（道路与铁道工程专业论文）高填方路基沉降变形规律及工后沉降控制标准研究.pdf

摘要 摘要 随着西部大开发的逐步深入，山区高等级公路的建设获得了迅速的发展。由 于山区山岭、沟谷众多，地形地势复杂，不可避免的出现了大量高填方路基结构 型式。山区高等级公路建设经历了1 0 余年的时间，众多的工程实践证明，山区 高填方路基大多受到路基沉降病害的困饶。过大的路基工后沉降导致路面损坏， 甚至引起路基的稳定性问题，给国家造成巨大的经济损失。高填方路基的沉降问 题受到了广泛的关注。 本论文围绕研究路基的沉降变形规律、探讨工后沉降的控制标准，分析研究 山区路基典型填料沉降变形特性，采用改进的分层总和法计算不同高度路堤沉降 变形，明确土体性质与沉降变形的关系：分析了高填方路基沉降的基本特征，根 据对多条高速公路沉降病害的调查，分析总结了沉降病害产生的原因，结合成南 高速公路高填方路基的沉降观测，研究了路基沉降变形规律、工后沉降预测方法 和模型，应用大型岩土工程有限元软件p l a x i s ，结合土体弹塑- 陆本构模型 m o h r - c o u l o m b 准则建立高填方路基的有限元模型，计算分析不同路堤高度、不 同填筑速率，不同地形条件以及不同地下水位等情况下的路基沉降变形规律；论 文最后在上述研究的基础上，结合相关文献资料，提出了从差异沉降和工后沉降 两个方面对路基工后沉降进行控制，并分别以不均匀沉降，平整度以及纵断面曲 率为基础推导工后沉降的控制标准。 关键词：高填方路基，沉降机理，有限元，工后沉降，控制标准 摘要 a b s t r a c t w i t hd e e p e n i n go f c h i n aw e s td e v e l o p m e n t ，c o n s t r u c t i o no f h i g hg r a d eh i g h w a y i nm o u n t a i nm au n d e r g o e sr a p i dd e v e l o p m e n t i nm o u n t m na r e a a st h e r e r em a n y r i d g e sa n dv a l l e y sa n dt o p o g r a p h yi sq u i t ec o m p l i c a t e d i ti si n e v i t a b l et h a th i g h f i s u b g r a d e i s c o m m o n l y u s e df o r h i g h w a yc o n s t r u c t i o n w i t h o v e r1 0 y e a r s d e v e l o p m e n to fh i g h - g r a d eh i g h w a yi nm o u n t a i na r e a 。i ti sp r o v e df r o me n g i n e e r i n g p r a c t i c et h a th i g h f i l ls u b g r a d ei se a s i l ya f f e c t e db ys u b g r a d e s e t t l e m e n td i s e a s e s e r i o u sp o s t c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n tw i l ld e s t r o yt h ep a v e m e n t ，a n de v e na f f e c t s t a b i l i t yo ft h es u b g r a d e ，w h i c hw i l lt h e nb r i n gh u g el o s st oo u rc o u n t r y t h e r e f o r e m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni st a k e nt oh i g h f i l ls u b g r a d e t h ep a p e r , b a s e do na n a l y s i so fs u b g m d es e t t l e m e n td e f o r m a t i o nr u l e s ，a n d c o n t r o ls t a n d a r d so fp o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t ，a n a l y z e st y p i c a lf i l ls e t t l e m e n t d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h w a yi nm o u n t a i na r e a sa n ds t a t e sr e l a t i o n s h i p b e t w e e ns o i ln a t u r ea n ds e t t l e m e n tv i ac a l c u l a t i o no fs e t t l e m e n td e f o r m a t i o nf o r s u b g r a d ea td i f f e r e n th e i g h tw i t hm o d i f i e dl a y e r - s u m m a t i o nm e t h o d i na d d i t i o n ， r e a s o n sf o rs e t t l e m e n td i s e a s ea r ef i g u r e do u tf r o mb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fhj i g hf i l l s u b g r a d es e t t l e m e n ta n di n v e s t i g a t i o n o fh i g h w a ys e t t l e m e n td i s e a s ef o rm a n y h i g h w a y s f r o me x a m p l eo fh i g hf i l ls u b g r a d es e t t l e m e n tf o rc h e n g d u n a n c h o n g e x p r e s s w a y , s u b g r a d es e t t l e m e n td e f o r m a t i o nr u l e sa n dp r e d i c t i o nm e t h o da n dm o d e l o fp o s t c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n ta r ea n a l y z e di nd e t a i l f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fh i g h f i l ls u b g r a d ei se s t a b l i s h e dw i t ha s s i s t a n tw i 山p l a x i s f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eu s e df o r l a r g er o c ke n g i n e e r i n ga n dm o h r - c o u l o m b ，p l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e l so fs o i l ，i n o r d e rt oc a l c u l a t es e t t l e m e n td e f o r m a t i o nr o l e so fs u b g r a d ea td i f f e r e n te m b a n k m e n t h e i g h t ，d i f f e r e n tf i l lr a t e ，u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n da td i f f e r e n tu n d e r g r o u n dw a t e r l e v e l l a s tb u tn o tt h el e a s t ，t h ep a p e r , o nb a s i so fa b o v em e n t i o n e dr e s e a r c hr e s u l ta s w e l la sa p p l i c a b l eh e l p f u ll i t e r a t u r e s ，p r o p o s e st om a k ec o n t r o l sf r o mp e r s p e c t i v eo