（大地测量学与测量工程专业论文）高速公路软土路基沉降预测的神经网络方法研究.pdf

摘要 摘要 高速公路软土路基沉降预测一直以来都是岩土工程界的难点问题，其预测结果准确与否直接影 响到高速公路建设质量。现有的路基沉降理论研究虽然取得了长足的进步，但是路基施工期间沉降 量的预估精度仍然比较低，满足不了工程建设的发展要求。因此，对软土地基沉降预测方法进行研 究和改进具有重大的理论价值和实际意义。 本文对江苏省多条高速公路的沉降监测数据进行分析，深入探讨软土路基沉降与加载速率、软 土层厚度、填土高度、硬壳层厚度以及地基处理方式等主要影响因素之间的关系。深入学习神经网 络及b p 算法基本理论后，针对b p 算法的缺点，研究了相应的改进措施。从工程应用效果来看，这 些改进措施提高了网络的收敛速度和网络性能的稳定性。 针对施工期间沉降预测难的问题，本文利用人工神经网络较强的非线性映射能力和学习能力， 提出了用沉降的数据和沉降影响因素建立神经网络沉降预测模型，预测路基施工期间的沉降量的新 方法，并结合工程实例，对b p 网络的具体结构模型进行了详细实验研究，得出了一个较为理想的沉 降预测b p 网络结构模型。本方法利用实测资料直接建模，避免了传统方法计算过程中各种人为因素 的干扰，算法简单，应用方便。工程实例表明，与传统曲线拟合法相比，此方法预测的路基施工期 间沉降量与实测沉降量基本吻合，具有较高的预测精度。随着施工监测的进行，新学习样本的不断 补充，神经网络的预测精度和泛化能力还将进一步提高。本文提出的基于神经网络来动态预测路基 沉降的方法使公路路基信息化施工成为可能，因此具有广阔的工程应用前景。 关键词：软基沉降预测，沉降影响因素，b p 神经网络，沉降预测模型，模型误差，曲线拟合 a b s t r a d a b s t r a c t s e t t l e m e n tp r e d i c t i o no fs o f tg r o u n do nt h ee x p r e s s w a y sh a sr e m a i n c dt ob eo n eo ft h em o s td i f f i c u l t p r o b l e m si ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gf i e l d w h e t h e ri t sp r e d i c t i o nr e s u l ti sp r e c i s eo rn o th a sa d i r e c te f f e c t o nt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yo ft h ee x p r e s s w a y s t h o u i g ht h ee x i s t i n gt h e o r i e so ns e t t l e m e n to fs o f tg r o u n d s u b g r a d eh a v em a d eg r e a ta n ds t a b l ep r o g r e s s ，t h ep r e c i s i o no fi t sp r e d i c t e ds e t t l e m e n ta m o u n td u r i n gt h e s u b g r a d ec o n s t r u c t i o ni ss t i l lu n s a t i s f a c t o r y f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fp r o j e c tc o n s t r u c t i o nd e v e l o p m e n ta n d r e q u e s li ti sq u i mn e c e s s a r yt om a k em u c hd e e p e rr e s e a r c h e so nt h es e t t l e m e n tp r o p e r t i e so ft h es u b g r a d e a n dt oi m p r o v et h em e t h o d so fs e t t l e m e n tp r e d i c t i o n b e c a u s ed o i n gs oh a sb o t ht h e o r e t i c a lv a l u e sa n d p r a c t i c a lm e a n i n g s t h i st h e s i sa s s e m b l e st h ed a t a o fs e t t l e m e n tp r e d i c t i o no fm a n ye x p r e s s w a y si nj i a n g s up r o v i n c e , q u a l i t a t i v e l ya n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e t t l