（岩土工程专业论文）填石路堤沉降分析与质量控制方法研究.pdf

湖南大学硕上学位论文 摘要 随着我国西部高等级公路建设的迅速发展，填石路堤已成为山区高速公路的 主要路堤形式。填石路堤达一定高度后，自重荷载较大，且在车辆荷载的反复作 用下，将导致路堤产生较大的沉降量，并且，填石材料强度高，压实质量不容易 保证，压实度检测困难。为此，本文结合西部项目“岩溶地区公路填石路堤修筑、 加固与测试技术研究”，对填石路堤沉降规律，沉降监测及其压实质量控制与检测 方法进行较系统和深入的研究。 本文首先在大量沉降观测资料分析及填石路堤沉降机理和规律探讨的基础 上，提出对多种常用预测模型进行变权重组合预测的方法，其预测精度比任一单 项预测模型的精度均要高，具有明显的优越性。然后，结合西部课题，对常张高 速公路填石路堤试验段进行了沉降观测方案的设计与实施，获得了一批具有重要 工程价值的观测资料。此外，通过室内模型试验，取得了模型路堤在不同含水量， 不同压实机械与不同压实遍数下的路堤动土压力、沉降及压实度数据，进一步揭 示了填石路堤的压实特性，并且对瑞雷波检测填石路堤压实度技术进行了研究， 采用不同激振方法，在不同的含水量、压实度下进行波动测试，利用d a s p 系统 进行瑞雷波频谱与波速分析，与灌水法等方法得到的密实度进行对照，建立了填 石路堤压实度与瑞雷波波速的经验关系式。最后，利用m a r c 软件对动力荷载下 填石路堤特性进行了有限元分析，采用弹塑性分析模型，选取线性m o h r - c o u l o m b 屈服准则，建立出填石路堤3 - d 动力响应分析模型，对振动荷载下路堤土压力传 递，变形进行了计算，对不同激振荷载下路堤波动特性进行了分析，室内模型试 验实测波动曲线与计算波动曲线波形基本相符，吻合较好。 关键词：填石路堤：沉降；压实质量：模型试验；瑞雷波法；动力计算 堡至坠塞鎏璧坌篓星垂兰鎏i ! 乏鋈譬鎏 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h e rg r a d eh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nw e s t o fc h i n a ，t h er o c k f i l le m b a n k m e n th a sb e c o m eam a j o rf o r mo ft h ee x p r e s s w a yi n m o u n t a i n o u sa r e a w h e nt h er o c k f i l le m b a n k m e n tg e t st oac e r t a i nh e i g h t ，t h e s e l f - w e i g h tl o a di sh u g e ，t h ea u t o m o b i l el o a da l s ok e e pe f f e c t i n g ，a n dt h u sg r e a t s e t t l e m e n to c c u r si nt h ee m b a n k m e n t b e s i d e s ，d u et ot h eh i g hs t r e n g t ho fr o c k f i l l m a t e r i a l ，c o m p a c t i o nq u a l i t yi sh a r dt ob ee n s u r e d ，i t sa l s od i f f i c u l tt od e t e c tt h e c o m p a c t i o nd e g r e e t h e r e f o r e ，i nc o m b i n a t i o nw i t ht h ew e s ti t e m “s t u d yo nt h e c o n s t r u c t i o n ，c o n s o l i d a t i o na n dt e s tt e c h n o l o g yf o rr o e k f i l le m b a n k m e n th i g h w a yi n k a r s ta r e a ”，t h er e g u l a r i t y ，s u p e r v i s i o no fs e t t l e m e n t ，t h ec o n t r o la n dd e t e c t i o nm e t h o d o fc o m p a c t i o nq u a l i t yi ss y s t e m a t a c i a l l ya n dd e e p l ys t u d i e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i co fs t u d yo nt h el a r g ea m