（道路与铁道工程专业论文）路基沉降观测数据处理及预测模型研究.pdf

摘要 沉降时间序列的预测方法很多，主要分为两大类，一类为土力学理论方法， 一类为根据实测资料推算沉降量与时间关系的经验预测方法。由于影响路基沉降 的因素很多，而各个因素对沉降的影响均表现在沉降数据上，因此第二类方法得 到了广泛的应用。尤其是灰色系统理论方法是通过数据本身挖掘系统内部的规律， 得到的预测值更为合理。本文就灰色系统理论在预测中存在的问题进行了讨论。 目前灰色系统理论在建立g r e ym o d e l ( 1 ，1 ) 模型时通常采用假定拟合曲线通 过建模数据第一点来确定积分常数，从而得到预测公式的方法。但是随着时间的 推移，建模数据第一点所包含的信息量已经不足。本研究将确定积分常数的方法 分为三种方案：通过建模数据序列第一点：通过建模数据序列最后一点：通 过建模数据序列拟合误差最小点。并分别对邵怀高速公路路基沉降观测的2 4 组数 据进行了6 步预测，经过对预测结果的对比分析，提出了根据建模数据曲线类型 选择方案的方法。在预测中对组数据进行了光滑性检验，对于不满足光滑性条件 的3 组数据采用累计沉降来建立g r e ym o d e l ( 1 ，1 ) 灰色系统预测模型，预测效果显 著提高。 在沉降观测数据处理方面，目前沉降观测数据资料整理的方法多数是通过人 工采集观测数据，再使用e x c e l 等软件建立相关的表格来管理大量的数据，并人 工对数据进行统计和分析，同时基于二维情况下，绘制各观测点的实时沉降曲线， 来反映其实际沉降过程。这种研究方法存在以下缺点：工作繁琐：工作量大： 不利于沉降数据的查询和统计：不利于反映路基的整体变形及沉降的空间分布 状况。本文针对邵怀高速公路路堤沉降观测数据建立a c c e s s 数据库，利用v b 对 象嵌入技术，将m a p i n f o 作为一个对象使用，并将其嵌入到应用程序中，实现图 形查询界面与沉降数据管理系统相结合，建立一个基于路基沉降的信息全面准确、 界面友好、操作简单的路基沉降数据管理系统，使道路规划、管理部门能够及时、 准确地掌握管辖范围内所有线路地基沉降的信息，使日常管理、决策更加科学。 关键词：沉降：灰色系统：6 m ( 1 ，1 ) 模型：路基：m a p ln f o a bs t r a c t t h es e t t l i n gt i m es e q u e n c ef o r e c a s tm e t h o da r ev e r ym a n y , m a i n l yd i v i d e si n t o t w ob i gk i n d s ，o n ei st h es o i lm e c h a n i c st h e o r ym e t h o d ，a n o t h e ri sf o rt h eb a s i sa c t u a l m a t e r i a lc a l c u l a t i o ns u b s i d e n c eq u a n t i t ya n dt i m er e l a t i o n sf o r e c a s tm e t h o d a r ev e r y m a n ya sar e s u l to ft h ei n f l u e n c es u b s i d e n c ef a c t o r , b u te a c hf a c t o rt h ei n f l u e n c e d i s p l a y st ot h es u b s i d e n c ei nt h es u b s i d e n c ed a t a ，t h e r e f o r et h es e c o n dk i n do fm e t h o d o b t a i n e dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n t h eg r e ys y s t e m st h e o r ym e t h o di si np a r t i c u l a r e x c a v a t e st h es y s t e mi n t e r i o r t h r o u g hd a t a i t s e l ft h er u l e ，o b t a i n st h ef o r e c a s t n i g h t w a t c hf o ri sr e a s o n a b l e t h i sa r t i c l et h eq u e s t i o nw h i c he x i s t e di nt h ef o r e c a s t h a sc a r r i e do nt h ed i s c u s s i o no nt h eg r e ys y s t e m s t h e o r ym e t h o d w h e ng r e ys y s t e m a t i ct h e o r ya tp r e