（岩土工程专业论文）基于实测数据的路基沉降预测方法研究及工程应用.pdf

摘要 高速公路和高速铁路路基的过量沉降或不均匀沉降将导致线路运 营条件恶化、乘客舒适度降低、甚至危及行车安全，因此对路基工后 沉降的控制随运营速度的提高而更加严格。准确、及时地进行沉降预 测可以为合理计划施工进度、确定路面铺筑时间、科学安排路基分层 填筑的高度、间歇时间以及预压时间提供一定的指导。本文在分析总 结现有相关研究成果的基础上，依据佛开高速公路的现场实测沉降数 据，利用灰色g m ( 1 ，1 ) 模型和b p 神经网络对荷载稳定时的路基沉降进 行预测，并从分级加载下路基沉降的变形机理入手，利用曲线拟合一遗 传算法联合建模的预测方法对路基沉降进行越级预测。主要工作有： ( 1 ) 在分析、总结路基在荷载稳定时和分级加载下沉降预测的研 究现状的基础上，结合路基的沉降特性，对当前常用的沉降预测方法 的理论基础、适用条件、优缺点进行分析、对比，为合理选用沉降预 测方法提供理论基础。 ( 2 ) 建立基于人工神经网络的沉降预测模型，采用f o r t r a n 语 言编写了相应的程序并利用现场实测数据进行程序验证。通过实测资 料和预测结果的对比分析，讨论了输入矢量个数、监测数据时间间隔 以及预测时段对预测精度的影响。 ( 3 ) 针对灰色g m ( 1 ，1 ) 模型要求实测数据是等时距的特点，采用 直线插值法、三次样条插值法和b p 神经网络法三种方法把不等时距实 测沉降序列化为等时距序列，并应用于实际工程的沉降预测。结果表 明：三次样条插值法和b p 神经网络法对不等时距序列进行等时距转换 较为合理，b p 神经网络法尤为理想。 ( 4 ) 采用b p 神经网络一灰色理论联合建模预测荷载稳定时的路基 沉降，并讨论建模时段对模型精度的影响。结合工程实例，验证了模 型的适用性。 ( 5 ) 利用曲线拟合一遗传算法联合建模预测分级加载下地基的沉 降，该方法可用于路基沉降的越级预测，为依据填筑和预压期监测数 据预测工后总沉降提供有效途径。讨论荷载增量a p k 的取值及荷载增量 a 仇与前一级荷载增量仇一。的比值对预测精度的影响，并分析讨论了预 测误差产生的原因及模型的局限性。 ( 6 ) 结合工程实例讨论运用曲线拟合遗传算法联合建模时，所用 各级荷载下实测沉降值个数的多少对曲线拟合遗传算法联合所建模型 的精度的影响。 关键词：沉降预测，不等时距，灰色理论，b p 神经网络，遗传算 法，分级加载，越级预测 l i a b s t r a c t e x c e s s i v es e t t l e m e n to ru n e v e ns e t t l e m e n to ft h eh i g h w a y sa n d h i g h - s p e e dr a i l w a ye m b a n k m e n tw i l ld e t e r i o r a t et h er o a dc o n d i t i o n ，r e d u c e t h ec o m f o r to ft h ep a s s e n g e r s ，a n de v e ne n d a n g e rt r a f f i cs a f e t y t h e r e f o r e ， t h es e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o nw i l lb e c o m em o r es t r i n g e n tw i t ht h e i m p r o v e m e n to ft h eo p e r a t i n gs p e e d a c c u r a t ea n dt i m e l y f o r e c a s tt h e s e t t l e m e n tw i l l p r o v i d e c e r t a i n g u i d a n c e f o r r e a s o n a b l yp l a n n i n g c o n s t r u c t i o ns c h e d u l e ，a r r a n g i n gp a v i n gt i m e ，s c i e n t i f i c a l l yp l a n n i n gt h e h e i g h ti nt h es t a g e dc o n s t r u c t i o n ，t h et i m eo ft h ei n t e r m i t t e n ta n dt h e p r e p r e s s u r et i m e b a s e do nt h ee x p l o r a t i o ns u r v e ym a t e r i a l a n dt h e m e a s u r e ds e t t l e m e n td a t ao ft h ef o s h a n - k a i p i n gh i g h w a y ，t h eg r e yg m ( 1 。