o u n t so fo b s e r v e ds e t t l e m e n td a t aa n dt h e m e c h a n i s ma n dr e g u l a r i t yo fr o c k f i l le m b a n k m e n ts e t t l e m e n t ，av a r i a b l e w e i g h t f o r e c a s t i n gm e t h o dc o m b i n e do fn o r m a lm o d e l si sp u tf o r w a r d ，w h i c hf o r e c a s t sm o r e p r e c i s e l yt h a na n ys i n g l em o d e l ，w i t ho b v i o u sa d v a n t a g e s t h e ni nc o m b i n a t i o nw i t h t h ew e s ti t e m t h es c h e m eo fs e t t l e m e n to b s e r v a t i o ni nt h et e s tr o c k f i l le m b a n k m e n t o fc h a n g z h a n ge x p r e s s w a yw a sd e s i g n e da n dp u ti np r a c t i c e ，w h i c ho b t a i n e dag r e a t d e a lo fv a l u a b l eo b s e r v t e dm a t e r i a l f u r t h e r m o r e ，t h r o u g ha ni n d o o rm o d e lt e s t ， d y n a m i cs o i lp r e s s u r e ，s e t t l e m e n ta n dc o m p a c t i o nd e g r e eo ft h em o d e le m b a n k m e n t w a so b t a i n e du n d e rd i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t ，c o m p a c t i o ne q u i p m e n ta n df r e q u e n c y ， c o m p a c t i o nt r a i t so fr o c k f i l le m b a n k m e n ti sf u r t h e rr e v e a l e d b e s i d e s ，t h et e c h n i q u e w a ss t u d i e do fd e t e c t i n gc o m p a c t i o nd e g r e ef o rr o c k f i l le m b a n k m e n tw i t hr a y l e i g h w a v e ，u s i n gd i f f e r e n te x c i t i n gw a y s ，w a v et e s tw a sc a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n tw a t e r c o n t e n ta n dc o m p a c t i o nd e g r e e ，t a k i n ga d v a n t a g e so fd a s ps y s t e m ，f r e q u e n c y s p e c t r u ma n dw a v ev e l o c i t y w a sa n a l y s e d i nc o m p a r i s o nw i t ht h em e a s u r e d c o m p a c t i o nd e g r e eb yw a t e r i n gm e t h o d ，a ne x p e r i e n c er e l a t i o n a le x p r e s s i o ni s s e tu p b e t w e e nt h ec o m p a c t i o nd e g r e eo fr o c k f i l le m b a n k m e n ta n dt h ev e l o c i t yo fr a y l e i g h w a v e f i n a l l y , m a r cs o f t w a r ew a su s e dt om a k eaf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nr o