（岩土工程专业论文）桥头高填路基沉降预测及台背土压力研究.pdf

摘要 随着高等级公路建设在山区的开展，不可避免地会遇到桥头高填路基问题。 桥头高填路基集中了许多技术难点，包括了高填方工后沉降控制，桥头跳车问题 及桥台台背土压力计算。所以桥头高填路基往往是整条高速公路修建的控制性工 程。基于工程实际意义，本文主要从高填路基沉降预测和桥台台背土压力两方面， 对桥台高填方路基展开了系统研究。 首先，本文研究了高路堤沉降的变化规律，现有沉降预测方法都有各自的适 应性，本文提出了高填方路堤沉降的非等时距皮尔曲线预测模型以及能考虑沉 降、观测时间非等时距性、实测沉降数据的不断更新性和填土加载过程影响的高 路堤灰色预测模型，并在衡枣、耒宜高速公路三个沉降观测断面进行了应用。由 于沉降数据分析的工作量大，本文开发了高路堤沉降预测的可视化操作界面，并 应用于工程实例检验预测的效果。本文在非线性b i o t 固结沉降有限元反分析程 序基础上，对邓肯张e ，和邓肯张e b 两种非线性模型的计算参数进行了灵敏 度分析，确定反演参数，然后以实际工程为例研究了参数反分析问题求解的方法。 本文以耒宜与衡枣两条高速公路沉降观测资料和路面状况调查为依据，分析 研究了不同土质、不同填方高度对高路堤沉降稳定时间、工后沉降及路面质量的 影响，提出了刚性路面底基层、基层和面层施工的沉降控制取值标准。通过桥头 搭板的受力分析，研究了板下脱空长度与台背工后沉降的关系，同时认为台背路 基最大工后沉降允许值的取值标准为搭板最大挠曲变形量的2 倍。 台背为高填方的桥台其填料选择、施工控制和质量监测都不同于常规桥台， 本文以一现场桥台土压力试验为依托，研究了桥台土压力的测试方法和试验细 则，通过现场的长期测试，得到桥台台背土压力的实际大小和分布，对测试结果 进行了系统分析，研究了台背土压力随填土高度的变化规律和随时间的变化规 律。同时，本文针对了试验桥台及台后填土的特点建立了有限元模型，得出了桥 台台背静止土压力分布和台背土压力随桥台位移的变化规律，有限元的计算结果 与土压力试验结果相接近，进一步验证了试验结果的可靠性。 关键词：桥台，高填方，沉降预测，反分析，土压力 a b s t ra c t w i t ht h ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a yd e v e l o p i n gi nt h em o u n t a i n s ，h i g ht f i l i n g e m b a n k m e n tb e h i n da b u t m e n tw i l lb ei n e v i t a b l ye n c o u n t e r e d t h ec o n s t r u c t i o no f h i g hf i l l i n ge m b a n k m e n tb e h i n da b u t m e n th a sm a n yd i f f i c u l t i e si nt e c h n o l o g y , w h i c h i n v o l v et h ec o n t r o lo fw o r k a b l es e t t l e m e n t ，t h ep r o b l e mo fb u m pa tb r i d g e - h e a da n d t h ec a l c u l a t i o no fe a r t hp r e s s u r eb e h i n da b u t m e n t h i g hf i l l i n ge m b a n k m e n tb e h i n d a b u t m e n ti sa l w a y sac r i t i c a lp r o j e c tt ot h ec o n s t r u c t i o no ft h ew h o l ef r e e w a y c o n s i d e r i n gi t sp r a c t i c a lm e a n i n g ，f r o mt h ea s p e c t so f s e t t l e m e n tp r e d i c t i o na n de a r t h p r e s s u r eb e h i n da b u t m e n t ，h i g hf i l l i n ge m b a n k m e n tb e h i n da b u t m e n ti ss y s t e m a t i c a l l y s t u d i e di nt h et h e s i s a tf i r s t t h es e t t l e m e n tv a r i a b l er u l eo fh i g hf i l l i n ge m b a n k m e n ti ss t u d i e d e x i s t 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 d sh a v et h e i r o w na d