1 ) m o d e la n dt h eb pn e u r a ln e t w o r kt of o r e c a s ts e t t l e m e n tw e r eu s e d w h e nt h el o a d sh a db e e ns t a b l e w h a t sm o r e ，t h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m o ft h es e t t l e m e n tw a sa n a l y z e du n d e rt h es t e pl o a d i n ga n dt h ec b r v ef i t t i n g g e n e t i ca l g o r i t h mu n i t e dm o d e l i n gt op r e d i c tb ys k i p p i n g ag r a d et h e s e t t l e m e n tw a su s e d t h ei s s u e sc o n d u c t e di nt h i sp a p e rw e r eg e n e r a l i z e d a sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do na n a l y s i so ft h er e s e a r c hs t a t u so ft h es e t t l e m e n t p r e d i c t i o n u n d e rt h es t a b l el o a da n dt h es t e pl o a d i n g ，w i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fs e t t l e m e n t ，t h et h e o r e t i c a lb a s i s ，c o n d i t i o n so fa p p l i c a t i o n ， a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ec u r r e n tc o m m o n l ys e t t l e m e n t p r e d i c t i o nm e t h o d sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h e s ea n a l y s e sp r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rc h o o s i n gs e t t l e m e n tp r e d i c t i o nm e t h o dr e a s o n a b l y ( 2 ) ，n l es e t t l e m e n tp r e d i c t i o nm o d e lw h i c hb a s e do nt h ea r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r kw a se s t a b l i s h e d w i t ht h ef o r t r a nl a n g u a g e s ，t h e r e l e v a n tc a l c u l a t i n gp r o g r 锄w a sd e v e l o p e da n dt h em e a s u r e ds e t t l e m e n t d a t aw e r eu s e dt ov e r i f yt h ep r o c e d u r e t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i sf o r t h em e a s u r e dd a t aa n dp r e d i c t i o nr e s u l t s ，t h ei m p a c to ft h en u m b e ro ft h e i n p u tv e c t o r t h et i m ei n t e r v a lo ft h em e a s u r e dd a t aa n dt h ef o r e c a s tp e r i o d f o rt h ef o r e c a s t i n ga c c u r a c yw e r ed i s c u s s e d ( 3 ) b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c sw h i c ht h eg r e yg m ( 1 ，1 ) m o d e l r e q u i r e st h em e a s u r e dd a t at ob ea ne q u a lt i m ei n t e r v a ld a t as