s e n ts e tu pg m ( 1 ，1 ) ，i ta s s u m e st h a tf i tc u r v e p a s s e st h ef i r s tp o i n to fm o d e l i n gd a t at oc o n f i r mt h ei n t e g r a lc o n s t a n t ，t h u so b t a i n e d t of o r e c a s tf o r m u l a b u ta st i m eg o e so n , t h ea m o u n to fi n f o r m a t i o ni n c l u d e do ft h e f i r s tp o i n to fm o d e l i n gd a t ah a sb e e na l r e a d yi n s u f f i c i e n t t h i st e x tw i l lc o n f i r mt h e c o n s t a n tm e t h o do fi n t e g r a ld i v i d e si n t ot h r e ek i n d so fs c h e m e s ：( 至) p a s st h ef i r s tp o i n t o fm o d e l i n gd a t a ；( 多p a s st h el a s tp o i n to fm o d e l i n gd a t a ；p a s st h ep o i n to fm o d e l i n g d a t ao fs m a l l e s tw i t ht h ee r r o r t h i st e x tf o r e c a s t6 s t e p st o2 4g r o u pd a t aa n dc o m p a r e o ft h er e s u l t ，h a v ep u tf o r w a r di ta c c o r d i n gt ot h em e t h o do fc h o o s i n gt h es c h e m eo f c u r v et y p eo ft h em o d e l i n gd a t a h a sc a r r i e do ns m o o t h n e s se x a m i n a t i o ni nt h e f o r e c a s tt o2 4g r o u p so fd a t a ，r e g a r d i n gd o e sn o ts a t i s f ys m o o t h n e s sc o n d i t i o n3g r o u p s o fd a t at ou s et h ea c c u m u l a t i o nt os u b s i d ee s t a b l i s h e st h eg r a ys y s t e mf o r e c a s tm o d e l ， t h ef o r e c a s te f f e c tr e m a r k a b l ee n h a n c e m e n t a tp r e s e n t ，o na s p e c to fw h i c ht h es e t t l e m e n to b s e r v a t i o nd a t at r e a t m e n t ，t h e m e t h o do fw h i c ha r r a n g e m e n tt h es e t t l e m e n to b s e r v a t i o nd a t ai s p a s s i n ga r t i f i c i a l c o l l e c t i o n t h e nu s i n ge x c e li n s t a l l a t i o ns o f t w a r ee s t a b l i s h m e n tt h er e l a t e dt a b l ew h i c h t om a n a g e m e n tt h ep l e n t yo fd a t a a n du s i n gt h ea r t i f i c i a lm e t h o dt os t a t i s t i c a la n d a n a l y s i st h ed a t a a tt h es a m et i m e ，b a s e do nt h et w od i m e n s i o ns i t u a t i o n 。