f d i f f e r e n c es e t t l e m e n ta n dp o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n ta n dd e r i v e sc o n t r o ls t a n d a r df o r p o s t - c o n s t r u c t i o n f r o mu n e v e n s e t t l e m e n t ，s m o o t h n e s sa n dl e n g t h w i s e s e c t i o n c u r v a t u r er e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：h i g h - f i l ls u b g r a d e ，s e t t l e m e n tm e c h a n i s m ，f i n i t ee l e m e n t ， p o s t - c o n s t m c t i o ns e t t l e m e n t ，c o n t r o ls t a n d a r d 目录 插图和附表清单 图1 - 1 填方路堤沉降变形示意图3 图2 1 0 8 7 压实度岩石的e - p 曲线1 6 图2 - 20 9 1 压实度岩石的e - p 曲线1 6 图2 - 30 9 5 压实度岩石的e - p 曲线1 6 图2 - 40 9 1 压实度土类的e - p 曲线1 6 图2 50 9 5 压实度土类的e - p 曲线1 6 图2 - 60 9 8 压实度土类的e - p 曲线1 6 图2 - 79 1 压实度条件下不同高度路堤沉降值1 8 图2 - 89 5 压实度条件下不同高度路堤沉降值1 9 图2 - 9 路基沉降发展的三个组成部分2 0 图2 1 0 路基次固结沉降2 l 图2 1 l 路基沉降发展历程曲线图2 3 图2 1 2 纵向裂缝的平面示意图2 5 图2 1 3 不均匀沉降变形裂缝的断面示意图2 6 图2 1 4 整体滑动裂缝断面示意图2 6 图2 1 5 纵向裂缝的发展示意图2 7 图2 1 6k 8 5 + 3 3 0 k 8 6 + 0 0 0 工后沉降一时间曲线图2 8 图2 1 7k i i s + 6 0 0 k l l s + 8 6 0 工后沉降时间曲线图2 9 图2 1 8k 1 4 7 + 3 0 0 k 1 4 7 + 4 8 0 工后沉降一时间曲线图2 9 图2 - 1 9k 1 6 8 + 2 6 0 k 1 6 8 + 4 0 0 工后沉降时间曲线图3 0 图3 - 1 测点布置示意图3 2 图3 - 2 测点的实测沉降变形曲线3 5 图3 3 测点的实测沉降变形曲线3 5 图3 4 测点的实测沉降变形曲线3 6 图3 5 测点的实测沉降变形曲线3 7 图3 - 6 泊松曲线的良好适应性4 1 图3 - 7 点1 拟合结果与实测值的比较4 4 图3 8 点2 拟合结果与实测值的比较4 5 目录 图3 - 9 点3 拟合结果与实测值的比较4 6 图3 1 0 点4 拟合曲线与实测值的比较4 7 图4 i 库仑公式的7 - 0 平面关系5 l 图4 - 2m o h r - c o u l o m b 屈服条件5 l 图4 3 霄平面上的m o h r - c o u l o m b 屈服曲线5 2 图4 - 42 0 米路基填筑过程示意图5 7 图4 - 5k 7 3 + 0 0 0 填土高沉降一时间曲线图5 8 图4 _ 6 平坦地基路基计算模型5 8 图4 - 7 斜坡地基路基计算模型5 8 图4 - s 折线形地基路基计算模型5 8 甏4 - 9l o 米路堤沉降变形云图5 9 图4 1 01 5 米路堤沉降变形云图。5 9 图4 1 l2 0 米路堤沉降变形云图。6 0 图4 1 22 5 米路堤沉降变形云图6 0 图4 1 33 0 米路堤沉降变形云图6 0 图4 1 4 路堤高度与总沉降量的关系6 1 图4 1 52 5 米路基中心地基沉降曲线6 l 图4 1 6 路堤高度和工后沉降量的关系曲线6 l 图4 1 7 堤身高度和堤身沉降的关系曲线6 2 图4 。1 8 堤身高度和总沉降的关系曲线6 2 图4 1 9 路堤高度与差异沉降关系曲线6 2 图4 - 2 0 模型计算网格6 3 图4 - 2 l0 1 m d 沉降变形云图6 3 图4 - 2 20 3 m d 沉降变形云图。