（岩土工程专业论文）填石路堤试验研究及填石体本构模型参数进化反演分析.pdf

硕士学位论文 摘要 随着我国中西部高速公路建设的迅速发展，填石路堤作为一种理想的路堤形 式得到了广泛应用。然而现有的密实度检测技术已不能适应高速公路快速发展的 要求。另外，由试验获得的填石体本构模型参数也往往不能令人满意。因此研究 一种快速、无损、准确的路堤密实度检测技术和开展基于实测数据的填石体本构 模型参数反演研究具有重要的理论和工程实用价值。 本文首先依据相似理论设计了填石路堤室内大尺寸模型试验，试验结果表明 瞬态冲击法和动刚度法的主要动测参数与密实度的相关性较差，而附加质量法得 到的填石体参振质量与密实度之间有着很好的线性关系，故将该方法作为填石路 堤密实度检测的动测方法。进一步通过对试验数据的拟和分析确定了参振质量与 密实度之间的关系式，并对试验方法进行了详细说明，为将该方法推广应用到工 程实际创造了条件；然后详细介绍了p v c 管沉降仪和水管式沉降仪的观测方法， 并将这两种仪器首次应用于填石路堤的沉降观测，在填石路堤试验路现场使用的 效果良好；在试验路现场自行设计和实藏了大型原位剪切试验并依据楣关理论对 试验数据分析得到了填石路堤的抗剪强度参数c 、妒值，为验证参数反演的合理性 提供了依据：结合填石路堤施工期沉降变形机理和工程特点，基于现场沉降观测 资料，选取邓肯一张e v 模型作为填石体本构模型，引入遗传算法和有限元分 析理论，建立了填石体本构模型参数的进化反演方法并编制了相应程序；最后， 结合湖南常张高速公路和广西寨任路的实测沉降数据，对上述方法的可靠性和合 理性进行了验证，结果表明，本文提出的填石路堤参数进化反演方法能够满足工 程实际的要求，具有一定的工程实用价值。 关键词：填石路堤；附加质盏法；沉降观测；现场大剪试验；反演分析；遗传算 法 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yi nm i d d l e w e s tr e g i o n ，t h er o c k _ f i l l e d e m b a n k m e n th a sb e e nw i d e l ya p p l i e d h o w e v e r ，t h ee x i s t i n gs u b g r a d ed e n s i t y i n s p e c t i n gm e t h o dh a sb e e nu n a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h er a p i d d e v e l o p i n g h i g h w a yc o n s t r u c t i o n f u r t h e r m o r et h o s ep a r a m e t e r so b t a i n e df r o me x p e r i m e n ta r e u s u a l l yn o ts a t i s f y i n g s oi t i so fs i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u ef o rs t u d y o l qac o n v e n i e n t ，n o n - d a m a g e ，p r e c i s es u b g r a d ed e n s i t yi n s p e c t i n gm e t h o da n do n m o d e lp a r a m e t e r sb a c ka n a l y s i sb a s e do nf i e l dm e a s u r e dd a t a a tf i r s t ，i nl i g h to fs i m i l a r i t yt h e o r y ，ai n d o o rm o d e lt e s tw a sd e s i g n e d ，t h e r e s u l to fw h i c hi n d i c a t e dt h a ti tw a sd i f f i c u l tt os e tu paq u a n t i t a t i v er e l a t i o nw i t ht h e d e n s i t yb ys h o c kf t e q u e n c ya n a l y z i n ga n dd y n a m i cs t i f f n e s sa n a l y z i n g ，o nt h e c o n t r a r y ，i tt u r n e do u tt o b eas o u n dl i n e a r r e l a t i o nb e t w e e nt h ed e n s i t ya n dt h e v i b r a t i n gm a s sc a l c u l a t e db ya d d i t i v em a s sm e t