d r a w i n ge a c h o b s e r v a t i o nd o t sr e a l t i m es e t t l e m e n tc u r v e s ，w h i c ht or e f l e c t p r a c t i c a lp r o c e s s t h i s r e s e a r c hm e t h o de x i s t i n gs o m ed i s a d v a n t a g e s ： o o p e r a t i o nt e d i o u s ； ) h e a v yw o r k l o a d ；n o tb e n e f i c i a ls e t t l e m e n td a t aq u e r v a n ds t a t i s t i c a l ；廷) n o tb e n e f i c i a lr e f l e c tt h ew h o l es u b g r a d ed i s t o r t i o na n ds e t t l e m e n t s p a t i a ld i s t r i b u t i o ns t a t u s n t h i sr e s e a r c hf o c u s i n go ns h a oy a n gt oh u a ih u a h i g h w a ys e t t l e m e n to b s e r v a t i o n d a t a ，e s t a b l i s ht h ea c c e s sd a t a b a s e u s i n gv be m b e d d e dt e c h n o l o g y ，r e g a r dm a p l n f oa sa o b j e c tt ou s c ，a n dr e g a r d i te m b e d d e di n t o a p p l i c a t i o n ，r e a l i z eg r a p h i cq u e r y i n t e r f a c ea n d s e t t l e m e n td a t a m a n a g e m e n ts y s t e mc o m b i n a t i o n ，s e tu ps u b g r a d e s e t t l e m e n td a t am a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hb a s e do nt h em e s s a g ec o m p r e h e n s i v e a c c u r a t e ，i n t e r f a c e f r i e n d l y ，s i m p l i f i e do p e r a t i o n c o n v e n i e n c e r o a d p l a n n i n g ， m a n a g e m e n td e p a r t m e n tt i m e l ya n da c c u r a t e l ym a s t e rj u r i s d i c t i o no w n i n gs u b g r a d e s e t t l e m e n tm e s s a g e ，m a d ed a i l ym a n a g e m e n ta n dd e c i s i o nb e c o m em o r es c i e n t i f i c k e yw o r d s ：s e t t l i n g ；g r a ys y s t e m ；g m ( 1 ，1 ) m o d e l ；s u b g r a d e ；m a p l n f o l l l 长沙理工大学 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：狱鳌罄 日期：二g 年，月玷日 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。 本人授权长沙理工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 1 、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：拟叠哗 日期：时年r 月试日 导师签名彬； 日期：矽脾厂月影日 第一章绪论 1 1 引言 众所周知，在工程的设计、施工、工后沉降控制过程中，沉降分析是不可忽 视的问题，工程技术人员都给予极大的重视。无论是公路工程，建筑工程，还是 水利工程，地基沉降分析常被人们视作工程成败的关键。如果对地基变形估计不 足小则影响工程的使用，大则引发严重工程事故造成巨大的经济损失。 对于路基沉降问题，各国学者很早就从理论和实践两方面进行了大量广泛深 入的研究，己提出多种沉降预测方法，可谓成果显著。 目前，计算沉降量与时间关系的方法有两大类。第一类为土力学理论方法， 包括传统方法和数值方法。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，计算分层沉降时考虑初始沉降和固结沉降。