（道路与铁道工程专业论文）客运专线地基沉降计算、预测方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 客运专线的建设需要高度平顺和稳定的轨下基础 控制变形是客运专线路基 设计的关键 本次论文研究以国内首批投入建设且首条投入运营的胶济客运专 线建设为背景 进行了包括室内试验研究 现场原位试验 现场沉降监控等岩 土工程试验研究方法对客运专线建设过程中所特别关注的沉降计算 预测方法 进行了系统分析 主要成果有以下 1 系统的研究了沉降计算 分析 预测方式方法 以便在应用过程中更合 理的选择沉降计算 预测方法 2 针对常规计算过程中统一选定室内试验1 0 0 2 0 0 k p a 应力间变形所得出压 缩模量 该前提明显偏离实际情况 相对来讲具有其4 i 合理之处 本文通过整 理室内试验结果发现压缩模量 固结系数与轴向应力之间均呈现双曲线关系 将该结果应用于沉降计算过程中 使得计算过程符合实际情况 同时该计算过 程考虑应力历史 固结状态 将该结果应用于路基填筑阶段地基沉降计算 计 算结果精度相应得以提高 3 对比分析沉降结果显示 对于设计阶段选择现场原位试验结果进行沉降 估算具有合理性 针对特殊断面 普通断面建议分别结合其它试验方法采用平 板载荷试验 标准贯入试验进行沉降量计算 4 传统沉降预测过程中 采用单一沉降预测方法进行整个过程预测研究 通过对其结果进行误差分析以进行选优预测 而实际过程中各预测方法均有其 合理适用范围 本次论文通过沉降预测过程对比分析 最终发现 沉降预测过 程中 对于填筑阶段地基沉降采用增长型曲线进行预测相对更为合理可靠 误 差最小 而对于最终沉降量及工后沉降量的预测则选定双曲线更为符合现场实 际情况 5 地基内部最终沉降量随深度变化呈现指数曲线型关系 运用该结论可用 于局部沉降量已知的前提下断面沉降量的分布预测 关键词 客运专线 沉降计算 沉降预测 室内试验 现场原位试验 现场沉 降观测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no ft h es p e c i a lp a s s e n g e rt r a i nr e q u i r e dh i g h l ys m o o t h n e s s a n ds t a b l ys u b r a 订f o u n d a t i o n s s ol i m i t e dt h ed i s t o r t i o ni st h el i n c h p i no ft h e s p e c i a lp a s s e n g e rt r a i n sd e s i g n m e n t b a s e dt h i st h e s i so nt h ef i r s tb i t c ho ft h e c o n s t r u c t i o na n dt h ef i r s to n et o p u ti n t oo p e r a t i o no ft h es p e c i a lp a s s e n g e r t r a i nb e t w e e nj i n a na n dq i n g d a o c a r r y i n go u tt h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g i n v e s t i g a t i o ni n c l u d i n gl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t f i e l di n s i t ut e s t s f i e l ds e t t l e m e n t m o n i t o r i n gt e s t st os y s t e m a t i c a l l ya n a l y s i st h ec o n c e r n e ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n f o r e c a s tm e t h o d so ft h es p e c i a lp a s s e n g e rt r a i n t h ep r i m a r yr e s u l t s 1 i n v e s t i g a t i n gt h ec a l c u l a t i o n a n a l y s i s f o r e c a s tm e t h o do ft h es e t t l e m e n t s oa st oc h o o s i n gt h em o s tl o g i c a lm e t h o di nt h ep r o c e s so fa p p l i c a t i o n 2 a i m i n ga tc h o o s i n gt h ec o m p r e s s i o nm o d u l u si n r e l a t i o nt ot h e 10 0 2 0 0 k p a a p p l i e d s t r e s s r e s u l t i n g f r o m l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t