e q u e n c e ，t h e i i i s t r a i g h tl i n ei n t e r p o l a t i o n ，t h ec u b i cs p l i n ei n t e r p o l a t i o n a n db pn e u r a l n e t w o r k sw a sa d o p t e dr e s p e c t i v e l yt oc h a n g et h eu n e q u a lt i m ei n t e r v a ld a t a s e q u e n c ei n t oa ne q u a lt i m ei n t e r v a ld a t as e q u e n c ea n da p p l i e dt h em o d e l t ot h es e t t l e m e n tp r e d i c t i o no ft h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ：t h ec u b i cs p l i n ei n t e r p o l a t i o na n db pn e u r a ln e t w o r k sa r em o r e r e a s o n a b l ei nt h eu n e q u a lt i m ei n t e r v a lc o n v e r s i o n ，t h em e t h o do ft h eb p n e u r a ln e t w o r ki st h em o s tp r e c i s e ( 4 ) t h eb pn e u r a ln e t w o r k g r e ys y s t e mu n i t e dm o d e lw a sa d o p t e d t op r e d i c tt h es e t t l e m e n tw h e nt h el o a d sh a v eb e e ns t a b l e ，a n dt h ei m p a c to f t h em o d e l i n gp e r i o d sf o rt h em o d e lh a sb e e nd i s c u s s e d t h ea p p l i c a b i l i t yo f t h em o d e lw a sv e r i f i e dt h r o u g ht h ep r o j e c te x a m p l e s ( 5 ) t h ec u r v ef i t t i n g g e n e t i ca l g o r i t h mu n i t e dm o d ew a su s e dt o p r e d i c tt h es e t t l e m e n tu n d e rt h es t 印l o a d i n g t h em e t h o dc a nu s e dt o p r e d i c tb ys k i p p i n gag r a d et h es e t t l e m e n t ，a n dp r o v i d ea ne f f e c t i v ew a y t o p r e d i c tt h et o t a ls e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o na c c o r d i n gt ot h em e a s u r e d d a t aa tt h ep e r i o do ft h ef i l l i n ga n dt h ep r e p r e s s i n g t h ei m p a c to ft h e i n c r e m e n t a lv a l u eo fl o a d p ka n dt h er a d i i oo ft h ei n c r e m e n t a lv a l u eo f l o a d p kt ot h ef o r m e ri n c r e m e n t a lv a l u eo fl o a d 既_ 1 f o rt h ea c c u r a c y o fm o d e lw e r ed i s c u s s e d a n dt h er e a s o n sf o rt h ee r r o ra n dm o d e l l i m i t a t i o n w e r ea n a l y z e d ( 6 ) t h r o u g hp r o j e c te x a m p l e st h ei m p a c to ft h en u m b e ro ft h e m e a s u r e dd a t aa ta l ll e v e l so fl o a dw h i c hw e r eu s e df o rm o d e l i n