a p t a b i f i t y p e a lc u r v e p r e d i c t i o nm o d e lo fu n e q u a lt i m es p a ni se s t a b l i s h e dt op r e d i c ts e t t l e m e n to fh i g h f i l l i n ge m b a n k m e n t b e s i d et h i s ，g r e yp r e d i c t i o nm o d e li sa l s op u tf o r w a r dt h a tc a l l c o n s i d e rt h eu n e q u a ls p a no fo b s e r v i n gt i m e ，t h ec o n t i n u o u sr e n e wo ft h es e t t l e m e n t d a t aa n dt h ei n f l u e n c eo ft h el o a d i n go ff i l l i n g t h et w om e t h o d sa r eb o t ha p p l i e di n t h es e t t l e m e n tp r e d i c t i o no ft h r e es e c t i o no fh e n g y a n g - - z a o m u p uf r e e w a ya n d l e i y a n g y m h a n gf r e e w a y b e c a u s es e t t l e m e n td a t aa n a l y s i sn e e d st o om u c ht i m e ， v i d e oo p e r a t i n gi n t e r f a c ef o rs e t t l e m e n tp r e d i c t i o no fh i 【g hf i l l i n ge m b a n k m e n ti s d e v e l o p e d t h ei n t e r f a c ei sa p p l i e di nt h es e t t l e m e n tp r e d i c t i o no fp r a c t i c a lp r o j e c tt o p r o v ei t sr e l i a b i l i t y b a s e do nf i n i t ee l e m e n tb a c k a n a l y s i s p r o c e d u r e o fb i o t n o n l i n e a r i t yc o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n t ，t h es e n s i t i v i t yo ft h ec a l c u l a t i o np a r a m e t e r so f e - ，m o d e la n de - bm o d e li sa n a l y z e d t h es o l u t i o no ft h ep r o b l e mo fb a c k - a n a l y s i s i ss t u d i e dt h r o u g hp r a c t i c a lp r o j e c t s b a s e do ns e t t l e m e n to b s e r v a t i o nd a t aa n dp a v e m e n tc o n d i t i o ns u r v e yo f l e i y a n g - y i z h a n gf r e e w a ya n dh e n g y a n g - z a o m u p uf r e e w a y , t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n t s o i l sa n dd i f f e r e n tf i l lh e i g h to ns e t t l e m e n ts t a b i f i t yt i m e ，w o r k a b l es e t t l e m e n ta n d p a v e m e n tq u a l i t yo fh i g he m b a n k m e n ti sa n a l y z e d f u r t h e r m o r ev a l u es t a n d a r df o r s e t t l e m e n tc o n t r o lo fc o n s t r u c t i o no fr i g i dp a v e m e n ts u b b a s e ，b a s ec o u r s ea n ds u r f a c e c o u r s ei sp r o p o s e d t h r