（岩土工程专业论文）考虑软土流变的加载卸载沉降预测研究.pdf

摘要 为了有效控制软土地基的整体稳定和工后沉降量，需要在路堤施工过程中进 行沉降变形动态控制，以验证和优化设计，达到缩短工期、降低造价和提高工程 质量的目的。因此，如何及时根据施工现场实测沉降资料反分析地基土参数来预 测后期沉降，已成为沉降变形动态控制的关键技术之一。 我国的高速公路绝大部分建于经济发展较快的沿海诸省、长江三角洲、珠江 三角洲地区，这些地区的地基土中通常含有深厚软土层，土体沉降中次固结部分 在不容忽视。另外，为了加快土体固结、缩短施工周期，在高速公路的施工中通 常采用超载预压，预压结束后需要卸载以达到设计高程并进行路面铺筑。这样的 加荷卸荷过程，土体的变形有别于一般加荷过程。如何考虑软土流变和加载卸载 荷载作用，是工程中一个急需解决的课题。本文从对加载作用时地基的有效应力 变化过程分析入手，引申到加载卸载作用时地基的有效应力变化过程，提出与实 际情况更为符合的孔隙水压力消散过程。分析土体为什么会出现回弹，以及在何 种程度上出现回弹。本文在传统的无流变项沉降预测程序的基础上进行改善，考 虑土体的流变和加载卸载作用。采用优化反演方法编制计算程序，对预测方法进 行实例计算，验证本文预测方法的正确性和可靠性。最后，运用p l a x l s 平面有限 元进一步验证本文提出的预测方法的优越性。 【关键词】高速公路；软土地基；沉降预测；固结度；土体流变；本构模型；加 载卸载；有限元 a b s t r a c t a b s t r a c t f o re f f e c t u a l l yc o n t r o l l i n gu n i t a r ys t a b i l i z a t i o na n ds e t t l e m e n to fs o f t - s o i lg r o u n d , d y n a m i cc o n t r o lf o rs e t t l e m e n td i s t o r t i o ns h o u l db ed o n ei np r o c e s so fc o n s t r u c t i o nt o r e a c ht h ep u r p o s eo fv a l i d a t i n ga n do p t h n i z i n gd e s i g n , s h o r t e n i n gt i m e ，r e d u c i n gc o s t a n di m p r o v i n gq u a l i t yf o rp r o j e c t s oi tb e c o m eo o ft h ek e yt e c h n i q u eo nd y n a m i c c o n t r o lf o rs e t t l e m e n td i s t o r t i o nt h a th o wt ob a c k - a n a l y z ep a r a m e t e r so fg r o u n di nt i m e b a s eo nf i e l dt e s td a t a 玎艟m a j o rp a r to fo u rc o u n t r y sh i g h w a yi sc o n s t r u c t e di na r e ao ft h ed e v e l o p e d c o a s t a lp r o v i n c e , t h ey a n g t z er i v e rd e l t aa n dt h ez h u j i a n gd e l t a , w h e r ei su s u a l l y i n c l u d e st h ed e e ps o f ts o i l s ot h ed e l a y e ds e t t l e m e n tc a n tb ei n g o r e d m o r e o v e r , i no r d e r t os p du ps o f tc o n s e d i a f i o na n dr e d u c et h ec y c l eo fc o n s t r u c t i o n , i ti su s u a l l yu s e s s u p e r t o a dp r e c o m p r e s s i o n i nt h e h i g h w a y c o n s t r u c t i o n a f t e rf i n i s h e dt h e p r e c o m p r e s s i o nn e e d st ou n l o a dt ot h ed e s i g ne l e v a t i o na n dl a y st h