h o d ，w h i c hw a sc o n s e q u e n t l ya d o p t e d a st h er o c k f i l l e de m b a n k m e n td e n s i t yi n s p e c t i n gm e t h o d i na d d i t i o n ，t h ee q u a t i o n c o u l db eg a i n e db ye x p e r i m e n t a ld a t af i t t i n ga n dt h em e t h o dw a sb r o u g h to u ti nd e t a i l a sar e f e r e n c ew h e ni ti sp r o v e di n t op r a c t i c e p v ca n dw a t e rp i p es e t t l e m e n t o b s e r v i n ge q u i p m e n tw e r ef i r s ta p p l i e do nr o c k f i l l e de m b a n k m e n ta n dp r o v e do u tt o b cr e l i a b l ea n dc o n v e n i e n t al o c a t el a r g e s c a l es h e a r i n gt e s tw a sd e s i g n e da n dc a r r i e d o u ta tt h ee x p e r i m e n t a lr o a da n dt h es h e a rs t r e n g t hi n d e xc ，舻c o u l db ew o r k e do u t w i t hr e l a t i v et h e o r ya p p l i e d w i t hs e t t l e m e n tm e c h a n i s md u r i n gc o n s t r u c t i o na n d b a s e do nf i e l dm e a s u r e dd a t a ，t h ed u n c a nn o n l i n e a rm o d e lw a ss e l e c t e da n dt h e r o c k f i l l e do b j e c tm o d e lp a r a m e t e r sb a c ka n a l y s i sm e t h o dw a sp u tf o r w a r dw i t h g e n e t i ca l g o r i t h ma n df i n i t ee l e m e n tm e t h o di n t r o d u c e d ar e l a t i v ep r o g r a m m ew a s a l s ow o r k e do u t a tl a s t ，w i t ht h ef i e l dm e a s u r e dd a t ao fc h a n g z h a n gh i g h w a ya n d z h a i r e nr o a da n a l y z e d ，t h er e l i a b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo ft h em e t h o dw a sd e e p l y p r o b e d t h er e s u l t i n d i c a t e dt h a tt h er o c k - f i l l e do b j e c tm o d e lp a r a m e t e r sb a c k a n a l y s i sm e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e rc a nm e e tt h er e q u e s to ft h ep r a c t i c a l e n g i n e e r i n g k e yw o r d s ： r o c k f i l l e de m b a n k m e n t ；a d d i t i v em a s sm e t h o d ；s e t t l e m e n t o b s e r v a t i o n ；l o c a t el a r g e s c a l es h e a r i n gt e s t ；b a c ka n a l y s i s ； g e n e t i ca l g o r i t h m n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 套刚e t i # i ：知艿年，月。