6 3 图4 - 2 30 6 m d 沉降变形云图6 4 图4 0 9 m d 沉降变形云图6 4 图4 2 5 填筑速率与路基沉降量的关系曲线6 4 图4 - 2 6 填筑速率与路基工后沉降的关系曲线6 4 图4 - 2 7 填筑速率与地基沉降的关系曲线6 5 目录 图4 - 2 8 填筑速率与差异沉降的关系曲线。6 5 图4 - 2 9 路堤中心底部沉降一时间曲线6 6 图4 - 3 0 坡脚沉降一时间曲线。6 6 图4 - 3 l 斜坡地基沉降变形云图6 7 图4 - 3 2 斜坡地基挖台阶沉降变形云图6 7 图4 - 3 3 斜坡地基堤顶沉降变形图6 7 图4 3 4 斜坡地基挖台阶堤顶沉降变形图6 7 图4 - 3 5 斜坡地基路堤水平位移云图6 7 图4 - 3 6 斜坡地基挖台阶路堤水平位移云图6 7 图4 - 3 7 折线地基路堤沉降变形云图6 8 图4 - 3 8 折线地基堤顶沉降变形曲线6 8 图4 - 3 9 折线地基水平位移计算云图6 9 图4 抛地下水距离地表o n ：路基沉降变形云图3 0 图4 _ 4 l 地下水距离地表2 m 路基沉降变形云图。7 0 图4 4 2 地下水距离地表4 m 路基沉降变形云图。7 0 图4 4 3 地下水距离地表6 m 路基沉降变形云图7 0 图4 “地下水距离地表8 m 路基沉降变形云图。7 0 图4 _ 4 5 地下水距离地表l o m 路基沉降变形云图7 0 图4 4 6 地下水位与路基总沉降的关系7 l 图4 4 7 地下水位与施工期地基沉降的关系7 l 图4 4 8 地下水位与地基总沉降的关系7 1 图5 1 容许级坡交化值图式。3 5 图5 - 2 路基沉降断面模型7 9 表1 - 1 部分高填方路基结构1 表l - 3 常用沉降拟和曲线8 表2 - 1 不同填料的技术指标值1 7 表2 - 29 1 压实度路堤工后沉降计算值1 8 表2 - 39 5 压实度路堤工后沉降计算值1 8 表2 4 路基沉降病害分类2 4 目录 表2 5 典型路段沉降变形值2 8 表3 - i 建筑变形钡4 量的等级及精度要求3 3 表3 - 2k 7 9 + 9 6 0 硒o + 2 0 0 段土性参数表3 4 表3 - 3k 7 9 + 9 6 0 k s 0 + 2 0 0 段相应测点工后沉降值3 4 表3 _ 4k 9 1 + 7 0 0 k 9 1 + 9 0 0 段测点工后沉降值3 5 表3 5k 1 2 5 + 2 k 1 2 5 + 4 段测点工后沉降值3 5 表3 - 6k 1 8 4 + 6 0 8 k 1 8 5 + 0 0 0 段测点工后沉降值3 6 表3 7a 和b 的理论值3 9 表3 8 曲线拟和分析点的实测沉降值4 3 表3 * 9 点1 预测模型及参数4 4 表3 1 0 点1 实测值与预测模型计算值的比较分析弛 表3 - 1 1 点2 预测模型及参数。4 5 表3 1 2 点2 实测值与预测模型计算值的比较分析4 5 表3 1 3 点3 预测模型及参数4 6 表3 - 1 4 点3 实测值与预测模型计算值的比较分析4 6 表3 1 5 点4 预测模型及参数4 7 表3 1 6 点4 实测值与预测模型计算值的比较分析4 7 表3 1 7 拟合模型预测值4 8 表3 1 8 拟合模型预测值误差分析4 8 表4 1 路基工作区5 6 表4 2 计算模型士性参数5 6 表4 - 3 不同高度路堤沉降变形计算值6 0 表4 4 堤身沉降与堤高、总沉降的关系。6 2 表4 - 5 不同填筑速率的路基沉降计算结果6 4 表4 6 不同地下水位的路基沉降计算结果7 l 表5 - 1 技术标准规定的相应设计车速的最大纵坡7 4 表5 - 2 我国客车舒适性评价指标限值( g b t 1 2 4 7 5 - 9 0 ) 8 0 表5 - 3 计算确定的工后沉降控制指标值8 1 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名枸绡樨 日期：m 7 年 月2 厂日 ij 重庆交通大学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。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密四r 。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：物前挥 日期：叩年，月2 7 日 指导教师签名： 日期：、 年、月v 7 日 i 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 公路是国民经济的重要基础设施，承担着经济建设繁重的运输任务，是名副 其实的经济大动脉。随着国家西部大开发战略的逐步深入，在西部山区投资兴建 了大量的高等级公路。