em a ds u r f a c e s u c h l o a d i n ga n du n l o a d i n gp r e c e s s ，t h es o i ld i s t o r t i o ni sd i f f e r e n c ef r o mt h eu s u a ll o a d h o w t oc o n s i d e rt h ec r e e po fs o i la n dl o a d i n ga n du n l o a d i n gp r e c e s s ，w h i c hi sa nu r g e n t p r o b l e mi nt h ep r o j e c t f r o ma r i a l y i n gt h ec h a n g eo fe f f e c t i v es t r e s si nt h ep r o c e s so f l o a d i n gt ol o a d i n ga n du n l o a d i n g ，i ti s f o u n d e dt h a tt h ee v a n e s c i n gp r o c e s so fp o r e w a t e rp r e s s u r ep r o p o s e di nt h ep a p e rs h o w sab e t t e ra g r e e m e n tt of a c t i ta n a l y s e sw h y t h es o i la p p e a r sr e s i l l i e n c e 够w e l la sa p p e a r sr e s i l l i e n c ei nw h a tk i n do f d e g r e e t h ep a p e r , i nt h ef o u n d a t i o no ft h ec o n v e n t i o n a ls e t t l e m e n tp r e d i c t i o n , c o n s i d e rt h e c r e e po fs o i la n dl o a d i n ga n du n l o a d i n gp r e c e s s t h r o u g hc o m p a r i n gf i e l dd a t aw i t ht h e c a l c u l a t e dr e s u l t sb yt h ep r o g r a md e s i g n e db yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，t h er e s u l ts h o w s t h a tt h em e t h o di sc o r r e c ta n dr e l i a b l e i nt h ee n d , t h r o u g hc o m p a r i n gt h er e s u l t so f p l a x i sf e mf u r t h e rt e s t i f i e dt h es u p e r i o r i t yo f t h em e t h o dp r e s e n t e di nt h ep a p e r 【k e yw o r d s 】：e x p r e s s w a y ；s o f t - s o i lg r o u n d ；s e t t l e m e n tp r e d i c t i o n ；d e g r e eo f c o n s i d a t i o n ；c r e e po f s o i l ；c o n s t i t u t i v em o d e l ；l o a d i n ga n du n l o a d i n g ；f e m 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工作的 同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：13 竺 辩年i 月j j 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 ， 论文作者( 签名) ! 墼幽妒哆年酊匀g j 日 j| f 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 高速公路是2 0 世纪3 0 年代在西方发达国家开始出现的为汽车交通提供特 别服务的基础设施，经过7 0 多年的探索和发展，目前全世界通车里程超过了2 0 万公里。