工程技术措施以达到正确进行路基设 计、施工、养护就显得非常重要。 对路基的要求主要有两个方面： 整体稳定性。在地表开挖或填筑路基时，必然改变原地层的应力状态，原先处于稳定 的地层可能因此失衡，导致路堤失稳。例如在软土地层上填筑较高路堤，则可能由于填土的 附加应力超出软土地基的承载力而出现较大的路堤沉陷。 变形大小。路基在自重和汽车荷载作用，将产生变形。地基软弱、填土疏松或过分潮 湿所产生的沉陷、固结变形、不均匀变形会导致路面出现过量变形和较大应力，促使路面过 早损坏。路基的整体稳定性和变形条件是保证公路工程质量和路面耐久性的基本前提。路基 整体稳定性实际上是由地基承载力和路堤填土与车辆荷载共同决定的，若地基强度满足荷载 要求，则路基可能稳定，否则将出现路基的整体失稳或破坏。满足了整体稳定性的路基本身 在自然环境、荷载和自重作用下仍然或多或少会产生变形，这种变形对路面寿命和行车安全 性的影响并不能忽视，当变形较大，尤其是不均匀变形，会影响或不能保证车辆的正常运营。 影响路基稳定的因素可概括为两大类：自然因素和人为因素。 8 桂林工学院硕士学位论文 2 3 1 影晌路基沉降稳定的自然因素 1 地形：地形不仅影响到路线的选定与线形设计，也影响路基设计。平原、丘陵、山 岭各区地势不同，各区的水和温度的情况也不相同。平原区地势平坦，地面水易于积聚，地 下水水位较高，因此路基需要保持一定的最小填土高度( 特别是在水稻田地区) ，力求不低于 按自然区划和土质所规定的临界高度：丘陵区地势起伏，山岭区地势陡峭。如果排水设计不 当，或地质情况不良，易降低路基的强度与稳定性，出现水毁、边坡坍方、路堤沿山坡的滑 动等破坏现象。 2 气候：气候条件，如气温、降水、湿度、冰冻深度、日照、年蒸发量、风向和风力 等，都影响路基水温情况。在一年之中，气候有季节性的变化，因此路基水温情况也随之变 化。气候还受地形的影响，例如山顶与山脚、山南与山北，就有所不同，即所谓“小区地形 与小区气候”，因此路基水温情况也有所差异。在山顶，一日之中，气候数变，温度与湿度 变化较大，风化较剧烈；山南日照较山北为多，水温情况也有所差异。大气的温度变化使路 基的温度也发生相应的变化，并造成土基内不同深度处温度出现差异，在温度差的影响下， 土基中的水分以液态或汽态由热处向冷处转移，并积聚或凝结在该处，从而使土基中的湿度 分布发生变化，特别是在季节性冰冻地区，湿度积聚现象更为严重。 3 水文地质：水文条件指地面径流、河流洪水位、常水位及其排泄条件、有无积水和 积水期的长短以及河岸的冲刷和淤积情况等。水文地质条件指地下水位、地下水移动情况、 有无泉水、层间水等。所有这些，都会影响路基的稳定，如处理不当，往往会导致路基出现 各种病害。 4 土的类别：土是建筑路基的主要材料并影响到路基的形状和尺寸。土的性质视其类 别而定。砂土没有塑性，其强度基本上不随含水量而变化，具有良好的透水性，遇水时毛细 上升高度很小( 仅0 2 - - 0 。3 m ) ，具有较大的内摩擦系数，采用砂土修筑的路基强度高，水稳 定性好，但无粘结性，表面易于松散，需增加粘结料，以改善路基的使用品质。砂性土是修 筑路基最合适的材料，它既具有一定数量的粗粒组，使路基具有足够的强度和水稳定性，又 有一定数量的细粒组，使土具有一定的粘性，不致过分松散。亚砂土的颗粒组成接近于最佳 级配，因此，亚砂土修筑的路基易于压实，并易构成平整坚实的路基表面。粉性土是最差的 筑路材料，它含有较多的粉土粒，虽有一定的塑性，但不易稳定，雨天水多易成流体状态( 泥 浆) ，晴天则尘土飞扬，毛细上升的高度很大，可达0 8 - - - 2 o m ，在季节性冰冻地区会造成很 大的湿度聚积，导致严重的冻胀和翻浆，因此，常称它为翻浆土。粘性土粘性很大，干时相 当坚硬，不易挖掘，也不易打碎和压实；湿时强度急剧下降，过湿则成弹簧状，不能压实。 干湿循环时膨胀收缩引起的体积变化很大。然而，用来修路比粉性土好，但比砂性土差，如 有足够的压实和良好的排水条件，路基还是稳定的。 