t h i s p r e c o n d i t i o nd i s t i n c t l yd e p a r t u r ef r o mt h ec o m p l e x i o no fp r a c t i c ea n dt a k eo n i n c o n s e q u e n t i a l l y g e t t i n gt h r o u g ha n a l y z i n gt h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t f i n d i n g o u tt h a tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h e c o m p r e s s i o nm o d u l u s c o n s o l i d a t i o n c o e f f i c i e n ta n da x i a ls t r a i na r et a k i n go nh y p e r b o l af u n c t i o n a n dt h e ne x e r t i n g t h i so u t c o m ei nt h ep r o c e s so ft h es e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n t h i sp r o c e s sm e a s u r e s u pt h ep r a c t i c e a tt h es a m et i m e t h i sc a l c u l a t i o np r o c e s st a k et h es t r e s sh i s t o r y a n dc o n s o l i d a t i o ns t a t ei n t oa c c o u n t p u tt h i ss u r v e yi n t oa c t i o nt oc a l c u l a t et h e s u b s o i ls e r l e m e n td u r i n gt h es u b g r a d ef i l l i n g s oa st oi m p r o v i n gt h ec a l c u l a t i o n a c c u r a c y 3 c o n t r a s t i n ga n da n a l y z i n gt h es e t t l e m e n tr e s u l t sr e v e a l e dt h a td u r i n gt h e p r o c e s so ft h ed e s i g nc h o o s i n gf i e l di n s i t ut e s t st oe s t i m a t et h es e t t l e m e n ti s m o r er e a s o n a b l e a i m i n ga tt h e s p e c i a ls e c t i o n t h ec o m m o ns e c t i o n t h i s s u r v e ys u g g e s t st h a ti tt a k e st h ep l a t el o a d i n gt e s t t h es t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s t i n d i v i d u a l l y a n dc o m b i n e sw i t ht h eo t h e rt e s tm e t h o d st oc a l c u l a t et h e s e t t l e m e n t 4 d u r i n gt h et r a d i t i o n a ls e t t l e m e n tf o r e c a s tp r o c e s s i tt a k e st h es i n g l e m e t h o dt of o r e c a s tt h ew h o l ep r o j e c ta n dt a k e se r r o ra n a l y s i st ot h er e s u l t s s oa s t oc h o o s i n gt h eb e s ts c h e m e b u te v e r yf o r e c a s tm e t h o dh a st h e i ro w nr a t i o n a l 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 ii 页 l l 一 l l 一 a p p l i c a b l es c o p e c o m p a r i n gw i t ht h es e t t l e m e n tf o r e c a s tp r o c e s s i tp r e s e n t s t h a t d u r i n gt h ef o r e c a s tp r o c e s s i ti sr a t i o n a