2 0 世纪8 0 年代以来，随着我国社会经济的发展和交通现代化的需要， 交通基础设施得到了重点建设，公路建设有了飞速的发展，从1 9 8 8 年我国大陆 建成第一条高速公路沪嘉高速公路，不久之后，相继建成了沈大、京津塘高 速，从此，我国高速公路建设进入了一个新时代。至2 0 0 6 年底，大批高速公路 相继建成通车，如沪宁、沪杭、济青、杭甬、京沈、泉夏等“1 。 高速公路对地基要求甚高，建成后必须达到“快速、安全、经济、舒适” 这样的服务目的。如果路面坎坷不平，就会影响行车的舒适性，阻碍行车的快 速，而且路面低凹处或桥头高差引起跳车而产生的冲击力，会使路面不平整进一 步加剧，构成恶性循环，进而影响行车安全以及造成巨大经济损失。目前我国高 速公路绝大部分建于经济发展较快的沿海诸省、长江三角洲、珠江三角洲地区， 而这些地区的地基土通常都具有含水量高、压缩性大、渗透性差、灵敏度高、强 度低和厚度不均等特点。在这种地基上修建高等级公路，存在很多问题，其一， 软土路基的沉降和差异沉降过大的问题，它严重影响了高速公路的正常使用；其 二，在路基填筑过程中出现的稳定问题。从己建高速公路情况看，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的构筑物相邻路基。可见地基沉降分 析与计算非常重要，自t e r z a g h i 一维固结理论。1 问世以来，土体固结沉降理论研 究虽然取得了长足的发展，但是软土地基沉降的课题仍然困扰着许多岩土工程技 术人员“卜伽。因此改进或提高软基沉降预测和计算方法具有重大学术价值和社会 效益。 在高速公路的施工过程中，为了控制施工进度，指导后期的施工组织与安 排，同时为了保证在通车设计年限内路堤的稳定性与舒适性，需要对路基的最终 沉降量和工后沉降量进行计算预测。 根据反分析设计的过程，可把路堤沉降设计、施工和监测概括如图1 一l 所 示。 河海大学硕士学位论文 图l l反分析法过程框图 图l l 表明，路堤设计是个动态过程，根据设计进行施工，利用现场检测 资料控制施工过程，保证工程施工安全；同时，利用现场检测可以反演设计参数， 改进设计方法，以便更准确预测变形规律和可靠度。可见，沉降反分析在路堤工 程中具有十分重要的意义。 1 2 研究现状 为了提高软土沉降预测的精度，研究者们已经采取了许多措施，获得很多 的方法。目前，沉降预测的方法可划归为两种类型：理论方法( 传统方法和数值 方法) 和基于实测沉降资料的沉降预测方法。第一类中的传统方法( 即经典的沉 降计算方法) 就是按分层总和法计算最终沉降量；数值方法则是根据固结理论， 结合土的本构模型，计算地基最终沉降量的差分法、有限元法和边界元法，如考 虑非线性弹性模型和弹塑性模型的有限元法、考虑粘弹塑性模型的有限元法、考 虑结构性损伤模型的有限元法以及大变形固结的有限元法“。第二类是根据实测 资料推算沉降量与时间关系的预测方法。这两种方法都有其实效性和操作性，回 顾这些方法的发展和目前对软土沉降计算的研究现状对实际问题的解决有着重 要意义。 1 2 1 基于土体固结压缩原理的理论沉降计算方法 在基于理论进行沉降计算的方法中，又可以分为两大类：一类是以室内一 维或三维固结试验为基础，借助试验得到的土工参数代入根据压缩规律得到的公 式中进行分析的传统沉降计算方法；另一类是根据土的应力应变模型和b l o t 固 结理论，利用有限元法或有限差分法进行沉降计算，随着计算机编程技术水平的 提高，此类数值解法适用于各类工程，日益得到人们的青睐，现阶段在许多大型 的具有复杂地质条件的工程中得到应用。 1 。2 1 1 传统方法 2 第一章绪论 在传统方法中软土地基的沉降变形包括三部分：瞬时固结沉降、次固结沉 降及主固结沉降。 ( 1 ) 瞬时固结沉降 瞬时固结沉降是指在加荷瞬间，土中孔隙水来不及排出，孔隙体积没有变 化，但荷载使土体产生剪切变形。所以它是由于土体的侧向变形而引起的。对处 于弹性变形阶段的地基瞬时沉降可按如下公式计算： s 。f 丝( 卜1 ) 。 e 式中：f 路堤中心沉降系数； ，路堤底面中心的最大垂直荷载； e 由无侧限抗压试验得到的弹性模量平均值( 分层厚度的加权平均) ； 口换算荷载宽度。 ( 2 ) 次固结沉降 次固结沉降被认为是有效应力已经基本不变，但土体体积仍随时间增长而 发生的压缩。许多室内试验和现场量测的结果都表明：发生在主固结完成之后的 次压缩量与时问的关系在半对数纸上接近于直线。所以，在时间t ，时的次压缩沉 降量计算公式如下： 墨= 喜南呐t _ ，1 2 2 ( 1 - 2 ) 式中： ，第i 层土厚度； ： e i 第f 层分层中点，在自重与附加应力共同作用下的孔隙比； c 。次压缩系数； 需要计算次压缩的时间； ，t 相当于主固结达到1 0 0 的时间。 ( 3 ) 主固结沉降 该类方法根据土体的固结压缩原理，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p p 或e l o g p 曲线。再根据压缩曲线进行沉降计 算。