（岩土工程专业论文）高速公路软土路基沉降预测及分析平台开发.pdf

摘要 摘要 土的物理力学参数和软土路基沉降预测计算一直备受岩土工作者关注。随着我国高速公路快速 发展，相关单位积累了大量的地质勘察资料和沉降观测数据，如果能够借用计算机技术，对丰富的 数据进行科学分析，将得到非常有价值的结论。 基于沉降预测的重要性、土性参数的关键性、勘察报告的广泛性、网络信息的先进性以及计算 机技术的成熟性，论文将建立一个适于参数统计分析和方便沉降预测计算的分析平台，并利用该平 台，对沿江高速公路常熟三标的软土性质和路基沉降预测进行研究。论文主要工作及研究内容分以 下几个方面： 1 用a c c e s s 建立了土性参数和沉降数据库，运用j a v a 技术实现了数据共享，结合s q l 访问技 术，能够对数据进行导入、检索、更新、删除、输出、导出，并根据查询结果对参数进行一 定的统计分析。 2 利用自主开发的分析平台对沿江高速公路常熟三标的软土进行了统计，并用专业统计软件对 研究区软土各参数的集中趋势、离散趋势、变异系数等方面进行了研究，并做了分布检验， 得出该路段软土的主要物理力学指标，如孔隙比、塑性指数、内聚力等参数的分布类型；分 析了参数之间的相关性，得出了含水量 孑l 隙比、锥尖阻力内聚力等参数之间的回归方程和 相关系数。 3 利用m a t l a bb u i l d e rf o rj a v a 技术实现了平台对沉降的拟合预测功能，根据已导入的沉降一时 间数据列用双曲线法、对数曲线法等传统的预测方法预测沉降，另外特别对全过程成长曲线 的5 种函数拟合进行了分析，对这几种算法的适用性进行了研究，并对不同方法得出的沉降 预测结果进行了比较。 4 利用“组合预测”思想，结合变权重最优组合方法，对研究区软土路基沉降进行了实例分析， 并在软件中实现了该法的计算。 关键字：数据库；分析平台；土性参数：沉降预测； 组合预测 a b s t r a c t t h ep h ) r s i c a lm e c h a n i c sp a r a m e t e ro fs o i la n dp r e d i c t i o no fs o rs o i l ss u b s i d e n c ea l w a y sa t t r a c tt h e a t t e n t i o no fg e o l o g i s t s a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i i g h w a yi nc h i n a , s o m ed e p a r t m e n t sa c c u m u l a t e a b u n d a n tg e o l o g i cs u r v e ym a t e r i a la n ds u b s i d e n c eo b s e r v a t i o nd a t a t h e m f o m ，i ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y c a nb eu s e df o ras c i e n t i f i ca n a l y s i so nt h o s ed a t aa n dm a t e r i a l ，p r e t t yv a l u a b l ec o n c l u s i o n sw i l lc o m eo u t b a s e do nt h ei m p o r t a n c eo fs u b s i d e n c ep r e d i c t i o n , p i v o to fs o i lp a r a m e t e r , u n i v e r s a l i t yo fe x p l o r a t i o n r e p o r t s ，a d v a n c e m e n to fi n t e r n e ti n f o r m a t i o na sw e l la sm a t u r i t yo fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a l la n a l y s i s p l a t f o r mw h i c hs u i t sf o rp a r a m e t e rs t a t i s t i c sa n ds u b s i d e n c eo b s e r v a t i o nw i l lb ec r e a t e da n dt h i sp l a t f o r m a l s oc a nb eu s e dt or e s e a r c ht h es o rs o i la n dr o a d b e ds u b s i d e n c eo fc h a n g s h ur i v e r i n eh i g h w a y s t h e f o l l o w i n ga s p e c t sw i l lb