la n dm i n i m u m e r r o rt o t a k et h e 2 r o w t hc u r v em o d e lt of o r e c a s tt h es u b s o i ls e t t l e m e n to ft h es u b g r a d ef i l l i n g p r o c e s s b u tt a k i n gh y p e r b o l a m o d e lt ot h es u b s o i ls e t t l e m e n to ft h ef i n a l s e t t l e m e n ta n dp o s t c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e m 5 v a r y i n gw i t hd e p t h t h ef i n a ls e t t l e m e n to ft h ei n t e r i o rg r o u n da r et a k i n g o ne x p o n e n t i a lt y p ef u n c t i o n u s i n gt h i sc o n c l u s i o n i tc a l lf o r e c a s tt h es e c t i o n s s e t t l e m e n td i s t r i b u t i o na st h eu n e q u a ls e t t l e m e n ta r ek n o w n k e y w o r d s t h es p e c i a lp a s s e n g e rt r a i n t h e s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n t h e s e t t l e m e n tf o r e c a s t l a b o r a t o r ye x p e r i m e m f i e l di n s i t ut e s t s f i e l d s e t t l e m e n tm o n i t o r i n gt e s t s 西南交通大学 学位论文使用授权书 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 本人授权西南交通大学可以将本学位 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 不保密曲 适用本授权书 请在以上方框内打 学位论文作者签名 彖 l 芬硎指导教师签名 错 日期 芦略细铂 日期 印年吁月 日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所 取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究所做出贡献的个人和集体 均已 在文中作了明确的说明 本文完全意识到本声明的法律结果由本人承担 本学位论文的主要创新点如下 根据客运专线的具体特征 对客运专线地基沉降计算 预测方法进行综合 分析论述 介绍相关计算 预测方法的相关使用情况及使用条件 详见第2 章 2 通过整理分析室内固结试验结果 发现压缩模量 固结系数与轴向应力之 间均呈现双曲线关系 将该结果应用于沉降计算过程中 使得计算过程符合实 际情况 详见第3 章 3 借鉴数值分析有限元方法对三轴试验结果进行分析研究 最终获取地基土 体三维变形特征情况 详见第3 章 4 结合客运专线施工实际情况 通过对比分析原位试验结果 最终确定针对 不同特征断面建议分别结合其它试验方法采用平板载荷试验 标准贯入试验进 行沉降量计算 详见第4 章 5 通过现场沉降观测试验 最终显示客运专线建设 运行过程中的地基沉降 受上部施工运行过程影响较大 且对上部荷载具有较高敏感度 而地基侧向变 形 孔隙水压力变化则相应存在滞后变化特性 详见第5 章 6 通过沉降预测过程对比分析 最终发现 沉降预测过程中 对于填筑阶段 地基沉降采用增长型曲线进行预测相对更为合理可靠 误差最小 而对于最终 沉降量及工后沉降量的预测则选定双曲线更为符合现场实际情况 详见第6 章 7 地基内部最终沉降量随深度变化呈现指数曲线型关系 运用该结论可用 于局部沉降量已知的前提下断面沉降量的分布预测 详见第6 章 们r 房 髫日圳影 名幺 签 f 艾加论耻倒期 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 前言 第一章绪论 我国幅员辽阔 人口众多 交通运输作为国民经济的基础设施 制约着国 民经济发展的规模和速度 铁路作为国民经济的大动脉 具有运力大 运费 低的特点 在社会主义建设中发挥了重大作用 而我国铁路的密度明显偏低 人均排名居于1 0 0 位之后 随着经济社会的发展 目前交通运输运力异常紧 张 已经成为经济发展的瓶颈 铁路客运快速与货运重载难以兼顾 已无法 满足国内客货运输需求 并严重影响旅客运输质量的提高 2 0 0 4 年 经国务 院审议通过了国家 中长期铁路网规划 该规划提出 铁路运输实施客货分 线 专门建设以 四纵 四横 为主干的客运专线铁路网 同时为满足经 济发达的城市密集群的城际间旅客运输日益增长的需求 规划以环渤海地区 长江三角洲地区 