由于山区丘陵、沟谷众多，地形地势复杂，而公路作为一 个带状结构物，具有里程长、跨越地质带复杂，不可避免的遇到大量的高填方路 堤、软基路堤、斜坡路堤等路基结构型式，路基沉降问题特别突出。实践证明嗍， 一般情况下，1 0 0 公里长的山区高等级公路，填方和挖方路基占以上，8 m 以上的填方路堤有4 j d 多处，2 0 m 以上的填方路堤有2 0 多处，3 0 m 以上的填方路 堤也为数不少，最高的填方已达到了近5 0m 。已建和在建、以及将建的高等级 公路均存在大量的高填路堤，高填路堤成为路基的主要结构型式。同时，在机场、 铁路、水利工程结构建设中，高填方结构物也是很常见的，因此，高填方结构是 公路、铁路、机场、水利等部门共同面对的问题。国内部分高填方结构见表1 1 。 裹1 - 1部分离填方路基结构 从我国1 9 8 4 年开建第一条高速公路( 沪嘉高速公路) 到现在已经走过了近 2 0 年的时间，且山区高等级公路建设也经历近l o 年的时间，但是高填方路基的 沉降问题一直没有得到很好的解决。目前，已建高等级公路的高填方路堤都不同 程度的受到路基沉降病害的影响。如己建的成渝高速公路、成雅高速公路、柳桂 第一章绪论2 高速公路、安宁至楚雄二级汽车专用公路、成南高速公路、梁万高速公路等均被 高填方路基的不均匀沉降所困扰。可以毫不夸张的说，山区高等级公路，没有一 条不遇到高填方路基的沉降病害闯题。 路基的工后沉降和不均匀沉降在量上具有相关性，即工后沉降越大路基的不 均匀沉降就越大。土体的抗拉强度比较低，过大的差异沉降将使路基土体产生拉 应力，导致路堤破坏，同时路基的差异沉降将导致路面结构的应力重分布，当应 力超过路面结构层的基底抗拉强度，将导致路面出现裂缝、局部塌陷、错缝断板 等问题。 高填方路堤的沉降病害需要在建设及养护期间花费大量的人力和财力进行 处治，在运营期，还将严重阻碍交通，破坏环境景观和生态平衡，给国家和人民 经济造成巨大损失。高填方路基的沉降变形问题已成为制约和阻碍山区高等级公 路迸一步发展的主要因素之一，受到人们的普遍关注。 1 1 1 高填方路基的概念及特点 按路堤的填土高度不同，填方路基划分为矮路堤、高路堤和一般路堤。高填 方路基的“高”是一个比较模糊的概念，现行的公路规范对此没有明确、严格的定 义。公路工程软土地基设计与施工技术规范认为：当地基条件较差时，不论 何种填料，填高大于6 m 即为高填方路堤。文献 6 4 1 认为当采用碎石、粗砂、中砂 作为路堤填料时，填高大于1 2 m ，采用其他填料，填高大于2 0 m 可视为高路堤。 综合以上分析，可认为在地基条件比较好的情况下，可将路堤高度在1 2 m 以上 的路堤视为高填方路基，对于软土地基。则高于6 m 即为高路堤。 相对于一般路基，高填方路基主要具有以下几个特点： ( 1 ) 填筑高度大，需要对路堤边玻及地基的稳定性进行验算，要求路基具 有足够的整体强度和边坡稳定性； ( 2 ) 高填方路堤的设计，要求按照动态设计的方法进行，根据施工过程调 整路堤设计方案； ( 3 ) 路堤自身累积沉降比较大，对路堤工后沉降量要求更为严格； ( 4 ) 高填方路堤占地面积和土石方工程量大，施工质量控制难度高，工后 沉降和稳定性问题比较突出，填筑过程中对压实机具和压实质量要求比较高； ( 5 ) 路堤自重大，造成路堤下地基的沉降量大，需要对地基强度进行验算， 要求地基具有较高的承载力及整体稳定性，并且在施工过程中对地基沉降进行监 测，控制总沉降量和沉降速率，以保证地基土在填筑过程中不至于引起失稳； ( 6 ) 高填方路堤填料性能复杂多样，其工后沉降和差异沉降是一个不容忽 视的问题。一般路堤在施工完成之后沉降就基本趋于稳定，而高路堤的工后沉降 第一章绪论3 要经过一段很长的时间才能完成，由于填料性能的差异，还会产生差异沉降而影 响公路的正常运营，所以对其工后沉降的计算及预测就非常重要。 因此在公路工程中高路堤一般较受重视，无论是路堤本身的填料、边坡、还 是地基承载力都需要在测得相应参数后进行设计和验算，在施工中如果没有相关 施工经验还要进行施工监测。 i i 2 高填方路基的变形特性 对于一般建筑物的地基而言，上部结构荷载通过基础传递给地基以后，将在 地基中产生附加应力，在附加应力作用下土体孔隙被压缩产生超孔隙水压力，孔 隙水通过排水层排除，土体颗粒重新排列导致地基变形，从而引起建筑物基础下 沉。地基在附加应力作用下的变形可以分为体积变形和形状变形。体积变形是由 正应力引起，孔隙水排出后土体颗粒重新排列进入孔隙内部，土体体积缩小压密， 不会导致土体的破坏。 填方路基是采用岩土材料在地基上填筑压实成型的，路基的强度和稳定性受 自然因素和人为因素的影响极大。