；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 李刚 导师签名 日期：丑以年f 月2 2 日 日期：扫吐年f 月上2 目 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 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。在这些地区，如贵州、广西、湖南等地，山体起伏不平，地势变 化大，山势纵横切割，沟谷深邃，边坡陡峭，工程地质条件复杂，在公路的修筑 过程中，填料的主要来源是大量的石质挖方和隧道弃方，利用石料修筑路堤，一 方面避免了大量借土填筑路堤从而合理地降低了工程造价，另一方面也避免了大 量石质弃方占用农田耕地的不合理现象。因此，填石路堤必然是我国西部高速公 路建设中采用的路堤主要形式。事实上，随着碾压机械的发展，并且人们在填石 路堤的修建过程中积累了较多的工程经验，目前，填石路堤已经能够满足高等级 公路的要求，从而在高等级公路中得到了广泛的应用。如京珠高速公路粤境小塘 至甘塘段填石路堤、京沪高速公路化临( 化马溪一临沂) 段填石路堤、福建福泉高 速公路、贵州水( 水城) 黄( 黄果树) 填石路堤段、3 0 9 国道武涉段改建工程填石路堤、 丹( 丹东) 本( 本溪) 高速公路、广西寨任二级公路填石路堤等等，都出现了大量的填 石路堤段。 对于填石路堤，在我国公路规范中没有明确的、严格的定义。交通部部级科 技项目公路填石路堤压实标准与检测方法总报告建议当填方路基的粒径大 于2 m m 的颗粒含量大于7 0 ，粒径 6 0 m m 及 3 0 0 r a m 及 o 0 7 4 r a m 的含量分别小于1 5 时，称为漂石( 块石) 路堤。与一般路 堤比较而言，填石路堤具有以下几个特点：填筑高度大，需要对路堤边坡进行 验证，要求路堤本身具有足够的整体强度和边坡稳定性；由于高填石路堤填筑 断面面积很大，填筑工程量巨大，路堤的填筑缺陷相对较多，填筑质量保证较为 困难：踌堤本身累积沉降大，对路堤单位填筑高度的工后沉降量要求更严格； 由于荷载相对较大，需对地基强度进行验算，要求地基承载力高、稳定性好； 地基沉降大，填筑过程中需对地基进行监测，控制总沉降量和沉降速率，确保 高路堤地基的稳定。 填石路堤试验研究及填石体本构模型参数进化反演分析 1 2 研究问题的提出 为适应西部高速公路建设快速发展的需求和为解决目前填石路堤修筑过程中 出现的一些关键技术问题，交通部设立了西部交通建设科技项目“岩溶地区公路 填石路堤修筑、加固与测试技术研究”。项目由湖南省交通规划勘察设计院和湖南 大学岩土工程研究所合作承担。本文将依托该项目展开研究，拟解决以下三个主 要问题： ( 1 ) 分析和比较目前的各种动测方法，通过室内试验研究建立起动测参数与 填石路堤密实度之间的关系，进而提出一种合理、简便、准确的路堤密实度检测 方法。 ( 2 ) 设计和实施填石路堤现场大型剪切试验以获得填石体抗剪强度参数，为 验证反演参数的可靠性提供依据。 ( 3 ) 利用填石路堤施工期实测沉降数据，引入参数进化反演方法，得到填石 体的非线性本构模型参数，从而为填石路堤的稳定性分析和变形研究提供合理的 参数。 1 3 密实度检测技术现状 1 3 1 路堤密实度检测技术现状 交通部公路科学研究所著的公路填石路堤压实标准与检测方法研究总报告 中的研究代表了我国填石路堤检测方法的最新成果，该研究认为对最大粒径小于 6 0 m m 的碎石路堤可采用表面波压实度仪、压实计和核子密度仪检测压实度。对 于更大粒径的块石路堤应该采用压实计和沉降观测法进行压实效果检测。 下面具体列举一些目前常用的填石路堤密实度检测手段： 1 规范方法 在我国现行公路路基施工技术规范中 2 1 ，规定以1 2 t 振动压路机进行压实试 验，当碾压层顶面稳定不再下沉( 无轮迹) 时，认为路堤达到了密实状态。由于 没有一个量化的标准，该规定明显缺乏可操作性。 2 密度试验法 用密度作为填石体的质量控制指标，其主要步骤与土方压实检验相同，即检 验现场压实土密度和确定最大干密度。填石体最大干密度的测定仍采用振动台法 ”】，因为填石的颗粒粒径达1 0 0 0 m m ，远大于试筒允许的最大粒径6 0 m m ，需要按 相似级配法缩小粒径的系列模型试料进行试验，外插得到填石的最大干密度。然 而据文献 4 】表明：一方面，即使在同一相对密度下，模型与原型的最大密度有显 著差别；另一方面，填石级配分布范围比较广，使得这种方法的应用也受到很大 限制。 硕士学位论文 现场检验填石路堤压实密度传统的试验方法有试坑灌水法和灌砂法等，一般 采用灌水法。因为一方面填石体粒径较大，故试坑较大，采用灌砂法用砂量很大； 另一方面其空隙大容易架空，导致砂漏失，不易测量准确。试坑灌水法检测工作 量大，耗时长，如对于8 0 e r a 的层厚，其试坑体积达l m 3 左右，每个试坑出料以 吨计，以此作为检测手段，不但对路面造成了损伤，也影响填筑施工的连续作业。 3 压实计法 7 0 年代末，瑞典d y n a p a c 公司首先研制成功压实计，运用于振动压实质量 控制效果很好。其原理是将压实计的加速度测量元件安装在振动机械的振动轮上， 将振动轮作为测量元件川。