珠江三角 洲地区为重点 建设城际快速客运系统 客运专线铁路的建设是个系统工程 强度高 刚度大且变化均匀 长久稳 定的路基是保证高速列车安全 平稳运行的关键 其设计和旌工 要在安全 可靠 适用经济的指导原则下 更注重于满足舒适度要求 客运专线铁路需 满足高平顺 少维修 动力性能和环保 防灾等多方面的要求 客运专线铁 路的出现 对传统铁路的设计 施工和养护维修都提出了全新的挑战 在许 多方面改变了传统的铁路设计理念 客运专线与传统铁路的最大区别在于 它不像传统铁路那样开通时只能跑 4 5 k m h 6 0 k m h 其对路基的稳固性和轨道的状态有相当高的要求 需要高 度平顺和稳定的轨下基础 控制变形是客运专线路基设计的关键f 1 1 1 2 国内外研究现状 路基沉降变形控制作为客运专线路基设计施工的关键要素 其包括 1 t 后沉降 工后沉降是指在铺轨工程完成以后 基础设施产生的沉降量 目前我国相 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 关规范定义的工后沉降为路基竣工开始铺轨后产生的沉降 有的国家以铺轨 完成 交付运营后即工后沉降 工后沉降标准与设计速度 轨道类型 施 工工期 轨道维修养护标准和维修周期 工程投资大小等因素有关 同时也 与地质勘察试验手段和精度 沉降计算的方法和精度 沉降观测的方法和精 度 工后沉降预测的方法和精度密切相关 f 2 1 均匀沉降 铺轨工程完成后 一定区域范围内路基沉降量的相同性及其分布 f 3 不均匀沉降 铺轨工程完成后 一定区域范围内不同测点路基沉降量的差异大小及其分 布 不均匀沉降量大小直接影响到列车运行中的舒适度指标和安全性指标 尤其对于无碴轨道直接影响到其安全使用寿命 路基与桥台 路基与隧道及 路基与横向结构物过渡段 地层变化较大处和不同地基处理措施连接处 是 不均匀沉降容易产生的常见部位 4 台后沉降与差异沉降 台后沉降 铺轨工程完成后 桥台台尾过渡段路基工后沉降量 差异沉降 铺轨工程完成后 路基与桥 隧等结构物间的沉降变形量差 上述沉降变形量小仅受刚度差异影响而且受到不同地基处理方式的影响 其大小直接影响到轨道的使用寿命和维修工作量 从概念上来看 差异沉降包含在不均匀沉降中 不均匀沉降 均匀沉降则 包含在工后沉降中 路基设计 施工的目的就是要最大限度地减小工后沉降 消除不均匀沉降 我国 八五 期间的科技攻关研究表明 满足高速铁路的 轨道平顺性除要求路基刚度均匀过渡外 严格控制路基的工后沉降和不均匀 沉降是必不可少的环节 从满足列车高速 安全 舒适度要求出发 控制路基的沉降满足规范要求 是最终目标 追求不均匀沉降为零是路基工程的理想目标 各国根据自身情 况对沉降控制都提出了严格标准 日本要求工后沉降值不大于1 0 c m 德 法 等国甚全提出了交付运营后 零沉降 的控制标准 我国客运专线工后沉降 控制标准 路基5 c m 路桥过渡3 c m 在交付运营时的工后沉降值要小于5 c m 京沪暂规2 0 0 5 结合现场实际情况 路基的变形主要由路基本体和地基基础的变形两部分 组成 路基本体的变形通常指地基基础上部即基床表层 基床底层和基床以 下路堤本体的变形 其沉降变形量的组成分析如表1 1 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 表1 1 路基沉降的组成f 2 基床表层 基床底层路基本体地基基础备注 级配碎石或级a b 组填料 材料组成a b 组填料 配砂砾石 或改良土 n 15 0 m p a j mk 3 0 1 1o m p a m 压实标准 m 0 1 8 k 0 9 5 k 0 9 2 k 3 0 19 0 m p a mk 3 0 15 0 m p a mk 11 0 m p a m k 3 0 9 0 m p a m 无砟轨道 按6 月 t p c p o 的土层 最2 喜去m 舟啪 警 弦4 对印 p c p o 的土层 2 善去 警 j 协5 式中 乙s 回弹指数 总沉降 s s n s m 3 压缩模量 s 计算方法 当采用压缩模量时 固结沉降宜按下式计算 s 岁 五 e 2 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 式中 三s 压缩模量 卸 地基中各分层重点的附加应力增量 拓 分层厚度 2 1 2 分类沉降 根据对地基在基础荷载作用下的实际变形特征的观察和分析 地基的沉降 s 可以认为是由机理不同的三部分沉降组成 s s d s c s s f 1 式中 s d 瞬时沉降 亦称初始沉降 s c 固结沉降 亦称主固结沉降 s r 次固结沉降 亦称蠕变沉降 錾 蛭 图2 1 地基沉降类型 由于基础加载面积为有限尺寸 加载后地基中会有剪应变产生 特别是在 靠近基础边缘应力集中部位 对于饱和或接近饱和的粘性土 加载瞬间土中 水来不及排出 在不排水的恒体积状况下 剪应变会引起侧向变形而造成瞬 时沉降 固结沉降是指饱和与接近饱和的粘性土在基础荷载作用下 随着超 静孔隙水压力的消散 土骨架产生变形所造成的沉降 固结压密 固结沉降 速率取决于孔隙水的排出速率 次固结沉降是指主固结过程 超静孔隙水压 力消散过程 结束后 在有效应力不变的情况下 土的骨架仍随时间继续发 生变形 这种变形的速率已与孔隙水排出的速率无关 而是取决于土骨架本 身的蠕变性质 次固结沉降包括剪应变 也包括体积变化 次固结沉降通常 较小 且历时较长 在总沉降量中所占比例彳 大1 3 1 