该类方法迄今为止己发展了很多种，工程上常用的分层总和法是该类方法的 代表。 分层总和法将地基分为若干层，利用压缩曲线求得每一层的压缩量，然后 将各分层压缩量求和求得地基的总沉降“1 卜“”。计算单一分层压缩量时，假设地 基在荷载作用下处于侧限一维压缩状态。现场的软土在其地质历史上受地层变动 3 河海大学硕士学位论文 的影响，其相应的前期固结压力p c 不一定等于现有上覆压力p 。根据p 。与儿的 大小关系有： 1 当p 。 p 。时，为超固结土，土层的沉降计算公式为： 卸 ( p 。一p o ) 铲喜击l 山舟c 。警 c ，叫 卸( p 。一p o ) d 土l + e o ，h 铡 c ，吲 当土层中同时有p ( p 。一p 。) 分层和印s ( 见一风) 分层并存时，土层沉 降应该按照上述公式分别进行计算，之后叠加。 式中：第f 层土的压缩指数； c 。第f 层土的再压缩指数；其余符号意义同上。 上述分层总和法以弹性理论为基础，假设土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。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变形，侧向变形对固结沉降的影响甚大， 尤其当软土地基中的淤泥质粘土厚度超过基础的平面尺寸时，此种影响更大“”。 仅考虑弹性变形和一维压缩显然不能满足工程的实际需要。为了解决工程实际问 题，考虑侧向变形对固结沉降的影响，很多学者先后提出了相关的沉降计算方法， 如何思明( 2 0 0 3 ) “”法、s k e m p t o n - - b j e r r u m “”( 1 9 5 7 ) 法、黄文熙三维沉降法 ( 1 9 5 7 ) “”、费罗林三维沉降法，魏汝龙( 1 9 7 9 ) “”三维沉降法，龚晓南( 1 9 8 4 ) “”法等。统一归纳为： s 。= ，| l s c 1 - - 6 ) 式中肌为考虑侧向变形的修正系数，& 、墨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。 1 2 1 2 沉降计算的数值方法 第一类方法具有公式简便、直观、参数少且易获得的优点：但其附加应力 4 第一章绪论 和土体固结度仍然按照线性变形理论计算，其引用的假定条件与实际有着很大的 出入，其修正参数的选取因工程不同而异，该类方法受主观因素影响明显，在实 际工程应用中准确性不高。2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机和数值方法的飞速 发展和对土体本构关系认识的不断深入，人们可以将复杂的地基沉降问题编制成 计算机程序。通过计算机的运算，得到较准确的计算结果。地基沉降计算的数值方 法有5 种形式：差分法、有限元法、边界元法、变分法、加权余量法。在此仅简 单介绍常用的差分法、有限元法。 ( 1 ) 有限元法 有限元法是将地基和路堤作为一个整体来分析，将其划分网络，形成离散体 结构，在荷载作用下求得任一时刻地基和路堤各点的位移和应力，其中路堤底面 的竖向位移就是所要求的沉降。依据三轴压缩试验得到土体的基本参数。其优点 为：可以适用于任意的边界条件和加载方式；地基可以作为多维进行考虑；可以 考虑土层的不均匀性；可以考虑土体应力应变关系的非线性特征；可以考虑复杂 的边界条件。其缺点：计算量大，参数确定困难；对工程技术人员要求较高。正 是由于其上述缺点，使得有限元法在工程实际中未能普遍应用，目前主要用于重 点工程、重点地段。 ( 2 ) 有限差分法 有限差分法是用差分网格离散求解域，用差分公式将地基沉降问题的控制 方程( 常微分方程或偏微分方程) 转化为差分方程，然后结合初始条件和边界条件， 求解线性代数方程组，得到所求问题的数值解。实际上，有限差分法是在常规计算 方法的基础上，用差分法将土层的不均匀性、土性参数的非线性变化等因素纳入 到计算程序中，所以它是传统计算方法的改进，而且这种方法比较直观，容易编程， 比有限元法易于使用，但在处理复杂边界条件等问题时没有有限元法方便。 1 2 2 基于实测沉降资料的沉降预测方法 传统采用的基于压缩周结理论的沉降计算方法的特点有二： 1 需要借助由室内试验得到的土工参数。然而由于土样在取土、运输过程 中的扰动，现场和试验两者边界条件的差异，以及地基土分布的不均匀，由室内 试验测定的参数往往与实际值存在较大差异。 2 需要以一定的固结理论为理论基础建立模型。然而由于科学发展水平有 限，日前人们对体固结压缩过程的微观认识仍不充分和完全，目前的固结理论 仍有待进一步的发展和完善。基于目前各种固结理论建立的本构模型有着理论基 河海大学硕士学位论文 础无法克服的缺陷。 上述二个特点使得基于土体压缩同结理论的沉降计算方法在工程实际中的 应用受到了局限。鉴于此，人们试图寻找另外一种新的途径进行沉降分析计算。 