填石体比较松散时，振动轮在其上做铅垂运动，受到 的反作用力小，基本上为正弦运动。当填石体逐渐被压实，填石对振动轮的反作 用力逐渐增加，强迫振动轮正弦运动的变形力也逐渐增加，压力计的加速度测量 元件将感受到这种变化并将此振动波形转换成电信号，信号经加工变换后以压实 程度的形式反馈给驾驶员，驾驶员可以根据此结果指导工作。若需现场记录，还 可接打印机。输出结果。 然而，压实计仪表上的读数并不表示填石的技术指标( 如密度、含水量) ，只 表示被检测面的密实程度。一般压实计较适用于施工人员压实过程中对被压实体 的实时监控和控制压实遍数。由于在振动频率、碾压速度、前进方向及粒料粒径、 含水量不同时，其测试结果也不同，尤其要求碾压时振动频率不能变化太大，因 此无法提出一个比较明确的指标。 4 沉降差检测法 填石压实的目的就是通过碾压作用，使填石路堤在将来路面和行车荷载共同 作用下可能发生的瞬间压缩变形在路堤填筑期间完成。压实的直接效果是使填筑 层表面发生沉降变形。因此通过观溅路堤填筑表面在一定压实荷载下的沉降就可 以掌握压实情况。沉降差检测是通过观测标准吨位的压路机碾压已压实层表面的 前后沉降量的差值，用于判断被检测层是否达到压实标准【6 l 。其方法是：当填料 压实后，刮平表面，在其表面设置1 0 2 0 个测点，涂上油漆做好有色标志，用水 准仪测定各点高程，标准吨位的压路机碾压后，再测定各点高程，计算沉降量平 均值，用沉降量衡量路堤的压实效果。湖南湘耒高速公路在用红砂岩作筑路材料 的路基段均采用这种检测方法f 7 】，其具体作法是：引进南非蓝派公司2 5 k j t 3 型冲 击压实机检验性补压2 0 遍后，沉降大于7 0 e r a 则认为原路基压实不好，沉降在 5 。0 e r a 以下则认为能够保证路基稳定性。在国内其它一些高速公路上，如北京八 达岭线、河北宣大线、福建福泉线也都采用了这种检测技术。 5 承载板法 承载板法是铁路部门检测粗粒土压实质量的常用方法【l 】。该方法采用直径 3 0 c m 的标准承载板检测压实体的回弹模量，以此判定被压实体的压实质量。与此 填石路堤试验研究及填石体本构模型参数进化反演分析 类似的还有弯沉法，通过标准轴载的汽车检测被压实体的弯沉来控制压实质量。 由于承载板法和弯沉法需要配备标准荷载车辆和专用检测设备，在常规施工控制 中费时、费力，特别是弯沉法，其结果离散性很大，很难作为填石路堤的施工质 量指标。这两种方法目前很少用在施工过程控制中，一般在最后一层顶面检测一 次，作为路基总体质量的一个控制指标和用于路面设计的路基回弹模量指标。 6 碾压参数控制法 碾压参数控制也是比较实用的方法。通过碾压试验确定某种填石材料在一定 碾压机械下的碾压厚度、遍数、速度和洒水量，在施工过程中只需控制相应的碾 压参数即可基本保证压实质量。我国现行公路路基施工技术规范便是采用这 种方法检查石方路堤的压实度。碾压参数控制的核心是碾压试验，其步骤包括铺 筑、碾压、量测压实沉降值和取样。每一遍碾压后的沉降值是衡量压实效果的重 要参考值，同样级配的材料，通过试验比较可以推算出孔隙率的大致范围。一般 情况下，两遍碾压的沉降值增加为层厚的0 4 o 5 时表明压实基本合格。碾压 试验中取样可以建立孔隙率与沉降、碾压遍数的关系曲线，确定合理的碾压参数。 通过碾压参数控制石方的压实质量是土木工程中普遍应用的方法。在公路工程领 域，这方面总结的成果很少，但在筑坝领域，应用比较广泛。 在以上提到的各种压实质量检测方法中，密度试验法要取得足够的样品很不 容易，通常测一个密度值需要取样途千公斤，花费大量人力物力，从而限制了该 方法的实际应用。其余几种方法：压实计法、沉降观测法、碾压参数控制法都不 能得到填石现场压实后的实际密度值，属于间接检测法。 压实计法、沉降观测和承载板法都是通过压实体在某种荷载下的一定力学反 应来反映填石路堤的压实情况。从公路行业的建设经验来看，一般不能用力学指 标的检测来代表密实度的检测。其主要原因是土体强度和沉降受水分的影响太大， 即使是压实度达不到要求的路基，在干燥状态下模量也可能很高，而湿润后在荷 载作用下继续发生较大的塑性沉降。这也是我国公路工程质量检验评定标准 对普通土路基规定了弯沉和压实度两个检验指标的原因嘲。不过我国过去的公路 建设经验基本是在采用细颗粒较多的土作填筑材料的工程中取得的，还缺乏填石 筑路的实际经验。填石材料具有颗粒大、渗透性好的优点，与土有很大区别，但 是对于部分石料而言又具有饱水后强度下降甚大的缺点，所以水分对填石路堤沉 降的影响需要通过观测进行论证。如果气候、水文状况对填石路堤的工后沉降影 响小，则可以通过检测填石路堤的力学反应间接检测其压实质量。另外这几种方 法控制效果在很大程度上取决于碾压机械所能施加的荷载能力，所以用于检测的 碾压机械吨位要足够。 - 4 硕士学位论文 1 3 2 动测法在密实度检测中的应用 动测法是近年发展起来的一种新型勘探检测手段。据报道在地基勘探、灾害 地质体调查、地下埋设物探查等方面已有成功应用的例子。试验研究表明，波速、 频率、幅值等动测参数与材料密度、强度、弹性模量等参数有良好的相关性，据 此原理即可对被测体进行质量检测。