结合沉降发生机理 1 i 同 各部分沉降确定方法不一致 对于路基而言 瞬 时沉降是在体积不变情况下由负载区域下的土体剪应变而引起的 可用弹性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 理论法求解 对于固结沉降常采用分层总和法计算 次固结沉降常采用分层 总和法根据蠕变试验确定参数求解 1 瞬时沉降 o d 计算方法 弹性理论法是假定地基为半无限的直线变形体 直接应用布辛奈斯克的 竖向位移解 求解与基础的刚度 形状 尺寸大小及算点的位置有关 求解 后的一般公式为 一 墨垒竺坚二丝 叫 e 2 8 式中 气 均布荷载 b 前载面积的直径和宽度 e 分别为泊松比 假定土体的体积不可压缩 取o 5 和 变形模量 采用三轴压缩试验初始切线模量e i 或现场实际荷载下 再加荷模 量e s 国 沉降影响系数 与受荷面形状 位置有关 日本道路公团设计要领的瞬时沉降求算方法 s d 2 志叁y e h e j 2 9 式中 a 地基的变形系数 a 1 2 4 0 4 4 e 5 0 c m 3 g 其中e 5 0 是 由无侧限抗压强度试验得到的e 5 0 的平均值 e 5 0 为轴向荷载为极限荷载的5 0 时应用割线模量求取的变形模量 h r 路堤高度 y 路堤的容重 2 主固结沉降计算方法 通常主固结沉降 o c 可用分层总和法求得 3 次固结沉降的计算方法 次固结沉降可按从主固结完成后开始 由时间一压缩曲线的斜率近似地求 得次固结沉降o c 驴善南 甜 协 式中 l 次固结系数 即e l g p 曲线在主固结完成后直线段的斜率 绝对值 c o 0 0 1 8 w w 为天然含水量 t 相当于主固结度l o o f 1 3 时间 根据固结沉降计算时可取 t v 2 4 7 不计算时可取1 1 5 年 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 7 需要计算次固结的时间 一般取2 0 年计算 对于软土地基而言 粘粒含量及其矿物成分对软土的蠕变性质有很显著的 影响 片架结构的软粘土 由于其特殊的微观结构和结合水的作用往往有较 明显的蠕变变形 粘粒含量越多 软土的活动性越大 蠕变变形和应力松驰 也越显著 含水量的大小和孔隙水性质对软土的蠕变特性也有较明显的影响 含水量越大 软土的蠕变变形也越大 孔隙水粘性越大 结合水的粘性也越 大 软土的蠕变特性也越明显 因此 在软土地基的沉降计算中应予以考虑 通过相关研究显示 次固结系数c 与压缩指数c 存在相关性 根据压缩 指数来估算次固结系数的方法被一些学者所经常采用 m e s f i 与g o d l e w s k i 总 结了2 2 种黏土的次固结试验结果后指出 同一原状土次固结系数与压缩指数 的比值是一个常数 其值在0 0 2 5 0 1 之间 对于非有机质粘土 该比值大约 等于o 0 4 但因各地区软土的成因及特性有地域性而有所不刚6 1 2 1 3 三维沉降计算 由于以太沙基理论为基础的一维固结理论不能反映造成沉降的三维影响 并且目前的理论还不能有效地引入侧向变形和次固结的影响 因而计算的最 终沉降比实测沉降资料推算的最终沉降小 通常选定采用一个沉降系数进行 修正 7 j 同时也存在基于三轴试验侧向变形的应力路径法 1 三维沉降校正系数 在地下任何深度处 竖向附加应力和侧压力同时存在 侧向压力的存在同 样增加了沉降 根据广义虎克定律 确定三维沉降量3 3 s 32 1 p 3 z p t 了1 3 h 一 e 2 1 1 式中 p 泊松比 o z 竖向附加应力 o h 三维附加应力的代数和 n i 土层计算分层厚度 o 变形模量 由于 维计算及常规试验都是引用压缩模量e s 因而上述公式可变形为 s 黑f 1 羔 孚1 攀 k 3 s 2 1 2 1 2 pl1 p0 1 j e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 式中 k 3 三维沉降校正系数 s 一维总沉降量 具体针对路基条形荷载作用下有 o 2u a o z 而根据广义虎克定律 有 1 3 x 2 k o o z 式中k o 为静止土压力系数 从而得出 g x5 p c z 八卜 故而得出三维沉降修正系数k s 为 驴嵩 1 卉 t 击 1 2 t a 1 p 2 1 3 由此可知 确定泊松比p 对于计算三维沉降有重要意义 2 司开普顿一比伦半经验法 结合上述计算方法 p p 曲线 压缩模量e s 计算地基的固结沉降未能考 虑土体应力历史的影响 而利用p l g p 曲线计算地基的变形可考虑应力历史 的影响 但是 上述几种方法均采用土体的侧限压缩性指标 而未考虑土体 侧向变形对固结沉降的影响 当地基中粘土层的厚度超过基础面积的尺寸时 土体的侧向变形将对沉降有较大影响 在此介绍司开普顿一比伦半经验法 司开普顿一比伦半经验法考虑土在三向应力状态下 既可能产生侧向压 缩 又可能产生侧向膨胀 根据这种情祝他们推导了在侧向变形的影响下的 沉降计算公式 s c c 户 s c 2 1 4 式中 l p 修正系数 o c 单向固结压缩变形 3 l a m b e 应力路径法 在荷载作用下 地摹土中各点主应力值和方向都随荷载和时间在变化 因 而各点在固结过程中的应力状态有显著差异 即应力路径不同 在此基础上 l a m b e 提出了应力路径法 该法计算步骤如下 1 在地基中选择需要计算沉降的点 2 对这些点计算其初始自重应力和附加应力 