e m e n to fs o f tg r o u n ds u h g r a d ea n dt h em a i ni n f l u e n c i n g f a c t o r s ，s u c ha sl o a d i n gr a t e ，t h es o f ts o i lt h i c k n e s s ，f i l l i n gh e i g h t ，h a r ds h e l ll e v e lt h i c k n e s s ，s u b g r a d e t r e a t m e n ta n ds oo n a f t e rt h o r o u g hs m d yo ft h eb a s i ct h e o r i e so nn e u r a ln e t w o r ka n db pc a l c u l a t i o n ，t h e a u t h o rp o i n t so u tt h ed e f i c i e n c i e so fb pc a l c u l a t i o na n dp u t sf o r w a r ds o m er e l e v a n ti m p r o v e dm e a s u r e s f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f a p p l i e d e f f e c t s ，t h e s e i m p r o v e d m e a s u r e sr a i s ec o n v e r g e n c er a t e o f t h e n e t w o r ka n d m a k et h en e t w o r kp e r f o r m a n c em u c hs m b l e r a i m i n ga ts o l v i n gt h ep r o b l e mt h a ti t sq u i t ed i f f i c u l tt 0p r e d i c ta c c u r a t e l yt h es e t t l e m e n td u r i n g c o n s t r u c t i o n ，t h i st h e s i sc o n i c su pw i t han e wm e t h o dw i t ht h ea p p l i c a t i o nt ot h es t r o n gc a p a b i l 竹o f n o n l i n e a rm a p p i n ga n ds t u d ya b i l i t y t h i sn e wm e t h o du s e sn e u r a ln e t w o r ks e t t l e m e n tp r e d i c t i o nm o d e l w h i c hi sb a s e do nt h es e t t l e m e n td a t aa n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r st op r e d i c tt h es e t t l e m e n ta c c o u n tm o r e a c c u r a t e l y f u r t h e r m o r e 。w i 血t h ec o m b i n a t i o no fe m p i r i c a lc o n s t r u c t i o ne x a m p l e s 。t h i st h e s i sm a k e sa d e t a i l e de x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ec o n c r e t es t r u c t u r em o d e lo fb pn e t w o r ka n df i n a l l yc o m e st oa ni d e a lb p n e t w o r ks t r u c t u r em o d e lo ns e t t l e m e n tp r e d i c t i o n n i sn e wm e t h o dm a k e sd i r e c tm o d e l i n gw i t ht h e e x p e r i m e n t a li n f o r m a t i o n s oi ta v o i d st h ei n t e r f e r e n c eo fv a r i o u sm a n m a d ef a c t o r sd u r i n gt h et r a d i t i o n a l c a l c u l a t i o np r o c e s s i ti se a s yt oc a l c u l a t ea n dc o n v e n i e n tt ou s e t h ep r a c t i c