o u g ht h em e c h a n i ca n a l y s i so fa p p r o a c hs l a b ，t h er e l a t i o no f t h el e n g t ho fv o i db e n e a t hs l a ba n dw o r k a b l es e t t l e m e n ti ss t u d i e d a tt h es a m et i m e ， i td e d u c et h a ta l l o w a b l ev a l u es t a n d a r do fw o r k a b l es e t t l e m e n ti st w ot i m e so f m a x e m u h ld e f e c t i o nv a l u e so fs l a b n e h i g hf i l i n ga b u t m e n td i 行e r sf r o mo r d i n a r ya b u t m e n ti nm a n yw a y ss u c ha s t h ec h o i c eo ff i l l i n gb e h i n da b u t m e n t ，c o n s t r u c t i o nc o n t r o la n dq u a l i t ym o n i t o r i n g b a s e do na na b u t m e n te a r t hp r e s s u r ef i e l dt e s t , a b u t m e n tf i e l dt e s tt e c h n i q u ea n d d e t a i l e dr u l e so ft e s ta r es t u d i e di nt h et h e s i s b yt h el o n g t i m ef i e l dt e s t , w ea c q u i r e d t h ep r a c t i c a le a r t hp r e s s u r ev a l u ea n dd i s t r i b u t i o n b a s e do nt h ep r a c t i c a le a l t h p r e s s u r ev a l u e ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ee a r t hp r e s s u r eb e h i n dt h ea b u t m e n ta n dt h e h e i g h ta n dt h ed u r a t i o no ff i l l i n gs o i la r ea n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，f i n i t ee l e m e n t m o d e li se s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h et e s ta b u t m e n ta c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f t h eh i g hf i l l i n ga b u t m e n t ，t h ee m b a n k m e n ta n df o u n d a t i o nb e h i n dt h ea b u t m e n t n e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sg e t st h ed i s t r i b u t i o nr u l eo fe a r t hp r e s s u r ea tr e s t ，t h er e l a t i o n b e t w e e nl e v e ld i s p l a c e m e n to fa b u t m e n ta n de a r t hp r e s s u r ev a l u ea n dd i s t r i b u t i o n t h er e s u l to ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sc o m p a r e dw i 也t h er e s u l to ff i e l dt e s t w h i c h p r o v e st h er e l i a b i l i t yo ft e s tr e s u l t s k e y w o r d s ：a b u t m e n t , h i g hf i l l i n g , s e t t l e m e n tp r e d i c t i o n , b a c k - a n a l y s i s ，e a r t hp r e s s u r e 独创性声明 本人声明，所呈交的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，也不包含为获得武汉理工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。 