3 做三轴试验 土样先在自重应力下固结 然后加上附加应力 量取 在固结应力作用下的固结前 后的垂直应变 4 用量得的两种应变分别乘上土层厚度 即可得地基初始和固结沉降 上述三种方法 三维沉降校正系数法相对简单适用 泊松比理论相对较为 成熟 司开普顿一比伦半经验法的相应参数确定相对复杂 而l a m b e 应力路 径法计算方法相对繁琐且当地基中所选计算点达到塑性状态时 计算结果不 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 太合理 而且 试验也无法进行 本次论文着重讨论采用校正三维沉降的沉降 系数 最终获得修正三维沉降量 2 1 4 固结沉降 在工程计算中 首要关注的问题是最终沉降量 或地基最终沉降量 而 地基的最终沉降有一个时间过程 土体在荷载作用下 土体发生渗透固结 颗粒空间相互调整 该过程相当缓慢 因而研究土体在荷载作用下沉降随时 间变化的沉降固结规律相当重要 固结理论认定 在整个渗透固结过程中 超静孔隙水压力u 和附加有效应力仃 是深度z 和时间t 的函数 饱和土的变 形速率主要取决于孔隙水的排出速度 而非饱和土的沉降过程则取决于孔隙 水压力和孔隙气压力的消散 具体到客运专线建设来讲 工程设计中 除了要知道最终沉降量之外 往 往还需要知道沉降随时间的变化 增长 过程 亦即沉降与时间的关系 该 关系的确定可用于确定合理的施工进度 对软土地基 还可以控制上部加载 速率 使之与土体抗剪强度的增长速率相适应 亦即在施工的自始至终 保 证由上部荷载在土中引起的剪应力不大于随孔隙水压力消散而不断增长的土 体抗剪强度 否则土体就有可能遭到破坏 另外 利用渗透固结理论可以进 行地面沉降的预测 在沉降计算过程中 对于路堤填筑过程的考虑相应较少且方法单一 通常 是采用固结度进行修正研究 渗透固结理论认为 土体从开始变形到稳定需 要经过一定的时间 根据u 固结度 s t 某一时间段沉降量 s 总沉降量 u 与时间t 存在一定的关系 不同土质路基 其最终达到沉降稳定的时间亦不同 另一方面 土体的压缩变形主要表现为土中孔隙比的减小 土的压缩变形主 要由孔隙水被排除的速度大小来决定 这与土的透水性有很大的关系 4 计算过程中 通常根据地基土体内部是否设置竖向排水体情况 将渗透固 结的沉降计算分成 竖向 一维 固结条件下地基沉降计算和多维固结沉降 计算两种情况 u 1 0 e 一1 3 2 1 5 1 一维渗透固结理论 早在1 9 2 5 年太沙基对饱和的细粒土一维固结现象进行过定量分析并获得 数学解 其结果至今仍是排水固结理论的基础 为工程界广泛应用 一维固 结理论假设产生渗流和变形只是在垂直方向 该理论从研究超静水压u 的变 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 化规律入手 目的在于求解地基中孔隙水压力随时间和深度的变化 在一定 基本假设前提下 建立渗透固结微分方程 然后根据具体的起始条件和边界 条件求解土中任意点在任意时刻的u 或盯 进而求得整个土层在任意时刻达 到的固结度 土层中总应力转化成粒间有效应力的百分比 最终得出理论公 式 固结度u 表达式 u 警 热u 斗砉e t 2 1 6 u 1 一鸳e 每 7 t 仅 土层上下应力比 1 v 时间因数 无量纲 2 多维渗透固结理论 上述一维渗透固结理论假定孔隙水的渗透固结和土层的压缩只沿一个方 向 竖向 发生 而实际情况来讲 此假设与现场实际情况脱节 特别对于 土层内增设砂井 塑料排水板等竖向排水体 砂井即是竖向排水通道 又缩 短了周围土体的渗透途径 加快了沉降和固结的时间 称为三维固结法 三 维固结理论有弹性理论 有效应力途径法和比奥 b i o t 理论等 而林杜利克 r e n d u l i c 和巴伦 b a r r o n 等人据太沙基的一位理论扩展到准三维 应用 柱坐标 砂井法和b e s e l 函数求得精确解 该法较为简单实际 应用较广 3 o 2 1 5 路基填筑过程的考虑 针对路堤的填筑过程 路基沉降主要存在填筑速率影响因素 同时受到地 基处理加固方式 填筑过程中降水 固结度 填筑层厚等因素影响 而路堤 的总沉降量是随着填筑速率的增大而逐步增大的 具体到施工过程中 路基 填筑速率快 施工期短 荷载较早的作用于地基以及下层路堤 加快了初始 阶段的沉降 但是它完工比较早 与填筑速率小的方式修筑的路堤相比 在 完工的时候固结时间比较短 沉降相对比较小 固结沉降主要在竣工后完成 所以 对于填土高度一定的路基填筑速率越快 在施工期间土体固结压缩时 间越短 工后沉降越大 正常情况下 对于路基施工满足设计要求 填筑速 率对于路基沉降的影响相对较d t s l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 上述计算方法讲到了如何计算沉降固结 但计算过程假定荷载瞬问施加 其加载与实际不符 必然使得计算的沉降历程与实际的沉降历程不符 工程 施工过程中 上部荷载是施工期内逐步加上的 因此上述计算时程曲线结果 尚彳 能完全代表地基的实际沉降过程 而把荷载作为变量进行固结沉降计算 则计算过程相当复杂 一般情况下 根据荷载的增长情况 通过转换时间零 点和逐级叠加等方法对上述沉降计算结果进行经验修正i7 1 2 1 6 小结 采用分层总和法 对于地基的每一土体分层 根据有限元法的基本思路 从土中一点在任意时刻的变形连续条件出发进行理论公式推导和计算 地基 沉降的计算过程可得到简化 