a lp r o j e c t sd e m o n s t r a t et h a t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o do fc u r v ef i t t i n g t h i sn e wm e t h o di sm o r ep r e c i s e n 屺p r e d i c t e d s e t t l e m e n ta m o u n tb yt h i sm e t h o dc o i n c i d e sw i t ht h a to ft h ep r a c t i c a lm e a s u r e m e n te l e m e n t a r i l ya n dh a s b e t t e rp r e d i c t i n ga c c u r a c y w i t ht h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o ni n s p e c t i o na n dt h ec o n t i n u o u ss u p p l e m e n to f n e ws t u d ys a m p l e s ，t h ep r e d i c t i n ga c c u r a c ya n dg e n e r a l i z a t i o na b i l i t yw i l lb ei m p r o v e dt oan e wl e v e l t h e n e wm e t h o di nt h ep r e s e n tr e s e a r c hb a s e do nt h en e u r a ln e t w o r kt od y n a m i c a l l yp r e d i c tt h es u b g r a d e s e t t l e m e n tm a k e si n f o r m a t i o n a l i z a t i o no fc o n s t r u c t i o no ne x p r e s s w a y ss u b g r a d ep o s s i b l e i th a sa n e x t e n s i v ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o np r o s p e c l k e yw o r d s ：s e t t l e m e n tp r e d i c t i o no fs o f tg r o u n d ；s e t t l e m e n ti n f l u e n c i n gf a c t o r s ；b a c kp r o p a g a t i o n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ；p r e d i c t i o nm o d e lo fs e t t l e m e n t ；m o d e le r r o r ；c u r v ef i t t i n g - - 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：丛箜盏丛导师签名：勃l ! 兰羔日 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 公路运输业是国民经济的基础性行业，是国家综合运输体系的重要组成部分。公路交通是社会 发展和人民生活水平提高的基本条件，公路里程的不断增长和密度的不断提高在缓解交通拥挤、改 善投资环境、优化产业布局、促进资源开发利用、提高国家经济的机动性、增强国家竞争力，以及 保障国防安全等方面，发挥着越来越重要的作用。我国的公路建设起步较晚，并且是在相对落后的 基础上发展起来的。建国初期，我国的公路只有8 万公里。为了改变公路运输对国民经济和社会发展 的“瓶颈”制约状况，建国以来，特别是改革开放以来，公路建设取得了快速发展。1 9 7 9 年我国公 路总里程为8 7 5 y 公里，到2 0 0 5 年底达到了1 9 3 0 5 万公里，公路建设中的公路技术等级和路面等级 不断提高，2 0 0 5 年全国等级公路里程达到了1 5 9 1 8 万公里，占公路总里程的8 2 5 ，其中高速公路的 里程为4 1 ，0 0 5 公里。短短的几十年中我国的公路建设尤其是高等级公路建设取得了令人瞩目的成就， 但是我国的公路交通网还不够完善。2 0 0 4 年底国务院常务会议审议并原则通过国家高速公路网规 划，规划确定，未来2 0 年到3 0 年，我国高速公路网将连接起所有省会级城市、各大经济区、8 3 的 5 0 万以上城镇人口大城市和7 4 5 的2 0 万以上城镇人口中等城市。国家高速公路网采用放射线与纵横网 格相结合的布局方案，由7 条首都放射线、9 条南北纵线和1 8 条东西横线组成，简称为“7 9 1 8 ”网。 总规模约8 5 万公里，其中主线6 8 万公里，地区环线，联络线等其他路线约1 7 万公里，逐步形成一 个与国民经济发展相适应，与其它运输方式相协调。