因此，动测技术在水利、矿山、铁路、公路 等部门得到了广泛的应用。 1 瞬态瑞雷面波法 瞬态瑞雷波测试技术是国外近几年研究提出的一种新的浅层勘探技术，该技 术利用瑞雷波的频散特性来测试分析地下介质特性。瑞雷波检测属于面波检测的 种，由于瑞雷波在地震波组中能量最大、振幅最大、频率最低，所以容易识别 也易于测量。瑞雷波检测技术按照激励的方式不同又分为稳态和瞬态两种。 国内从八十年代起就有许多学者和科研单位相继开展了瞬态瑞雷波勘探技术 的研究，取得了大量的研究成果，主要应用在浅层岩土工程勘探方面，如软土地 基加固评价、铁路基床强度评价、矿井煤层超前探测、大坝填方碾压质量检测， 目前在公路检测中的应用不多。杨成林、时福荣、李从信、蔡柏林呻1 在1 9 9 6 年首 先在廊坊市北大街、乳源一坪石公路使用瑞雷波法测试了路基压实度，并结合超 声波法测试了水泥混凝土路面的强度，给出了拟合公式。苑东义1 m 2 0 0 2 年在1 0 7 国道新乡至郑州段二期工程分离式立交桥引线路基上用瞬态瑞雷波测试，并根据 实测密度计算路段的标准瑞雷波波速，将测试结果于环刀法做了对比。宋先海、 肖柏勋、顾汉民【，2 3 2 0 0 2 年在商开高速公路用s e 2 4 0 4 地震仪做瞬态法测试，对测 试数据用等厚薄层权重自适应迭代阻尼最小二乘法反演，得到以m 为单位的二维 压实度等值剖面图。李青山、张献民、李红英2 0 0 3 年m 1 使用瞬态法测试路基压实 度与环刀法测试结果对比，并给出了粘土、低液限粉土上的回归公式。 2 冲击响应频谱法 1 9 9 7 年，西安公路交通大学顾炳其、马荣贵l 研究出冲击响应频谱法。该方 法是将一个装有传感器的落锤以恒等高度自由落下冲击路基，由于不同密实程度 的土对冲击能量的吸收不同，因此传感器检测到的冲击响应信号频谱在低频段的 幅值就反映了压实度。顾炳其、马荣贵发现了s g 水滞频段，在这一频段内水 份对冲击响应反应不敏感，冲击振动响应值为路基压实度的单值函数。 3 动刚度法 刘卫星、王午生】采用落轴试验方法测试铁路碎石道床的动刚度和阻尼值 利用落轴模型法和参数辨识法分析计算道床的动刚度和阻尼，并用l a b v i e w 软 件对测试数据进行采集计算，得到了不同道床材质、厚度、密实度以及脏污情况下 的道床动刚度和阻尼值。 填石路堤试验研究及填石体本构模型参数进化反演分析 4 附加质量法 李丕武、楼加丁 t 6 ，”】将堆石体等效为单自由度线性弹簧体系，用附加质量的 方法求出堆石体的参振质量，令参振质量的动能等于地面以下一定深度以内的堆 石体连续介质振动动能的积分，导出了了堆石体密度的解析式，最后通过测定参 振质量、堆石体弹性纵波波长，求得堆石体密度这种方法经黄河小浪底工程应 用证明，效果很好m 】。而且该方法属介质密度原位测定方法，不挖坑不取样，简 便易行，不仅适用于堆石体密度的测定，对砂砾石、砂性士及各类土壤的密度测 定亦均适用。 1 4 反分析方法概述 1 4 1 反分析方法基本思想 反演分析是在空域和时域内对工程进行反馈分析的方法9 j ，是动态设计的最 基本也是最重要的组成部分。它不仅包括在常规设计期间内进行的各种静态分析， 而且包括随施工过程，根据工程现场实测的变形及其它可观测信息进行一系列反 馈处理，它将设计与旌工过程密切联系起来。因此，它在地下工程、深基坑工程 中育着广泛的应用。 在对工程进行反演分析时，把工程中采集的实测数据作为反演分析计算的标 准值，即约束集，而将目标参数值作为可调集，使可调集在允许范围内，将由此 计算得到的理论值与约束集比较，并通过逐步变动可调集，使理论值向约束集逼 近靠拢，当达到拟合精度时。此时的可调集就是反演分析得到的参数值。将反演 后的参数值代入计算模型再推求下一步的理论值，或者将反演得到的参数应用在 该地区类似工程中，这样，可以为工程预测预报提供理论依据。这种利用监测信 息反求参数，再利用参数进行预测的方法就是反演理论的基本思想。 土工问题中的反演分析方法主要有四种类型【2 0 】：正反分析法、逆反分析法、 回归分析法、概率统计法。工程反分析问题中应用最多的是正反分析法。正反分 析法又称直接分析法。它把数值分析法( 如有限元法、边界元法) 和数学优化方 法结合起来，通过不断修正土的未知参数，使得一些现场实测值与相应的数值分 析的计算值的差异达到最小。直接分析法不需要象逆反分析法那样根据不同情况 重新推导方程，或重新编制计算程序，它只是把正分析时应用的计算程序当成优 化算法中的一个子程序应用即可，因此具有较强的适应性，能处理各种类型的反 分析问题，可以应用于非线性、弹塑性问题的分析。 1 ，4 2 岩土工程反分析法的历史与现状 岩土工程反分析理论首先是从人们对岩石隧道的量测和分析研究中形成，并 逐步发展和完善的。其基本思想由k a r a n a g h 2 t 】在1 9 7 1 年提出，基本方法是根据现 墨互塑丝基壁竺窒墨堡耋竺奎丝篓型耋茎兰些星堡坌堑 4 附加质量法 李丕武、楼加丁m 将堆石体等效为单自由度线性弹簧体系，用附加质量的 方法求出堆石体的参振质量，令参振质量的动能等于地面以下一定深度以内的堆 石体连续介质振动动能的积分，导出了了堆石体密度的解析式，最后通过测定参 振质量、堆石体弹性纵波波长，求得堆石体密度这种方法经黄河小浪底工程应 用证明，效果很好l 】。