计算速率时，则 采用t e r z a g h i 的一维固结理论。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。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，它包括确定性预测方法和不确定性预测方法。 确定性预测方法如指数曲线法、对数曲线法、双曲线法、星野法、a s a o k a 法。不 确定性分析方法是随着上世纪9 0 年代以来系统理论及计算科学的发展而发展起来 的方法，已经得到了广泛的应用，如灰色预测法以及人工神经网络方法等等。由 于土的工程特性十分复杂，人们目前对土体固结压缩规律的理论研究尚不充分， 同时确定性沉降预测方法自身有许多与实际存在较大不符的假设性条件，因此导 致沉降预测结果与实测值之间往往存在较大差异。不确定性预测方法区别于确定 性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，寻找系统内在的规律性，由 此得到的沉降预测值也更为合理。沉降预测结果的不理想直接影响到工程建设事 业水平的发展，给社会造成了一定的经济损失。众所周知，安全和经济是工程最 关心的两个问题。进行地基处理如桩基、堆载预压、深层地基加固等，无疑是可 以解决工程安全问题。但还要进行精确的沉降预测，从而使工程施工在安全前提 下更为经济。因此利用不确定性预测方法，对地基沉降预测做进一步的研究应是 一件很有意义的工作心3 1 。 1 2 国内外沉降计算方法综述 1 2 1 土力学理论方法 1 分层总和法 工程上常用的分层总和法是将地基分为若干层，利用压缩曲线求每一层的压 缩量，然后将各分层的压缩量叠加起来，则为地基的总沉降量。传统采用的压缩 曲线法，将压缩试验中应力应变的关系转换为应力与孔隙比的关系，得出e p 或 e - l g p 曲线，在计算时又将其化为应力与应变的关系。 按e - p 曲线计算h 1 ： + “骞铮 ( 1 _ l 式中：q 。一第i 分层土的自重应力所对应的孔隙比： 一第i 分层土的自重应力和附加应力之和所对应的孔隙比： 日；一第i 分层的厚度。 按照e l g p 曲线计算沉降时，由于前期固结压力以不一定等于现有固结压力 ，根据成和风的大小关系将土分为正常固结土、超固结土和欠固结土来计算吲： ( 1 ) 正常固结土的沉降计算： 乳砉謦崦( 警) 2 ， 式中：一第i 分层的初始孑l 隙比： p 。；一第i 分层的平均自重应力： 既一第i 分层的平均固结应力： m 一第i 分层的厚度： c d 一第i 分层的现场压缩指数。 ( 2 ) 超固结土的沉降计算： 当分层的平均固结应力卸大于( 见一风) 时 s 2 砉击h 甘叫警”3 ， 式中：c d 一第i 分层的现场回弹指数： 办一第i 分层的前期固结应力： 其余符号意义同上。 当分层的平均固结应力卸小于( p c 一既) 时 踮h i 。 c c t 崦( 学) 4 ， 式中：符号意义同上。 当超固结土中，同时存在上述两种情况时，应按上两式分别计算各分层的压 缩量，最后再求和。 ( 3 ) 欠固结土的沉降计算： 2 s 。砉旦l + e o i 卜l o g ( 警) 一5 ， 式中：符号意义同上。 由于分层总和法简单实用，公式中各层的常规物理力学参数容易在试验中获 得，试验费用也低，因此应用广泛。但由于没有考虑地基的侧向变形，以及土在 钻探、取样、试验等过程中容易发生结构、密度、应力和含水量的变化，导致沉 降计算结果有较大的偏差。 s k e m p t o n 和b j e r u m 1 ( 1 9 5 7 ) 在考虑侧向变形影响下改进了沉降计算公式： 爰一c ， ( 卜6 ) 式中：c 。一a , a 0 - a ) ：a 一孔压系数： a 一系数，与q 和吒有关，鼠为无侧向变形时的沉降量。黄文熙1 ( 1 9 5 7 ) 提出了三向应力状态下的沉降计算公式： “砉k 餮羁 ( 1 7 ) 舯：k i 一去卜t ) 参一卟 p ；一( 仃矗+ + 口矗) 3 一第i 层土的平均应力： 胁一第i 层土的泊松比。 上述这些公式中的土中应力都需根据线弹性理论进行计算。除了弹性理论公 式外，其余所有公式的共同特点是对地基土分层计算其变形，然后求和：而主要区 别就在于计算土中一点的竖向变形时所采用的应力应变关系不同。 2 应力路径法 l a m b e 阳1 ( 1 9 6 7 ) 提出用应力路径法来计算沉降。应力路径法的基本概念是用应 力轨迹表示工地现场在施工前、施工期间以及完工后地基内部的应力变化情况。 土体中任一单元体的应变、孔隙压力和强度都与应力路径有关，所以应力路径法 能够从土体内部应力变化来推测土的变形和强度。但与前面讨论的各种沉降计算 方法一样，应力路径法仍然无法避免用弹性理论来计算土体中的应力增量。 3 有限单元法 1 9 6 6 年，c l o u g h 和w o o d w a r d 首先将总应力分析有限元法用于土坝的应力和 应变分析，1 9 6 9 年s a n d h u 和w i l s o n 阳1 用有限元法分析了b i o t 二维固结问题。