c k f i l l e m b a n k m e n tc h a r a c t e r i s t i c su n d e rd y n a m i cl o a d s ，a d o p t i n ge l a s t i c p l a s t i ca n a l y s i s m o d e la n dl i n e a rm o h r - c o u l o m by i e l dc o d e ，a3 - dd y n a m i cr e s p o n s em o d e lw a s e s t a b l i s h e d w h i c hc a l c u l a t e st h et r a n s f e ro fs o l lp r e s s u r ea n dd e f o r m a t i o n o f e m b a n k m e n tu n d e rv i b r a t i n gl o a d s a n da n a l y s e st h ew a v ec h a r a c t e “s t i c su n d e r i i 湖南大学硕士学位论文 d i f f e r e n te x c i t i n gl o a d s ，t h es h a p e sb e t w e e nc a l c u l a t e dw a v ec u r v e sa n dm e a s u r e d c h t v e sc o i n c i d ew e l l ，i nf a i ra g r e e m e n t k e yw o r d s ：r o c k f i l le m b a n k m e n t ；s e t t l e m e n t ；c o m p a c t i o nq u a l i t y ；m o d e lt e s t ； r a y l e i g hw a v em e t h o d ；d y n a m i cc a l c u l a t i o n i l l 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：支、1 1i 像日期：k ，d 锌弓月黾日 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 l 、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“”) 作者签名：、i - i 淑 刷程嘲 日期：k e 年专月曰曰 日期：嬲萨；月占日 塑要銮茎堡圭耋竺兰兰 1 1 概述 第1 章绪论 1 1 1 课题背景及来源 公路是国民经济的重要基础设施，它承担着经济建设繁重的运输任务。随着 我国国民经济的迅速发展，国内公路建设已达到空前繁荣。然而，等级公路尤其 是高等级公路主要分布在东部和南部经济发达地区，就全国而言公路网结构不合 理，广大中西部交通状况还没有得到根本的改善。随着西部大开发建设的进行以 及我国公路建设向山区延伸，在这些地区，如贵州、广西、湖南等，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，填料的来源主要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舍理现象。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，人们 在填石路堤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( 化马溪临沂) 段填石路堤、福建 福泉高速公路、3 0 9 国道武涉段改建工程填石路堤、贵州水( 水城) 黄( 黄果树) 填石路堤段、丹( 丹东) 本( 本溪) 高速公路、广西寨任二级公路填石路堤等， 都出现了大量的填石路堤段。在山区修筑高等级公路，石料必然成为主要筑路材 料，因此，要保证高等级公路修筑质量，必须充分认识填石材料的工程性质，进 行较深入的研究和探讨。 为适应西部高速公路建设快速发展的需求和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。项目进行了现场与室内模型试验研究，现场试验路 段为湖南常张高速公路k 8 5 + 4 8 0 k 8 5 + 8 5 0 段，填方高度8 米至01 0 米之间，自 k 8 5 + 5 1 7 至k 8 5 + 6 3 3 长度约1 1 0 m ，该段采取灰岩填筑；自k 8 5 + 6 9 3 至k 8 5 + 8 5 0 长度约1 6 0 m ，该段采用页岩填筑，两段中间段为跨线桥，在试验段不同断面设 置变形观测点，用多种变形观测仪器进行多方位变形观测，并且于压实过程中， 用水准仪测得每遍压实后的路堤沉降变化。室内模型试验以现场试验路段为原型， 利用一定的相似比设计，对填石路堤压实特性以及压实度动测方法进行了研究。 