ed i s c u s s e di nd e t a i l s 1 i ts e t su pe a r t h i n e s sp a r a m e t e ra n ds u b s i d e n c ed a t a b a s ew i t ha c c e s sa n ds h a r et h o s ed a t ab yu s i n g j a v a ，t h e nc o m b i n e ss q lp r o g r a m m i n gt e c h n i q u e st oi n p u t , s e a r c h , u p d a t e ，d e l e t e ，o u t p u ta n d q u e r yt h ed a t aa n dc a r r yo u tt h es t a t i s t i c sa n a l y s i so nt h es e a r c h e d - o u tp a r a m e t e r 2 i tu s e st h ea n a l y s i sp l a t f o r mo fi n d e p e n d e n td e v e l o p m e n tt oc a l c u l a t et h es o f ts o i lo nc h a n g s h u r i v e r i n eh i g h w a y sa n da l s ou s e ss o m ep r o f e s s i o n a ls t a t i s t i c ss o f t w a r et od os o m er e s e a r c ho n c e n t r a l i z e dt e n d e n c y , d i s p e r s et e n d e n c y , c o e f f i c i e n to fv a r i a t i o n , a sw e l la so t h e ra s p e c t so fs o f ts o i l i nt h er e s e a r c h i n ga r e a , p l u sp a r a m e t r i ct e s t , t h e nt h ed i s p e r s i o np a t t e r no fp a r a m e t e r sl i k ep l a s t i c i t y i n d e xa n dc o h e s i o nc o m e so u t i ta l s oa n a l y z e st h ec o n n e c t i o nb e t w e e np a r a m e t e r s ，l i k ew a t e r c a p a c i t ya n dp o r o s i t yr a t i o ，c o n i c a l - t i pr e s i s t a n c ea n dc o h e s i o n , e t c ，t og e tt h er e g r e s s i o ne q u a t i o n a n dr e l a t e dc o e f f i c i e n t 3 m a t l a bb u i l d e rf o rj a v at e c h n i q u ei su s e dt or e a l i z et h ep l a t f o r m ss u b s i d e n c ep r e d i c t i o nf u n c t i o n , t h a ti s ，p r e d i c t i n gt h es u b s i d e n c ea c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a lp r e d i c t i o nm e t h o d sl i k eh y p e r b o l i c m e t h o da n dl o g a r i t h m i cm e t h o do nt h ei n p u ts u b s i d i n gt i m ea n dm a k ee x t r ae f f o r t so nt h ea n a l y s i so f f i v ef u n c t i o nf i t t i n gm e t h o d so ng r o w t hc u r v a t u r ec y c l e i ts t u d i e st h ea p p l i c a b i l i t yo ft h i sm e t h o d a n dc o m p a r e st h es u b s i d e n c ep r e d i c t i o nr e s u l t sb a s e do nt h ed i f f e r e n tm e t h o d s 4 t h