根据相关文献嘲对成南、成雅、渝邻高速公路 的调查研究表明，地基下覆土性质、地下水位、填料性质、路基压实度等因素对 路基的沉降变形具有重要的影响。 在路堤荷载作用下，地基内将产生附加应力和固结变形引起地基的沉降。从 高填方路基的特点可以看到由于路堤高度大，路堤土层自身既是下层填土及地基 荷载的施加层，也是上层填土的荷载承担层，所以高填方路堤自身的沉降相对路 基的总沉降量不容忽视。典型路基沉降变形见图i - ! ，随着路堤填土荷载的逐步 增大，路基横向各部位都有不同的沉降变形量，从空间来看，路基的沉降变形关 于路基中线对称，路基中心沉降量最大，路肩沉降量比较小，坡脚处沉降量最小。 路堤横断面底部的地表沉降曲线其形状类似于盆底状，在接近路肩至坡脚处，由 于荷载应力减少，其沉降量也呈衰减趋势，但是其沉降并没有在坡脚处结束，但 是沉降量相对比较小。 蛾厂 堋哺、k 一锄鲵缓场钐彩彩渺嗣一 圈i - i 填方路堤沉降变形示意圈 n g 1 - 1f m n b 柚k m e ms e t i 蛔n 酬tm a 第一章绪论4 1 1 3 路基的沉降变形观测 由于地基基础条件的差异、设计因素、施工质量、材料、以及施工因素等的 影响可能造成高填方路堤在施工或运营过程中产生不同程度的变形。而这些变形 在一定的范围以内，则可认为是正常的变形，但当超过一定的限度时，就会影响 到路基的正常使用，甚至危及路基的安全。同时，要研究路基的沉降变形规律， 为路基的填筑、营运期的维护提供技术支持等需要大量的路基沉降变形观测资 料。因此，在高填方路基的施工和营运过程中都很有必要对其进行变形监测。当 路基出现异常变形时及时分析原因，采取相应的工程措施，防止事故发生，确保 路基结构物的安全。 变形观测的目的大致可分为三类：( 1 ) 安全监测；( 2 ) 积累资料，这是检验 设计方法的有效措施，也是以后修改设计方法制定设计规范的依据；( 3 ) 为科学 实验服务。变形观测是了解工程建筑物变形特征和规律的基本手段，其方法要根 据建筑物的性质、使用情况、观测精度、周围环境来选定。 在公路工程中进行较多的是沉降观测。沉降观测是变形观测的一种，它又可 分为： ( 1 ) 测定路基中某些点的高程随时间变化的情况。在能表示沉降特征的部位 设置沉降点，在沉降影响范围之外埋设水准基点，用水准测量等方法定期测量沉 降点相对于水准基点的高差，从各个沉降点高程的变化中了解路基的下降情况。 ( 2 ) 测定一定范围内地面高程随时间而变化的情况，称为“地表沉降观测”。 ( 3 ) 地基土体的深部位移观测。通过观测地基的侧向位移来分析其与路基沉 降变形的内在关系，并判断路基所处的变形状态。 公路路堤的沉降变形可以分为两方面内容，即； ( 1 ) 路堤本身各压实层在自重及上部荷载作用下的压缩沉降； ( 2 ) 路堤下地基在外部荷载作用下的压缩、固结、流变变形。沉降观测一般 通过路堤或地基内部固定点高程的测量来实现。 1 2 路基沉降分析的研究现状和存在的问题 1 2 1 基于固结理论的路基沉降研究 1 9 2 3 年，t e r z a g h i 在假定地基是一个均匀的、等向的半无限空间弹性体，土 中应力与应变成直线关系，土体变形无限小，土颗粒和孔隙水均不可压缩，孔隙 水服从达西定律，渗透系数为常数的条件下，建立了单向固结的基本微分方程( 一 第一章绪论5 维固结理论) 。由于其具有计算简单、方便、概念清晰的特点，t c r z a g h i 一维固 结理论获得了广泛的应用，并一举奠定了土力学发展的基础。从t e r z a g h i 固结理 论的假设条件不难看出，单向固结问题只符合某些特定的边界条件，实际上土体 通常是在二向或三向固结情况下发生变形。r e n d u l i c ( 1 9 3 6 ) 年将t e r 丝g h i 的一 维固结理论推广到二维和三维的情况，较t e r z a g h i 单向固结理论有了较大进步。 但是该理论仍然以水流连续条件为基础而导得，它保留了t e r z a g h i 一维固结理论 的假定条件外，还认为在固结过程中土体中一点的总应力之和保持不变。所以至 今没有适用一般情况的解析解，只能采用有限差分和有限元解。b i o t 从比较严格 的固结机理出发，在确保了土中应力和应变所满足的相容条件下，从弹性理论出 发导出了反映孔隙水压力消散与土颗粒骨架变形相互关系的三维固结理论方程。 该理论把饱和粘性土受力及土体的应力、应变、位移和超静孔隙水压力消散相互 制约关系及其时间效应完全结合起来，建立了水土藕合作用模型，然而，由于该 理论要解四个未知函数的偏微分方程组，在数学上也比较困难，即使采用级数和 积分变换等手段也只能对少数简单的边值问题求出解析解或半解析解。