主要由高速公路、一级公路组成的快速、高效、 安全的国道主干线。预计到2 0 2 0 年我国的公路将能够基本适应国民经济的发展和人民生活水平的需 求。 公路建设的前景十分广阔，为交通运输和相关行业的发展提供了有利的机遇，同时也对公路建 设技术水平提出了更高的要求。公路在新建过程中受其经过地区的工程地质条件限制，作为大型线 状工程的很多公路不得不修建在软土地区。目前的交通运输行业对道路行驶的舒适性和安全性要求 更高。现在在我国高等级公路路面设计中，通常采用的是刚性基层或半刚性基层的结构形式，这对高 速公路路基工后沉降量提出了严格要求。通过全国多条高速公路的质量调查分析，发现部分公路在 投入运营初期或不久以后便出现了路面局部裂纹、路面沉陷、桥头错台等现象，严重影响道路的质 量和使用，给国家和地方造成了重大的经济损失。造成这种路面早期破坏现象很多是由于路基的工 后沉降过大，不同地质条件之间路基的沉降差异造成的。并且软土具有强度低、透水性差、压缩性 大、灵敏度高和固结变形持续时间长等特性，这些工程特性给在公路施工和营运期间对路基沉降的 精确预估带来了很大困难。 现在全国各地在软土地基上修建高速公路时，都要进行沉降观测，积累大量详尽的数据和资料。 如何利用这些资料对软土路基沉降特性进行深入研究，总结其沉降规律，然后基于这些沉降规律的 认识深入研究建立合理的沉降预测模型，从而为后续的公路建设提供指导，整体推动我国公路施工 信息化水平是大有裨益的。 1 2 路基沉降的国内外研究现状 1 2 1 软土的定义 软土在我国沿海、沿江的中下游及湖泊地区广为分布，如渤海湾，长江三角洲，珠江三角洲以 及浙、闽沿海地区等都存在海相或者湖相沉积的软土，软土的厚度由数米或数十米不等，在不同的 - i 东南大学硕士学位论文 地区由于形成的原因差异造成软土的结构和厚度分布差异较大，但一般在同地区软土差别不是很 大。软土一般包括淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土、泥炭和泥炭质土等。它们是在咸水或者淡水 中沉积形成的细粒土，含有机质和矿物质的综合体。软土具有天然孔隙比大、含水量高，容重小、 渗透性小、高压缩性、强度指标低和高灵敏度的特征。 不同的国家对软土的定义和解释不尽相同。日本采用标准贯入击数、无侧限抗压强度，荷兰式贯 入指数三项指标来划分软土；德国则用“很容易搓捏的土”来划分软土。在国内，交通部、建设部、 铁道部等部门对软土的定义也不尽相同。公路软土地基路堤设计与施工技术规范i l l ( j t j 0 1 9 6 ) 中定义软土是滨海、湖沼、谷地河滩沉积的天然含水量高、空隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细 粒土。中国建筑工业出版社( 工程地质手册8 1 对软土的解释为“软土是指天然含水量大、压缩性 高，承载能力低的一种软塑到流塑状态的粘性土，如淤泥、淤泥质土以及其它高压缩性饱和粘性土、 粉土等”。岩土工程勘测规范l j l 中规定：天然孔隙比大于或等于1 0 且天然含水量大于涟限的细粒 土应判定为软土。包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭土等，其压缩系数大于o 5 k p , , - 1 ，不排水抗剪 强度小于3 0 j 吧一铁路工程设计技术手册州中，对软土的解释为：“软土是指在静水中或缓慢 流水环境中沉积，经生物化学作用形成的饱和软弱粘性土”。对软土的主要特征的描述为“天然含 水量高( 接近或大于液限) 、孔隙比大( 一般大于1 o ) 、压缩性高( 压缩系数一2 5 j 妃， q - 3 i o k p a - 1 ) 、强度低( 快剪的内摩擦角妒 5 0 ，凝聚力c 5 j 咒- 1 ) 、 天然孔隙比大于或等于1 0 ，抗剪强度低( 快剪的内摩擦角妒 5 0 ，凝聚力c 2 0 k p ) 、渗透性小 ( 一般小于1 0 。c m s ) ，灵敏度高( 一般在2 l o ) 的缅粒土偈。 1 2 。2 路基沉降预测方法 地基沉降是土力学中的主要研究课题之一。自从2 0 年代初t e r z a g h i 建立了经典的地基固结理论 和沉降分析方法以来，经过几代人的努力，8 0 多年的发展，路基沉降理论已经取得了长足的进步， 并且应用到工程建设中发挥了巨大的指导作用。但是地基沉降计算仍然是一个困扰了许多岩土工程 者的复杂课题。在实际沉降计算中，工程技术人员的经验和技术往往起着关键的作用。对地基沉降 的研究建立在土体沉降机理研究基础上，现在对土体的压缩变形研究理论还不是很成熟，对土体的 本构模型的研究还不够完善。虽然近三十年来，有关土的本构关系研究领域十分活跃，各种土的本 构关系层出不穷。这些本构关系的研究都是为了建立更加合理的符合真实情况的应力一应变关系。 但是，真正得到土力学界广泛承认的本构关系却不多。从根本上来说，这是因为土的变形性质过于 复杂，很难有一个适用于所有类、所有情况及边界条件的本构模型。土体的本构关系的不尽完美 也造成了土体沉降计算的不够精确。 目前，沉降与时间关系的预测方法有三大类。