ec o m b i n a t i o np r e d i c t i o nm e t h o d sp l u sc o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o nm e t h o da r ea p p l i e dt ot h e r e s e a r c ho nt h ep r e c i s i o no fs u b s i d e n c ep r e d i c t i o na n dt h i sm e t h o di sa l s op r a c t i c e di nt h es o f t w a r e k e y w o r d ：d a t a b a s e ；a n a l y s i sp l a t f o r m ：s o i lp a r a m e t e r ；s u b s i d e n c ep r e d i c t i o n ：c o m b i n a t i o np r e d i c t i o n 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。 研究生签名疆三墨建日期：涩z 址丝 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：篡么超导师签名：研究生签名：廛么2 塾导师签名： 彩磊 日期： 矽以3 ：砂。 第一章绪论 1 1 论文意义和目的 第一章绪论 软十路基沉降预测计算和土的物理力学参数一直备受岩土工作者关注。 我国公路路基设计规范( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) 【1 】规定，高速公路、一级公路路面设计使用年限( 沥 青路面1 5 年，水泥混凝士路面3 0 年) 内残余沉降( 简称工后沉降) 要求满足：一般路堤处3 0 c m , 涵洞或箱型通道处 模型 软件”。 以变形模量为例，人们试图通过室内试验测定土的压缩模量，再通过理论推导将其转换为变形 模量。 其理论关系式一般采用下式 岛：巨：生掣e ( 1 1 ) l 一 由于上式是在弹性理论的基础上推导得出的，而土体无论在室内试验还是在现场原位试验过程 中都存在较大的不可恢复变形，即塑性变形。因而，仅在弹性范围内研究岛与巨两者的关系，不 可避免给结果带来误差。同时由上式也可以看到，对于土来说，由于z o 5 ，故l ，故磊恒小 于巨。然而，大量的统计资料表明，岛值有时是巨的好几倍，产生这一现象的原因一直困扰岩 土工程界多年，至今仍未获得今人信服的解释，虽然岩土工程师做了许多室内外对比研究，但仍无 法获得与理论公式一致或接近的关系式。岩士工程界多年来仍采用建立与原位测试相关联的地区经 验公式来获得压缩模量与变形模量的换算关系【5 】。 也有研究人员利用常见的地质勘察资料来估算地基土的变形模量，张在明1 通过北京地区三类 土的原位平板载荷试验的压力一变形曲线的数学表达式及其特征值分析了等效变形模量e o ，叼随压 力的变化特征，并推导出相应的表达式。赖琼华盯1 根据岩、土层的现场压板试验结果与地质资料提 供的参数统计分析，提出了岩、土工程沉降计算中经常使用的变形模量反参数的经验取值。 太沙基提出了观测一设计方法，根据现场观测的结果修改士的参数，以便进行较为精确的分析 来修改原设计。反分析法是太沙基观测方法的提高，在土工数值计算中得到了越米越多的应用p 】。 但这种方法只适合于简单的土层划分，不然计算比较繁琐。 近年来有基于各种理论研究变形模量的文章发表，基于多孔介质理论的地基土变形模量估算方 法 9 j 一文考虑土的泊松比、孔隙比及土体扰动等影响因素，提出了一种根据土的压缩模量估算变 形模量的方法，对于应用弹性理论计算基础沉降和充分利用已有研究资料都具有实际的意义。 参变量变分原理求解十的变形模量与压缩模量间的关系【1 0 l 文运用参变量最小势能原理推 导了弹性及塑性状态下的土的变形模量与压缩模量间的关系，认为两者比值与土的内摩擦角矽、泊 松比及粘聚力c 等土性指标有关。提出了塑性影响因子a 及临界应力矿的概念，指出当试验时土 体虑力大于士体的临界应力值时，变形模量与压缩模量的理论关系式应引入塑性影响因子q ，从而 克服了以往基于弹性理论得出的变形模量理论值远小于试验值的不足。 2 第一章绪论 1 2 1 2 参数概率统计分析研究 在土性参数的相关性研究方面，国内外学者做了大量的工作。 徐晓泉收集整理了昆明地区的相关工程资料，统计分析后得到粘性土、软土、粉土和粉细砂 地基承载力及压缩模量与静力触探锥尖阻力的相关关系，并建立了昆明地区的经验公式。 刘连喜等n 2 1 根据 武汉市工程勘察信息系统的数以万计数据资料和大量的室内试验、原位测 试对比，通过统计分析给出了人工镇士、一般粘性土、淤泥、淤泥质软土、粉土等岩土的主要物理 力学性质及承载力、压缩模量等主要设计参数。同时，对岩土的工程特性也进行了论述，对武汉地 区建筑物的勘察、设计及施工具有重要的参考价植。 