签 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 灶胁 武汉理工大学博士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着高等级公路建设的迅速发展，高速公路建设所面临的地质条件日趋复 杂，如湖南省的耒宜、衡枣和河南省的新黄高速公路等，地形条件复杂，高填高 挖及半填半挖极其普遍。高填路基因为荷载大，施工过程中容易引起路基失稳， 竣工后因为工后沉降过大而引起路面开裂现象也时有发生，特别对于桥台台背的 高填方路基其工后沉降要求更加严格，如果处理不好会引起严重的桥头跳车问 题，除沉降要求外，高填方桥台台背土压力因其台背填料选择、施工工艺、填土 高度有别于常规桥台，其台背土压力也有待研究。所以本课题选择高填方桥台 对其从桥台土压力和高填方沉降预测两方面展开研究具有一定的理论与实际工 程意义。 影响高速公路建设质量的最重要因素是路基的沉降，所以要在施工过程中保 证路基的施工质量必须及时掌握路基沉降的变化情况，特别是要能够较为合理地 预估路基沉降的变化情况，并根据路基沉降的变化信息及时调整或确定各结构层 的施工时间，或在施工中及时采取有效措施避免较大路基沉降对高速公路建设质 量的影响，这些问题已成为高速公路建设中的一个重要问题。特别是目前或将来 的高速公路建设，将有更多的穿越软土等不良地基或以高路堤的形式修建，因此 路基的沉降问题就变得更为重要。目前关于地基沉降预估的研究很多，但这些研 究主要针对软基开展工作，而对更为复杂多变的高路堤沉降却并未开展太多的研 究，并且这些沉降预测方法都有各自的适应性，对高填方路基沉降是否适用，不 适用则如何改进等问题都需要进一步研究。在路基沉降稳定的控制指标方面，目 前国内外仅对柔性路面开展了一些研究，在沪宁高速公路提出了柔性路面各结构 层施工的沉降稳定控制指标，但对刚性路面沉降速率取值标准尚未开展系统的研 究工作。 对于挡土结构的土压力的计算都是基于经典的c o u l o m b 土压力理论和 r a n k i n e 理论，它们有计算简单，应用方便的特点。但是这两个理论也存在许多 不足之处，它们都是基于很多假定下得出的结论，而且与有些学者做的土压力现 场试验结果有一定偏差。对于台背是高填方的桥台，因为施工工艺、填土高度、 武汉理工大学博士学位论文 填料的不同于常规桥台，高填方桥台台背土压力的大小和分布也有待研究。 本文以耒宜、衡枣高速公路路基沉降项目和新黄高速公路高填方桥台台背土 压力现场试验研究为工程背景，主要对高填方路基的沉降预测和高填方桥台的台 背土压力进行较为深入的研究。 1 2 沉降预测及土压力理论的国内外研究现状 在沉降预测推算方面，t e r z a g h i ( 1 9 2 3 ) 提出了著名的一维固结理论。根据 太沙基的固结理论，得到单向固结孔隙水压力解析解，对于弹性土体，反映孔隙 水压力消散程度的固结度u 与变形间关系，所以，土体的压缩过程理论符合指数 曲线关系，沉降过程曲线也就拟合于指数曲线。尼奇波罗维奇( 1 9 5 5 ) 根据一 维固结理论公式，提出经验公式：5 t 2 8r 1 - e x p ( 一肛) l 。曾国熙1 ( 1 9 5 9 ) 根据 砂井地基的三向圃结度及砂井以下的土层的单向固结度结合，并考虑因侧向变形 所引起的沉降，导出公式s t 2 ( 8r 一5 。) 1 - a e x p ( 一卢) j + 乳，根据s t 曲线推算地 基沉降。地基处理手册。”、建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 - 9 1 ) 以及国内 的一些文献推荐采用指数曲线法。指数曲线法要求恒载一年以上，计算时宜选择! 曲线变缓段，最初的一段和实际相差较大，尽量在曲线后段选择计算起始点，推 算出来的最终沉降量越接近实测值。该方法适用于施工填土高度己达设计标高， 并已经在施工期以后有较长期的观测资料的路基沉降分析预测“。双曲线法最早 由尼奇波罗维奇提出的，是目前常用的沉降变形推算计算方法之一，从沉降与 时间曲线的后部分取任意两点，便可较理想地计算最终沉降量以及任意时间的沉 降变形，双曲线法仅局限于沉降基本趋于稳定的曲线后段取点计算，在曲线前段 应用便会出现较大偏差。t a ns t 3 s t a nsa t ”分别将双曲线法应用于大变形固结分 析及竖井地基沉降确定，结果表明双曲线推算结果与实测值较接近。魏汝龙” ( 1 9 9 3 ) 根据一个工程实例的检验，认为软粘土压缩曲线的整个形状更加符合双 曲线。国内不少工程也采用了双曲线法沉降推算方法1 。也有不少学者在此基础 上，根据特定的工程条件，对传统双曲线法改进如泊松比双曲线法、修正双曲 c v = 线法、复合双曲线法。泊松曲线法“”采用公式一 1 + d e “来拟合沉降曲线，其 表达式能反映线性加载或近似线性加载情况下沉降量与时间的关系。