第一类为理论公式法，即采用经典的分层总和 法或规范推荐的方法计算最终沉降，并利用简化的固结公式计算固结度，由此估算沉降发展规律； 2 第一章绪论 第二类为数值计算方法，即根据固结理论，结合各种土的本构模型，计算最终沉降量及其发展规律： 第三类是观测资料的回归分析法。 1 ) 理论公式法 一般认为路基沉降由瞬时沉降，固结沉降和次固结沉降三韶分组成。将路基沉降分成三部分是 从变形机理角度考虑。并不是从时问角度划分的。路基固结沉降和次固结沉降难以在时间上分开， 初始沉降与固结沉降在时问上也难以截然分开。它们常交错发生，只是某个阶段以一种变形分量为 主而已。目前一般所用的沉降计算方法中，固结沉降理论比较成熟，初始沉降和次固结沉降带有不 同程度的估算性质。在固结沉降中，分层总和法用的最多，其优点是计算比较简便，计算参数也较 易取得，但该法没有考虑到土的侧肉变形和前期固结压力的影响，在理论上是欠严谨的。 路基沉降计算的理论公式一般可表示为： s ( f ) = s a ( f ) - 4 - s c ( f ) + s ，( f ) ( 卜1 ) 式中：s ( f ) 一路基在时间t 的总沉降； 髟( f ) 一路基在时间t 的初始沉降； s ，( f ) 一路基在时间t 的排水固结沉降： s 。( f ) 一路基在时间t 的次固结沉降。 ( 1 ) 瞬时沉降计算 瞬时沉降是路基士在不排水加载期问产生的。对于严格的土体维变形情况。瞬时沉降很小。 对于土体的二维( 平面应变) 或三维变形情况，瞬时沉降在路基总沉降量中占有相当大的比例。影响 路基土瞬时沉降的因素主要有：土的结构组成、土体的饱和状态、加载方式和加载速率及荷载作用面 积大小等。目前，有关瞬时沉降的计算方法均针对路基的弹性变形而言，而对路基的塑性区变形至 今没有一令人信服的计算方法，多在前一部分计算结果的基础上进行一些修正，藉以考虑塑性变形 的影响。瞬时沉降的理论计算方法主要有： 根据土体的不排水变形模量按线弹性理论计算。t e r z a g h i0 9 4 3 年) 、k o g l e r 0 9 4 8 年) 、 s k e m p t o n ( 1 9 5 5 年) 、j a n b u ( 1 9 5 6 年) 、d a p p o l o n i a ( 1 9 7 0 年) 、c o w l e y ( 1 9 7 4 年) 等分别推导不同形 状荷载作用下的初始沉降的计算方法，也包括德阿普洛尼亚( d a p p o l o n i a ) 等( 1 9 7 1 年) 经有限元分析 提出的修正方法； l a m b e l 7 1 等人( 1 9 6 7 年) 提出的应力路径法，即用应力路径来模拟现场的实际情况，然后根据 不排水应变计算不排水沉降量。 徐少曼9o ( 1 9 8 3 年) 提出的根据三轴不排水试验的归一化曲线进行计算。 折学森p 1 考虑加载方式及土中固结应力等影响因素提出在瞬时加载、线性加载、分级加载和 分级瞬时加载四种加载方式下路基的瞬时沉降计算公式。 方法和方法没有考虑到加载速率方式和加载速率的影响，而瞬时沉降与前两者有很大的关 系，如采用瞬时一次加载方式，与均匀慢速加载相比，瞬时沉降量要大得多，这是因为慢速加载时， 前期加载的荷载作用在地基上提高了土体的有效应力和变形模量，后期的荷载作用下土体的瞬时沉 降量相应减小。l a m b e 等人( 1 9 6 7 年) 提出的应力路径法虽然可以考虑加载方式和加载速率的影响，但 该方法过多地依赖室内试验，试验工作量相当大，且对试验技术要求很高，所以在工程中应用非常 不便。 对于瞬时沉降量的计算，许多学者提出了一些经验或半经验公式，如我国铁道工程设计技术 手册中推荐使用的经验公式、张诚厚”等根据沪宁高速公路实测资料建立的经验公式、浙江经验 公式1 等。在国内的工程设计中，通常是在路基固结沉降计算的基础上，用经验系数进行修正，以 便考虑初始沉降及其它因素的影响。对于这种经验方法，虽然在我国的一些地区已积累了不少经验， 但是采用单一的经验系数，不能合理地反映路基实际沉降与理论计算值之间的关系“。 ( 2 ) 固结沉降计算 固结沉降是荷载置于路基上后，随着时间的延续，路基中的孔隙水逐渐排出过程中所发生的沉 降，或称主固结沉降。通常用下式表示： s t ( t ) = s 一阢 ( 1 - 2 ) 式中：s 一路基的最终固结沉降量； 3 东南大学硕士学位论文 阢一路基在t 时刻的平均固结度。 上式表明要计算t 时刻路基固结沉降量包括两个部分即土体的固结度计算和路基的最终固结沉 降量计算两个部分。 线弹性固结理论 t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 年建立了饱和土体的一维固结理论，极大地促进了土力学理论的发展。目前， 在工程界最广泛使用的沉降固结理论计算方法仍是t e r z a g h i - - 维固结理论。 r e n d u l i c l l “( 1 9 3 6 年) 将t e r z a g h i 的一维固结理论推广到二维和三维情况，得吐i t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论。该理论保留t t e r z a g h i 固结理论的假定，并且还假定固结过程中总应力之和始 终不变，但这种理论未考虑应力与应变需要满足的相容条件，最后得出的固结方程只含孔隙压力一 个变量。