gw a s d i s c u s s e dw h e nw eu s e dt h ec u r v ef i t t i n g - g e n e t i ca l g o r i t h mu n i t e dm o d e t op r e d i c tt h es e t t l e m e n t 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 n ，u n e q u a lt i m ei n t e r v a l ，g r e y t h e o r y , b pn e u r a ln e t w o r k ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，s t e pl o a d i n g ，p r e d i c t i o nb y s k i p p i n gag r a d e i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：蠢亚趣 日期：型里l 年月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作善签名：套选导师签姆日期：直心丑日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 高速铁路和公路建设是现代化交通基础设施的标志，是一个国家经济繁荣的 象征，也是经济发展到一定阶段的必然产物。在上个世纪八十年代中期，为了适 应国民经济发展的迅猛需要，我国确定将运输、能源等置于经济建设的首位，从 而为高速铁路和公路在中国的发展开创了一格崭新的局面。 由于我国地域辽阔、工程建设不可避免地要遇到大量的软土地带。在软土地 基上修筑高速铁路、公路，需要解决的关键问题就是路堤的稳定和变形。稳定分 析是路堤设计中的重要工作之一，只有满足路堤稳定条件才能进行路堤的变形计 算。从已建高速铁路或公路情况看，路堤稳定的条件相对容易满足。但高速公路 不仅要求路堤稳定，而且对工后沉降也有很高的要求，特别是需要严格控制工后 不均匀沉降量和构筑物相邻路基的工后沉降量。从已建软土地基上高速铁路和公 路的运行情况看，有的工后沉降较大，特别是存在“桥头跳车 现象，轻则影响 车辆行车速度，重则导致交通事故。各国根据自身情况对沉降控制都提出了严格 的标准，日本要求工后沉降值不大于1 0 锄；德、法等国甚至提出了交付运营后“零 沉降 的控制标准；我国客运专线工后沉降控制标准为：一般路基地段5 锄、桥 涵过渡段3 锄。 为了达到这个标准，特别对于软基路堤，必须进行一定的地基处理( 如袋装砂 井、塑料排水板、真空预压等) 。当进行预压处理时，首先必须进行沉降计算，目 的在于估算预压期间沉降随时间的发展变化，包括预压时间、超载大小，以及卸 载后所剩余的沉降量等。以便选用合理的加固措施。经研究发现，施工过程中的 加荷速率、预压时间、路堤边坡、土体性质以及排水条件等对路堤沉降都有较大 的影响，这些储多因素均使得道路施工过程中实际发生的沉降和设计沉降之间存 在较大差距。因而，提高软基路堤沉降的预测和计算的准确性，并使计算方法简 单、实用是目前亟待需要解决的一大课题。 为了提高土体固结沉降的计算精度，研究者们己经采取了许多措施。一类是 发展众多复杂的土力学模型和计算机程序，然而计算机程序主要对于编写者有用， 而且复杂的土的力学模型所涉及到的参数很难在现场被测得。另一类是不做任何 分析，而采用所谓的。工程判断( e n g i n e e r i n gj u d g m e n t ) ，这种方法缺乏一定的理 论基础。因此，合理解决软土路堤沉降问题的途径只有把两者结合起来，而最有 硕士学位论文第一章绪论 效的方式就是通过修筑试验路段，或以实体工程进行现场试验，用现场观测数据 来验证理论和计算方法，从而得到与实测值更为接近的沉降计算值和预测值。 基于此，本文从路基的沉降变形机理入手，分析各种沉降预测方法的优缺点 及适用条件，利用现场实测沉降监测数据，采用b p 神经网络、b p 神经网络灰色 理论联合建模以及曲线拟合遗传算法联合建模的方法，分别对恒定荷载和“荷载 突变 情况下的路基沉降进行预测，为提高沉降预测精度提供技术支持，为人们 合理安排路基分层填筑的高度、间歇时间以及预压时间提供一定的指导。尤其是 关于越级沉降预测的探索，将为人们根据施工期沉降观测资料预测工后沉降提供 有效途径，具有重要的理论意义和工程应用价值。 1 2 国内外相关研究现状 路基沉降分析主要涉及沉降计算和沉降预测这两方面的内型1 】【2 】。目前沉降分 析方法主要可归结为两类：理论公式计算法和数值分析法。许多理论公式法都是 建立在路基沉降的一维分析基础上的。近年来，关于路基沉降的一维分析取得了 很大的发展。早在1 9 2 5 年，t e 渤g h i 就建立了饱和土体单向固结基本微分方程， 并获得了一定初始条件和边界条件下的解析解。其后，许多学者在此基础上对土 的固结这一根本问题进行了广泛而深入的研究。6 0 年代以来，钱家欢【3 】教授逐步 导出了流变土体固结的解析解。