5 地质条件：沿线的地质条件，如沿线岩石种类及风化程度，岩层走向、倾向和倾角、 9 桂林工学院硕士学位论文 层理、厚度、节理发育程度，以及有无断层、不良地质现象等，都对路基稳定性有一定影响。 6 植物覆盖：植物覆盖层能够减缓地面水流速，调节表层土的水温状况，植物根系深 入土层，在一定程度上对表层土起到固结的作用，从而在一定程度上影响路基水温情况的改 变。 2 3 2 影响路基沉降稳定的人为因素 1 荷载作用：作用于路基的荷载有路面路基的自重( 静载) 和汽车的轮重( 动载) 。静载在 土基内部产生的应力随深度的增加而增加：动载在土基内部产生的应力随深度的增加而减 少，且车型不同，动载在土基内部的应力作用深度也不相同。随着交通运输的蓬勃发展，交 通量逐年增长，重型车辆以及超载车辆的反复作用，都会很大程度上影响路基的稳定性 2 施工方法：正确的施工方法也是保证路基稳定性的重要因素。就土质路堤而言，既 要选择良好的土填筑路基，同时还要选用正确的填筑方法和合适的施工机械。通常采用水平 分层填筑法自下而上逐层填筑，并把土的含水量控制在最佳范围时充分压实，保证达到路 基施工规范规定的压实度，使路基具有足够的强度和稳定性。相反，如果填筑方法不正确， 压实不充分，土基在车辆荷载的重复作用下就会出现不同程度的变形沉陷，从而造成路面破 坏。 3 养护措施：养护措施包括一般措施及在设计、施工中未及时采用而在养护中加以补 充的改善措施。通过及时养护可以保证路基在使用期限内具有较高的强度和稳定性。 2 4 路基沉降观测的目的 1 、通过沉降观测及时掌握全线地基的沉降变化情况，及时发现沉降偏大的地基( 如隐伏 软基，未探明的溶洞等) ，以便在施工过程中及时加以处理，避免对路基的工后沉降和路面质 量留下后患。 2 、通过沉降观测可由此确定底基层、基层和面层等各结构层次的施工时间表，使工期 的安排具有明确的依据，由此保证全段路基不会出现导致路面开裂的工后沉降发生。 3 、通过沉降监测解决桥头跳车问题。通过对较高填方桥头台背的沉降监测，及时掌握桥 头台背的沉降变化情况，并由此安排各结构层次的施工时间，从而避免较大工后沉降的发生， 避免通车后桥头搭板的破坏。 4 、通过沉降监测解决填挖交界或半填半挖的差异沉降问题。填挖交界或半填半挖的差 异沉降是导致路面开裂的主要因素，通过对填挖交界差异沉降的监控量测可及时掌握差异 沉降的变化情况，并通过侧向位移的观测进一步了解导致差异沉降偏大的原因，从而在施工 过程中及时发现问题并有针对性的采取工程措施。 5 、通过沉降观测可及时发现路基施工过程中地基和路堤填土的沉降变化规律，从而得 1 0 桂林工学院硕士学位论文 出施工过程、施工方法或填土种类对路基沉降的影响，以便及时调整施工方法并可以总结沉 降规律以便为类似工程提供借鉴。 2 5 沉降观测方法 由于一些高速公路在建成后不久，就因路基工后沉降过大而导致路面开裂或桥头错台， 甚至经过多次返修也未能彻底整治病害，在人力、物力和财力上造成了很大浪费，为此，各 地公路部门相继通过试验段开展路基沉降观测工作。这些沉降观测取得的成果为高等级公路 设计与施工提供了宝贵资料，同时也为沉降计算方法的进一步革新或改进提供了基础。 在耒宜高速公路建设中，为了给高速公路施工决策提供科学依据和积累资料，长沙交通 学院沉降观测课题组在耒宜高速公路开展了路基沉降观测工作，而高路堤沉降观测就是其中 的一个重要方面。根据未宜高速公路的实际情况，在高路堤沉降观测中采用了如下的方案。 2 5 1 地基沉降观测 观测地基沉降，通过这部分数据的测量可以分析地基的稳定性情况。观测时将沉降板直 接放置在清表后的地基表面，沉降管顶高程的变化即地基沉降量，观测示意图如图2 1 所示。 2 5 2 分层沉降观测 图2 1 地基沉降观测示意图 观测路堤自身各层在自重及上部荷载作用下的压缩量，这部分数据可以用于分析路堤的 自身压缩。观测时将两块沉降板放置在填土层的上下表面，两根沉降管项的沉降之差即为土 层的自身压缩量，观测示意图如图2 2 所示。 