直到计算 机技术的发展以及有限元技术在工程领域的应用，它才在工程界得到应有的关 注。 但是这些固结理论都是建立在线弹性基础之上的，而实际的土体通常是非线 性变形体。m i k a s a ( 1 9 6 3 ) 经过大量的研究认为，人工坝填土和新近沉积超软土 的固结特性与t c r z a g h i 固结理论不大相符。针对这种情况，g i b s o n ( 1 9 6 7 ) 等人 提出了一维有限非线性应变固结理论，它考虑了土体的压缩特性和渗透性与孔隙 比的非线性交化，以及土体自重应力等方面的因素，有些基本假设与t c r z a g h i 理论基本相同。g i b s o n 和s c h i f f m a n 等( 1 9 8 1 ) 用有限非线性应变固结理论分析 厚层粘土的固结过程时发现：如果考虑土体的非线性，则求得的同一土层的固结 速率比用t c r z a g h i 理论推求得快。窦宜、蔡正银等人( 1 9 9 2 ) 得出了g i b s o n 的 理论在简化条件下的解析解，并通过离心模型试验得到了验证。 土体的固结理论主要用于解决任意时刻土体的变形，目前利用固结理论计算 路基沉降的方法比较多，常见的几种求路基固结沉降的方法主要有以下几类： ( 1 ) 压缩曲线法压缩曲线法是将压缩试验中应力与应变的关系转换为应力 与孔隙比的关系，得出e _ _ p 或c 一1 印曲线，在计算时又将其化为应力与应变的 关系，计算路基的沉降变形。由于交通荷载以及地基土层差异的问题，计算中多 将土体分层进行计算，所以又狠其为分层总和法。 该方法假定地基土体为直线变形体，在外荷载作用下的变形只在有限厚度范 围内的竖向发生，将压缩层土体分层，分别计算各层的竖向应力，然后利用室内 压缩曲线或相应的压缩指标、压缩系数或压缩模量求出各分层的变形量然后求 第一章绪论6 和，即得地基的总沉降量。该方法不能考虑地基侧向变形，导致计算结果偏小， 现有的地基规范 6 5 1 根据实际观测资料统计分析，在采用经验系数对分层总和法 进行修正，但是针对性不强。文献d 6 9 】根据高填方路基的路堤土层自身既作为上 层填土的受力层又作为下层填土的施力层这一显著特点，提出了改进的分层总和 法计算路堤自身的沉降变形。 ( 2 ) 应力路径法该方法由t w l 棚b e ( 1 9 6 4 ) 提出，认为在荷载作用下， 地基土中各点主应力值和方向都随荷载和时间变化，因而各点在固结过程中的应 力状态有显著的差异，即应力路径不同。利用有效应力路径法计算路基沉降的步 骤如下：、在现场荷载下选择需要计算的沉降点；、室内复制现场的有效应 力路径，获取各阶段的垂直应变；、各阶段的垂直应变乘以土层厚度及得各阶 段的沉降。这种方法虽然对于认识路基沉降机理以及提高计算精度有帮助，但是 该方法在操作上比较烦琐，而且试验技术要求过高，目前还没有被工程界所采用。 ( 3 ) 数值计算方法。随着计算技术的发展，土体本构关系模型的研究不断 深入和试验技术的不断改进，数值分析方法广泛的应用到岩土工程问题中。目前， 可以用b i o t 固结理论的非线性有限元求解路基沉降，该方法除了可以采用非线 性、弹塑性、粘弹一塑性等多种描述土体应力一应变关系的模型，还可以考虑一 些较为复杂的土体本构关系，比如考虑流变的粘弹一塑性模型，考虑损伤效应的 弹塑性损伤模型等，并且计算中能够考虑复杂的边界条件、水与骨架上应力的藕 荷效应、土体的应力历史等，另外有限元方法还可以模拟现场的逐级加载，考虑 土体的侧向变形以及三维渗流对沉降的影响，并能求得任意时刻土体的沉降、水 平位移、孔隙应力和有效应力等，计算得到的总沉降量及沉降速率等更接近实测 结梨卸田。但是，由于计算中所采用的模型涉及参数比较多且难以确定，程序复 杂难以为一般工程设计人员接受，在工程实际中没有得到普遍的采用，主要用于 重要工程、重要地段的路基沉降计算。而且在现阶段，有限元还难以考虑大交形 固结问题即几何非线性问题，使计算结果出现偏差。 基于有限元分析方法的局限性，目前发展了包括差分法、无单元法、边界元 法、有限层理法等数值计算分析方法进行路堤沉降计算。 虽然路基沉降的计算分析取得了比较大的成就，提出了大量不同的沉降计算 方法，但是由于路基沉降是众多因素综合影响的结果，沉降分析中存在大量的不 确定因素，使得数值计算分析的精确性大为降低。这些不确定性因素主要体现在 以下几个方面的】： ( 1 ) 计算模型的不确定性岩土工程领域提出了很多适用于路基沉降变形 计算的本构模型，但是由于这些模型都针对相应的土工条件提出了相应的假设， 所以这些模型不可能准确的反应实际情况。即使有的本构模型可能比较全面的反 第一章绪论 7 映了土体的性质，但是由于其涉及的土工参数繁多，应用复杂，难以在工程中获 得广泛的应用。