在一般双曲 线法基础上，修正双曲线法对时间起点选择及公式进行了相应的修正。复合双曲 武汉理工大学博士学位论文 线法是利用沉降观测曲线中连续几次观测填土高度不变的段落，所对应的沉降量 观测值用双曲线法来推得该填土高度下的最终沉降量s 。，先假定地基土为线弹性 变形，即最终沉降量与填土高度( 荷载) 呈线性关系，以此获得单位填土高度所 引起的最终沉降量考虑到实际土体变形的非线性，乘以修正系数6 ，从而推算出 设计填高h ：与填高度h ，之差所引起的最终沉降量6 s ，这样就可以得到设计填 土高度下路基的最终沉降量。a s a o k a 1 ( 1 9 7 8 ) 将m i k a s a 一维固结状态下以体积 应变表示的固结方程，表示为一个包含待定系数的级数形式的微分方程，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，即a s a o k a 法，也称作浅岗法。另外，国内学者根据实测沉降曲线的特点提出了一些推算方 法。 邓聚龙h 8 1 ( 1 9 8 2 ) 提出的灰色预测模型g m ( 1 ，1 ) ，其基本思想是对无规则的 数据序列作一定变换，得到比较有规律的序列，从而可以用曲线比较准确地逼近， g m ( 1 ，1 ) 模型的实质是指数函数作为拟合函数对等时距数据序列进行拟合。德国 生物学家v e r h u l s t ( 1 8 3 7 ) 在研究生物繁殖规律时提出了v e r h u l s t 模型，其基本 思想是生物个体数量是呈指数增长的，受周围环境的限制，增长速度逐渐放慢， 最终稳定在一个固定值。在灰色理论提出后，有许多学者对v e r h u l s t 模型在沉 降推算方面的做了研究5 。灰色v e r h u l s t 模型所模拟的沉降量与时间的 关系曲线和实测变化规律相一致，都呈“s ”形，能够反映全过程的沉降量与时 间的关系，因此，对于建筑物沉降等曲线近似s 形的序列使用v e r h u l s t 模型效 果比较好。随后，又有学者提出了一个非线性动态灰色模型r u s h e r 模型m 1 ， 并利用r u s h e r 模型对上海某箱型基础建筑物软土地基的最终沉降量进行了推 算，推算结果表明该模型的推算值通常处于指数曲线法和双曲线法推算值之间， 是可靠的。灰色g m ( n ，1 ) 模型与a s a o k a 法都是n 阶常系数微分方程，当应用灰 色理论时，若数据依据以下三个原则选取：每个数据的时间问隔是相等的； 建模的数据是时间步长中的沉降增量；数据均选自加荷结束后的观测数据，这 时灰色理论方法与a s a o k a 法是一致的，在满足这三个条件下，灰色模型理论和 a s a o k a 法两者的一阶微分方程是相等的。“。 w s m e c u l l o c h 和w p j t t s 呻1 ( 1 9 4 3 ) 提出了神经网络m p 模型，开创了用 数理逻辑的方法研究生物神经网络的先河。d 0 h e b b “”( 1 9 4 9 ) 从心理学的角度提 出了至今对神经网络理论有重要影响的h e b b 学习法则。以r u m e l h a r t 和 m e c e l l a n d “1 ( 1 9 8 6 ) 为首的科学家提出了误差逆传播学习算法，并对这一算法 3 武汉理工大学博士学位论文 的潜在能力进行了深入探讨，此算法又称b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 神经网络模 型，是人工神经网络的重要模型之一，应用尤为广泛，将其应用于工程方面的研 究在9 0 年代初，其中基于神经网络的时间序列法应用于岩土工程的沉降推算也 不少。 j h o ll a n d ”( 1 9 6 7 ) 首先提出了遗传算法，它是生命科学与工程科学相互渗 透的结果。2 0 世纪8 0 年代中期以来，遗传算法已在诸如函数优化、组合优化、 机器学习、模式识别、信息处理、地球处理反演等众多领域中得到广泛应用。遗 传算法作为软土地基沉降计算的全新算法，克服了传统算法的弊端。遗传算法的 编码操作保证在每一步迭代时能充分利用群解中的信息，且具高效并行性。同时 搜索成群的解，使之有条件求得全局意义上的优解，有效避免了常规方法易陷入 局部极值的缺陷。遗传算法在求解多参数非线性优化问题时对目标函数没有苛刻 要求，故其适用范围广。 k a r a n a g h “”( 1 9 7 1 ) 首先提出了岩土工程位移反分析的基本思想，基本方法 是根据现场实测的位移，利用有限元方法来计算岩体的力学参数。s a k u r a i ( 1 9 7 4 ) 根据围岩的蠕变位移，使用解析方法计算了岩体的粘滞性系数j 二 s a k u r a i ( 1 9 7 9 ) 提出了一种实用的有限元反分析方法。7 0 年代后，岩土工程粼 问题中的反演分析很快成为国内外学者和工程师们关注的课题，并在较短时间内譬 迅速取得了大量成果。随着反演分析理论的发展，反演参数数目逐渐增大及多目。 标问题的复杂化，反演分析方法也逐渐由常规的数学分析方法向着优化的方向发 展。龚晓南1 ( 1 9 9 1 ) 采用b m p 法对上述的未知参数进行了概率统计分析，反算了 土的材料参数。