李小勇等n 3 1 以太原地区典型土层粉质粘十为代表，根据2 0 个工程的勘察资料及室内一系列 强度试验，对该地区粉质粘土工程性质指标的概率统计特征进行了研究探索，得出了其土性指标变 异系数的变化规律和土层的变异类型，建立了其设计参数的b e t a 分布概率模型，拟合了其指标间的 经验关系。 唐芬，唐红梅n 射将岩土的物理力学参数视为具有随机性和结构性特征的变量入手，运用数理统 计方法对重庆库区岩土的物理力学参数进行分析，统计结果显示，通过控制压实状态试验得到的岩 土参数是可靠的。 翟静阳、冷伍明n 5 1 根据湖南地区的土工试验资料研究了粘性土的力学指标与物理指标的变异性 及其相关关系，提出了有关的一元和二元回归方程。 刘春等n 副对北京地区粘性土土性指标的统计分析表明：粘土土性指标的均值、标准差和变异系 数具有明显的区域特点，力学参数的分布多为正态分布，因而，在工程可靠度的计算中，各指标均 可用正态分布来拟合。论述了导致土性指标不确定性的主要原因，并介绍了抗剪强度指标的统计方 法和概型分布拟合检验方法的具体实施步骤。 ， 宁宝宽等n 根据沈阳地区大量的粉质粘土土工试验资料，对粉质粘土的物理及力学指标进行了 统计分析，得到了土性指标概率分布特征及参数，并对其变异系数进行了讨论。另外，采用回归分 析的方法对土的物理和力学性质指标进行了线性回归分析，探讨了各个指标之间的相互关系，有益 于土工试验工作量的合理选取以及提高试验结果的精确性。 范敏，倪万魁町选取黄土高原地区公路路基黄土的物理力学参数为研究对象，采用统计分析的方 法，分析了黄土物理力学参数在太原一潼关、靖边铜川和兰州一西安公路一线的变化，得出了粒 度组成自西北向东南逐渐变细，纸，p 、仍、c 逐渐增大；民口、皖、驴逐渐减小的变化规律：对 黄土的物理力学参数进行了统计，得出了各区路基土性参数的统计表，从而为黄土高原地区的公路 建设提供了最基本的科学依据。 刘用海等1 训通过宁波地区1 2 0 项实际工程的勘察资料，对该地区普遍存在的典犁淤泥质软土+ 性概率统计特性进行研究分析，采用十层剖面随机场模型，得到基本物理力学指标空间变异系数的 变化规律，并根据十性指标揭示其丁程特性；利用回归分析方法，建立其物理力学各指标间的相互 经验公式。此外，还对典型士层直剪试验和同结快剪强度指标问的相关性进行了研究。 c o l l o t t a 等幢0 。，提出了粘性土的残余摩擦角、级配和物理指标特性的相关关系，其残余摩擦强度 值由2 0 个场地的1 5 0 组土样用直剪试验和三轴试验确定。 m o hz a - c h i e h 等叫1 建立了台北地区粘性士士性参数的经验相关关系，所研究的相关关系包括： 原位压缩系数和含水量，原位压缩系数和初始孔隙比，固结系数和液限等。 a n h t o n yt c l z z j 论证了应用神经网络来得到士性参数的非线性关系的可能性，并通过研究发现， 通过神经网络可以得到相关关系相当准确的预测。 一般情况下，土的物理力学性质指标的试验结果是相当离散的，而现行设计和施工，一直是从 这些离散数据中，选用具有代表性的值来进行的。而现在一般使用的方法是采用少量数据的算术平 3 东南大学硕士学位论文 均值作为代表性的值，并且这个平均值并不具有统计意义。因此许多学者认为，更加合理的方法是 把土性指标作为随机变量，片j 概率统计的方法来寻找其变化规律，并将其应用到设计、旌t 中。 国内外的学者在此方面作了大量的研究工作，t a n gwh 1 2 引、v a n m a r k e 旧刮及i s a a ce l i s h a k o d 2 5 都 曾对- 十体参数的概率分布模型进行了研究。1 9 7 7 年，m a ：t s u o 和a s o a k a l 2 6 1 研究了饱和粘土的不排水 强度的概率模型，提出了其变异性来源于取样扰动和土的内在变异性。并用两种变异性的卷积来描 述不排水强度的概率模型。 国内对此研究较早的是高大钊，1 9 8 2 ，1 9 8 5 及1 9 8 6 年，高大乍俨啪研究了岩土参数的变异特性 及其分布规律，统计了上海地区软土几个主要参数的概率分布特性，并建议用分布米拟合分布曲 线。 1 2 1 3 土性参数数据库研究 概率统计需要大量的数据，因此基于数据库的统计分析的方法也受到关注。国内学者在数据库 的开发方面也作了不少的工作。 张广文、刘令瑶【3 0 1 收集了国内9 5 个已建土石坝丁程筑坝材料的物理力学试验资料，进行整理分 析共建立了6 个数据库，还编制了不同功能的概率统计分析程序，并在此基础上对全部： 程和按地 区对各种土料有关指标进行了概率统计分析和指标间的相关性分析。包括压缩系数和抗剪强度指标 的概率模型拟合；塑性指数与抗剪强度指标c 、间的相关关系；塑性指数与压缩系数的相关关系； 干容重与c 、矽间的相关关系；干容重与压缩系数间的相关关系以及抗剪强度指标c 和间的相关关 系。 王年香【3 1 1 利用v i s i c a l c 表格处理软件结合华东地区某港口淤泥试验资料建立了软粘土工程性 质数据库。 田国荣【3 2 1 以岩石力学实验室积累的大量原始试验数据为基础，采用m i o c r o s t f a e e e s s 和v c 十十 建立了岩石力学实验数据处理分析系统。 