t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论至今尚没有适用于一般情况下的解析解，只能采用有限差分 解和有限元解。 b i o t “4 ( 1 9 4 1 年) 从较严格的固结机理出发推导了准确反映孔隙水消散与土骨架变形相互关系 的三维固结方程。b l o t 结理论保留t t e r z a g h i 一维固结理论的假定条件，增加了固结过程中法向 总应力和0 = 仃，+ 盯y + 盯z 随时间推移而变化，从而确保了土中的应力应变满足相容条件。b i o t 固 结理论比t e r z a g h i - r e n d u l i c 固结理论在理论上更全面更严密，能解释m a n d e l ( 1 9 5 7 年) 和c r y e r ( 1 9 6 3 年) 发现的h a n d e l - c r y e 效应 1 5 1 。 虽然t e r z a g h i - r e n d u l i c 固结理论不能反映土中孔隙水压力早期增长的这一现象，然而一旦这种 早期增长消失后，由t e r z a g h i - r e n d u l i c 固结理论给出的超静水压力消散过程与b i o t 理论的精确解十 分接近。对于许多实际问题，通常认为t e r z a g h i _ r e n d u l i c 固结理论己足够精确。同时由于 t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论比b l o t 固结理论简单，所以，在工程中的应用也较多。 土体的非线性固结理论 线弹性固结理论是建立在土体为线弹性变形的假定条件下的，而土体的变形通常表现出非线性。 m i k a s a “”( 1 9 6 3 年) 经过大量软粘土固结过程的研究后发现，软粘土的固结特性与t e r z a g h i 的固结理 论不太符合。他认为当土层很软很厚时，土层的自重应力水平对固结过程的影响很大。关于土体的 固结理论，曾经有很多学者研究了土体变形的非线性影响问题。g i b s o n 等人”1 ( 1 9 6 7 年) 提出了一维 有限非线性应变固结理论，它考虑了土体压缩性的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。窦宜【l ”、蔡正银n ”等人( 1 9 9 2 ) 曾对g i b s o n 建立的一维有限非线性应变固结理论 得出了简化条件下的解析解，并通过离心试验进行了分析验证。然而，对于线弹性固结理论任何有 意义的改进，都将使计算工作量大大增加，并且还可能增加一些常规试验难以取得的计算参数，从 而影响到它的适用性。 无论是线弹性固结沉降还是非线性固结沉降的计算，都会涉及到固结度和最终固结沉降的计算。 在t e r z a g h i 一维固结理论中，路基平均固结度和平均孔压消散程度相同。实际上由于土体为非线性 变形体，二者并不一致。而在土体为二，三维变形情况下，即使在线弹性假定基础上，也得不出二 者相等的结论。在这方面，谢辛宇【删( 1 9 9 2 ) 、魏汝龙1 2 1 1 ( 1 9 9 4 ) 都曾提出了按应变定义的固结度 与按应力定义的固结度之间的换算关系。但这种换算关系是针对土中一点的变形情况得出的，因此， 即使在路基最终固结沉降以及土体固结理论的计算是完全准确的情况下，按公式s ，( f ) = & u ，计算 的路基固结沉降也会有一定的误差。 最终固结沉降量的计算 关于路基的最终沉降量有很多种计算方法。一维固结沉降计算主要是按e p 或考虑土的应力历 史的e - l o g p 曲线建立最终沉降公式等。二维( 平面应变问题) 和三维沉降计算方法有 i 弗洛林( 1 9 3 7 年) 、e g o r o v l ( 1 9 5 7 年) 、黄文熙、d a v i s 和p o u l o s p 以及魏汝龙( 1 9 7 9 年) 等许 多学者根据广义虎克定律得出的公式； i i l a m b e ( 1 9 6 4 年) 、m a r r 等( 1 9 7 9 年) 提出的应力路径法； i i i s k e m p t o n 和b j e r u m ( 1 9 5 7 年) ”1 认为土体在三向应力状态固结中，既有可能侧向压缩，也有可 能侧向膨胀，由此推导出用三轴不捧水条件下得出的三维孔隙水压力计算最终固结沉降的方法等。 - 4 第一章绪论 根据半无限均质线弹性体推导得出的弹性理论公式。 上述这些公式中的土中应力都需根据线弹性理论进行计算。除了弹性理论公式外，其余所有公 式的特点是对路基土分层计算其变形，然后求和；而主要区别就在于计算土中一点的竖向变形时所 采用的应力应变关系不周。目前，工程中常用一维固结理论公式计算路基最终沉降，但对于压缩性 大的深厚软粘土层，由于软粘土的非线性固结特征及自重应力对固结的较大影响等因素，使得计算 结果常会有较大的误差。 ( 3 ) 次同结沉降量的计算 次固结被认为是在基本上为恒值的有效应力下发生并随时间面变化的沉降量。