而且该方法属介质密度原位测定方法，不挖坑不取样，简 便易行，不仅适用于堆石体密度的测定，对砂砾石、砂性土及各类土壤的密度测 定亦均适用。 1 4 反分析方法概述 14 1 反分析方法基本思想 反演分析是在空域和时域内对工程进行反馈分析的方法】，是动态设计的母 基本也是最重要的组成部分。它不仅包括在常规设计期间内进行的各种静态分析， 而且包括随施工过程，根据工程现场实测的变形及其它可观测信息进行一系列反 馈处理它将设计与施工过程密切联系起来。因此，它在地下工程、深基坑工程 中有着广泛的应用。 在对工程进行反演分析时，把工程中采集的实测数据作为反演分析计算的标 准值，即约柬集，而将目标参数值作为可调集，使可调集在允许范围内，将由此 计算得到的理论值与约束集比较，并通过逐步变动可调集，使理论值向约束集逼 近靠拢，当达到拟合精度时，此时的可调集就是反演分析得到的参数值。将反演 后的参数值代入计算模型再推求下一步的理论值，或者将反演得到的参数应用在 该地区类似工程中，这样，可以为工程预测预报提供理论依据。这种利用监测信 息反求参数，再利用参数进行预测的方法就是反演理论的基本思想。 土工问题中的反演分析方法主要有四种类型 ：正反分析法、逆反分析法、 回归分析法、概率统计法。工程反分析问题中应用最多的是正反分析法。正反分 析法又称直接分析法。它把数值分析法( 如有限元法、边界元法) 和数学优化方 法缩合起来，通过不断修正土的未知参数使得一些现场实测值与相应的数值分 析冉勺计算值的差异达到最小。直接分析法不需要象逆反分析法那样根据不同情况 晕新推导方程，或重新编制计算程序，它只是把正分析时应用的计算程序当成优 化算法中的一个子程序应用即可，因此具有较强的适麻性，能处理各种类型的反 分析问题可以应用于非线性、弹塑性问题的分析。 14 2 岩土工程反分析法的历史与现状 岩上工程反分析理论首先是从人们对岩石隧道的量测和分析研究中形成，并 逐步发展和完善的。其基本思想由k a r a n a g h t z t l 在1 9 7 1 年提出，基本方法是根据现 逐步发展和完善的。其基本思想由k a r a n a g he n 】在1 9 7 1 年提出，基本方法是根据现 填石路堤试验研究及填石体本构模型参数进化反演分析 4 附加质量法 李丕武、楼加丁 t 6 ，”】将堆石体等效为单自由度线性弹簧体系，用附加质量的 方法求出堆石体的参振质量，令参振质量的动能等于地面以下一定深度以内的堆 石体连续介质振动动能的积分，导出了了堆石体密度的解析式，最后通过测定参 振质量、堆石体弹性纵波波长，求得堆石体密度这种方法经黄河小浪底工程应 用证明，效果很好m 】。而且该方法属介质密度原位测定方法，不挖坑不取样，简 便易行，不仅适用于堆石体密度的测定，对砂砾石、砂性士及各类土壤的密度测 定亦均适用。 1 4 反分析方法概述 1 4 1 反分析方法基本思想 反演分析是在空域和时域内对工程进行反馈分析的方法9 j ，是动态设计的最 基本也是最重要的组成部分。它不仅包括在常规设计期间内进行的各种静态分析， 而且包括随施工过程，根据工程现场实测的变形及其它可观测信息进行一系列反 馈处理，它将设计与旌工过程密切联系起来。因此，它在地下工程、深基坑工程 中育着广泛的应用。 在对工程进行反演分析时，把工程中采集的实测数据作为反演分析计算的标 准值，即约束集，而将目标参数值作为可调集，使可调集在允许范围内，将由此 计算得到的理论值与约束集比较，并通过逐步变动可调集，使理论值向约束集逼 近靠拢，当达到拟合精度时。此时的可调集就是反演分析得到的参数值。将反演 后的参数值代入计算模型再推求下一步的理论值，或者将反演得到的参数应用在 该地区类似工程中，这样，可以为工程预测预报提供理论依据。这种利用监测信 息反求参数，再利用参数进行预测的方法就是反演理论的基本思想。 土工问题中的反演分析方法主要有四种类型【2 0 】：正反分析法、逆反分析法、 回归分析法、概率统计法。工程反分析问题中应用最多的是正反分析法。正反分 析法又称直接分析法。它把数值分析法( 如有限元法、边界元法) 和数学优化方 法结合起来，通过不断修正土的未知参数，使得一些现场实测值与相应的数值分 析的计算值的差异达到最小。直接分析法不需要象逆反分析法那样根据不同情况 重新推导方程，或重新编制计算程序，它只是把正分析时应用的计算程序当成优 化算法中的一个子程序应用即可，因此具有较强的适应性，能处理各种类型的反 分析问题，可以应用于非线性、弹塑性问题的分析。 1 ，4 2 岩土工程反分析法的历史与现状 岩土工程反分析理论首先是从人们对岩石隧道的量测和分析研究中形成，并 逐步发展和完善的。其基本思想由k a r a n a g h 2 t 】在1 9 7 1 年提出，基本方法是根据现 硕士学位论文 场实测的位移，利用有限元方法来计算岩体的力学参数。在历史上，二十世纪7 0 年代以前有关研究人员就已经对岩体中初始地应力和地层参数的试验测定有较多 研究，并得到许多可用于工程实践的方法。