黄宏伟( 1 9 9 5 ) 首先采用s a k u r a i 的逆反分析思路提出了基于 岩土工程位移量测的随机逆反分析。 m s h o ji 等( 1 9 9 0 ) 采用二维弹性固结有限元法进行反分析，运用b f g s 拟 牛顿优化方法进行参数反演。 陈国荣等1 ( 1 9 9 8 ) 根据施工期实测资料，采用粘弹性有限元和非线性二乘 阻尼优化方法，反演路基土体地质力学参数。 攀琨( 1 9 9 8 ) 基于人工神经网络方法，建立了非线性力学反分析模型，用位 移反求岩土工程计算中的邓肯一张非线性应变模型( e b ) 模型中的主要参数k 、 ，f) b ，1 1 、m 、“，然后对土石坝进行后期位移预测。 谭昌明等( 2 0 0 2 ) 基于m e r c h a n t 粘弹性模型的一维固结解析解和b i o t 固结 理论有限元值解，建立了便于考虑主次固结的饱和软土地基沉降一、二维反演预 武汉理工大学博士学位论文 测计算公式。 土体参数反演的关键是合理选择计算模型和优化算法。目前在对能符合土体 实际状态的模型及优化算法的选择上还没有统一的标准，因此开展这方面的研究 是很有必要的。 总体上在沉降推算方面存在以下不足，目前沉降推算模型较多，但由于推导 公式假设条件有所不同，或因地基土的物理力学性质不同，因而，各种推算方法 对于某一地区的适用程度也不一样。指数曲线法要求恒载一年以上，该方法适用 于施工填土高度己达设计标高，并已经在施工期以后有较长期的观测资料的路基 沉降分析预测。双曲线法仅局限于沉降基本趋于稳定的曲线后段取点计算，在曲 线前段应用便会出现较大偏差，可以利用较短实测资料实现较高精度的沉降预 测。但是具体到多短时间，没有结论，也没有预测精度达到何种程度方面的研究， 因此，有待于进一步的研究。a s a o k a 法及泊松曲线只能在等时空距数据条件下 才能使用，在工程实际中观测的数据很难满足这一要求。复合双曲线法对于土的 本构关系作了线弹性假设，这种假设对于推算以后尚有填土情况下的未来沉降是 会有一定误差的。g m ( 1 ，1 ) 模型只能描述单调的变化过程，必须要求等时空距数 据，如荷载的突然变化，则建立的模型精度可能达不到理想的效果，灰色系统理 论对于实测时间较短，要求推算的日期不长时，用灰色系统理论更为合适。神经 网络法在岩土工程领域具有可观的应用潜力，但也存在一些问题：网络的隐含 层数、隐节点数和学习参数较难确定；样本数量的确定只能凭经验；b p 网 络学习收敛速度太慢、网络的学习记忆具有不稳定性。常见的有三层b p 网络模 型，但它存在一些不足之处：训练时网络收敛很慢、易出现麻痹和瘫痪现象面临 选择学习率的问题等。反分析方法在岩土工程反分析应用较多，但是如何选择合 理的反分析方法、目标函数以及土体的本构关系仍是实际工程应用的难点。 对于土压力的国内外研究状况如下： 土压力的理论计算始于1 7 7 3 年，库仑( c a c o u l o m b ) 发表了以滑裂土体整 体极限平衡为条件的著名库仑土压力理论，其后于1 8 5 7 年朗肯( w j m r a n m n e ) 又发表了以微分土体极限平衡为条件的朗肯土压力，此后许多学者，如太沙基 ( k t e r z a g h i ) 毕肖普( a b b i s h o p ) ，罗威( p w r o w e ) 等，对土压力的计算 理论和计算方法进行了研究，扩展了库仑和朗肯土压力理论的应用范围，并且提 出了许多新的计算方法和计算理论，如索柯罗夫斯基的极限平衡理论，能量理论， 水平层计算方法，土压力空间计算理论等，使土压力的计算方法和计算理论渐趋 完善和合理。 武汉理工大学博士学位论文 对于经典的库仑土压力理论，许多学者都提出了质疑。而且他们的研究手段 大多是通过不同规模的土压力模型试验的方法。 t e r z a g h i ”通过大规模的模型试验获得了极限状态和挡土结果变形之间的 关系。他认为只有当土体位移达到一定值的时候，按库仑理论或朗肯理论计算土 压力才是合理的。t e r z a g h i 在1 9 6 2 年迸一步指出，当挡土结果绕墙趾转动时， 主动土压力为三角形分布，而当挡土结果绕墙顶或水平移动时，主动土压力为非 线性分布。 f a n g i s h i b a s h i “”( 1 9 8 6 ) 对砂性填土刚性挡土墙的主动土压力进行了模型 试验，试验结果表明，主动土压力为非线性分布，其分布形式决定挡土结果的变 位方式。 卡岗( m e k a r a h ) ”1 9 6 0 年在论挡土墙上非线性分布土压力一文中提 出了土压力的水平层分析法又称为土压力的非线性分布解法，用此方法，得到了 土压力沿墙高的分布为非线性分布，分布图形为曲线形。 岳祖润，彭胤宗，张师德”“( 1 9 9 2 ) 年用自制的一套位移控制液压装置做了 l l 组位移可控式压实粘性填土挡土墙压力的离心模型试验，对粘性填土的裂缝 深度及其影响因素，土压力大小，分布进行了分析。分析表明，压实粘性填土的 土压力达到主动状态时所需要的位移量和墙高成正比，大约为墙高的千分之九到 千分之十。土压力达到主动状态时，压实粘性填土的裂缝深度与墙高和填土形状 无关。土压力沿墙高呈两头大中间小的曲线分布。合力作用点约在o 5 h ( 墙高) 左右。 