曾国熙例等人 ( 1 9 9 4 年) 认为次固结沉降在总沉降中所占比例一般都小于1 0 ( 按5 0 年计) ，但对极软弱的枯性土，如 淤泥、淤泥质粘土尤其含有机质时，或者当深厚的高压缩土层受到较小的压力增量比时，次固结沉 降会成为总沉降量的一个主要组成部分。 传统的次固结沉降计算，常常是利用e l o gp 曲线中次固结沉降与时闯近似直线关系来推算。 众多试验研究表明：应力水平，压缩时间、应力历史及沉积环境等因素对土体次固结系数都有一定 的影响，因此即使对于同一种土，次固结系数也不是常数。按照p l o g p 曲线推算次固结沉降很难 得到精确的结果。 2 ) 数值分析法 随着计算机技术的发展，数值方法在岩土工程中得到应用。数值分析法可以应用较为复杂的土 体本构模型，如一些考虑流变的粘弹塑性模型，考虑损伤效应的弹塑性损伤模型。 数值分析法主要可分为五类：差分法、有限元法、边界元法、变分法和加权余量法。目前用于 软土地基沉降量分析的主要是差分法、有限元法和边界元法，其发展趋势是有限元法与差分法或边 界元法相结合计算路基沉降，以期发挥各种方法的优越性。针对每种数值分析方法，岩土工作者提 出众多模型。如有限单元法就有殷宗泽考虑非线性弹性模型及弹塑性模型的有限元法、沈珠江”1 考 虑结构性的损伤模型的有限元法、刘和元考虑粘弹塑性模型的有限元法以及大变形固结有限元法等。 差分法以传统的一维固结理论为基础，考虑到层的多层次、土应力应变的非线性、计算参数 随应力的变化以及排水距离对次固结的影响，利用差分求解软土的沉降过程曲线，它在路基沉降计 算中得到一定的应用， 现有数值分析法中应用最为广泛的是有限元法，它具有能考虑侧向变形计算的特点而被认为是 分析严密的有效方法。从理论上说，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闯 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、孔隙水压力 和有效应力的变化，是种较为完善的方法。但有限元法采用的模型中涉及的计算参数较多，且一 般需通过三轴试验确定，因而在工程设计中难以得到广泛应用。并且，室内三轴试验在取样过程中 不可避免对原样土进行扰动，软土具有高灵敏性，这样测得的数据与实际存在着一定的出入，影响 了沉降分析的精确度。目前仅在重要工程、重点地段用有限元计算路基的沉降量。有艰元法目前很 难考虑大变形固结问题即几何非线性问题，往往使计算结果偏离较大。 3 ) 根据现场实测资料来推算沉降量与时间的关系 黄文熙岱1 ( 1 9 8 1 ) 认为，土的工程性质是十分复杂的，土的种类繁多，而且任何一种土的工程性 质又随它的存在状态和外界条件的不周而有很大变化。土的固结和压缩的规律是相当复杂的，它的 一些参数也是不易准确测定的，甚至任一个模型的提出都是建立在许多假设的基础之上的，因此， 工程的计算结果和实测结果往往会有一些差异。如何利用实测沉降资料进行沉降计算就显得重要而 有意义。 目前该类沉降计算方法已有很多，如曲线拟合法、线性回归法、灰色预测法、神经网络法、时 间序列法等。国内外一些学者对此方法非常重视，也进行较多研究。在人们对沉降机理未得到清晰 认识的情况下，用实测沉降资料预测后期沉降量不失为一种好的策略。在实际沉降预测中应用最为 广泛的回归分析方法是曲线拟合法。 5 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 曲线拟合法 曲线拟合法是由于沉降时间数据的统计规律符合某种曲线形式，进而采用该曲线形式的延伸趋 势来预测地基沉降的方法。目前应用比较广泛的曲线拟合方法主要有双曲线法、指数曲线法、泊松 曲线法、a s a o k a 法、星野法、门田法、最小二乘法等。曲线拟合法在实际应用中。常出现计算结果 与实测结果偏离比较大的情况。于是出现了不少修正曲线拟合的方法。例如，赵明华“提出软土路 基固结沉降一时间过程曲线与社会经济预测中的s 型成长曲线极为相似，引入组合预测的思想，由此 提出和推导了预测滨海软土路基沉降发展规律的龚帕兹预测方法；冯震0 1 等人结合泊松曲线特点， 在数据点足够的前提下建立了路基沉降量随时间而变化的泊松曲线预测模型等方法，以上方法均是 曲线拟合法的派生。由于曲线拟和方法并不探究模型的变化规律，因此不能如实反映沉降变化趋势。 ( 2 ) 灰色预测法 自从1 9 8 2 年邓聚龙教授首先在国际上创立灰色系统理论i “以来，灰色系统理论在农业、林业、 水利、能源、交通、经济等领域得到了较普遍的应用，引起了广泛的重视，在预测方面取得了令人 瞩目的成就。该理论认为对既含有已知信息又含有未知或者非确定信息的系统进行预测，就是对在一 定方位内变化的、与时间有关的灰色过程的预测。灰色理论针对“数据少”、“信息不确定”的特 点，通过较少观测数据，建立微分方程，并且灰色预测还是一个动态预测过程，可以根据新增加的 实测数据而相应的变动模型，而计算程序不需要变化，这正好适应了软土路基的信息化施工需要动 态预测软土沉降的要求。张仪萍0 1 等阐述了灰色理论在沉降预测中的应用，并指出了沉降灰色模型 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奠定了理论基础。韩女才1 利用 灰色理论对地基沉降进行了不等距预测并建立了相应的预测g i i f ( l 0 模型。