填石路堤沉降分析与质量控制方法研究 1 1 2 填石路堤定义及分类 对于填石路堤，在我国公路规范中没有明确、严格的定义。通常，采用普通 细粒土修筑的路堤称为“填土路堤”；而采用石料修筑的路堤则称为“填石路堤”。 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 p 时称为超 固结土；当p 。 ( p 。一p ，) 土层 ，= 妻i = l 击卜唰g ( 警 亿 式中：n 一印 ( 见一p 。) 时的分层数； g 。一第i 分层的回弹指数； p 。，一第i 分层的先期固结压力。 对于a p ( p 。一p ，) 土层 ，= 喜击i e k ( 学 亿 式中：疗一a p ( p 。一p ，) 时的分层数。 欠固结土： 耻喜南卜( 警 亿蚴 分层总和法计算沉降概念比较明确，计算参数较容易获得，因此在工程中得 到广泛应用。 2 2 3 差分法和有限元法 自六十年代以来，随着计算机的广泛应用和发展，差分法和有限元法使具有 非线性应力应变关系、非匀质、各向异性的材料在复杂边界条件下的求解成为可 能，在工程领域得到广泛应用。但是采用该方法需要确定大量参数，对试验设备 和实验技术的要求很高。 2 3 填石路堤沉降机理及其发展规律 地基土体在上部结构物的荷载作用下将产生应力和沉降变形。土的沉降变形 与土的压缩性能密切相关。天然土体一般由三相组成，即土体矿物颗粒构成骨架， 土骨架孔隙内充填有空气和水，完全饱和的土体是二相体，即土骨架孔隙内只有 水。土体受压力后从变形过程上讲包括两部分：第一部分是土颗粒的压缩过程， 土的固体部分在压力下与其他材料一样会产生压缩和侧胀，不过在地基常遇到的 压力范围内，土颗粒本身的压缩量很小，可忽略不计；第二部分是土粒孔隙中的 水分排出，土体积减小的过程，土体受压后土颗粒之间的相互作用力增大，颗粒 靠拢，土体的孔隙率减小，其中的水和气体排出，土体积减小，产生沉降变形。 如果土为饱和状态，则只有水的排出，一般假定水的流动满足达西定律，而且认 填石路堤沉降分析与质量控制方法研究 为土的体积压缩与孔隙中水的排出量相等；如果土为非饱和状态，则既有气体的 排出，也可能有水的排出，还可能有气体在高压力下溶于水，土的体积压缩与水、 气体排出量关系难以确定。 对于填石路堤，由于填石体是一种有着坚固颗粒的散粒材料，属无粘性土范 畴，经过碾压，具有较高的密度和较小的孔隙比。通常填石体的沉降变形主要由 颗粒骨架的压缩变形，颗粒之间的不断挤压棱角破碎以及颗粒细化滑移充填孔隙 而不断发生的蠕变变形所组成。与一般填筑材料相比，其变形特性主要体现在【1 】： ( 1 ) 压缩性低，压缩变形速度快。填石路堤在施工期间通常已完成其沉降的 大部分，这部分变形称为瞬时沉降，它是由于颗粒位移和剪切变形、孔隙体积减 小所引起的。 ( 2 1 蠕变是填石料的重要特性，是预估高填方工后剩余沉降量的重要依据。 该部分沉降是由于颗粒间应力重新分布，引起颗粒棱角破碎结构调整而产生的蠕 变沉降，该部分沉降多在荷载施加完成后的时间段内逐渐发生1 5 。 ( 3 ) 填石体在蠕变过程中，填石变形量逐渐减小，但总的变形趋势明显，这 个过程需要相当长的时间，直至不再发生破碎为止。这是由于石块的破碎及重新 排列等对蠕变过程初期影响较大，在接触应力增加、石块破碎和重新排列、应力 释放、调整和转移的过程中，这种影响越来越小。 由此可见，填石路堤在填筑过程中，由于高能量碾压过程，将达到较为密实 状态，尽管填石体压缩变形小，但这部分变 形通常在较短时间内既已完成，其沉降增长 趋势明显。此后在车辆运营过程中，由于车 辆的振动、摩擦等，将导致颗粒棱角不断挤 压破碎并细化滑移充填粗颗粒间孔隙，产生 结构调整而出现较大的蠕变沉降。但随着该 过程的发展，应力逐渐释放，粗颗粒棱角圆 滑，填石体趋于稳定，沉降曲线由平缓而趋 于某一限值。典型的填石路堤沉降随时间发 展曲线如图2 1 所示。 图2 1 典型填石路堤沉降曲线 综上所述，填石路堤的沉降规律可较好地符合双曲线、指数睦线等，且工程 中多用双曲线法、指数曲线法、星野法等进行预估。然而通过对多组路堤现场沉 降资料的分析发现，三种方法各有其优缺点，星野法所对应的变形随时间增大而 无限增大，指数曲线前期变形较慢，双曲线模型则后期变形较小。利用本文提出 的对多种常用预测模型进行变权重组合预测的方法，可更好地反映填石路堤沉降 发展规律。 1 6 湖南大学硕士学位论文 2 4 填石路堤沉降预测方法研究 2 4 1 沉降预测常用方法 利用沉降资料进行路堤沉降随时间发展预测的常用方法有六种，现简要介绍 如下： 2 4 1 1 双曲线法 其假定高填石路堤的沉降平均速率以双蓝线形式衰减，故某一时刻t 的沉降 量s t 为5 1 】： 最= 如+ 丽( t - t o ) ( 2 1 3 ) 式中：s o 一荷载施加初期的瞬时沉降量； d 、b 一由实测p ，曲线经回归分析所求得的计算参数。 工程应用表明，采用该法预测路基最终沉降量，要求实测沉降时问至少半年 以上。 