在饱和软粘土一维固结理论方面，谢康和【4 】推导了 变荷载下任意层地基一维固结问题完整的解析解答，使饱和软粘土成层地基一维 弹性固结理论趋于完善。王盛源【5 】采用推广的李氏比拟法，求得m e r c h a n t 一维粘 弹性固结问题的解析解。8 0 年代末，赵维炳【6 7 】采用广义开尔文模型，导出了粘弹 性土体一维固结问题的普遍解析解，并提出了软粘土主、次固结沉降计算的简化 方法。这些研究成果，为软粘土路基沉降的一维分析奠定了坚实的理论基础。 目前，计算沉降量与时间关系的方法有两大类。第一类为根据固结理论，结 合各种土的本构模型，计算沉降量的各种有限元法。如考虑非线性弹性模型及弹 塑性模型的有限元法【8 】、考虑粘弹塑性模型的有限元法【9 】、考虑结构性的损伤模型 的有限元法【1o 】【1 1 1 、以及大变形固结有限元方法【1 2 】。但是由于计算参数较多，且一 般需通过三轴试验确定，因而在工程设计中难以采用，目前还不可能把有限元法 作为每个断面沉降计算的主要方法应用于设计，仅用于重要工程、重点地段的计 算。第二类为根据实测资料推算沉降量与时间关系的预测方法。根据实测数据推 算地基沉降有以下方法： ( 1 ) 原位试验法 沉降可以通过原位试验测定相应参数来估计。通常用来预估地基沉降的原位 试验有平板载荷试验、静力触探试验、标准贯入试验和旁压试验等。不过，这些 2 硕士学位论文第一章绪论 试验由于各种各样的因素，比如仪器的精确度、量测装置以及外界环境的影响都 会给试验结果带来很大的误差，预估的沉降值也受到一定的影响。 ( 2 ) 从初始现场实测资料推算地基总沉降 有关这种推算的方法很多，根据不同的加载方式可分为：单级加载下的沉降 预测方法和分级加载下的沉降预测方法。相关研究现状概述如下： 1 2 1 荷载稳定时的沉降预测研究现状 通过分析地基现场前期实测沉降资料，预测沉降发展规律，推算后期沉降量， 并由此指导施工，这在实际工程中具有重要的应用价值【1 3 1 。基于部分实测沉降数 据的沉降预测方法大致可分为3 类；一是曲线拟合方法，这类方法一般用简单函 数来拟合沉降的发展规律，有些方法有一定的理论基础，如a s a o k a 法【l 引、指数 曲线法【l5 1 、增长曲线法，而有些则主要是利用数学公式对地基沉降进行简单的拟 合，如双曲线法等【1 6 】【1 7 】；二是系统理论的方法，如时间序列法【1 引、灰色理论方法 1 9 1 、神经网络法【2 0 】等；三是数值分析法【2 1 1 ，这类方法一般采用有限元法，先反演 计算参数，然后正演预测后期沉降。 ( 1 ) 曲线拟合法 近年来，许多学者对单级加载下的沉降预测方法做了深入的研究。朱胜利瞄1 采用实测沉降曲线推算地基最终沉降量的新型双曲线型表达式，并结合具体地基 加固工程，将采用该表达式计算的最终沉降量与采用指数曲线法和传统双曲线法 的结果进行了对比，证明了采用该方法的可靠性。王志亮【2 3 】、张成亮分别采用 抛物插值法和三次样条插值法进行不等时距的转化，再结合a s a o k a 法对地基沉 降进行预测，所得预测值与实测值能较好的吻合。张长生【2 5 】运用沉降速率和剩余 主固结沉降的关系，推算出任意时间的主固结剩余沉降及卸载时间的理论公式， 称之为“速率法。并用此方法在深港西部通道填海及地基处理工程中进行地基 沉降的预测。周全能【2 6 1 分别对应用较为广泛7 种后期沉降推算方法的精度及误差 进行了比较分析，并针对每一种推算方法，研究了计算时间起点和时间跨度对推 算精度的影响，并探讨了各种方法的优缺点及适用性。 ( 2 ) 系统理论法 除上述曲线拟合法外，也有许多学者采用系统理论的方法预测工后沉降。林 j t i t 2 7 】采用b p 神经网络方法，通过观测软基沉降速率分析预测其工后沉降量，结 果明显优于双曲线法，但是该方法仅适合预测预压期较短的软基工后沉降。贺明 侠1 2 8 j 提出一种采用动量b p 算法来预测路基沉降的方法，结合具体的工程实例， 构建了预测路基沉降的具体b p 神经网络模型。赵俊明【2 9 】运用灰色理论对高速公路 软土地基沉降进行预测，建立不等时距的预测模型g m ( 1 ，1 ) ，采用后验差法对模 3 硕士学位论文第一章绪论 型的可靠性进行检验，弥补了等时距g m ( 1 ，1 ) 模型的不足。并结合沿江高速公路 常州段实测数据，证明了该法的实用性。不过上述方法都有一个共同的缺点，就 是预测模型一旦确立，模型参数保持不变，另外根据前期实测沉降的数据也有很 大相关，从而可能导致沉降预测精度不高，为此许多学者考虑把时变参数引入预 测模型中。王金柱【3 0 】在大样本的情况下，采用随时间变化的参数口( f 1 ，”f f l 运用 到g m ( 1 ，1 ) 模型中，并用多项式近似表示口( ，) ，u ( t ) 得出了时变参数的估计方 法。张仪萍【3 l 】把这种时变参数的估计方法运用到地基沉降的预测中，提高了g m ( 1 ，1 ) 模型的预测精度。 ( 3 ) 数值分析法 随着计算机技术的发展，与之相应的计算方法一数值分析法也逐渐成熟。在 用数值分析法解决沉降及沉降预测问题时，最常用的是差分法和有限单元法。从 2 0 世纪4 0 年代起到现在，国内外许多学者1 3 2 3 6 1 ，用有限差分法解决了土木工程 领域中的某些渗流及固结问题。