桂林工学院硕士学位论文 2 5 3 非均匀沉降观测 图2 2 分层沉降观测示意图 观测路堤横断面的差异沉降，主要是观测填切交界较为明显的路段。观测时将数块沉降 板放置在同一个横断面上，任两根沉降管顶的沉降之差即为路堤的差异沉降量，观测示意图 如图2 3 所示。 路堤填土 y 沉降管 一一一 歹彳沉降板 ， 一 j 乡 颓 i 一，、 图2 3 非均匀沉降观测示意图 在实际的沉降观测中，以上观测目的并非是单一的，许多沉降板的布设都兼有两种或多 种观测目的。 高路堤沉降观测采用的观测设备有 1 沉降板 沉降板是用钢板制成，尺寸为1 5 1 5 o c m ，沉降管选用咖2 0 镀锌钢管，其构造如图 2 4 所示。在实际观测中，沉降管外套有一根p v c 套管，管顶盖有一块钢板，以此来保护沉 降管。在观测时，将管箍旋在管顶可以接管以实现持续观测。 图2 4 沉降板示意图 1 2 桂林工学院硕士学位论文 2 观测仪器设备 本沉降观测采用带测微装置的自动安平水准仪，配用因瓦水准尺，测量精度满足二等水 准测量要求。 2 6 小结 本章介绍了路基沉降机理及高路堤沉降观测方法，总结出以下几点： 1 ) 了解地基沉降机理及路堤沉降变形一般规律，将路堤沉降过程划分为两个阶段：施 工期沉降和工后沉降。 2 ) 影响路基沉降稳定的因素复杂多样，既受路堤土体自身压缩变形影响，又受多种外 界因素影响，包括地质、气候、植被等自然因素和荷载作用、施工方法等人为因素。 3 ) 介绍耒宜高速公路路基沉降观测方案，该方案采用的是路基分层沉降观测的一般方 法，采用该方案进行路基沉降观测得到沉降实测数据，作为在后面章节路基沉降预测方法研 究的样本。 4 ) 开展路基沉降观测，可及时发现路基施工过程中地基和路堤填土的沉降变化规律， 进行有效的施工控制，预防路基工后沉降过大造成的路面破坏隐患。 桂林工学院硕士学位论文 3 1 概述 第三章路基沉降预测方法研究 路基沉降预测的方法主要有三种：以经典土力学为基础的传统预测方法、本构理论为基 础的数值计算法和根据实测沉降资料预测法。 传统沉降预估方法和数值计算方法都需要对土样做大量的实验来获取尽可能接近实际 的参数，但由于土是一种变异性很大的工程材料，在其漫长的形成过程中，经历了自然和人 为因素的作用，其性质十分复杂，因而通过勘察、取样、试验得到的土体参数是十分离散和 不确定的，具有空间变异性，同时，从经济方面来考虑，勘探的密度及试验的次数不可能达 到绝对令人满意的程度，所有这些无形中都影响了计算结果的准确性。根据实测沉降资料预 测法是在较为充分的取得路基沉降资料的基础上进行的沉降预测，能综合考虑各种复杂因素 对土体性质的影响，因此其预测精度相对较高，但该类方法中的不同方法有其各自优缺点及 适用条件，因此在实际的高速公路地基沉降预估中，应该在对每一种预估方法的原理、优缺 点和适用范围等全面了解后，根据实际情况和经验，灵活选用不同方法进行预估分析。 3 2 传统的沉降预测方法 传统的沉降预测方法是建立在太沙基等人创立的经典土力学基础之上，其中引入了许多 简化假定，在预测时将地基沉降分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分，并按分层总 和法分别计算。瞬时沉降是在外荷载加上的瞬间【2 3 1 ，土体中的孔隙水来不及排出时所发生的 沉降，即地基土在不排水加载期间所产生的沉降。此时土体只发生形变而没有体变，荷载使 土体产生剪切变形。固结沉降又称为主固结沉降，是荷载置于地基上后，随着时间的延续， 地基土中的孔隙水逐渐排出过程中所发生的沉降。在此过程中，孔隙水排出，孔隙水压力转 换为有效应力，土体逐渐压密，产生体积压缩变形。次固结沉降的主要部分是在地基土中的 超静孔隙水压力完全消散以后，亦即在有效应力不变的情况下所发生的沉降。 对于瞬时沉降，其理论计算方法主要有：( 1 ) 根据土体的不排水剪切变形模量按线弹性 理论计算，也包括德阿普乐尼亚( d a p p