然而在当时水平下，初始地应力的测 定主要依靠钻孔，地层参数的获得则主要依靠室内试验与野外试验，这些方法虽 然都能取得预期的结果。但都有费钱费时等缺点，使绝大多数工程在设计时都不 能按实际需要开展工作f 2 2 】。7 0 年代起，用于隧道施工的新奥法技术已经形成。新 奥法技术进行隧道设计和施工的主要依据是洞周收敛位移量测信息，包括拱顶下 沉量、洞周最大收敛位移值及其收敛速率等。新奥法施工技术问世后，有关研究 人员在开展收敛限制法设计理论研究的同时，也对隧道施工采集的位移量测信息 进行反演研究j 。经过十多年的研究，到8 0 年代已经取得了一系列成果，初步形 成了可供岩石地下工程实践采用的反演理论和方法体系。 在国外，日本学者对这类课题的研究取得了较多的成果。s a k u r a i f z 1 在1 9 7 4 年根据围岩的蠕变位移，使用有限元方法来计算岩体的粘滞性系数，樱井春辐1 2 6 】 提出了由位移一应变反馈确定初始地应力和地层弹性参数值的有限单元法。大家 正辛印】提出了位移预报法：久武胜保m 】建立了衬砌结构所受荷载和发生位移之间 的关系式，可用于依据位移量铡值反演确定作用在衬砌结构上的荷载。美国、意 大利等国的学者对位移反演理论也早有研究。在1 9 7 6 年于约翰内斯堡举行的岩土 工程勘测研讨会上，k i r s t e m t ：，1 使用有限元法求影响系数，然后代入到解析解中， 按解析方法确定岩体的弹性模量。1 9 8 0 年意大利的g i o d a t ，o 。4 1 开始了弹塑性位移 反分析的研究，他利用位移的实测值来计算岩体的粘聚力、内摩擦角及初始地应 力，在这一过程中使用了单纯形法和变量轮换法等优化方法。美国学者 r e g o o d m a n t ”】在7 0 年代出版的岩石力学专著中就已提到可依据位移量后算初始 应力。 在国内，也有不少学者较早地对这一问题进行了系统研究。8 0 年代初，中科 院地质研究所的杨志法m 。墩授提出了一种位移反分析方法一图谱法，可以直接 根据图谱由位移量测值确定初始地应力或围岩参数；冯紫良m 1 提出了初始地应力 位移反分析计算的有限单元法的计算原理；杨林德【。，等建立了平面应变弹性问题 反演计算的有限单元法的具体计算法，并给出了程序框图和算例验证。 进入9 0 年代，更有专著出版。西安矿业学院的王芝银】等编著了地下工程 位移反分析法及程序，对位移反分析法作了比较全面的阐述，并附有一些计算程 序。同济大学的杨林德【2 l 等则编著了岩土工程问题的反演理论与工程实践，更 全面系统地介绍了反分析法的计算理论和应用技术。 与岩石地下工程反分析的比较成熟的研究成果相比，土体工程的反分析研究 还处于初步阶段，还没形成独立的系统理论和方法。尽管，土体工程反分析可以 借鉴岩石地下工程反分析研究成果，但是，由于土和岩石这两种材料在物理力学 填石路堤试验研究及填石体本构模型参数进化反演分析 性质上的差异，以及形成环境的不同，两者在同一问题的研究上有不同之处。例 如，土体材料本构模型比岩石材料的本构模型要复杂得多，其本构关系与土性、 沉积历史、固结程度和含水量等因素有关，在较低的应力水平下即可处于屈服状 态，表现为非线性、粘弹塑性等特性。虽然目前土的本构模型很多，其中学者们 考虑进去各种影响因素越多，本构模型越能反映实际土的应力应变关系，可是相 应的本构模型所需的土性参数就越多，这给反演的效率带来麻烦，因为反演的参 数越多，所需的机时会大幅增长，迭代收敛也很难保证或者收敛到不准确值。另 外，土体一般由不同土性的土层组成，不同的土性其本构关系也不同；如果同时 选用好几个本构模型进行分析，显然是不太切合实际的，会给计算带来很多问题。 因此土体反分析中比较符合实际情况的本构模型的难以选择，还有地基中的多个 二t 层导致总的参数数量的增多，都不利于反演分析。 也是从8 0 年代起，国内外学者开始对土体工程反分析进行研究。迄今为止， 在这一领域取得的进展还不多，所发表的论文数量远远少于岩体工程反分析研究 的论文数量。以下是有关反分析法在土体沉降方面的一些文献。 a a s a o k a 和m m a t s u o t ”】( 1 9 8 0 ) 提出一个沉降预测的逆分析方法。把一维 固结沉降过程用普通的差分方程表示，对该方程进行重新组构表示成反方程，从 而可以利用沉降实测值来确定方程的未知参数，并利用确定的参数预测将来的沉 降。 k a r a i 等】( 1 9 8 3 ) 提出了一个从量测位移值反演土性弹性参数的数值法， 应用共轭梯度优化方法，且不考虑土的固结。随后，k a r a i ( 1 9 8 4 ) 又进一步发 展了这个方法1 4 s 】，使地基土在二维固结条件下反分析杨氏模量、泊松比和渗透系 数成为可能。1 9 8 6 年他又探索了土性参数随固结过程的变化趋势，得出了杨氏模 量随剪应力增长而减少的现象可以由假定土体为简单双曲线应力应变关系来解释 的结论1 4 6 】，该双曲线应力应变关系实际上是d u n c a n c h a n g 模型的一个变体。1 9 8 7 年他应用该双曲线本构关系进行了固结条件下的土性参数反演。1 9 9 3 年他指出了 以前所采用的双曲线本构关系存在的两个不足之处，提出了一个新的反分析变形 模量和m o h r c o u l o m b 强度参数的初应变数值方法。