当人们发现工程中实测的沉降一时间曲线形状具有一定的规律性时，便据其规律 性进行曲线拟合建立沉降曲线公式，从而使得利用工程前期沉降观测资料预测后 期沉降发展成为了一种现实的可能，由此途径提出的沉降计算方法即为基于沉降 实测资料的沉降计算方法。 基于实测沉降资料的沉降预测，又可以分为两大类： 1 2 2 1 静态预测方法 ( 1 ) 指数曲线模型 该模型是从土层平均固结度为时闻的指数函数出发，依据固结度方程和固结 度定义得出的： 墨2 【l a e x p ( 一历) h * ( 1 7 ) 式中：瓯为最终沉降量；t 为时间；s 为，时刻的沉降量；a 、b 为两个参数。 由于上式存在极限，理论上可肯定当r 越大，墨越接近某一个数( 最大沉降 量瓯) 。实例计算表明，该模型后期确实拟合较好，但对前期沉降拟合不够稳定 【捌 ( 2 ) 双曲线模型 该法认为沉降一时间关系符合双曲线式( 1 - 8 ) ，若沉降过程观测历时长， 在沉降趋于稳定的后段取点计算，可得到较满意的结果“”，若在曲线前段应用便 会出现较大的误差，正是因为此点，冯文凯等又提出了修正的双曲线法侧。 s t = 焘s 一 ( 1 川) 口+ f f1 卅) 式中，口为参数；其它变量含义同上。 另外双曲线式是通过坐标零点的，对于一级加载情形，可把沉降时间关系起 点定在t o1 2 处( 即施工工期的一半) 。“。 该法和上述指数曲线模型类似，需要有较长时间的观测资料，且需剔除反常 的数据，否则造成推算值存在较大偏差。 ( 3 ) l o g i s t i c 模型 宰金珉、梅国雄幽1 在研究地基沉降一时间规律时发现全过程沉降量与时间关 系包含两个方面内容：其一是初始沉降不为零；其二是沉降一时间曲线呈现“s ” 6 第一章绪论 形。加载过程地基沉降的发展可分为4 个阶段：发生阶段、发展阶段、成熟阶段 和到达极限阶段，这与l o g i s t i c 模型所反映的实际事物产生、发展、成熟并达 到一定极限的过程是一致的。 l o g i s t i c 模型，也可称为增长曲线模型或者泊松曲线模型，在时间数列中 其一般形式如下： 二r s t2 百磊最丽( 1 - - 9 ) 式中，a 、b 、k 为待定参数。 对参数口、b 、k 的求解可以采用三段计算法嘲，但是时间观测点要求满足 刀= 3 r 且址= 一t l q ；也可使用程序优化设计自搜索求得。 只要参数选的合理，式( 1 9 ) 可很好地拟合几何中地“s ”、“凸”形甚至 “凹”形曲线，故实用性较广。 ( 4 ) 星野法 星野1 根据现场实测值提出软土的总沉降量( 包括剪切应变的沉降在内) 与时间平方根成正比，故有： 墨= 瓯+ 一、 l 丝+ 丝k 2 ( t ：- 坠t o ) 式中“为假设瞬时沉降时的时问；s o 为假设瞬时沉降量； 可按下述方法求得。 将上式改写成为直线方程形式： ! 二鱼 一l 一l ! ( 只一s o ) 2 彳2 k 2 1 2 ( t - t o ) 由此可图解得到系数4 、x 。 ( 1 1 0 ) 4 、k 为待定参数， 其适合于荷载瞬时施加情况下的沉降曲线，对逐级加载，需要进行修正 ( 5 ) 对数抛物线拟合法 许永明、徐泽中“1 通过对现场观测值的分析，发现路堤建完后的沉降一时间 在对数坐标系中( j l g t ) 可看出大致由两部分组成：第一部分可用抛物线式来 拟合；第二部分也即次固结部分可以由直线拟合。第、二部分发生的量级、时 间取决于土层固结后达到的孔隙比所对应的当量固结应力，只要运营期间的有效 力小于预压末期的固结应力，次固结可以忽略不计，否则，就应该考虑次固结的 影响。实践表明，除了有机质含量高的土体外，沉降量主要集中在第一部分，沉 降曲线表达式可为： 7 河海大学硕士学位论文 s = a ( 1 9 t ) 2 + b l g t + c ( 1 - - 1 2 ) 式中，参数0 、口、c 可用优化法求得。 应用该法仅需掌握短期观测资料，即可求得满足工程精度要求的工后沉降量 以及铺设路面时的沉降速率，而且该法实际推算结果比双曲线还要可靠。 ( 6 ) 三点法( 固结度对数配合法) 三点法的理论基础为曾国熙( 1 9 5 9 ) 啪1 推导的地基一维固结度方程： ( ，= l 一船一卢 ( 1 1 3 ) 式中：口、为地基排水条件、地基土性质等有关的参数。 土力学中定义时间f 时的固结度为： 【，：世( 卜1 4 ) s 蕾_ s d 式中：为瞬时沉降；其它变量含义同上。 结合上述两式，可得： 墨= 8 d c w 一卢+ 瓯( 1 一曲口一卢) ( 1 - - 1 5 ) 从实测沉降一时间曲线的恒载段上选取三点( s ，t 1 ) 、( 5 2 ，t 2 ) 、( 墨，b ) ， 使其满足等时间间距原则即：a t = r 2 - - t i = 屯- t 2 代入上式，将三点分别代入式( 1 - - 1 5 ) ，联立求解得参数、瞬时沉降量s d 、以及最终沉降量& ，其中吼表达 式中含有口这个变量。