并可望较合理地模拟土体的应力应变过程 若 理论公式的推导过程较为合理 则沉降计算的系统误差就可能大大减小 同 时结合具体工程情况进行经验修正或反算分析就变得容易和合理 对于固结沉降计算过程 一维固结理论相应计算方法简单 而且具有解析 解 三维固结理论在理论上就复杂的多 除个别简单情况可以得到解析解外 一般只能用数值解 2 2 沉降经验推算预测 在勘察设计阶段 设计人员根据地质条件 土层物理力学参数 填土高度 地基加固措施 工期等计算总沉降量及工后沉降量 选择地基加固措施 由 于地层的不均匀性 参数选取的精度 计算方法的局限性 以及施工过程的 影响等因素 从根本上来讲 设计阶段的沉降计算只能是一种估算 因此客 运专线沉降控制必须根据施工期间的实测沉降数据 采用数学方法对最终沉 降量 沉降速率 工后沉降量进行推算 借此确定铺轨时机 实测沉降数据 及分析还可作为预测运营期间可能的维修工作量和周期依据之一 利用沉降观测资料推算后期沉降量 包括最终沉降量 成为计算地基沉降 必要的手段 如常规的经验公式法 双曲线型 指数型 增长曲线型等 图 解法 a s a o k a 法 星野法等 网络预测法 人工神经网络法 趟州 b p 网络预测法等 等 同时存在针对施工期及后期沉降进行动态预测的灰色预 测模型f 9 j f l 0 1 而在沉降推测过程中 不同的地基加固方法 沉降观测时间的长短以及初 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 始时间的选择等都会对推算精度产生影响 多级填土荷载对比一级荷载或前 后荷载偏差不大的情况 若前后两级填土荷载之间相差较大 沉降有一定的 突变 此时累积沉降曲线会随上覆荷载的变化呈现出明显的 台阶状 因此将两种情况存在一定偏差 根据荷载作用形式和作用时间又将实测推算 法分为 单级荷载下的沉降推算法和多级荷载下的沉降推算法 2 2 1 经验公式法 利用实测资料推求沉降避免了室内试验和理论计算假设条件中存在的问 题 因此 分析实测沉降时间关系 s t t 曲线 采取经验估算方法 即为s t t 曲 线选配适当的函数方程 然后再进行计算 目前 工程上常用的拟合曲线有 指 数曲线法 双盐线法及沉降时间倒数法等 1 1 1 而目前经验公式法预测沉降的 方法都是以下式为基础的 s x 一 2 1 7 式中 s 为t 时刻的沉降量 为瞬时沉降量 代表最终沉降量 f x 为待定函数式 根据f x 的函数形式不同 现主要有指数曲线式模型 双曲线式模型 增 长型曲线 s 1 a e 啪 2 1 8 s 六 2 1 9 s 七 图2 2 典型的增长曲线 2 2 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 所谓增长曲线 又名逻辑斯蒂克曲线 1 0 9 i s t i cc u r v e 或泊松曲线模型 该模 型可反映了实际事物产生 发展 成熟并达到一定极限的过程 这与地基沉 降随上覆荷载施加而逐渐发生的过程是 致的 而且它具有沉降一时间曲线 所具有的特点 彳 通过原点 单调性 有界性等 f 1 2 f 1 3 j f l 4 下图显示了典型的 增长曲线模型 呈反 s 形 见图2 2 针对多级加荷的 路堤沉降曲线 台阶状 发展的情况 通过修正上述曲 线模型 得出常用公式 1 5 s l1 一彳e x p 一晚 h 2 2 1 s y j l 墨 2 2 2 篇彳 气 s5 否而葡1 丽 c 瓴 2 2 3 而采用指数曲线 双曲线或增长型曲线等模型进行沉降预测 存在以下假 定 a 路基中沉降计算深度在整个加荷过程中是不变的 m 各级荷载下的沉 降可以相叠加 c 加荷量与最终沉降量关系唯一 不考虑加荷速率对最终沉 降的影响等 2 2 2a s a o k a 法 a s a o k a 法可很好地根据有限次沉降观测结果推算建筑物的最终沉降 但 遗憾的是其只能基于本级荷载下沉降观测记录对本级荷载下最终沉降进行预 测 1 6 1 7 a s a o k a 法基本思想就是利用已有的观测资料求出最终沉降量 其最终沉 降表达式为 s b0 1 b1 2 2 4 其求解步骤如下 1 从时间 沉降曲线上选取一系列沉降值s l s 2 s 3 s m 其中s m 为 时刻t m 对应的沉降 且时间间隔 t t m 1 为一常量 2 在以s j 小s j 为坐标轴的平面中 将沉降值s l s 2 s 3 s m 以数据 点 s i 1 s j r g 式绘出 同时作s j s j 1 的4 5 直线 3 过数据点系列 s i 1 s i 绘最佳拟合直线 让其与4 5 线相交 交点处 对应的沉降即为地基的最终沉降 图中点a 处对应的沉降即为最终沉降 该 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 点的纵 横坐标相等f 均为s s 硝 图2 3a s a o k a 法示意图 对于多级荷载下路堤沉降而言 特别是沉降 时间曲线存在明显 台阶 现象的情形 对应于每级荷载都有直线与数据点吻合 这样会存在几条直线 且它们之间存在平行关系 如此 根据相应直线的延长线与4 5 线的交点就 可方便得出各级荷载下的最终沉降量 对于多级荷载 只要知道下一级荷载对应的直线在纵轴上的截距 作平行 线就能根据平行线与4 5 线的交点得知下一级荷载对应的最终沉降 2 2 3 星野法 与 品l 图2 4多级加荷时a s a o k a 法 星野法是基于太沙基固结理论得出的固结度u 