张荣堂和t o m l u n n e l 3 3 1 以挪威岩土所多年来研究的高质量块状士样测试结果为基础，建立了近 海粘士土性测试指标数据库。所收录的数据米自于挪威、爱尔兰、丹麦及苏格兰的8 个近海工程场 地和2 个沿海研究场地，包括所有土样的基本信息及相应的土工测试结果。基于该数据库进行了一 系列的相关性分析，得到了前期固结压力以和液性指数，的关系式：p c = 1 0 ( 2 9 0 - o t l ) 。同时还分 析了前期困结压力p 和不排水抗剪强度的相关关系，得到了一系列的相应关系式。 贾明涛【3 4 烽以南方某大型水电站左岩边坡监测网为基础，建立了基于a c e e s s 数据库和可视化分 析技术的三维边坡分析系统。 刘春原n 聊运用g i s 和随机场理论，建立“基于随机场的地理信息系统”。收集和整理保定市现有 的勘察钻孔资料，建立包括钻孔信息、r 十性指标及力学指标的数据库管理系统。对于重度、干重度、 含水量、塑限、液限、比重、抗剪强度、桩端摩阻力和桩侧摩阻力等参数，应用该系统对各项指标 进行数理统计和检验，以确定其均值、方差、变异系数。 刘春m 1 从岩土力学参数研究的现状出发，提出并建立了岩士力学参数数据库，利用现代信息技 术，对收集、整理的试验资料进行管理和分析，形成集查询、分析、决策于一体的岩土力学参数信 息系统，为今后的工程服务。在数据库中大量数据的支持下，对岩士力学参数的取值方法进行了研 究。提出建立岩土力学参数信息系统，对系统的功能模块进行了设计，并对网络查询系统进行了设 4 第一章绪论 计，为今后实现资源共享提供技术支持。 刘春、自世伟1 3 7 1 ，以m i o c r o s f f a c e 瞎s s 数据库软件为平台，开发了岩土力学参数信息系统( r o c ka n d s o i lm e c h a n i c sp a r a m e t e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ，a s m e i s ) 。其中的数据表包括：岩石力学参数表、土体 力学参数表、岩体结构面力学参数表、工程概况表、岩石名称表、土体名称表、风化程度划分表以 及数据提供单位表。该信息系统基于数据库的功能是通过五个模块来实现的，分别为：系统安全性 模块，负责用户管理和口令修改；检索浏览模块，实现各力学参数试验值和采用值及其它数据的浏 览检索；数据库维护模块，负责数据库的录入、更新和删除等操作；数据提取和筛选模块以及力学 参数取值模块。 张季超【3 8 】收集了大量桩基静载试验数据，以a c c e s s 数据库软件为载体，建立了基于g i s 的桩基 静载试验数据库。 曾胜1 3 9 等建立了基于s q l s e v e r 的路面性能数据库系统。 徐高巍等【4 0 l 建立了基于m i o c m s t f a c c e s s 的岩石力学参数数据库系统，该数据库系统共有四个功 能模块，六个子模块( 原始试验数据预处理模块、统计分析模块、经验方法处理模块、灰色系统理论 处理模块、人工神经网络处理模块、工程规范实用性判断模块。 徐雷云h u 收集、整理了1 7 个工程勘察报告中约1 2 0 0 0 0 个土工试验参数，用s o l 和v b 语言初步 建成了土体数据库系统。该系统能方便地实现对数据的存储、查询和管理。对于登陆数据库系统的 使用者，采用不同的用户身份登陆以赋予其不同的权限。在己经建立的数据库上，以华东地区的土 性参数作为研究重点，研究了土性参数间的相关关系，统计了华东地区8 个工程场地的物理性质参 数和力学性质参数的变异系数。 谢华1 4 2 l 开发了基于n e t 环境下的高速公路软基沉降预测专家系统软件。 江峰旧1 研究了组件式g i s 的基础上，使用v i s u a l b a s i e 开发语言结合m a p x 组件技术开发了高速 公路软土地基分析支持系统。分析了建立软土地基分析数据库的数据来源、特点和数据需求，并对 公路空间数据库进行了初步设计。同时分析了用户群及其需求，确定了系统的功能需求，主要有： 图形浏览、数据载入、数据统计查询、信息的可视化分析以及数据提取输出。完成了空间数据的处 理和数据库数据的录入及两者的绑定。利用v b 和m a p x 组件，对系统电子地图操作、查询功能、 专题分析和输出功能进行了开发和实现。 由此可知，数据库给我们提供了一个对岩土数据的处理方法，而且基于数据库的分析研究确实 可以帮助我们解决一系列的实际工程问题。因此，加强岩土工程数据库的建设和在此基础上的研究 显得迫切和必要。 1 2 2 沉降计算研究 沉降计算从简单的半经验公式图表法到应用计算机的数值分析方法，可谓种类众多。日前常用 的方法归纳起来主要有理论公式法、数值分析和观测资料的回归分析法三类。 1 2 2 1 理论公式法 自从t e r z a g h i ( 1 9 2 3 ) 的一维同结理论问世以来，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，r e n d u l i c ( 1 9 3 6 年) 胛】又将t c r z a # 的一维固结理 论推广到二维和三维情况，得出t e r z a g h i r e n d u l i c 同结理论。