这些理论和模型的提 出为灰色理论应用到地基沉降中开辟了更广阔的道路。 ( 3 ) 基于神经网络的时间序列预报法 人工神经网络研究始于4 0 年代初，经过半个多世纪的发展，已经成为了一个前沿的热门研究领 域，其发展对计算机科学，人工智能、认知科学等领域产生了重要影响。它试图模拟人脑的一些基 本特性如自组织、自适应、容错性等来解决一些人们尚未真正认识其规律的“灰色领域”问题。神 经网络分析方法具有较强的非线性动态处理能力，不需要精确的数学模型，也无需知道各变化的参 数之间的关系，可以实现高度的非线性映射。 近年来，人工神经网络在岩士工程中得到广泛应用，许多岩土工作者尝试用神经网络来预测软 土地基的沉降，并且取得了不少研究成果田j - l “，但是这些研究成果主要是用神经网络预测路基的 工后沉降，对施工期间的路基沉降预铡模型却很少见。岩土工程中沉降预测的神经网络方法主要有 两种建模法，一种是把各影响因素同沉降的关系用神经网络隐式表示，用影响因素作为网络的输入 项建立网络模型；另一种方法是不考虑沉降的各影响因素，而建立当前沉降同过去各沉降历史值问 的神经网络模型以预测各时间段的沉降量。 神经网络可处理含有噪声和许多不确定冈素的数据，建立高度非线性的函数关系。由于软土沉 降变形机理十分复杂，影响因素众多，各影响因素与沉降量之间具有高度的非线性，与其它方法相 比，神经网络对于解决软土地基沉降这样的复杂非线性问题，具有明显的优势。 4 ) 小结 现存几种方法互为补充，已成为软土地基路堤沉降计算的较为常用的方法。面且随着工程实践 的发展，这些方法都有所创新。然而由于软土自身特有的复杂性质，这些沉降计算方法仍然存在许 多尚待研究的问题。如分层总和法计算总沉降量时，修正系数的考虑；各种土体本构模型运用时， 土体性态参数的确定：实测沉降过程曲线推算沉降时其随机性所依据的理论方法、公路路基填筑施 工过程的模拟：比奥固结有限元理论中变形与孔压同时变化的耦合问题，和它在不同本构模型下的 正确实现，及其如何客观准确描述孔隙水的实际消散过程和土体的固结过程。这些问题的存在都使 得路堤沉降估算的准确性尚无法得到较好的解决，更使得动态设计的施工方法无法在工程实践中得 以很好的运用。 6 第一章绪论 i 3 研究目的 软土在我国沿江、沿海一带广泛分布。这些地区经济发展较快，基础设施建设发展迅猛，在软 土地区修建的高速公路也日益增多。在软土地区修建公路时，一般需要对地基进行处理。在确定路 基处理方案时，需分析研究软土的特性、路基沉降的影响因素、沉降规律以及采用合适的理论公式 和数值分析方法计算路基的沉降量。但是由于软土的复杂性，软基沉降量及其速率的预估就成了工 程设计中的一大难题。通过多条高速公路的沉降分析，发现路基的设计沉降量与路基的观测沉降量 相差很大。这种差异主要是由土层参数选取的误差和计算模型选用的不恰当及士体参数在施工过程 中不断变化等因素导致的。在设计时沉降计算的不精确等，这就要求设计者在路基施工过程中，及 时根据路基沉降观测情况反演路段的地质情况，推算下个工况下的路基沉降情况，从而优化路基的 设计方案。 在路基的掩工阶段，需要实现两个目标：一是控制路基的沉降和变形，保持路基的稳定：二是 估算路基的工后沉降量确定预压路段的卸载时间和路面的施工时间。这需要建设者及时根据路基施 工阶段前期沉降数据和加载情况，较为准确的估算下个加载时段路基的沉降量，从而判别路基稳定 与否，是否需要调整路基的填土速率。在动态加载情况下对路基沉降进行合理的预估，一直是公路 建设者的目标，这也是公路信息化施工的一个重要组成部分它对于公路建设具有重要的理论价值 与工程实际意义。 路基沉降的理论研究虽然已经取得了长足的进步，但从工程建设的发展与要求来看，还需对现 有的路基沉降计算理论作进一步的研究改进和创新。正如泰国学者b a l a s u b r a m a n i a m 和b r e n n e r i 驯所 指出的那样，路基沉降计算理论“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。 今天，在许多情况下己能够预估出误差不超过1 0 - 2 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”。目前，沉降与时间关系的预测方法中理论公式和数值计算这两类方法在理论上 都是合理可行的。这两类方法所涉及的计算参数必须通过实验获得，主要是室内单向固结试验和三 轴试验。由于取样过程中土样不可避免地会产生扰动，对于高灵敏度的软土来说，扰动将导致实验 得出的参数与土的实际参数相差甚远。为了更好的控制路基施工的质量，合理、科学、准确地反映 路基的沉降情况，现在各地在软土路基路段施工中都开展了大规模的沉降观测工作，也累积了大量 的数据、资料，充分利用现有的前期观测成果推算出后期的沉降在实际工程中具有重要的意义。目 前，从实测沉降曲线拟合推算出后期的沉降量主要有a s a o k a 法、双曲线法、指数法、三点法和星野 法等。这些方法在实际工程得到了广泛的应用，但这些方法中，参数的选取是关键往往不同人员 或同一人员用不同的方法在计算同一点的沉降差异较大，并且到底哪种地质条件下和哪种路基处理 方式适合用哪种方法进行拟合效果更理想，还有待进一步的研究，这些问题的悬而