2 4 1 2 指数曲线法 假定高填石路堤的沉降发展规律为指数曲线，即某一时刻的沉降量为 sx 】： 乓= 【l a e 。一。l s s ( 2 1 4 ) 式中：s ，一最终沉降； 4 ，b 一系数求法同a ，b 。 该法适用于荷载一次或突然施加的情况，难以符合工程实际条件，尚值得改 进。 2 4 1 3 沉降速率法 设 屯= ，碗 耳2 卜d 纠 u ：1 一c g e 一声 式中：m 一综合性修正系数： p t t 时刻的累计荷载； p o 一总的累计荷载； u f 时的固结度。 在恒载条件下，可得沉降速率为： s v = a s c e 一肛 4 = 谚8 n 伊矽一1 ) 式中：q 。一第挖级的加荷速率； ( 2 15 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 18 ) 填石路堤沉降分析与质量控制方法研究 t 。，i n 1 一第咒级加荷的终点和始点时间。 将实测沉降速率s v 和时间r 绘制l 眦v t 关系曲线，其截距为a s 。， 这样爿可算出，然后即可求得s 。及研值和最终沉降及c v 、c h 。 根据不同的地基条件，由下式计算固结系数c ”c h ： p = 鬻 = 鲁+ 蠢 式中：日一最大排水距离； c v 、c h 一分别为竖向、水平向固结系数。 2 4 1 4 星野法 斜率为口， ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 星野根据现场实测值提出路堤的总沉降量( 包括剪切应变的沉降在内) 与时 间平方根成正比【52 1 ，故有： 砘+ 蹁 但2 ” 式中：t o 一假定瞬时沉降时的时间； a 、k 一待定参数，可按下述方法求得。 其适合于荷载瞬时施加情况下的沉降曲线，对逐级加载，需进行修正。 2 4 1 5 三点法 固结度的理论解普遍表达式为： u = i 一口百巾 ( 2 2 2 1 不论竖向排水、向外或向内径向排水，或竖向和径向联合排水等情况均可使 用，所不同的只是a 、口值。 根据固结度定义： q ；- - s d( 2 2 3 ) 一嘞 式中：蜘一瞬时沉降度； k 一最终沉降量。 在沉降时间关系曲线上，最大恒载段内的三点s l 、8 2 、曲，且t 3 一r 2 = r 2 一t l ， 则由此可得： 曷= ( 1 6 t e - 冉) + 酊风 s 2 = ( 1 一翻r 岛) + s j c 旷成 1 8 r 2 2 4 ) f 2 2 5 ) 湖南大学硕士学位论文 = s o o ( 1 一砸供、+ s 和舌风 解得 6 吨) ：生二旦 吗一是 口：上抽芏蔓 毛一与毛 。一岛坞一置) 一是如邑) ” q 一置) 一( 一岛) 。一每一岛( 1 一c _ 严) 屹一r 应该注意的是，上述各个时间是按修正的0 点算起， 况，0 点按下式计算 0 0 ：= a p i ( h 2 ) + a p 2 ( t 2 + t 3 ) 2 ( 2 2 6 ) f 2 2 7 ) f 2 2 8 ) 佗2 9 ) ( 2 3 0 ) 对于两极等速加荷的情 ( 2 3 1 ) 2 4 1 6a s a o k a 法 用以下简化递推关系可近似地反应一维条件下以体积应变表示的固结方程， 利用此简化递推关系可用图解法来求解最终沉降值。 = 屁+ 属。墨 ( 2 3 2 ) 图解法推算步骤如下： ( 1 ) 将时间划分成相等的时间段f ，在实测的沉降曲线上读出t 1 ，f2 所对 应的沉降值s - ，s 2 ，并制成表格。 ( 2 ) 在以s i l 和s i 为坐标轴的平面上将沉降值s l ，s 2 以点( s ，s i _ 1 ) 画出， 同时作出s i = s i l 的4 5 。直线。 ( 3 ) 过系列点( s i ，s i 一1 ) 作拟合直线，与4 5 。直线相交，交点对应的沉降为最 终沉降值。 一般取出在3 0 1 0 0 d 之间。在实际的推算过程中，同时宜多计算几个不同 的f 得出相应的最终沉降值，而后在其中选取相关系数较好的沉降值作为最终沉 降值，既可避免对初始时间的选择，也可降低因所选取时间段长短而产生的偏差。 另外，利用a s a o k a 法还可对是否已进入次固结阶段进行判断，并进行次固结沉降 的推算i 1 。 综合填石路堤的沉降机理及其规律，通过对多组填石路堤沉降数据分析发现， 填石路堤沉降较好地符合双曲线、指数曲线等，且工程中多用双曲线法、指数曲 线法、星野法等进行预估，然而，三种方法各有其优缺点，星野法所对应的变形 随时间增大而无限增大，指数曲线前期变形较慢，双曲线模型则后期变形较小。 鉴于常用预测方法仍存在其局限性，特别是实测数据规律性不强时，预测精 1 9 堡互璧兰鎏璧坌堑耋璧兰兰型主鎏至耋 度不高，各种常用沉降曲线模型各有差异。为了尽可能多地利用全部有用信息， 本文利用“组合预测的思想5 4 】【55 1 ，提出一种对多种常用预测模型进行变权重组合 预测的方法，通过数学规划方法求解，且变权重系数为随时间变化的函数，从而 可综合利用各种方法所提供的信息，有效地减少单个预测模型受随机因素的影响， 较大地提高预测精度【5 6 1 。