和时间t 的平方根成正比的 关系 通过对在现场获取的实测沉降值研究 认为包括剪切变形沉降的总沉 降量和时间平方根成正比 其基本计算公式为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 s 喃 毒型坠三 2 2 5 1 k2 0 t 上式可改写为 毒静2 去 砉 f 弦z s 式中 s o 瞬时加载产生的瞬时沉降量 矗 影响沉降速度的系数 a 求t 一 时最终沉降值的系数 这样 o r 0 一s 2 与o f 的关系 正是斜率为1 a 2 截距为 1 a 2 k2 的直线 据此可用图解法求出系数a 和k f 见图7 4 具体步骤如下 先假定f 和s o 由实测数据计算出o l o e 一凡r 与o t i 再假定几组t s 进行计算 在假定的r 和s 中选出直线性最好的 一组 来确定a 发k 值 将以上确定的a k f 和s 代入基本公式 即可计算任意时间t 下的 沉降量 s e r f t 一一 t l h 日m 一 o w m s i 一 图2 5 星野法s t 关系图 o v s ts 口 图2 6 参数a k 确定 当r 呻 时 星野法计算的最终沉降量的公式 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 s s o a 2 2 7 在观测点数偏少的情况下 采用星野法预测沉降相对双曲线法准确 但是 双曲线法适应性比星野法强 2 2 4 人工神经网络法 a n n 人工神经网络法 a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s 简称a n n 是人工智能领域较 为活跃的一个重要分支 它试图模拟人脑的一些基本特性 在处理非线性问 题上具有其独特的优越性 它具有以下几个特点 a 具有自组织 自学习和适应的功能 b 能处理模拟的 模糊的和随机的信息 c 能进行大规模的并行处理 d 信息 处理和信息存储合为一体 利用a n n 较强的非映射能力 采用实测资料来对路基的沉降问题进行直 接建模 具体做法 先应用a n n 建立沉降影响参数与沉降之间的非线性关系 再将待测点的实测沉降影响参数输入到己训练好的网络中 即可得到预测的 沉降量 2 2 5b p b a c k p r o p a g a tjo n 神经网络模型 在目前应用较广的神经网络模型中 b p b a c k p r o p a g a t i o n 神经网络模型 即误差逆传播神经网络模型在工程应用中取得了较好的效果 b p 网络存储知 识f 即调整网络连接权值及节点阐值 时采用的b p 方法 即误差逆传播学习方 法 是一种典型的误差修正方法 其基本思路是 把网络学习时输出层出现 的与 事实 不符的误差 归结为连接层中各节点间连接权及闭值f 有时将闭 值作为特殊的连接权并入连接权 的 过错9 99 通过把输出层节点的误差逐层 向输入层逆向传播以 分摊 给各连接节点 从而可算出各连接节点的参考 误差 并据此对各连接权进行相应的调整 使网络适应要求的映射 该方法的弱点是需要足够多的有代表性意义的样本 计算量比较大 开始 计算时要对数据进行预处理 预测后得出的数据也要处理才能还原成沉降值 2 2 6 小结 曲线拟合法就是假设路基的沉降历程符合某一种已知基本函数的曲线 然 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 后利用实测的沉降数据来求出这一沉降曲线的具体的函数 并利用该函数去 求取路基在未来一段时间内的沉降量 利用这种预测方法必须注意的是所利 用的实测沉降值应尽可能的准确 同时还应该选取有代表性意义的数据去求 取具体的函数 一般曲线拟合法只是选择实测沉降一时间曲线上的几个有代 表意义的点的数据来确定曲线方程 无疑数据点的代表性以及这些点的数据 的准确性大大影响了拟合结果 对比曲线拟和方法来讲 其他几种方法操作复杂 有其适用范围 且对其 预测结果进行分析对比相对困难 本次论文这种采用曲线拟和法进行 对其 预测过程及结果进行充分评估 以最终确定预测效果 2 3 数值分析法 为了控制软基路堤施工进度 同时为了保证客运专线后期的使用质量等 有必要对路堤在不同时刻的沉降进行计算 目前所采用的理论计算方法假定 变形只有竖向的 渗流也只有竖向的 计算结果通过沉降校正系数以获得三 维沉降计算结果 而对于软基的固结沉降来讲 其侧向变形相应较大 计算 出的结果常存在有较大的误差 为此引入b l o t 固结理论对路堤沉降进行有限 元法计算和分析是比较符合实际的 2 3 1 理论介绍 理论上来讲 有限元法可适用于任意边界条件和加载方式 可计入土层的 不均匀性 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 级加荷和处理超填土问题 能考虑侧向变形 二维或三维渗流对沉降的影响 并能求得任意时刻的沉降 水平位移 孔隙水压力和有效应力的变化 许多 学者对该法进行了大量研究 并提出了弹性非线性 弹塑性等多种描述土体 的应力应变关系模型 这也推动了有限元法不断向前发展 而有限元法计算精度主要取决于两点 一是计算中所选用的模型是否合 理 是否贴近实际 二是计算中所使用的模型参数是否准确 周镜院士曾指 出当前的土力学计算仍处在半经验 半理论阶段 为了使计算结果更接近实 际 正确掌握所研究土的性质和准确选用计算中的模型参数 比计算方法可 能更重要 针对路堤沉