这个方法计算的应力不直接 依赖于切线刚度模量，也就比较容易地解决了本构关系中应力和变形模量之间的 矛盾。 龚晓南1 4 7 】将d u n c a n - c h a n g 模型和b i o t 固结有限元方程相结合，建立了一个 具有四参数的非线性弹性方程组，然后根据地基固结过程中测得的位移值和孔压 值反算地基土的非线性弹性参数和渗透系数。所采用的反分析方法是直接分析法， 优化算法是数学规划中的模式探索法。该研究工作得到了联邦德国洪堡奖学金的 资助。 m s h o j i 等采用二维弹性固结有限元法进行反分析 4 s l ，运用b f g s 拟牛顿优化 硕士学位论文 方法进行参数反演，以代替以前经常使用的共轭梯度法，认为b f g s 方法要比共 轭梯度法优越。他探讨了信息化施工预测方法，认为应该由有经验的专家指导， 并利用弹粘塑性分析方法。 朱合华f t 9 1 等提出了动态施工反演分析的思想，反推了基坑_ 丌挖中各土层的弹 性模量，给出了作用在墙体两侧的土压力分布，并预报各相继施工阶段的墙体和 土体变形、内力及内支撑梁轴力。反分析优化算法采用的是单纯形法。 陈国荣等【5 0 】根据施工期实测资料，采用粘弹性有限元和非线性二乘阻尼优化 方法，反演路基土体的地质力学参数，然后计算路面铺筑后的工后沉降。 攀琨】基于人工神经网络方法，建立了非线性力学反分析模型，用位移反求 岩土工程计算中的邓肯张非线性应变模型( e 坷) 模型中的主要参数k 、k 6 ，h ， m ，r ，然后对土石坝进行后期位移预测。 钟才根等【5 2 】采用三元件粘弹性模型来表征路堤软基的沉降时间特征，依据现 场量测信息用优化方法确定模型参数，并据此预测软基路堤最终沉降量。 谭昌明等m 】基于m e r e h a n t 粘弹性模型的一维固结解析解和b i o t 固结理论有 限元解值，建立了便于考虑主次固结的饱和软土地基沉降一、二维反演预测计算 公式。 由以上文献可以看出，位移反分析这一数值计算方法必将在岩土工程的设计 和施工中发挥越来越大的作用，使岩士工程向着定量化分析过渡。 1 5 本文的主要研究内容 ( 1 ) 依据相似理论设计填石路堤大尺寸室内模型试验。首先，分别利用现有 的几种动测方法如瞬态冲击法、传递函数法、动刚度法、附加质量法进行填石路 堤的密实度检测试验，通过分析比较后确定最适合填石路堤的的动测方法。然后 应用选定的动测方法对不问压实程度的路堤进行检测，并利用灌水法测得相应的 密实度，从而建立足够的检测样本。最后通过对样本的数据拟和分析确定动测参 数与密实度的关系。 ( 2 ) 探讨填石路堤试验路段的沉降观测方法；通过在试验路段现场进行大型 剪切试验，得到填石路堤的抗剪强度c 、妒值，为验证参数反演的可靠性提供依据。 ( 3 ) 采用邓肯一张非线性本构模型，引入遗传算法，研究基于遗传算法的填 石路堤参数优化反演分析方法，并编制相应的进化反演程序。 ( 4 ) 在实际工程中，利用反演得到的参数对填石路堤旌工期沉降进行计算， 同时，通过实测沉降数据对参数反演的可靠性进一步进行验证。 填石路堤试验研究及填石体本构模型参数进化反演分析 第2 章填石路堤密实度检测技术室内模型试验 2 1 概述 在道路施工中，路堤压实度是衡量旌工质量的重要指标之一，也是保证道路 有足够强度和稳定性，以及较常使用寿命的关键。因此，路堤压实度的检测是一 项卜分重要的工作。目前，国内外测定路堤压实度的方法很多，大致可归纳成三 类： 第一类为传统试验方法。有试坑灌水法和灌砂法等，一般采用灌水法。因为 一方面填石体粒径较大，故试坑较大，采用灌砂法用砂量很大；另一方面其空隙 大容易架空，导致砂漏失，不易测量准确。试坑灌水法检测工作量大，耗时长， 如对于8 0 c m 的层厚，其试坑体积达l m 3 左右，每个试坑出料以吨计，以此作为 检测手段，有可能影响填筑施工的连续作业。所以这类方法存在费时、费工和有 损路堤等缺点。 第二类为y 一射线法。该法可以快速测定士体的千密度，但由于对射线的恐 慌心理，因此在国内推广使用不普遍。 第三类为近1 0 多年国内外发展起来的，把仪器安装在某种压实机械上，利 用轮迹、压实遍数、振动轮的某项振动参数来测定。但必须事先标定，然后用相 对比较的办法测出压实度。由于工地现场环境的复杂性，不可能给出压实度的具 体数值。 由上可见，这些压实度的检测方法，都有各自的缺陷，难以适应当前公路建 设快速发展的需求。所以尽快研究出一种快速、无损、定量的检测压实度的方法， 已十分必要和紧迫。 动测法是近年发展起来的一种新型勘探检测手段，包括面波法、瞬态冲击法、 传递函数法、动刚度法以及附加质量法等等。据报道在地基勘探、灾害地质体调 查、地下埋设物探查、桩基质量检测、铁路路基和堆石坝压实质量检测等方面已 有成功应用的例子。试验研究表明，动测手段所采用的波速、频率、幅值等参数 与材料密度、强度、弹性模量等参数有良好的相关性，据此原理即可对被测体进 行质量检测。一方面，由于填石体结构组成的复杂性和现有仪器的精度、软件处 理的限制等因素，这一技术尚未成熟；但另一方面，动测法检测有着其他方法无 可