并且用m a t l a b 6 5 编制出对多种预测常用模型进行变权 重组合预测的计算程序。 2 4 2 变权重组合预测方法 综合填石路堤沉降机理及其发展规律，本文通过对多组高填石路堤现场沉降 资料的分析发现，填石路堤的沉降规律可较好地符合双曲线、指数曲线等，且工 程中多用双曲线法、指数曲线法、星野法等进行预估，然而，三种方法各有其优 缺点，星野法所对应的变形随时间增大而无限增大，指数曲线前期变形较慢，双 曲线模型则后期变形较小。由于这些方法仍存在其局限性，特别是实测数据规律 性不强时，预测精度不高。各种常用沉降曲线模型各有差异，为了尽可能多地利 用全部有用信息，本文提出对多种常用预测模型进行变权重组合预测的方法，通 过数学规划方法求解，且变权重系数为随时间变化的函数，由此有效地减少单个 预测模型受随机因素的影响，较大地提高了预测的精度。 对某一预测问题，取n 种预测模型，个时间点，并假设：y ( f ) 为第t 期的实 际观测值，t = 1 ，2 ，n ；弘( f ) 为第i 个模型的第t 期预测值；( f ) 为第i - ? - 预测 模型在第r 期的加权值，且满足： 叫( o = l ，a = l 乏、，旗o = k 互一i 叻 埘 则变权重组合预测模型可表示为： 多( f ) ：主( r ) 如) 忙l ( 2 3 3 ) r 2 3 4 ) 其中多( f ) 为变权组合预测模型的第t 期f f i 。再设为第f 种模型在第f 期的预测 误差： e i t = _ y ( f ) 一五( f ) ， ( f = 1 , 2 ，n ) ；( f = 1 ，2 ，) 最佳变权系数w ( f ) 可利用最小二乘法求得，即取： m 雌= 喜鳓叫f ) 】2 ，划砰+ 扣心】 又? 曼：如一) ( r ) = 窆w f ( f 虹( f ) 一y ( f ) ) = 【( r ) ，w o ( 0 e 。r = 【e ，】【w l ( r ) ，( r ) r ( 2 3 5 ) f 2 3 6 ) 湖南大学硕士学位论文 q 2 = 【w l ( f ) ，o ) 1 其中：墅= 【w 1 ( r ) ，( r ) r 岛， 岛r _ k ，岛r 一，l 【( f ) ，也( f ) = 坚生丝 ( 2 3 7 ) 生；【qr 、r 【q ，】= q ，气 屯气 岛l 乌r 岛r f ( f ：1 ，2 ， qr ，) 即 置：兰岛2 ：兰彬r 4 孵 ( 2 3 8 ) 此外，权系数均须非负数，故该问题转化为用规划方法5 6 1 求解非负权重组合 预测模型，即 r a i n s 约束条件：壁墅2 1 ( 2 3 9 ) 【墅20 其中星= ( 1 ，1 ) 。为n 维向量。并由文献 5 7 n - j 得： 曼= 毒罴= h ，屹，w 1 7 ，p = l 2 ， 。( 2 4 。) 若在t 期出现分量w i t o ，则表示第r 期第i 个模型不能参与组合。因此在 t 期若有( 玎一七) 个模型被筛选掉，则将第t 期剩下的k 个模型重新组合，由以上 方法再次得到最优组合权重系数向量： 互= + 1 ，雌哪，心， ( 2 4 1 ) 根据文献【5 8 】提出的预测精度计算方法，将0 n 时刻的五( f ) 代入n + i 时 刻的单项预测值 如+ 1 ) = m ( r 疗，( f + 1 ) ( 2 4 2 ) j 2 1 可得到真正意义上的组合预测值，进而求出预测精度即最小误差平方和s 。 当采用变权重组合模型预测时，可用下式计算第n + j ( - ，= l ，2 ，) 期各模 型的变权重系数，即： ， w ( + ，) = ( ，) ，q = i ，2 ， ) ( 2 4 3 ) r = l， 基于上述理论体系，可用m a t l a b 6 5 编制出对多种预测常用模型进行变权重 组合预测的计算程序。由于在单一模型的预测值分别在实测值的上下变动时，变 权重组合的方法更能显示其优越性，通过比较多种常用模型的组合发现，双曲线 法、指数曲线法及星野法的组合能较好地预测高填石路堤的沉降发展规律。 。 2 4 3 工程实例分析 依据以上的理论，笔者对多处高填石路堤现场沉降资料进行了变权重组合预 测分析。本文分别以湖南常张高速公路及广西寨任二级公路高填石路堤试验段的 现场沉降资料各一组为例，进行说明。 1 实例一 * 04 0柏 1 1 4 01 1 t d 和) 图2 2 各单项预测曲线与实测曲线比较 ( 1 1 8 天后为预测曲线) 0 1 1 1 ” 1 州d ) 图2 3 变权重组合预测与实测沉降曲线比较 本文现场试验路段湖南常张高速公路k 8 5 + 4 8 0 k 8 5 + 8 5 0 段，填方高度8 米 到1 0 米之间，填筑过程基本为匀速填筑。