这也为采用差分法计算路基沉降提供了坚实的理 论基础。刘祚秋7 j 在几何非线性分析的基础上考虑软粘土的非线性本构关系，采 用张量指标记号推导出物质描述的一维非线性大变形固结的控制方程，采用有限 差分方法对非线性控制方程进行数值求解，并编制了相应的计算程序计算沉降。 关金龙【3 3 】针对光华路地铁中洞的大断面，应用有限差分法对洞室拱顶及地表的沉 降进行了模拟，得出的预测沉降规律为施工工作提供了指导。 有限元法将地基和结构作为一个整体来考虑，将其划分网格，形成离散体结 构，在荷载作用下求得任意时刻地基和结构各点的位移和应力。由于有限元法可 考虑复杂的边界条件，土体应力应变关系的非线性、土体的应力历史和水与骨架 上应力的藕荷效应等一系列优势，因此近年来在路基沉降计算与预测中应用越来 越广泛。任铭宇【3 9 】基于b i o t 固结理论有限元数值解和m e r c h a n t 粘弹性模型理论解 析解，采用最小二乘法建立了包括沉降、孔压以及侧向变形信息的目标函数，利 用观测数据采用s i m p l e x 直接优化算法，结合工程实例首先分时段反演了模型中主 要的土性参数，研究各参数随时间的变化趋势，并对软土路基的工后沉降进行预 测。张明鸣【4 0 】利用青藏铁路清水河试验段路基现场温度场及沉降监测数据，采用 模拟退火算法改进b p 神经网络算法反演了冻土路基的热力学参数，并在反演参 数的基础上应用有限元法模拟预测了冻土路基在不同保温处理方案下的长期温度 场变化情况。 上述的沉降预测方法一般只利用加载完成后恒载阶段的沉降观测数据进行分 析，对于分级加载中停荷期的沉降观测数据利用较少。 4 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 分级加载作用下的沉降预测研究现状 因为地基的工程力学性质是随着加载逐渐改变的过程，所以综合考虑分级加 载中的沉降观测数据，更能反映地基的变形趋势。对于分级加载下地基沉降的预 测，工程中常用的是曲线拟合法，鉴于此，许多工程技术人员对如何利用曲线拟 合法预测分级加载下的地基沉降作了深入的研究。 ( 1 ) 分级加载下的曲线拟合预测方法 汪建斌等人【4 l 】提出了一种考虑荷载高度的沉降预测方法，它不仅可以预测工 后沉降，还可以在非恒载条件下预测沉降发展，从而拓宽了沉降预测的应用领域。 通过对各级荷载段内的沉降观测数据作线性拟合，求得相应于各级累计荷载下的 最终沉降量。但此方法只能求得当前累计荷载作用下的最终沉降量，不能进行越 级预测。 邵光辉 4 2 1 利用某填土高度日保持不变的时间段内的沉降观测资料，利用双曲 线法来推得该填土高度下的最终沉降量s ，由此得到单位填土高度所引起的最终 沉降量s 甄；考虑到实际土体变形的非线性，乘以修正系数艿，从而推算出设计 填土高度见与已填高度e 之差所引起的最终沉降量。但修正系数6 的取值随意性 较大，可能会对预测结果产生较大的影响。 胡庆副4 3 】等人认为，在每一级荷载增量下，其沉降量与时间关系s = 厂( ，) 符 合双曲线函数，因此，通过逐级对各级荷载下的沉降观测数据作双曲线拟合，递 推得到分级加载条件的地基沉降随时间变化的关系函数，进一步求得地基最终沉 降量。张仪萍从固结理论单级线性荷载下的沉降计算公式，推出了关于沉降的3 种线性关系。利用其中任何一种线性关系，根据前期实测沉降数据，得到沉降计 算公式中的参数。并利用叠加原理将单级荷载下的沉降计算公式推广到分级加载 情况下，并给出了分级加载情况下参数推算的方法。沉降计算公式中的参数确定 后，可用于推算后期沉降。但是胡庆国、张仪萍等人提出的分级加载条件下的沉 降预测方法只能求得当前累计荷载作用下的最终沉降量，不能进行越级预测。 c e l m a l 4 5 】根据固结理论单级线性荷载下的沉降计算公式，对分级加载条件下 的沉降预测方法进行了研究，推导了关于沉降的两种线性关系。彭满江等人及刘 松玉等人均基于a s a o k a 法的沉降预测方法，对如何确定各级荷载下o 一o - i 拟合 直线在纵轴上的截距的问题进行了研究。二者都认为各级荷载下的o ，一。产1 拟合 直线互相平行，但彭满江m j 认为，各拟合直线在纵轴上的截距随外荷载而变化， 求出第一级荷载下的参数后，就可推算下级荷载下的相应的斜率和截距，从而 求得分级加载条件下的地基沉降。刘松玉 4 7 1 认为，各平行直线在纵轴上的截距p o 与 荷载增量引起的瞬时沉降有关。根据第一级荷载引起的瞬时沉降推算地基土的不 硕士学位论文第一章绪论 排水模量，然后由此推算下一级荷载增量引起的瞬时沉降，再进一步求得相应于 该两级荷载下o _ ，一o j t 的拟合直线之间的平移量。杨涛1 4 8 4 9 1 等人先后提出了基于 双曲线法和基于指数法的分级填筑路堤沉降预测方法。这几种方法均是根据第f 级 荷载的曲线拟合参数，推算第i + 1 级荷载的拟合曲线方程中的待定参数。 以上对各种预测方法各有优点，但都存在一个共同的不足之处，即由于采用 了分段拟合方法，故预测结果依赖于某一级荷载下或者每一级荷载下的沉降观测 数据的曲线拟合结果，如果某一级荷载下沉降观测数据较少，那么通过曲线拟合 得出的有关参数就可能不准确，从而影响到预测精度。 