这种理论未考虑应力与应变需要满 足的相容条件，称为拟三维固结理论。b i o t ( 1 9 4 1 年) 【4 5 】直接从弹性理论出发导出了三维固结理论方 程，确保土中应力与应变所满足的相容条件，被称为真三维同结理论。m i k a s a ( 1 9 6 3 年1 经过大量软 粘土吲结过程的研究后发现，软粘土的固结特性与v e r z a g h i 的固结理论不太符合。g i b s o n l 4 6 1 等( 1 9 6 7 年) 提出了一维有限非线性应变固结理论，它考虑了士体压缩性和渗透性与孔隙比的非线性交化，以 5 东南大学硕士学位论文 及士体自重应力等方面的因素。g i b s o n 和s c h i f f m a n 等( 1 9 8 1 年) 用有限非线性应变同结理论分析厚层 粘土的同结过程时发现，如果考虑土体的非线性，则求得的同一层土的同结速率比用t e r z a g h i 理论 推求得快。窦宜，蔡正银【4 7 】等( 1 9 7 2 年) 曾对g i b s o n 建立的一维有限非线性应变同结理论得出了简化 条件下的解析解，并通过离心试验进行了分析验证。对于士体的非线性固结理论，由于参数复杂且 计算： 作量大，在实际工程应用并不广泛。路基三维变形条件的最终同结沉降量的计算公式也有很 多种。弗洛林( 1 9 3 7 年) 、黄文熙( 1 9 5 7 年) 、d a v i s 和p o u l o s ( 1 9 6 8 年) 1 4 8 1 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公式；s k e m p t o n 和b i e r r u m ( 1 9 5 7 年) 1 4 9 l 提出的用三轴同结不排水条件下得 出的三维孔隙水压力计算最终同结沉降的方法等。此外，还有根据半无限均质线弹性体推导得出的 弹性理论公式。 目前实际中最常用的是基于土体的同结压缩原理的分层总和法，分层总和法以弹性理论为基础， 假没十体受力变形服从一维压缩规律，公式所用参数通过常规室内试验即可获得，试验容易，试验 费用低，现阶段仍在工程中被普遍应用。 将压缩试验中应力与应变的关系转换为虑力与孔隙比的关系，得出e p 或e l o g p 曲线，利 用压缩曲线求得每一分层的压缩鼍，然后将各分层压缩蹙求和求得地基的总沉降5 0 5 。 计算单一分层压缩鼍时，假设地基在荷载作用下处于侧限一维压缩状态。但实际上，地基中的 土体受竖向附加应力后，变形并非纯弹性，也并不像在固结仪中那样仅有竖向的变形，侧向变形对 同结沉降的影响甚大，尤其当软- 十地基中的淤泥质粘土厚度超过基础的平面尺寸时，此种影响更火。 仅考虑弹性变形和一维压缩显然不能满足t 程的实际需要。为了解决t 程实际问题，何思明( 2 0 0 3 ) 【5 2 】 提出了基于弹塑性理论的分层总和法；此外，结合b i o t ( 1 9 4 1 ) 的l 古i 结理论，有多位学者研究了三维固 结对竖向沉降的影响，先后提出的相关沉降计算方法有：s k e m p t o n b j e r m m 4 9 1 ( 1 9 5 7 ) 法，黄文熙三 维沉降法( 1 9 5 7 ) 【5 3 1 ，费罗林三维沉降法，魏汝龙( 1 9 7 9 ) 1 5 4 】三维沉降法等。以s k e m p t o n a j e i t u m 法 为例：s k e m p t o n 和b i e r r u m 通过试验模拟三维应力影响，提出了用不排水三轴应力条件下所得的三 维孔隙压力计算最终主固结沉降量的计算公式。取一个修正系数乘上单向固结变形量，就得到考虑 侧向变形的固结沉降。这些方法的原理可归纳为： & = m s c ( 1 2 ) 式中m 为修正系数，、最分别表示考虑三维压缩影响后计算得到的竖向总沉降和一维压缩 条件下计算得到的总沉降。显然，上述方法考虑了三维应力条件下固结所产生的土体体积变化。但 此类方法在将三维压缩条件下的体积变化与竖向沉降量联系起来时，仍按照一维压缩条件下测出的 压缩系数进行简单的修正，在逻辑上而言仍无法避免一维压缩沉降计算方法存在的弊端，应用此类 方法解决工程实际问题显然仍是有不足。 1 2 - 2 - 2 数值分析法 用于软土地基沉降计算的数值方法主要是有限元法、差分法和边界元法。 有限单元法包括总应力分析法和有效应力分析法。c l o u g h 和w o o d w a r d ( 1 9 6 6 年) 首先将总应力分 析有限元法用于土坝的应力和变形分析。s a n d h u 和w i l s o n ( 1 9 6 9 年) 【5 5 j 用有限元法分析了b i o t 二维固 结问题，在国内，沈珠江( 1 9 7 7 年) 【5 6 l 首先将有限元法应用于软土地基的同结变形分析。有限元计算 时，可以采用非线性弹性、弹塑性、粘弹塑性等多种描述土体应力应变关系的模型。典型的非线性 弹性模犁是d u n c a n - c h a n g 等( 1 9 7 0 ，1 9 8 0 ) t 57 j 提出的双曲线弹性模型。