一般在求配时，口可采用理论值口= 8 7 r 2 。 将所求得的p 、& 、& 代入( 1 1 5 ) 便可以取得任意时刻的沉降。 ( 7 ) a a s o k a 法乜竹 s a o k aa 1 9 7 8 年根据m i k a s a 一维固结方程推导出沉降预测的一阶微分方 程： s + c 塑。d( 卜1 6 ) 廊 式中，s 为沉降量；t 为时间；c 、d 为常系数。将式( 1 一1 6 ) 写成差分格式， 时间步长取单位1 ，得： s i = p o + p i s i ( 1 - - 1 7 ) 在某级荷载下现场实测的栉+ 1 个沉降值墨、s ：、墨、s + ，然后在 以量_ l 、s j 为坐标系中绘出拧个数据点( s _ l ，蜀) ，其中j = 1 ，2 ，n + l 。 可以看出所有 8 第一章绪论 j ， s o s s p i 图1 - - 2 s a o k a 法预测最终沉降示意图 的数据点基本上都在同一条直线上，设该直线的斜率为届，它与s ，轴的交点纵 坐标为风，该直线的延长线与4 5 0 线的交点即为本级荷载下最终沉降量 瓯= p o ( 1 一a ) ( 图1 - - 2 ) 。其中风、届为两个和所选取的时间间隔a t 有关的 系数。上图中的直线关系只有当土体行为完全符合太沙基一维固结理论的假设时 才存在。 该法可作为路堤最终沉降的一种简便的预测方法，其突出优点在于其可利用 较短期的观测资料就能得到较为可靠的最终沉降推算值。其次，还能对是否已进 入次固结阶段进行判断，并进行次固结沉降的推算。但存在一些不足之处1 ：最 终沉降预测值一定程度上依赖于时间间隔出；对主、次固结的划分有时存在一 定的人为误差。 1 2 2 2 动态预测法 动态预测方法区别于静态预测方法的最大特征在于：其原始数据处理系统可 以根据沉降观测数据的变化趋势不断调整，能够及时将实测数据的变化纳入系 统，由此得到的沉降预测值更为合理。 ( 1 ) 灰色理论法 灰色系统法预测的基本思路是：把随时间变化的一随机正的数据列，通过适当 的方式累加，使之变成非负递增的数据列，用适当的方式逼近，以此曲线作为预测 模型，对系统进行预测。张依萍( 1 9 9 9 ) 嘲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 测中的应用奠定的理论基础；目前常用的g m ( 1 ，1 ) 是以等间隔序列为基础的， 而实际工作中所能得到的原始数据往往是非等间隔序列，针对这种情况，韩女才 ( 2 0 0 0 ) 恤1 利用灰色理论对地基沉降进行不等距预测，并建立了相应的预测伽 9 河海大学硕士学位论文 ( 1 ，1 ) 模型；曾超等侧把灰色模型的路堤沉降预测结果和双曲线法预测值及实 测值进行了对比，证明了灰色模型沉降量预测值和实际沉降量值更接近。 ( 2 ) 人工神经网络法 地基沉降受多种因素的影响和制约，其变化的自然规律很难用一个显式的数 学公式予以表示。而人工神经网络是这一领域的一个突破，该方法视传统函数的 自变量和因变量为输入和输出，将传统的函数关系转化为高维的非线性映射，而 不是显式的数学表达式。该方法在处理非线性问题上，具有独特的优越性。在针 对软土地基沉降预测时，就是利用实测资料对复杂的非线性的土工结构进行直接 建模。具体做法是：先应用a n n 建立沉降影响因素参数( 如处理方式、软土层厚 度、地基硬壳层厚度、软土的压缩模量、硬壳层的压缩模量、路堤宽高比、施工 期和竣工时沉降量) 与沉降之间的非线性关系，再将待测点的实测沉降影响因素 参数输入到已训练好的网络中，即可得到预测的沉降量。 ( 3 ) 遗传算法 软土地基沉降非线性模型的参数识别实质上是一个优化问题，而建立在种群 遗传和自然选择的基础上，模拟了自然界“物竞天择，适者生存”的遗传算法是 处理复杂优化问题的理想方法。 遗传算法是一种具有高度并行、随机、自适应搜索的新计算方法。它同常规 的优化方法相比( 如梯度下降法) 相比，遗传算法不直接和模型参数打交道，而是 处理代表参数的编码；遗传算法在整个操作过程中，同时控制着一个解群，而不 是局限于一个点，这就大大提高了搜索效率，并避免陷入局部极值；求解时，不 计算目标函数的微分，故对目标函数和约束条件没有苛刻要求，这在处理高度非 线性问题方面与传统方法比较，具有明显的优势。 上述所提及的方法有各自的优、缺点和预测精度，在实际路堤沉降预测中， 并不能单纯依赖于某一种模型，只有对它们深入了解后才能灵活应用。其次，要 想得到较好的预测结果，必须要进行准确地、认真地沉降观测，且路堤一开始填 筑时，就要着手观测，同时要尽可能延长观测时间。在处理数据时，还应选择有 实际意义的数据，剔除那些明显不合理地数据。 