除了各种规模的土压力模型试验外，也有一些学者做了一些实际工程的原型 观测。例如： 伏尔加水电站船闸闸墙上土压力分布观测表明，土压力呈右凸的抛物线分 布，在墙趾处土压力变小，在墙高1 3 处土压力最大。土压力的分布图形随时间 基本没有发生变化。 湖南省某码头挡土墙土压力分布观测表明，土压力呈非线性分布，土压力从 墙顶部处往下逐渐增大。最大土压力位于墙高的2 5 1 2 处。在往下土压力又 逐渐减少。 对土压力研究的另一个有效手段是有限单元法。自从1 9 6 6 年c l o u g h 和 w o o d w a r d 首先用有限元法来分析土坝问题以来，有限单元法在岩土工程中的应 用发展迅速，并取得巨大进展。从c 1 0 u g h 和d u n c a n ( 1 9 7 1 ) 年开始，学多国内 外学者相继采用了有限元法来分析土压力问题。 武汉理工大学博士学位论文 用有限单元法来分析土压力问题能够很好地处理土体的应力应变关系，以及 复杂的边界条件，所以它的分析结果更为准确可靠。用有限元法来分析土压力问 题，主要有大问题需要解决。一是土的本构模型，二是接触面上的相互摩擦挤压 的受力特性模拟。 对于土的本构模型，国内外很多学者都有研究，经过很多试验表明，土的应 力应变关系表现为比较复杂的非线性的关系。对于土的典型的本构模型有 对于接触面上的受力特性模拟，又包括两个方面，一是接触面的本构关系， 特别是接触面上剪应力与相对剪切变形之间的关系。二是选择合适的接触面单 元。 c l o u g h 和d u n c a n ( 1 9 7 1 ) 对砂和混凝土做直剪试验，试验表明，接触面的 剪应力和切向位移差之间近似地呈双曲线。故采用双曲线模型来描叙剪应力r 。和 切向位移差a h 之间的关系。 陈慧远”( 1 9 8 5 ) 提出接触面上剪应力和剪切位移可简化为弹塑性关系，当 切向应力小于摩擦力厂吒( ，为摩擦系数，吒为接触面法向应力) 时，切向应 力与相对剪切位移为线弹性关系。当切向应力大于或等于摩擦力，吒时，为滑移 阶段，切向应力和相对剪切位移之间不再遵循一定的关系。 c l o u g h 和d u n c a n 用非线性有限元法对砂性填土刚性挡土墙土压力进行了 分析，砂土应力应变关系采取双曲线模型，即d u n c a n - - c h a n g 模型，接触面应 力应变关系也采用了双曲线模型。接触面单元采用一维的g o o d m a n 单元。计算 表明，土压力值随随墙体的位移而变化，最小主动土压力值和最大被动土压力 值与经典土压力理论值接近。 1 3 本文主要研究内容 高填方桥台台背路基，它既具备高填路基荷载大、自身压缩性高、沉降量大 的特点同时又属于桥路刚柔相接路段，对台后路基工后沉降要求极其严格。高填 方桥台台背路基的沉降控制是难点，在施工中必须进行信息化施工。同时高填方 桥台土压力因其台背填料选择、施工工艺、填土高度有别于常规桥台，其台背土 压力也有待研究。本文拟从高路堤沉降预测和桥台台背土压力两方面对桥头高 填方路基展开研究，具体研究内容如下： 1 ) 桥台台背高填方路基沉降预测方法研究。对现有沉降预测方法对高填方 武汉理工大学博士学位论文 沉降预测的适用性进行研究，同时引入皮尔预估模型和改进的非等时距灰色预估 模型来预测桥台台背高填方路基沉降。 2 ) 沉降预测可视化操作界面。利用现有的m a t l a b 软件开发高路堤沉降预测 的可视化操作界面，能选择五种不同的拟合方法进行预测。 3 ) 以饱和土b i o t 固结理论为基础，结合高路堤的实际特点，针对所选择的 典型的高路堤断面，考虑施工的逐级加载方式，建立适合的非线性有限元模型， 结合建立的非线性有限元模型，在有限元程序中添加复合形法这种优化算法程 序，考虑采用：邓肯一张一一v 模型和邓肯一张一e 一口模型等两种非线性数学模 型应用于高填方下路基土体的固结沉降计算，并利用前期沉降观测信息反演确定 计算参数。进行反分析时，根据计算模型中参数对沉降值的灵敏程度选择反演参 数。并以实际观测资料验证其可靠性。以及对遗传算法在高路堤沉降反演及预测 中的应用展开研究。 4 ) 桥头高填方路基沉降稳定的沉降速率及工后沉降取值标准研究。 5 ) 桥台台背土压力研究 桥台台背土压力试验研究 通过对试验桥台台背埋设土压力盒进行施工期和竣工稳定期的动态观测，了 解台背土压力分布及随填土高度的台背土压力的变化情况。 桥台台背土压力数值分析 针对试验桥台边界条件，以a n s y s 为计算工具建立有限元模型，分析台背静 止土压力、主动土压力、被动土压力分布情况。并与实测结果做对比，相互印证。 武汉理工大学博士学位论文 第二章桥头高路堤沉降预测方法研究 根据实测沉降数据来推算软土地基的沉降量比基于经典力学理论的沉降计 算更接近于实际，所以此种方法得到了广泛的应用。但由于推导公式假设条件有 所不同，或因地基土的物理力学性质不同，现有沉降预测方法是否适应于高填方 地基的沉降预测有待研究。本章将着重对皮尔预估模型和灰色预估模型在高填方 路基沉降预测中的应用展开研究。 本文对桥头高填路基的研究，忽略桥台对台后高填路基沉降的影响，将台后 高填路基的沉降视同一般高填路基沉降分析。 