沈珠j q - ( 1 9 8 6 年) 为了描述土体 的剪胀性，提出了考虑球张量和偏张量相互交义影响的非线性应力虑变模型。适用于粘土的弹塑性 模型中，有代表性的是r o s c o e 等人提出的剑桥模型( 1 9 6 3 年) 和修正的剑桥模型。各国学者根据试验 6 第一章绪论 和理论分析，对其作了改进和发展，魏汝龙( 1 9 8 4 年) 、黄文熙( 1 9 7 9 年) 都在这方面有推广。 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问题，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。 有限元确实是一种较为完善的方法，但是由于其采用的模型中所涉及的计算参数多且不易确定，程 序复杂难以为一般工程设计人员接受，在实际t 程中并没有得到普遍应用，只能用于一些重要工程、 重要地段的路基沉降的计算。有限元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。 差分法解土工问题就是将研究区域用差分网格离散，对每一个节点通过差商代替导数把问题的 微分方程转换为差分方程，然后结合初始条件和边界条件求解线性方程组得到沉降的数值解。 差分法曾在2 0 世纪4 0 年代后期成功解决一些实际问题，如：土坝渗流、土坝及地基固结等。 b a r d e n ，b e r r y ( 1 9 6 5 ) 根据差分法得到了非线性一维固结曲线，国内也有不少这方面的研究，周汉斌【5 s l 就针对三维地基沉降分析提出了一种差分伽辽耦合方法，并给出了一个二层三维层状地基的算例。 差分法和边界元法相对有限元法在土工的应用要少点。随着各方法的的发展，一种发展趋势是 有限元法和差分法或和边界元法相结合来解决问题。 1 - 2 - 2 3 利用现场观测资料推算法 黄文熙( 1 9 8 1 尸9 1 认为，士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同而有很大变化。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。 工程中实测的沉降一时间曲线形状是具有一定规律性的，根据规律性进行曲线拟合建立沉降 曲线公式，利用工程前期沉降观测资料预测后期沉降是可行的。目前比较常用的有双曲线法( - - 点 法) 、对数曲线法( 三点法) 、a s a o k a 法、指数曲线法、星野法、沉降速率法等多种曲线拟合法。 双曲线法( 二点法) 唧6 l 】为国内常用方法，它假定沉降曲线按一定的规律“沉降平均速度呈双曲线 递减”而变化。具体方法如下： 根据不同填土高度和时间，测得相应沉降量，点绘出直角坐标系( 如图1 1 ) 岛 莎l 是 抗陵麓s 图1 1 沉降一时间曲线 任意t 时刻的沉降量s 的计算下式： s = & + 盟a + b ( t - t o ) ( 1 3 ) 东南大学硕士学位论文 气为某级荷载下时间零点，一般取该级荷载停载时刻，当t 趋于无穷大，s 即为最终沉降。对于 这个双曲线也可以转换成矗叫直线的方法来解，如图l _ 2 ，然后再选择从拐点开始的点，进行 拟合，算出a 和b ，得出双曲线方程，输入时间就可以预测沉降了。 f s 【一s n o 图两t ，曲线 s s 、 时i i l l lt 采用双曲线法推算最终沉降值，要求有较长时问的沉降观测资料，实测沉降时间一般要求至少 在半年以上。在分析过程中应该剔除反差的数据，否则将造成最终沉降推算值的严重偏差。双曲线 法能够在一定程度上反映次同结的影响，在实际工程中特别是在沿海地区公路建设中应用非常广泛。 对数曲线法陋2 1 也叫三点法，三点法推导的理论基础为曾国熙( 1 9 5 9 ) 推导的地基一维吲结度方程 ( 式1 4 ) ： u = 1 一a e 一胁( 1 4 ) a ，b 与地基排水条件，地基土性质有关的参数 土力学中定义时间t 的固结度为： 以= 西s , - 酉s d “5 ) 其公式为： s = s e a e 咄+ s 。( 1 - a p 嘲) ( 1 6 ) 墨叫时刻沉降；岛瞬时沉降；& 最终沉降 三点法的求解过程如下( 如图1 - 3 ) ：从实测沉降时间曲线上的恒载段上选取三点( s ，f 1 ) ， ( ，乞) ，( 马，岛) ，使其满足等时间间距，缸= t 2 - t , = f 3 一f 2 ，可得式1 7 ，1 8 ，1 9 。可得： 肛吉( h 嚣 8 ( 1 7 ) 第一章绪论 = 絮蒜搿 踢：s - 瓦( i - ：= a 广e - ) 罐 。绺 协 嘲l 麓 蟋 o ? 施工期t ； 豺圄l 8 t 曲线 ( 1 - 8 ) ( 1 9 ) 图1 3 三点法求解原理图 a s a o k a 【6 3 1 法是由日本学者a s a o k a a 于1 9 7 8 年提出的，又称图解法。它是以垂直单向固结理论 为主，根据实测的沉降量推算工后沉降量的一种方法。 