1 3 存在的主要问题 通过上述分析可以看出，现有的软土路堤沉降计算方法还存在以下问题： 1 由于土体自身材料的复杂性与现阶段人类认识水平的局限性，使得对土 l o 第一章绪论 体的应力应变关系( 本构关系) 还没有得到全面的、统一性的认识；且土体模型 参数多不易确定，使得有限元不能在工程中广泛的应用； 2 现有的经典计算理论存在着一定的缺陷，使得计算值和实测值不完全吻 合，主要有基低附加压力随路堤沉降变化的问题，土体历史应力的影响，侧向变 形的影响，加载方式与加荷速率的影响，剪应力的影响“，软土次固结的影响； 3 目前软基沉降预测方法很多，各有其优缺点和使用条件，选择预测精度 高的作为预测模型时，需要对每种预测方法计算，这样工作量大，效率低，不便 于实际工程应用； 4 现有的预测沉降的经验公式模型，大多只能适用于一级荷载下沉降预测， 因为此时沉降一时间曲线呈渐变、光滑地发展，无明显地“台阶现象”出现，对 于多级荷载下地路堤沉降未必符合； 5 现有的预测沉降的经验公式模型，都只适用于单向加载过程的沉降预测， 对卸荷与再加荷过程不能合理的预测。 6 现有的曲线拟合预测模型，都不能清楚给出不同时刻的软土的次固结； 1 4 本文主要工作 沉降预测是验证软基上所建的路基或建筑物能否在使用期内保持安全和正 常使用的重要手段。本文在传统的无流变项沉降预测程序的基础上，针对此沉降 预测程序的不足，主要做以下一些工作： i 分析传统的无流变项沉降预测程序的原理及其计算与反演过程； 2 从对加载作用时地基的有效应力变化过程分析入手，引申到对加载卸载 作用时地基的有效应力变化过程，分析土体如何出现回弹： 3 在绝对时间坐标系下，引用次固结计算公式，并对公式进行简化处理； 4 综合考虑高速公路加载卸载作用以及土体流变，建立多级加载条件下的 沉降预测模型，使用f o r t r a n 语言，采用优化反演方法编制计算程序，结合具体 的工程实例对预测方法进行验证，以验证预测方法的合理性和可靠性： 5 运用p l a x i s 商业有限元程序，对地基土层采用不同的本构模型模拟计 算，以验证编译程序的合理性与可靠性。 河海大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章沉降预测模型建立 大家知道，利用经验公式的沉降反分析方法能综合考虑诸多影响因素( 如 土的非线性、土层的复杂分布、加载速率等) ，预测出的沉降值比用分层总和法 与一维固结理论相结合法准确，甚至还要比以室内试验确定的参数为依据的有限 元等数值方法得到的结果更加接近实际1 。传统的无流变项程序以指数曲线为经 验公式的沉降预测程序，此程序的可用下式简单表示 墨= 1 - a e x p ( - b t k ) c 纰 ( 2 一1 ) k - i 式中s f 时刻预测沉降量； m 路堤加载级数； “预测时刻t 与第七级荷载加荷开始时间的差值； r 第| 级荷载增量； a 、b 、c 反演参数( a 、b 是反应土体固结性质的，设其与荷载的施 加无关，视为常数；c 是第七级荷载增量引起的最终沉降量 与此级荷载增量的比值，以下简称荷载比例系数) 传统的无流变项预测程序通过实测沉降量反演出参数彳、b 、c ，再以反 演出的参数预测将来的沉降量。虽然传统的无流变项预测程序预测出的沉降结果 中也包含有软土的次固结部分，但其比较笼统，无法给出不同时刻的软土次压缩 量及其蠕变过程；另外没有考虑卸荷与再加荷过程土体沉降的发展。本章主要对 高速公路软土路基的土体蠕变和卸荷与再加荷的考虑，建立考虑软土流交的加载 卸荷沉降预测模型。 2 2 传统的无流变项程序 2 2 1 平均固结度计算 2 2 1 1 太沙基固结理论 早在1 9 2 5 年，太沙基就建立了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，这一方程迄今仍被广泛应用。 第二章多级加载沉降预测模型建立 ( 1 ) 基本假设 1 土是均质的、完全饱和的理想弹性材料； 2 土体变形是微小的； 3 土颗粒和孔隙水均不可压缩； 4 孔隙水渗流服从达西定律，渗透系数为常数； 5 荷载一次瞬时施加并维持不变，土体承受的总应力不随时间变化； 6 土体中只发生竖向压缩变形和竖向孔隙水渗流。 ( 2 ) 太沙基固结微分方程在一定边界条件下的解 文献 5 中详细给出太沙基固结微分方程的推导过程，其微分方程 百o u = 。c ，萨a 2 u ( 2 2 ) 式中甜司隙水压力5 c 固结系数，c ，= k y , , m ，= ( 1 + e ) k l y ，4 ，； k 渗流系数； 研。体积压缩系数； 凡水容重； e 孔隙比； 口。压缩系数。 图2 一l 单向固结问题 图2 - - i 所示的单向固结问题的初始条件和边界条件分别为 甜l 矿即“l 一o ，剖础- 。( 2 - - 3 ) 河海大学硕士学位论文 式中，初始孔隙水应力；h 为压缩层厚度。 若压缩层内i t 。为均匀分布，得式( 2 2 ) 的解析解 心力铂耋争等e w ( 2 - - 4 ， 式中m ：( 2 m _ - l 一) 7 r ； 瓦时间因素，瓦= c ，t h 2 。 