计算模型的不确定性这和土粒粒度、成分和土体结构有关，同时 也和它所受的外力、所处环境、地下水位等诸多因素有关。 ( 2 ) 施工工艺的不确定性路堤施工过程中采用不同的加载方式和加载速 率，路基的沉降变形曲线表现出显著的不同。采用较慢的速率填筑时，土中孔隙 水压力有比较充分的排出和消散时间，路基的沉降便随路堤填土荷载逐渐增加， 路基在施工期的沉降量大，工后沉降量相对比较小。施工填筑速率过快，土体没 有足够的固结变形时间，路基的工后沉降就比较大。在施工过程中，压实度的控 制对路堤自身的沉降变形具有重要的影响，而路堤的压实度在空间上具有一定的 变异性不易控制，这也是造成路基沉降计算较大误差的重要原因。 ( 3 ) 路基材料参数的不确定性工程实践证明土性参数存在很大程度的变 异性，而且变异系数远比一般的人工材料参数大。路基沉降计算的精确在很大程 度上也依赖于土性参数统计分析的精度。土体的强度参数( c 、q ) 的变异性较其 它参数大，尤其是c 值，有时的变异系数高达0 5 。 ( 4 ) 初始条件和边界条件的不确定性在路基的沉降计算中，需要确定计算 模型的初始条件和边界条件。由于路基所处地基的地下水位都是随机变化的，所 以计算模型的初始孔隙水压力和边界孔隙水压力均存在不确定性。 1 2 2 基于前期实测沉降资料的预测研究 在路基填筑过程中或竣工后，路基的沉降随着时间的发展呈现出一定的规 律，因此利用前期的观测数据来预测后期的沉降变化趋势的研究方法，可以避免 建立相应的土工模型以及回避模型的取值问题，将复杂的理论分析简化为相对单 纯的数学问题。相关研究献【舻2 0 l 显示，对路基填筑结束后的沉降变形数据进行 收集和分析，能对工后沉降的未来发展趋势作出更好的预测。由于该方法的上述 优点，逐渐在工程领域发展起来，并且其预测精度也能够满足工程需要。将这些 方法归纳起来，主要有以下几类： ( 1 ) 沉降曲线拟合法根据地基的沉降变形规律，可供选用的曲线比较多， 且形式和方法多种多样，但是在实际应用中并非每一种的精度都非常高，而且都 有自己的适用条件。例如在对地基做地下处理以后，其沉降观测资料采用三点法 计算就不理想，而对于未做地下处理的地基，不能采用日本的门田法分析对应的 观测资料。目前工程中比较常用的几种沉降拟合曲线见表l - 3 。 ( 2 ) a s a o k a 法该方法是由日本学者于1 9 7 8 年提出的，又称为图解法p ”。 它是以垂直单向固结理论为基础，可以作为预测路基最终沉降的一种的简便方 法，其优点在于可以利用短期的观测资料得到较为可靠的沉降预测值。另外，还 第一章绪论8 可以对是否进入次固结阶段进行判断，并对次固结沉降进行推算。但是也存在一 些不足之处：最终沉降预测值一定程度上依赖于时间间隔，对主、次固结的划分 存在一定的人为误差。 表1 1 3常用沉降拟和曲线 t l i b 1 3s e m e m e mt ob eu s e da n dc u r v e 名称公式最终沉降量备注 、一分别为拟合曲线起点参考点 的观测时间与沉降值； 双曲线法s = 疋口十f l ， s ，= s 。+ 万1 t ，洲别为拟合曲线任意点的时问 与对应的沉降值； n 、b 一系根据实测值求出的参数。化 为直线时分别表示直线的截距和斜 塞 g q a k i 葡 s r 瞬时加载产生的瞬时沉降量 星野法 也、 1 搿( ) = 置+ a x 影响沉降速度的系敷 一求t + 时最终沉降值的系敲 指数曲线法 最= ( 1 一船母) & s l 连_ j 1 岛鸣j ) 4 、8 为待求系数 s l ，岛所对应的时间应满足 f 2 一 = f ，一f 2 i t 、b ，c 为待求系数 v 幽衄曲线法 拈南l + ， d 可根据工程实际情况进行取值。 二次多项式法 墨= a + f + 句 o ，a i 、如，为待求系数 泊松曲线法 墨= 雨k 万 & = j 【 k 、_ b 为特求系致 抛物线法 s = 口o g f ) 2 + b l g t + c 4 ，b c 为特求系致 ( 3 ) 神经网络预测法人工神经网络( a n n ) 是2 0 世纪8 0 年代发展起来 的以神经生理学和心理学为基础的模拟人脑功能的网络，并行处理、分布式存储、 自适应、自组织、自学习、具有高度的非线性影射能力和学习能力。它的重要特 点在于解决复杂的问题时，对于外加的输入，以并行的、非确定的方式进行处理。 人工神经网络在处理非线性问题上具有独特的优越性。利用神经网络预测路基沉 降，不需要提出算法公式及大量的数学假定。而是针对软土路基沉降问题建立一 个合适的神经网络模型，利用已有的大量实测数据对网络进行训练，然后利用训 练完成的网络对新的路基沉降进行预测，并可利用新的实测数据