m i k a s a 于1 9 6 3 1 6 4 1 年提出了单向同结微分方程也可以用竖向体积应变形式表示： 8 v r 铲s 1 西一l v i 上式可近似地用一个级数形式的普通微分方程来表示： m 警+ 呸争+ 筝+ 由 s 固结沉降量 q 呸a n b 与土的固结系数和边界条件有关的系数 ( 1 1 0 ) a s a o k a 法就是利用已有的沉降观测资料求出这些未知系数，然后根据这些系数预估总沉降。用 差分代替微分可将上式转换为如下递推关系： s t = p o 十p l s t 具体解法如下( 图l - 4 ) ： ( 1 1 2 ) 1 从时间沉降曲线上选取一系列沉降值s 1 、s 2 、s 3 、，其中最为时刻对应的沉降，且 时间间隔at = t 。一乙一l 为一常量。 9 东南大学硕士学位论文 2 在以q l 、邑为坐标轴的平面中，将沉降值s 1 、s 2 、s 3 、s m 以数据点( 量一l 、岛) 形式 绘出，同时作s ，= s 的4 5 。直线。 3 过数据点系列( s j 1 、s j ) 绘最佳拟合直线，让其与4 5 。线相交，交点处对应的沉降即为地基的最 终沉降。图中a 点对应值就是最终沉降鼍。 该法可以作为路基最终沉降的一种简便预测方法，优点在下可利用较短期的观测资料就可得到 较为可靠的沉降推算值，还能对进入次同结阶段进行判断与推算。它的缺点之一就是对最终沉降的 预测值过分的依赖于时间间隔的划分。a s a o k a 法属于基于数学模型的预测方法。 焉 & 鼠霉l 图1 4a s a o k a 法求解图 刘松玉等习认为在a s a o k a 的s l c q 平面上，p o 就是地基的初始瞬时沉降岛。其依据如下： 当瑚时，有& 蚓) 2 瓯= 岛，如果把荷载刚开始施加的时刻当作时间铷的时刻，在a s a o k a 法基 本关系方程式( 1 1 2 ) 中邑一l = 0 ，则有& = & = 属。 其提出的a s a o k a 法越级预测方法为：根据s o = 属，结合下式 & 咖吐警 g 路基所受的均布荷载： b 荷载面积的直径或宽度： c 考虑荷载面积和沉降计算点位置的系数； y 土体泊松比。 反算路堤在第一级荷载下的不排水弹性模量瓦，然后再根据式( 1 1 3 ) 计算下一级荷载增量引起 的瞬时沉降，以此作为该级荷载下拟合直线和第一级荷载下拟合直线之间的平移距离。有了平移距 离和斜率，就可以作出下一级荷载下对应的直线，这样其最终沉降也就可得出。 1 0 第一章绪论 另外还有沉降速率法惭6 r l 、星野法等。灰色系统理论嗍是我国学者邓聚龙教授1 9 8 2 年在国际 上首先提出的，简称g m 理论，灰色系统针对“数据少”、“信息不确定”的特点，通过观测得到的 较少的信息，建立所需微分方程的动态模型，以此来进一步认识结构的形态及运行机制。石世云等 ( 1 9 9 8 ) 6 9 1 研究了多变量灰色模型m g m ( i ，n ) 在变形预测中的应用，将单点的g m ( i ，1 ) 扩充为多点的 m g m ( 1 ，n ) 模型，通过沉降实例分析，证明了m g m ( 1 ，n ) 模型精度高于分别单独使用单点的g m ( 1 ，1 ) 的模型：张仪萍( 1 9 9 9 ) 1 7 0 , 7 l 】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。 由于人工神经网络较强的非线性映射能力和学习能力，很多学者利用实测资料直接建模( 千表性 的模型是误莠反向传播网络) ，提出了基于人工神经网络的高速公路路基沉降预测新方法。人工神经 网络理论【7 2 乃t ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k st h e o r y ) 是8 0 年代中后期世界范围内迅速发展起来的一个前 沿研究领域。近年来，人工神经网络在岩土工程中得到了不少应用，用神经网络来识别土工参数是 一种新的尝试，在处理非线性问题上具有其独特的优越性1 7 钔，可以充分运用人工神经网络较强的非 线性映射能力，基于路堤沉降的前期实测资料，对高度复杂、高度非线性的土工结构进行直接建模 来预测路堤的沉降量，这样更能反映软基路堤的沉降规律。但是该法对多级荷载下的路堤沉降预测， 特别是沉降一时间曲线上有明显“台阶现象”的情形适用性较差。 k 宰金珉等1 7 5 j 根据全过程的沉降量与时间关系的特点，建立了泊松曲线预测模型”= - 二二百， 。 1 + a e “ 并给出了具体解法，然后将该模型应用于某些具体的工程，证实了该方法的合理性，最后指出了值 得进一步研究的问题。之后从一维固结理论和土体本构关系出发，严格证明了在线性加载或近似线 性加载情况下( 这和岩土工程实际加载相类似) 1 7 6 , 7 7 】，沉降一时间曲线呈“s ”形，并由此建立了新的 沉降一时间预测模型，工程应用证明了该模型的合理性。 赵明华等1 7 8 , 7 9 通过对软十路基沉降发展规律及其沉降曲线特点进行深入研究，在s 型单项预测 模型基础上，基于5 种s 型增长曲线模型，引进组合预测的思想【8 0 , 8 1 l ，重点探讨了软土路基沉降发 展的预测方法与理论，并建立了软土路基沉降预测的变权重组合s 型增长模型，通过数学规划方法 求解，从而可根据有限的实测沉降观测数