为了减少预测误差，有必要将各级荷载下的沉降观测数据进行统一拟合而不 是分段拟合。宋绪国等人【5 0 】在秦沈客运专线中采用的修正指数函数法和修正的双 曲线法，克服了分段拟合的缺点。黄广军【5 1 】提出了一种分级加载条件下提早预测 地基沉降的新方法一沉降差法。该方法将各级荷载作用下的地基沉降发展规律统 一了起来，能同时利用各级荷载下的实测数据来进行线性拟合和预测，可在工程 填土施工过程中提早预测在设计总荷载作用下的地基总沉降量，以指导工程施工。 但是这些方法对地基变形的线性假设与实际有出入，因此尽管这些方法有许多优 点，但也有其局限性。 ( 2 ) 分级加载下考虑加荷方式的预测方法 土体是非弹性体，其变形的大小及速率不仅与加荷的大小有关，而且与加荷 方式及加荷顺序有关。因此，在分析地基的固结问题时，应考虑外荷载的施加方 式。通常，实际工程中的荷载是分级施加而不是瞬时施加到地基上的。目前，对 于分级施加荷载的处理方法是将其作为t 2 ( t 为施工期，即荷载从零增加到恒载口 的时间) 时的瞬时荷载，然后按瞬时施加荷载的方法来求解，而且，在求解时将固 结应力假定为均匀分布，不考虑固结应力的分布形式对土体固结过程的影响。由 于这些原因，使得目前对分级加荷时地基固结问题的研究还不完善。 张云【5 2 】论述t j i - 荷载分级施加时，饱和土地基一维固结的微分方程及其在给 定的边界条件和初始条件下的解析解，分析了土中一点的孔隙水压力的变化规律， 提出了分级加荷时地基中一点的固结度的定义方法，并对工程中常用的方法作了 分析和评价。余副5 3 】从考虑土体流变的本构关系出发，证明了瞬时加载、线性或 者近似线性加载和分级加载情况下路堤沉降的性状，提出了从数学上能满足各自 变形特征的预测模型。 ( 3 ) 分级加载下考虑地基沉降机理的预测方法 通过对分级加荷时饱和土地基的固结情况进行深入的了解，不仅可以预估地 基变形的发展情况，而且可根据前级荷载作用下地基的沉降观测值反求地基的固 结参数，并用于预测下级荷载作用下地基的沉降1 5 4 1 。这对于实际工程来说，具 6 硕士学位论文第一章绪论 有重要的现实意义。 地基沉降过程可从机理分析为：在建筑物初期，随着上覆荷载的施加，土颗 粒孔隙中的水慢慢排出，沉降变形开始发生。当荷载增大到一定程度，孔隙中水 排出速度加快，从而沉降速率也在增大。随着时间的推移，土体中渗流路径加长 以及附加应力向下扩散，沉降速率逐渐缓和并达到稳定。宰金珉、梅国雄【5 5 5 7 1 对 分级加载下的沉降机理作了深入的研究，提出了一个预测沉降的经验公式一增长 曲线模型，并对一级加载下的地基沉降情形作了研究，且通过实例加以验证。 ( 4 ) 分级加载作用下的系统理论预测方法 沉降量和沉降速率控制是路堤工程设计的关键性问题【5 s 】由于固结理论的局限 性和参数的不确定性，理论预测的精度较低，而基于现场实测资料的观测法显示 出较高的精度，但是现有的大多数计算方法只能适用于一级荷载下沉降预测。张 子培【5 9 】在灰色理论的基础上发展了一种预测地基分级加载沉降预测的方法，结合 某拓宽改造工程实例进行了沉降预测分析。 1 2 3 岩土工程中反演分析方法 自1 a 1 9 7 1 年k a v a n a g h 6 0 】研究了用有限元方法反演弹性参数以来，反演分析方 法得到了迅速发展，并在工程中得到了广泛的应用。反演分析方法就是利用施工 中量测的位移、应力和( 或) 孔隙水压力等数据反演出土体的各参数；并利用这些参 数来预测未来土体的位移、应力和( 或) 孔隙水压力等。 在众多学者的探索和努力下，位移反分析得到了迅速的发展，国内已经有许 多相关专著6 1 】【6 2 1 及论文6 3 】【6 4 1 问世。研究方法也从确定性研究发展到了非确定性研 究【6 5 】【钢。岩土体本身是个不确定及不确知的系统，人们对它的认识尚存在一定的 模糊性。岩土体的物理参数、本构模型及计算边界( 地应力等) 等均无法准确确 定。因为量测结果是含有误差的不定值，所以用量测结果队岩土工程中的参数进 行反分析也存在一定的局限性。但是它比非确定性反分析实旋更为方便，更受到 工程界的青睐。 反分析在岩石地下工程中应用较多，相应的技术和理论都比较成熟。例如： q r e s t e ，p i e r p a o l o f 7 】利用施工期间隧道周边位移及支护结构的荷载的量测值反分析 地质力学参数；近年来，反分析技术的应用已经由岩体工程扩展到软土工程。 p i c h l e r b 【6 8 】基于施工现场提供的测量数据用有限元分析方法确定模型参数，并用人 工神经网络确定未知的模型参数，再结合遗传算法( g a ) 利用训练好的网络提供 一个最优估计模型参数，最后利用有限元分析进行评估。g i l b e r t ，r o b e r t l 6 9 1 讨论了 k e t t l e m a nh i l l s 边坡反演分析的不确定性，并提出了一种反分析的理论方法，以确 定边坡失稳的抗剪强度。a s a o k a a 7 0 利用路堤加载过程中观测的沉降数据反分析 7 硕士学位论文第一章绪论 粘土地基的渗透性。