在 国内，沈珠江n 们( 1 9 7 7 年) 首先将有效应力分析有限元法应用于软土地基的固结变 形分析。 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 3 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m 2 1 。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，在实际工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1 。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 基于固结理论的沉降计算方法主要有以下两个特点：( 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，目前人们对土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 着理论基础上无法克服的缺陷。 1 2 2 基于实测数据的沉降预测方法 1 双曲线法他1 从实测沉降一时间曲线的拐点开始采用双曲线拟合，利用以下公式可以进行最 终沉降值的推算： ：s = 品+ 志( 1 - 8 ) 、 vn 式中：s 一推算的沉降值： 瓯一对应拐点处的沉降值： t 一自拐点处起开始计算的时间： a ，b 一曲线拟合系数。 2 指数曲线法 指数曲线法是假定沉降平均速度以指数曲线形式减少的经验推导法。认为指 数曲线l g ( a s a t ) - t 约呈折线型的三段直线，其经验公式为： 生鱼 ( 墨- s 。) 一( s 。- s 。) e 叩 ( 卜o a ) 在i g ( a s a t ) 一f 值线上选取两点【t i ( a s m ) 。】和【t 2 ( a s a f ) ：】使其满足 l g ( a s a t ) 2 - l g ( a s a t ) 。一1 ，代入上式即可得：r = o 4 3 4 ( t 2 - t , ) ，由此可求得最终沉 降量s 。为： 蜘啪圈 ( 1 - 9 b ) 4 式中：瓯一对应沉降曲线拐点处的沉降值： s 。一推算的最终沉降值：。 ( 笛缸) 一对应沉降曲线拐点处的沉降速率。 3 星野法 星野法其沉降计算公式为：- ， s * - & + s , - s o + 1 彳枷k 20 一_ l , o ) ? ( 1 1 。) 式中：& 一总沉降值。t 瓯一假定的瞬时沉降： s 一随时间变化的沉降量： f 0 一假定瞬时沉降时的时间： a 、k 一待定参数。 上式可转换为如下直线方程的形式： 意s * s 二去+ 丢( ) ( 1 - ( 。一o ) 2 a 2 k 2 a 2 r 7一7 其中，去直线的截距，素直线的斜率。 4 a s a o k a 法 a s a o k a ( 1 9 7 8 ) 认为由m i k a s a ( 1 9 6 3 ) 导出的一维固结方程e 堡拿。堡可以 o z 甜 用一个级数形式的微分方程来表示： s + 口。石d s + 口：万d 2 s + + 口。万d n $ - 6 ( 1 1 2 ) 式中：s 一固结沉降量； a l , a ：， 口。，6 一与土的固结系数和边界条件有关的系数。、 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 = 磊+ 屈s 以 ( 1 1 3 ) 5 三点法 三点法推导的理论基础为曾国熙( 1 9 5 9 ) 推导的地基一维固结度方程： uz1 - a e 一 ( 卜1 4 ) 式中：口，卢一与地基排水条件、地基土性质等有关的参数。一 土力学中定义时间时的固结度为： 5 u 。立三尘( 卜1 5 ) 5 。一5 d 式中：s 一瞬时沉降： s t 时刻沉降： & 一最终沉降。 结合上述两式，可得： 墨一& 口p 一加+ s 。( 1 - - a e 一加) ( 1 一1 6 ) 采用三点法推算最终沉降量一般要求观测资料持续时间较长，在计算时尽可 能取较长的时间段，并应根据实际情况，多取几个不同的时闽段来分别计算，最 后取其平均值作为推算的最终沉降值。 6 灰色系统理论方法 灰色预测是一个动态预测，它可以根据新增加的实测数据而相应地变动模型， 而计算程序不需要变化。对一般工程而言，提供给我们的实测数据并不很多，而 且具有很大的随机性，因此，基于灰色系统理论的灰色模型很适合于处理这种观 测数据较少，而要求预测精度较高的情况。 1 3 灰色系统理论方法目前的研究进展 灰色系统理论在沉降预测领域的研究进展：张仪萍( 1 9 9 9 ) 阐述了灰色理论在 沉降预测中的应用，并于2 0 0 2 年在文献n 5 1 中指出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提供了坚实的理论基础。吕海 涛( 2 0 0 0 ) n 6 1 探讨了应用灰色模型在数据统计方面应注意的一些问题。