2 1 现有沉降预测方法的适应性分析 应用实测的沉降一时间曲线推算最终的沉降量，现有规范推荐的方法有图解， 双曲线法，指数曲线法，三点法，沉降速率法等：常用的还有改进双曲线法， a s a o k a 法，g m ( 1 ，1 ) 灰色模型，v e r h u l s t 灰色模型，g o m p e r t z 成长模型，p e a r l 成长模型，w e i b u l l 成长模型，s l g t 曲线法、三模式法、神经网络法等。这些方 法中大都有各自的适应性，对实测沉降数据都有一定的要求，分述如下： ( 1 ) 要求恒载期的沉降一时间数据：双曲线法，a s a o k a 法，s 一垂曲线法等。 ( 2 ) 要求沉降一时间数据为等时距测量序列：a s a o k a 法，g m ( 1 ，1 ) 灰色模型。 不过数据处理上可以通过插值函数等方法对非等时距序列数据进行等时距处理。 ( 3 ) 要求从加载开始的所有沉降一时间数据： v e r h u l s t 灰色模型，g o m p e r t z 成长模型，p e a r l 成长模型，w e i b u l l 成长模型和三模式法等。 ( 4 ) 要求知道沉降一时间曲线上的沉降曲线的拐点舶，s 0 ) 值：指数曲线法，求 最终沉降和任意时间沉降都需要拐点的数据。 ( 5 ) 要求沉降一时间曲线上的从施工开始的实测沉降曲线的改进零点：三点 法，在计算任意时间沉降的时候需要知道改进零点的值，但是计算最终沉降过程 中不需要。 ( 6 ) 要求知道所有的荷载一时间以及对应的沉降时间曲线：这类方法有沉 降速率法。 相关推算方法与对应的限制条件汇总表2 1 - 9 武汉理工大学博士学位论文 表2 1沉降推算方法的适用性 是否包含 推算方法分类对实测数据要求 次固结 图解双曲线法恒载期沉降数据 是 双曲线法 改进双曲线法恒载期沉降数据是 g o m p e r t z 成长 全沉降曲线是 曲线s 型成长模型 模型 p e a r l 成长模型 全沉降曲线 是 拟和法 w e i b u l l 成长模 全沉降曲线是 型 指数曲线法需沉降曲线拐点数据 是 s l g t 曲线法 恒载期沉降数据 否 a s a o k a 法等时距；恒载期 否 g m ( 1 ，1 ) 灰色模型等时距；恒载期 否 灰色模型 v e r h u i s t 灰色模型全沉降曲线 恒载期沉降数据： 三点法否 三个数据点等时距 其它方法 自加载起的所有 沉降速率法 否 加荷及沉降数据 神经网络法 等时距( 处理)是 2 2 皮尔曲线在高路堤沉降预估中的应用 2 2 1 皮尔曲线简介 皮尔曲线有时也被称作逻辑斯蒂( 1 0 9 i s t i c ) 曲线或生长曲线1 4 5 1 ，它是以美国生 物学家和人口统计学家皮尔( r a y m o n dp e a r l ，1 8 7 0 - - 1 9 4 0 ) 的名字命名的曲线。由 于该曲线可以反映生物的生长过程，所以皮尔曲线在生物繁殖、人口发展统计和 产品生命周期分析等方面都有着广泛的应用。皮尔曲线预估模型的数学表达式 为： ， y ( f ) 2 赤 ( 2 1 ) l a ，b 为模型的三个待定参数，其中a 0 ，b 0 。当t 一一* 时，y 一0 ：t 一+ m 时，y 一，l 是曲线的增长上限，这说明皮尔曲线是具有极限的曲线。图2 1 即为典型的皮尔曲线示意图。 武汉理工大学博士学位论文 图2 1 皮尔曲线示意图 从图2 1 中可以看出，皮尔曲线在点( 1 n a b ，l 2 ) 处凹向发生变化，由上凹变 为下凹，该点即为皮尔曲线的拐点，皮尔曲线的上半部和下半部绕该拐点对称。 从图2 1 中还可以看出，皮尔曲线图形犹如一条狭长的s ，故有时也被称为s 形 曲线。它描述了这样的规律性，曲线下部比较平缓，曲线斜率( a y 们较小，发 展速度较慢；曲线中部，斜率最大，即增长速度最快；曲线上部，增长接近上限， 增长速度明显变慢，以至于曲线斜率最终不变，即咖a t = 0 。皮尔曲线描述的 这种规律性实际上反映了事物发生、发展、成熟并达到一定极限的过程。 2 2 2 皮尔曲线应用的理论基础 文献1 2 0 指出，全过程的地基沉降量与时间的关系曲线里s 形，而且在荷载 逐步增加过程中，沉降观测点逐步发生沉降的过程也可分为4 个阶段： 1 1 发生阶段。在刚刚加载时，观测点处的土体尚处于弹性状态。在此阶段， 随着荷载的增加，观测点的沉降量近乎线性增加。 发展阶段。随着荷载的不断增大，观测点处的土体所受的荷载越来越大， 并且逐步进入弹塑性状态。随着塑性区的不断展开，观测点的沉降速率也在不断 的增加，直至荷载不再增加为止。 3 ) 成熟阶段。当荷载不再增加时，由于固结尚未完成以及土体的流变，观 测点的沉降将随着时间的推移而继续增大，但沉降速率逐渐减小。 4 1 到达极限。理论上讲，当时间为无穷大时，观测点的沉降达到极限状态。 事实上，在实际工程中取时间t 足够大即可，如对于公路t 可取为1 5 年+ 填筑时 间。 由于地基沉降的变化过程与皮尔曲线所反映的事物发生、发展、成熟并到达 一定极限的过程十分相似，因此可以选用皮尔曲线来反映全过程的地基沉降与时 间的关系。 1 1 武汉理工大学博士学位论文 文献【2 7 】根据对土坝沉陷实测资料的分析和研究，认为土坝的沉陷过程也是 一个生长过程，其运动过程可以大致插述为：在