g i o d a , g i a n c a r l o t ”】论述了利用隧道开挖中现场测量数据对岩体 参数进行反分析的方法，并且运用概率论的原理对反演结果进行分析，减少了岩 土问题解参数反演过程中不确定性的影响。n a y l o r , d j 【7 2 】等采用有效应力的弹塑性 模型对b e l i c h e 坝进行反分析，所得的最大沉降量与实测值具有很好的一致性。 c h i ，s y e 7 3 】等采用共轭梯度法优化技术、等价地基损伤模型对隧道开挖引起的地面 的位移进行反分析。 因为反分析法的诸多优点，近年来，反分析方法也逐渐应用于岩土工程中。 在实际工程中，地基土体的应力和位移受加荷( 卸荷) 的大小和方式、结构物的 特性和地下水、各个土层的相互作用等许多综合因素的影响。因此很难用各层土 的土质参数进行计算，相比较用土工试验得出的土质参数进行计算而言，用现场 监测结果进行反分析得出的土质参数更能反映出实际情况。曹正康【7 4 j 利用现场实 测数据，用反分析法推求路堤的工后沉降。预测的结果与实测值有较好的一致性。 魏丽敏【_ 7 5 】采用黏弹塑( 西原) 模型模拟土骨架，并结合软土变形的大位移、大应变及 渗透固结的特点，建立模拟施工过程的软土路基双重非线性固结分析有限元模型。 以实测信息与计算信息的相对残差平方和最小为目标，建立根据多种测试信息进 行参数反分析的目标函数，并采用m o n t e c a r l o 法和可变容差法相结合的优化技术， 对目标函数进行约束优化，较好地解决了可变容差法易于陷入局部最优解的难题。 实际工程应用表明，所得计算参数能较好地反映现场的实际情况，可准确预测沉 降。邹德强r 7 6 】依据高路堤填土施工期路基沉降实测资料，分别运用遗传算法和最 小二乘法确定灰色g m ( i ，1 ) 预测模型中的灰色参数口和“，然后据此预测路基后 期任意时刻的沉降量及最终沉降量，结果表明是一种较好的路基沉降预测方法。 在施工过程中根据现场观测结果，用反演分析的方法动态地修正由室内试验 得到的参数值，可以弥补室内试验存在的各种缺点和不足，当试验参数缺乏时， 也可根据现场的观测结果由反演分析求得所需参数。 1 3 本论文的主要工作 1 3 1 研究思路 修建高速公路或高速铁路时，若地基处理不当，容易引起路基工后沉降过大， 影响高速公路、铁路的使用品质。为了防止“桥头跳车 、路面开裂和路面凹陷 等不良现象的发生，施工期路基沉降观测与控制已成为高速公路或高速铁路建设 的重要组成部分，其中利用实测沉降数据预测后期沉降是沉降控制的关键技术之 一o 本文在分析总结现有相关研究成果的基础上，依据现场实测沉降数据，分别 8 硕士学位论文 第一章绪论 采用灰色g m ( i ，1 ) 模型和b p 神经网络预测荷载稳定后的路基沉降，并与实测值进行 分析对比。对于荷载“突变 的分级加载下路基的沉降，采用曲线拟合遗传算法 联合建模的方法预测路基沉降，并评价此模型的优缺点。本论文研究思路结构图 如下： 路基沉降预测 路基沉降机理及预测方法分 载稳定时的沉降预 编常怊p 神经网络程序ji 不等时距序列的等时距转换 级加载下的沉降预 二二 = 二二 路基沉降性状分析 用b p 神经网络法 l 啊f 讯蚕丙孬习而甄i 嗣f 增长曲线一遗传算法联合fl 指数曲线一遗传算法 预测沉降li 联合律模干砸涮路基沉隆ii 建模题捌路基沉隆l 建模预测路基沉降 1 3 2 研究内容 图1 1研究思路结构图 尽管现有的沉降预测方法已广泛应用于工程实践，但是现有沉降预测方法的 预测结果与实测结果也存在一定的差距。为了更好的进行路堤施工控制和合理确 定路面铺筑时间，本文基于前期沉降观测资料，利用动态预测方法对荷载稳定时 的路基沉降进行预测，并从分级加载下路基沉降的变形机理入手，利用静态和动 态相结合的预测方法对分级加载条件下的路基沉降进行预测。基于以上的出发点， 在前人研究的基础上，进行了以下几项工作： ( 1 ) 编制的b p 神经网络程序，并利用该程序建立基于人工神经网络的沉降预 测模型。通过工程实例，讨论了输入矢量个数、监测数据时间间隔以及预测时段 对预测精度的影响。 ( 2 ) 针对曲线拟合法预测地基沉降的种种缺陷，采用b p 神经网络灰色理论 联合建模预测荷载稳定时的路基沉降，通过与实测沉降值的对比，分析讨论模型 的适用性。 ( 3 ) 对工程实践中分级加载条件下常用的经验公式法进行探讨，分析其理论 基础、适用范围以及各种经验公式的优缺点。 ( 4 ) 利用曲线拟合遗传算法联合建模，对分级加载下地基的沉降进行越级预 测，并与现场实测沉降数据进行对比。讨论荷载增量阢的取值及荷载增量 p k 与 前一级荷载增量 p k 一。的比值对预测精度的影响。 ( 5 ) 分析运用增长曲线和指数曲线模型对地基进行越级沉降预测时，预测值 与实测值出现偏差的主要原因，并且对如何利用增长曲线和指数曲线模型提高预 9 硕士学位论文第一章绪论 测精度进行研究。通过工程实例，评价两种预测模型对多级荷载下沉降预测的适 用性。 ( 6 ) 结合工程实例讨论了运用曲线拟合遗传算法联合建模时，所利用各级荷 载下实测沉降值个数的多少对曲线拟合遗传算法联合所建模型精度的影响。 1 0 硕士学位论文 第二章地基沉降计算方法及预测方法分析 第二章地基沉降计算方法及