陆少伟 ( 1 9 9 8 ) n7 1 、韩汝才( 2 0 0 0 ) n 町利用灰色理论对地基进行不等时距预测，建立了不等 时距的地基沉降预测g m ( 1 ，1 ) 模型，后者利用模型对某1 2 层住宅地基沉降进行了 预测，预测结果精度高于常用的双曲线法推算结果郭红梅( 2 0 0 1 ) n 钉探讨了灰色 模型对复合地基的沉降预测。曾超等( 2 0 0 2 ) 也0 1 讨论了灰色系统理论在软土路基沉 降量预测中的应用，以京珠高速公路灵山实验段沉降观测数据为例，建立了沉降 量灰色预测模型，并与三点法、双曲线法的预测结果以及实测结果进行了对比， 结果表明，灰色预测模型的预测沉降量与实际沉降量更接近。汪祖民( 2 0 0 3 ) 心利 用等维新息模型对某高速公路预压后观测到的数据进行了预测，预测效果良好， 并提出利用灰色系统理论对工后沉降进行预测时，最好采用恒载后的数据进行预 测，可以克服因施工阶段变化的各种因素对沉降量的影响。蒋泽中( 2 0 0 3 ) 心2 1 对某 高层商住楼地基利用g m ( 1 ，1 ) 模型进行了预测，取得了良好的预测效果，并且说明 随着时间序列的增长，模型预测精度会逐步降低。 6 1 4 本文所进行的工作 ( 1 ) 针对过去在应用g m ( 1 ，1 ) 模型进行预测时，假定拟合曲线通过第一点来确 定积分常数的方法，本文以邵怀高速公路实测数据为例，将确定积分常数的方法 分为三种方案： 令拟合曲线通过第一点来确定积分常数： 令拟合曲线分别通过各个点，求出它们各自的误差，选取误差最小的点来 确定积分常数： 令拟合曲线通过最后一点来确定积分常数。然后分别对各组数据进行了预 测，将预测结果进行对比分析，提出了方案的选取依据。 ( 2 ) 对沉降观测数据进行了光滑性检验，对于不满足光滑性条件的几组数据 采用累计沉降建立了灰色模型。 ( 3 ) 针对邵怀高速公路沉降观测数据建立a c c e s s 数据库，利用v b 对象嵌入 技术，将m a p i n f o 作为一个对象使用，并将其嵌入到应用程序中，实现图形查询 界面与沉降数据管理系统相结合，建立一套基于路基沉降的信息全面准确、界面 友好、操作简单的路基沉降数据管理系统，使道路规划、管理部门能够及时，准 确地掌握管辖范围内所有线路地基沉降的信息，使日常管理、决策更加科学。 7 第二章路基沉降与稳定观测方案 2 1 路基沉降与稳定观测的依据 1 交通部公路软土地基路堤设计与施工技术规范( j t j 0 1 7 - 9 6 ) ： 2 国家技术监督局和建设部：工程测量规范( g b 5 0 0 2 6 2 0 0 7 ) ： 3 河海大学和沪宁高速公路股份有限公司主编的交通土建软土地基工程手 册2 0 0 1 4 ： 4 邵怀高速公路的施工设计图及有关技术文件。 2 2 沉降观测点的布设 2 2 1 布置原则 。 沉降观测点布设在变形体上能反映变形特征的位置，并设在观测数据容易反 馈的部位。在地质条件差、地形变化大、设计问题多的部位多设置观测点。从整 体到局部，先设计后施工，即先纵观施工的整个路段，能够从总体上控制高速公 路的沉降特性，后根据局部特征调节、加密：先在图纸上规划设计，然后进行实地 踏勘、对照、修改、确定和埋设。 1 典型断面观测点布置 ( 1 ) 高填方路堤( 如图2 1 ) 图2 1高填方路堤断面图 观测内容：路基分层沉降、路基竖直沉降、地表沉降( 全断面沉降管) 、土压力、 坡脚处地表水平位移和隆起： 观测目的：了解填土在不同压实度、不同填方高度、不同气候条件下变化等情 况下的路堤分层沉降、总沉降和地表水平位移和隆起的变化规律，以及不同高度 情况下的土压力分布状况。7 8 ( 2 ) 软土路基( 如图2 2 ) 图2 2 软土路基断面图 观测内容：路基及地下士体分层沉降、路基竖直沉降、地表沉降( 全断面沉降 管) 、坡脚处地表水平位移和隆起： 观测目的：了解填土在不同压实度、不同填方高度、不同气候条件下变化等情 况下对软基的固结、路堤分层沉降、总沉降、路堤边缘地表的水平、垂直位移的 变化规律。 ( 3 ) 陡坡路堤( 如图2 3 ) 图2 3陡坡路堤断面图 观测内容：总竖直沉降( 根据需要采用单点沉降计) 、边坡坡顶、平台、坡脚处 水平和垂直位移： 观测目的：了解在不同坡比的陡坡上，不同填方高度的路堤总沉降、边坡坡顶、 平台、坡脚处水平和垂直位移的变化规律。 2 一般断面沉降观测 ( 1 ) 地表沉降量 9 采用地表型沉降计( 沉降板) ，用于沉降管理。观测目的是根据观测数据调整 填土速率：预测沉降趋势，确定预压卸载时间和结构物及路面施工时间：提供施工 期间沉降土方量的计算依据。根据现场实际需要，分别在不良地基( 软基、岩溶、 采空区) 地段和高路堤。在地质情况相似地段上，参考地形因素进行埋设：地形因 素也相似的情况下，以适当距离布设，这主要到现场踏勘进行。 ( 2 ) 总沉降量 采用地表型沉降计( 沉降板) ，用于沉降管理。其观测目的同地表沉降量。对 于地基条件较好的路段，路堤填筑后自身压缩量受压实标准和施工质量控制，这 种路段沉降观测从路床底面开始埋板。在全线填方高度大于l o m 的一般路段的按 点距5 0 0 m 布置，或填方高度大于8 m 构造物台背、隧道口路段5 0 m 范围内按点距 2 5 m 布置观测点。 ( 3 ) 地表水平位移量和隆起量 地表水平位移量和隆起量观测仪器是地表水平位移桩( 边桩) ，用于稳定管理。 其目的是监测地表位移及隆起情况，以确保路堤施工的安全和稳定。在路堤高度 大于l o m 的路堤、软土路基路堤、陡坡路堤、岩溶和采空区路堤、构造物台背边 坡的边沟以外l o m 的地方设置边桩观测地表水平位移量和隆起量，构造物台背纵 向坡脚、填切交界的填方段、沿河等特殊路段增设观测点。 表2 1 一般断面沉降与变形观测原则 检测项目地表沉降量总沉降量地表位移量和隆起量 边坡 变形量 基底承载力较差或填土 高路堤基底承载力较差 h 1 0 m h 2 0 m 软基 必须观测 必须观测必须观测 l ( 非清淤方案) 陡坡路堤基底承载力较差 h 1 0 m h 1 0 m h 1 0 m 基底承载力较差、填土 构造物台背基底承载力较差h 8 ml h 2 0 m 和锥坡附近地表 基底承载力较差或填土 隧道口基底承载力较差 h 8 m h 2 0 m 深切方| h 3 0 mh 3 0 m 2 2 2 沉降观测点的布设步骤 布设步骤为：( 1 ) 选取观测基准点( 水准点和位置控制点) 。水准路线是沿公路 路线布设，水准点宜设于公路中心线两侧5 0 3 0 0 m 范围之内：大桥、隧道口及其 他大型构造物两端，增设水准点。由于一些施工单位难以提供稳定可靠的观测基 准点，可以在施工之初，从施工控制点上转测到牢固点，作基准点，为日后检查 或引测工作基准点之用：( 2 ) 确定工作基准点( 作业场地) ：( 3 ) 布设整体网观测 点：( 4 ) 布设局部特征点。 l o 布设前综合考虑地质、地基处理及路堤设计方式、荷载、结构物特征、施工 作业方式和经济等因素。根据不同要求，观测点的布设分为全断面沉降管、沉降 板、单点变位计、测斜管、边桩、土压力盒的布设等内容。目的是能够准确而完 整地反映出路堤的沉降和变形规律。 2 2 3 沉降观测点的布设和观测方法 1 - 沉降板 沉降板埋设分为地表和路床底埋设两种，前者观测地表沉降，后者观测路堤 总沉降。沉降板由钢板或钢筋混凝土底板、金属测杆和保护套管组成。地表沉降 板的底座一般埋设在砂垫层中。管顶低于原压实面5 8 c m ，随即测量管顶至底板 高差，填土夯实至管顶，并测量管项标高( 初读数) ，当第二层土施工完毕后，在 管顶位置接上地二节钢管。观测时，每节管的顶面有上、下管定标高，下节管顶 面标高用于计算第一次沉降量，上节管项标高作为下次计算沉降量的数据。随着 填土的增高，测杆和套管也相应接高，接高后的测杆顶面略高于套管上口，套管 上口应加盖封住管口，避免填料落入管内而影响测杆下沉自由度，循序逐节升高， 重复上述工作。路堤总沉降观测是在路床底当路堤填土至路床底时及时埋设观测 总沉降的沉降板。面埋设沉降板，其形式与地表沉降相同，只是观测接管较少。 一般路堤的沉降板设置在路中心，高路堤、构造物台背、隧道口、根据实际情况 增设路肩及坡趾测点。( 见图2 4 和图2 5 ) 图2 4 地表沉降观测点设置 图2 5 路堤总沉降观测点设置 2 全断面沉降管 测设地基沉降时，在地基处理完之后，在地基表面挖一水平槽，槽的尺寸比 与沉降管尺寸直径略大，将沉降管埋入，用土覆盖并压实。为了防止沉降管被压 扁而影响使用，沉降管应选择具有较大的径向刚度的高压水管，一般选择使用刚 丝绕的高压管。测试路堤沉降时，在预计埋设沉降管的位置上，经压实后再挖槽， 槽的尺寸比沉降管尺寸略大，埋设方法与测试地基相同。沉降管埋设之后，为了 防止土粒进入，应及时在沉降管两端设计保护设置，保护设置为有盖板的砼池， 池的尺寸根据实际情况确定，其原则是：一是能够让水管、导线、探头顺利通过， 二是能够防盗。( 见图2 6 ) 图2 6 路堤填筑分层沉降全断面观测设置 3 单点变位计 单点位移计采用j m d l 一4 6 x x 智能数码变位计，它是一种埋入式电感调频类智 能型位移计，由变位计、锚钉、波纹管等组成。埋设时将变位计的两端固定在要 量测的土体区域内，套上波纹管以便其自由伸缩，并将导线引出路堤。 4 分层沉降管 分层沉降观测点沿铅垂线方向上和各层土内布设。点数与深度，根据分层分 布情况确定，原则上每一土层设一点，最浅的点位在基础底面下5 0 c m 处，最深的 点位在超过压缩层理论厚度处，或设在压缩性低的砾石或岩石层上。分层沉降仪 由分层沉降管、磁环、波纹管或p v c 管组成，采用钻孔导孔埋设，在路基中间钻 机打孔至持力层，根据地质情况在相应深度处安装磁环，送入磁环后分层填土压 实，下好沉降管后用膨胀土封孔，以便磁环和地层同步沉降，用分层沉降管测量 各磁环的位置，分别计算各地层的沉降量。分层沉降观测采用c t 一1 型沉降仪和 水准仪联合测量。 5 边桩 在路基的填筑过程中，由于路堤荷载的作用下，使路堤附近的地表可能产生 水平位移和垂直位移，所以需要观测路堤附近的地表的水平位移和垂直位移。地 表水平位移和垂直位移采用边桩观测，边桩的布设根据地基及路堤场地条件确定， 一般从路堤坡脚起至边沟外缘l o m 的地方，在垂直于路中心线方向每隔2 3 m 布 设5 个边桩，并用经纬仪定线方法使5 个桩在一条直线上，最后用小钉在木桩上 标定桩位。