现以k 8 5 + 6 0 0 断面中2 号桩沉降数据 为例，对1 1 8 天前的沉降数据分别采用指数曲线法、星野法、双曲线法拟合，得 表2 1 变权系数、组合预测沉降值及实测沉降值 时间 变权重系数 变权重组合实测值 点号 ( 天) 指数曲线法星野法双曲线法预测值( m m )( m m ) 11 50 - 3 3 3 3 30 3 3 3 3 3o 3 3 3 3 31 6 9 8 4 9 8 51 7 3 2 2 90 2 8 5 7 1o 3 2 1 4 30 3 9 2 8 62 0 6 6 5 2 6 12 1 2 35 lo 4 1 9 3 50 3 5 4 8 4o 2 2 5 8 l2 3 4 9 8 7 4l2 2 2 47 3o 4 5 4 5 50 3 6 3 6 4o 1 8 1 8 22 4 8 7 9 3 3 62 4 3 58 50 5 3 1 9 80 4 6 8 0 202 5 4 3 1 7 22 5 3 61 0 00 4 3 1 6 l0 2 4 7 7 lo 3 2 0 6 72 5 9 7 9 0 0 32 5 9 71 1 80 6 2 4 7 70 1 9 8 8 9o 1 7 6 3 42 6 4 4 2 4 8 82 6 6 8 1 3 6 o 4 7 0 6 40 3 1 7 20 2 1 2 1 6 2 6 9 ，7 3 4 8 8 2 7 0 91 5 50 4 7 0 6 4o 3 1 7 2o 2 1 2 1 6 2 7 3 8 6 5 7 5 2 7 4 1 0 1 7 00 4 7 0 6 4o 3 1 7 2 o 2 1 2 1 6 2 7 6 0 1 5 4 32 7 6 注：1 1 8 天前为曲线拟合沉降值，1 1 8 天后为预测沉降值 琳 瑚 m 珊 鼬 啪 恤 d q 目 瑚 瑚 瑚 搿 瑚 瑚 m 目* 湖南大学硕士学位论文 到各嗑线模型参数为：指数曲线s f = 2 7 8 4 2 5 、a = 0 4 8 2 4 、曰= 一0 0 1 9 2 l ，星野法 a = 2 9 6 4 9 、k = 0 1 7 6 8 7 ，双曲线法a = o 0 4 1 1 、b = 0 0 0 3 4 6 。由此代入模型可分别得 到所对应的沉降拟合及预测曲线如图2 2 所示，且由图可见，尽管各模型均呈相 同发展趋势，但与实测数据均存在较大的误差。 采用本文变权重组合预测方法，首先给定这三种单项预测模型权系数均等于 1 3 ，先计算出无非负权重约束下的第t 时期权系数后，将w i 。0 的模型进行筛 选并将其权系数设为零，重新组合剩余的模型得出曲线拟合段各时期各种模型的 变权系数如表2 1 所示。再由上述的预测方法得出曲线预测段( 1 1 8 天后的四个点) 的变权系数，最后由变权系数组合各个模型得到的最终的组合预测值如图2 3 所 示。表2 2 给出了由以上三种模型及变权重组合预测法得出的拟合精度，即它们 的误差平方和s 。由表2 2 、图2 2 及图2 3 明显可见，组合预测模型预测精度比 任一单项模型均具有明显的优越性。 表2 2 单项豫测模型及变权重组合预测模型的误差平方和s 2 实例二 5霉i。ooooimmmllm 01 0 加拍明7 0 坤1 0 0 1 0 拍 0 1 袖 州) 01 0 柚”帕帅柏舯 1 1 口1 2 , o 柚1 1 钟 t t o ( d ) 图2 4 各单项预测曲线与实测曲线比较圈2 5 变权重组合预测与实测沉降曲线比较 同样，广西寨任二级公路k 4 2 + 5 4 0 6 2 0 路段为高填石路堤试验段，路堤最 大填筑高度为3 8 0 m 。现以3 0 4 3 高路堤沉降实测数据为例，对4 3 天前1 8 个点 的沉降数据分别采用指数曲线法、星野法、双曲线法拟合，得到各曲线模型参数 为：指数曲线s f = 2 0 1 1 5 4 、a = 0 7 2 3 9 、b = 一0 0 3 8 1 ，星野法a = 2 2 3 1 6 、k = 0 1 6 6 ， 双曲线法a = 0 0 2 7 5 、b = 0 0 0 6 1 6 。同理可得所对应的沉降拟合及预测曲线如图2 + 4 所示，且各模型预测与实测数据均存在较大误差。 采用本文变权重组合预测方法，可得出得出曲线预测段( 4 3 天后的四个点) 的交权系数，最后由变权系数组合各个模型得到的最终的组合预测值( 图2 5 ) 。 表2 - 3 给出了由以上三种模型及变权重组合预测法得出的拟合精度。由此可以看 t 子f 填石路堤沉降分析与质量控制方法研究 出组合预测模型比任一单项模型具有明显优越的预测效果。 表2 3 单项预测模型及变权重组合预测模型的误差平方和s 指数曲线法 星野法双曲线法l 变权重组合 s ( m m 2 )8 7 9 2 63 7 6 9 47 9 1 8 72 6 7 0 7 比较以上的两个实例还可以发现，例二比例一实测数据更多，但数据较为分 散，拟合的规律性不强。若采用单一的常用方法，得到的预测曲线必然误差很大 ( 图2 4 ) ，可见，本文变权重组合预测方法更具优越性。 