整个压缩层t 时刻平均固结度u 为 - l 一萎素 ( 2 - 5 o i 一 2 2 1 2 逐级加载平均固结度修正 上述平均固结度的计算是假设荷载一次瞬时旌加的，而实际工程中，荷载 总是分级逐渐施加的，因此，根据上述理论方法求得的固结时间关系或沉降时间 关系都必须加以修正。 日本高木俊介( 1 9 5 5 ) 提出，对于任意变速加荷情况，如图2 - 2 ，设q ，为 任意时刻f 时的加荷速率，g f 打即为时间间隔d f 内的荷载增量咖，t 时刻的固 结度为t 时以前各荷载增量勿对t 时固结度之和除以r 时的荷载p ( p 就是t 时刻 以前各荷载增量之和) ，即 秣 稼 fr + d r t 时闻 图2 - 2 荷载一时问曲线 当0 3 0 ) 捧水同结 穿透受压土层) e = 去一事 88 口一土的径向排水圃结系数 口 茁2 1 露2 ( c m z s ) c r 土的竖向排水固结系数 ( c n l 2 s ) 日一土层竖向排水距离 z 2 c ， 8 c s 8 c 口2 c ， ( c m ) 9 f 。d ?e d 。2 4 h 2 u ：双面捧水土层或固结 4 h 2 应力均不分布的单面 排水土层平均固结度 表中 c ，竖向固结系数，c ，= 生业； a 凡 翌堂! 塑主堂竺笙塞 径向固结系数( 或称水平向圃结系数) ，：生型； a y ， 以每个砂井有效影响范围的直径： 屯- 砂井直径。 2 2 1 3 平均固结度表达式 ( 1 ) 天然地基 当线性加载时，平均固结度按下式计算 u ；芦巧a x ”一勺 。2 ，a i 卜爱x r 、1 一p 也7 ) e 也“哪 i f t ) 当瞬时加载时，平均固结度按下式计算 u=i-以e屯(211) 式中：_ j l 为软土层的厚度；以、以为待估参数，设也：也2 ；f 为计算时间；丁为 加载历时；u 为平均固结度。 ( 2 ) 砂井地基 u ；卜矗m 却， l l 一耵1 ( 1 - - e - b , t ) 一| - r ) q = 1 。丢- 1 - - j - - h ( 1 - 托e - - ) 炒q 1 6 ( ，s d o 乃 ( ，乃 ( ， d ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第二章多级加载沉降预测模型建立 以= 当瞬时加载时， 三一旦( 1 一p 也) tb ，t 、 7 l 一南( 1 一e 掣如啪刁 u = q u l + ( 1 一q ) u 2 平均固结度按下式计算 u i = 1 一e - b 。 u 2 = 1 一口。e - b , 。 u = q u i4 - ( 1 一日) u 2 ( ，s d ( 2 1 6 ) ( ， r ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 式中：k 为砂井地基待估参数，k = k 2 ；a x 、6 j 为天然地基待估参数； | 1 1 为砂井打设深度；其余符号意义同上。 2 2 2 荷载比例系数c 在沉降预测过程中，设最后实测点的时间为t c z h ，沉降量为s c z h ，第i 级 荷载的初始加载时间为t k s ( i ) ，终止加载时间为t j s ( i ) ，此级荷载到时间t c z h 天时的沉降量为 s i = u ，出科 ( 2 2 1 ) 式中墨、巧第i 级荷载在t c z h 天时的沉降量和平均固结度； 以第i 级荷载增量。 签 u 镉 棹 o g 一 捌 避 媛 故荷载比例系数 图2 3荷载比例系数c 的求解 ( 2 2 2 ) 盖： =c 河海大学硕士学位论文 2 3 流交 流变( t h e o l o g y ) - - 词源于古希腊哲学家h e r a c l i t u s 所说“刀鲫蜊”，意即“万 物皆流”。啪1 土体流变现象是指土体应力、应变及强度与时间相关的现象。沿海 软土存在着显著的次固结( 也叫次压缩) 特性，就是说在孔压消散，主固结完成 后，仍然会有随时间发展的长期压缩，其量值不可忽略。m 1 在次压缩计算方面，c r a w f o r d 的不同历时压缩试验图啪1 ，b j e r r u m 等时 p l g p 曲线，殷建华等的一维流变模型等都是值得肯定的。 大量的研究资料表明，次压缩与时间的对数成线性关系，已为国内外公认。 对于厚度为日的软土层，次固结沉降量s 的常见计算公式为 1 4 ， 足= # l c ol g ( 2 - - 2 3 ) l 十f o l i 式中土体的初始孔隙比； e 软土的次固结系数： f 1 相当于主固结1 0 0 的时间； t ，需要计算次压缩的时间。 该式在国内外许多大学教材中均作了介绍，包括土工原理与计算一书；此 外，公路软基规范也规定了它在工程中的应用。由上式( 2 2 3 ) ，发现次压缩 与荷载无联系，土体次压缩与所受的时间有关。但是现实状态下，填土5 m 与填 土5 m m 所对应的次压缩相等吗? 没有荷载，没有主