边桩设置个数以控制路基稳定为目的确定，一般沿纵向每隔1 0 0 2 0 0 m 设置一个观测断面，构造物台背路段设置2 3 个观测断面。一般路堤趾部以外设 置3 4 个位移边桩，同一观测断面的边桩在同一横轴线上。边桩采用打入或开挖 埋设，桩周上部用现浇混凝土固定。水平位移采用铟钢尺位移计量测或单三角前 方交会法观测，地表垂直位移采用高程观测法。 2 2 4 邵怀高速公路沉降观测点埋设情况 根据上述方法，结合具体情况，邵怀路路基沉降与变形观测点布置将包括典 型观测断面的布置( 三种断面形式) 和一般路堤断面的布置( 地表沉降量、总沉降 量、地表水平位移量及隆起量、地下土体分层水平位移量) 。以上这些观测点主要 1 2 埋设在高路堤、软基、陡坡路堤、构造物台背、隧道口路堤、采空区、岩溶区， 基本控制了重点变形部位。通过一般断面的观测可以掌握特殊地段地表的沉降规 律和路堤本身的压缩变形规律，而且可以通过边桩的观测等可以判断路堤的稳定 性，特别是重点观测超高路堤、地表沉降较大的部位。典型观测断面的设置是为 了全面掌握路基土体应力和变形的动态变化过程，综合分析路基稳定性。路基沉 降与变形观测点位将通过业主提供的设计文件和现场详细调查在埋设时最终确 定，测点的数量也需要根据现场实际路基条件和施工中出现的问题进行增减。具 体检测点数量如下表所示，具体布置见表2 2 。 表2 2 检测点数量统计表 序号项目名称观测数量备注 l 高填方路段 3 因破坏增l 处 典型断面 2 软基路段 2 因需要增1 处 ( 8 ) 3 陡坡路堤 3 因需要增1 处 4 高填( h 2 0 )5 l 5 高填( h 。 为了提高沉降观测精度，消除观测中的系统误差，每次观测做到5 个固定( 即 观测条件相同) ： ( 1 ) 后视尺固定( 例如用4 6 8 7 尺专门放在水准点上) ： ( 2 ) 测站位置固定： ( 3 ) 仪器固定： ( 4 ) 观测人员( 司仪器及持尺人员) 固定： ( 5 ) 转点固定。 2 3 4 公路修筑不同阶段观测方案的实施 1 路堤填筑期的沉降观测 ( 1 ) 沉降观测方法及技术要求 水准测量的测站视距长，前、后视距差和黑、红( 基、辅面) 面读数较差以及 高差较差等要求符合相关水准测量的技术指标。转点必须使用尺垫。水准点至沉 降测点间转点次数一般为1 次，最多不大于2 次。路堤填筑期按四等水准测量要 求进行观测。 ( 2 ) 初始数据读数观测及接管操作 一沉降板埋设时，随即用四等水准观测首节管顶和底板的标高，作为初始观测 数据，绘制好一张水准点与沉降点观测位置图，作为每次观测固定仪器位置的依 据。接管观测时，观测接管上、下2 个管顶的标高，下节管顶标高用于计算第一 次沉降量，上节接管项面标高作为下一次计算沉降量的初值，循序渐进，逐节升 高，重复上述工作。 ( 3 ) 观测频率及填土速率控制 施工单位每填筑l 层观测1 次，若相邻2 层的填筑间隔时间超过7 d ，中间加 测，以便于观测时间的间隔不大于3 5 d ，如果发现有异常沉降，则每2 d 观测l 次或每天1 次，以密切注意沉降异常的动态。在日沉降速率不大于1 o c m d 时， 方可填筑上一层土方。“沉降速率 的计算，精确到0 1 m m 。具体计算公式： 日沉降速率= 时段沉降量( m m ) 时段天数( d ) ：- 月沉降速率= 3 0 d ( 本期累计沉降量一上期累计沉降量) 时段天数( 2 5 d 以 上) 。 ( 4 ) 构筑物的沉降观测 观测点布置表中规定的构筑物观测点，在其建成后设置观测点。若为明通道、 明涵，沉降点可设在中央分隔带的采光孔顶面或涵顶上，路侧点可设在端墙顶部。 2 路堤预压期的沉降观测 ( 1 ) 预压期观测频率及沉降控制标准 预压期一般为3 6 个月，其观测频率视沉降量变化情况而定，一般预压期内 在第1 个月的沉降量较大，之后逐渐衰减为几个m m 的沉降量，故在预压期间第1 个月每5 l o d 观测1 次，第2 个月每半个月观测1 次，以后每月观测1 次。直到 连续2 个月的月沉降速率小于5 m m 月时，方可进行底基层和护坡施工，等、超载 段可考虑卸载。 ( 2 ) 沉降观测要求 预压期沉降速率逐渐减小，当减小至月沉降量小于l o n t m 时，按三等水准测量 进行。预压到中、后期，观测用的水准点大部分转移到桥背墙角上，水准点向两 侧各控制5 0 0 m 范围内的沉降观测点，组成支水准路线( 一般为1 个转点组成2 个 测站) ，若超过2 个测站，进行往返观测。当无桥背墙角水准点时，则与路堤填筑 期一样，用原地表水准点观测。预压期结束时，桥梁工程也渐近尾声，适时地将 地表水准点转换到桥上。 ( 3 ) 等、超载卸载前、后沉降观测 等、超载填土路段，当确认沉降达到稳定标准后，方可考虑卸载。在卸载前 观测1 次沉降量，观测后挖出沉降板的管杆，按卸载厚度拆除相应的杆长。卸载 完成后，对保留的管顶再观测1 次标高。 ( 4 ) 沉降观测工作的交接 在整个施工过程中，可能有部分施工单位会撤走。因此，施工单位在撤走前， 必须履行交接手续，同时明确接收单位及负责人员，进行现场交接，绘制好点位 图，所有