2 5 结论 综上所述，填石路堤在荷载作用下沉降将随时间发展，其发展规律的分析方 法总的说来有两种，一方面可以通过土体固结原理进行估算，利用一定的应力应 变本构模型，对路基的沉降进行理论分析或数值计算；另一方面，通过大量的观 测资料的积累，可以找出地基沉降过程的具有一定实际应用价值的变形规律，根 据路基施工时的实测沉降资料和已取得的经验进行沉降预测这也是工程中最为常 用的方法。 沉降预测常用模型可较好地反映填石路堤沉降变化规律，但是通过对多组高 填石路堤现场沉降资料的分析发现，这些模型存在一定的局限性。为了尽可能多 地利用全部有用信息，本文提出一种对多种预测常用模型进行变权重组合预测的 方法，从而可综合利用各种常用模型所提供的信息。结果表明该预测模型预测精 度比任一单项模型均具有明显的优越性。并且由此可得到如下结论： ( 1 1 通过比较多种常用模型的组合发现，双曲线法、指数曲线法及星野法的 预测值往往分别在实测值的上下变动，这样变权重组合预测的方法更能显示其优 越性，预测的精度也更高。 ( 2 ) 对于高填石路堤沉降的预测，在实测数据较多，规律性不强时，常用模 型预测误差较大，这时变权重组合就显示了更明显的优越性。 f 3 ) 若要得到一定精度的沉降预测值，必须给出一定数量的实测沉降数据， 一般需要土( 岩) 体发展进入到弹塑性状态的阶段【5 9 】。 2 4 湖南大学硕士学位论文 第3 章填石路堤质量控制方法研究 路基是公路的主要结构物，对路面的使用性能有着重要的影响，路基本身在 自然环境、自重和车辆荷载作用下会产生变形，这种变形对路面寿命和行车安全 性的影响有时不能忽视，当变形较大，尤其是不均匀变形，则将导致路面开裂甚 至破坏，影响或不能保证车辆的正常营运。填石路堤因为有强度高，压实困难， 沉降大的特点，控制及检测其压实质量与监测其沉降情况是保证道路质量与耐久 性的基本前提。对填石路堤质量控制概括起来主要有两个方面：路堤压实质量 控制与检测；路堤变形监测。 为保证路基雎实质量，现有施工技术中，一般采用控制压实参数与现场密度 检测的方法，并且研究认为采用两者结合的双控法可较好地控制压实质量【” 。用 压实参数控制填石路堤压实质量依据经验，在规定的压实机械( 规格、型号、载 重、碾压速度) 、含水量、松铺厚度、碾压遍数等压实参数下，进行压实则为合格。 堆石料由于其粒径大。颗粒分布不均，给质量检测带来较大困难。目前已有的质 量检测方法来看，主要有试坑灌水法、沉降差法、承载板法、面波法和7 0 年代末， 由瑞典d y n a p a c 公司开发的压实计法”。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。在公路路基施工规范中规 定1 2 t 振动压路机进行压实试验，当下压层顶面稳定不再下沉( 无轮迹) 时可认 为路堤达到了密实状态。对填石路堤变形进行监测，应针对填石路堤具体的特点 和所处的地形、地质条件等情况对多种观测方法进行比选，然后设计与现场实施 监测方案。 3 1 填石路堤压实质量控制方法研究 3 1 1 压实参数控制 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。我国现行公路工程质量检验标准便是使用这 种方法检查石方路堤的压实度。压实标准通常用压实度表征，其值的大小根据工 程规模、重要性按有关设计规范确定。在我国现行公路路基施工技术规范中，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， 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， 填石路堤沉降分析与质量控制方法研究 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。 填石料的控制指标可以采用干密度、孔隙率、压实度等。由于填石料的最大 干密度不仅与压实功能有关，而且与填料的级配等因素有关。而一般单位缺乏专 用设备进行此项试验，因此，目前水利部门多以孔隙率作为控制指标。大量的试 验研究和工程实例表明，只要能控制碾压参数，如层厚、碾压遍数、填料的级配 等，再以一定压实功能施加于填石体，其压实填石料的性能必然是合格的。这证 明了施工工序质量控制的重要性和可行性。目前国外的堆石坝工程一般均以施工 工序控制为主要手段，辅以少量的其他检测，如试坑灌水法、沉降差法等作为施 工记录和抽查指标，供宏观分析、控制填石体旌工质量及必要时调整施工参数的 依据。国内的堆石坝工程施工管理水平差别较大，有的施工单位质量意识不强， 为慎重起见采用了施工参数和试坑干密度的所谓“双控”方法。相信随着经验的 积累和施工管理水平的提高，将越来越多地倾向于采用控制施工参数为主，其他 检测指标作为施工记录存查的质量控制体系。 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o 4 0 5 时表明压实基本合格【3 ”。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。表3 1 所示为几个国内堆石坝工程的压实质 量碾压