华中科技大学硕士毕业答辩.pptx

1、高填方路基沉降变形特性及预测方法研究,答 辩 人： 陈 皓 专 业：道路与铁道工程 指导老师： 李小青 教授,Huazhong University of Science & Technology,目录,Huazhong University of Science&Technology,1.1 研究背景,（1）高等级公路通车里程达到一个新时期，其巨大经济效益和方便快捷，赢得了社会一致认可； （2）高速公路建设改变了沿线原有的自然状态，特别是高填方路基的施工极易导致路基变形过大或失稳，在竣工通车后短时间内就会出现不同程度的不均匀沉降； （3）大量的研究针对单个工程，集中于软土地基的沉降和稳定，对

2、于高填土路堤在施工期、静载期、工后期沉降预测没有进行全面系统的研究，也没有找到较好的解决办法。,1.2 项目来源及研究意义,项目来源： 武汉天河机场第二公路通道高填方路基沉降分析及控制技术 国家自然科学基金项目（51278391）FRP土钉静动态力学性能与作用机理研究,连接武汉市区与天河机场 快速通道和西北部的重要 出口通道，同时也是武汉 市环线上一条放射线，在 整个区域公路网中占据较 为重要的地位。,1.3 课题研究内容,Huazhong University of Science&Technology,2 现场调查分析与沉降监控技术,工程地质概况,现场沉降监控技术,沉降监控结果及分析,Hu

3、azhong University of Science&Technology,2.1 武汉天河机场第二公路通道工程概况,武汉天河机场第二公路通道地处武汉市西北部，地理位置介于东经1134511420，北纬30103040之间。沿线地形起伏不大，较为平缓，地势较开阔，多为农田、湖汊、鱼塘等，植被发育较好。沿途桥梁众多，高架、互通、跨河（湖）等。平均不到500m一处过渡段，且多为高填方段，一般达78m，有的高达10m。地貌多为第四系冲湖积平原，相间垄岗、剥蚀残丘，多为相当于长江中游一级或三级阶地地貌，且第四系覆盖层厚度大，下部基岩分布情况较复杂，主要为白垩系、二叠系、志留系沉积岩。,Huazho

4、ng University of Science&Technology,武汉天河机场第二公路通道,地理位置图,填土,碾压,Huazhong University of Science&Technology,2.2 沉降监控内容,武汉市天河机场第二公路通道S6标段的高填方路基工程沉降沉降监测项目,沉降监控方案,武汉市天河机场第二公路通道S6标段的高填方路基工程采用分层填筑、分层加载、实时监测断面沉降变形的施工形式，自2011年9月至今陆续设置了14个沉降观测点，沉降观测点布置见下表。,Huazhong University of Science&Technology,武汉天河机场第二公路通道S6

5、标段沉降观测点布置图,K12+600断面,K12+300断面,K12+150断面,典型断面监测元件布置图,断面布置图,服务区断面元件布置形式,平面布置图,典型断面监测元件布置图,断面布置图,一般路基断面元件布置形式,平面布置图,沉降观测仪器-地表沉降,Huazhong University of Science&Technology,沉降板：地表沉降的观测，埋设位置为路堤左、右肩和路堤中心线下垫层底面,。,剖面布置图,沉降板示意图,沉降观测仪器-分层沉降,分层沉降标：埋设在路堤断面中线下地层分界线处，土层较厚处2至3米设置一个观测点，分层标钻孔深度即为埋置深度。,。,剖面布置图,分层沉降标示意

6、图,沉降观测仪器-水平位移,测斜管：埋设于地基土体水平位移最大的平面位置，一般埋设于路堤边坡坡趾处或边沟上口外线1m左右的位置。,。,剖面布置图,测斜管示意图,沉降观测仪器-孔隙水压力,孔隙水压计：由水压力计、透水石等部件组成，适用于路基内不同地质层面的孔隙水压力测量，可进行长期监测。埋设于地基土体水平位移最大的平面位置，一般埋设于路堤边坡坡趾处或边沟上口外线1m左右的位置。,。,孔隙水压力的埋设,孔隙水压力计,沉降观测仪器-土压力,土压力：计由背板、感应板、信号传输电缆、振弦及激振电磁线圈等组成。适用于长期测量土石坝、土堤、边坡、路基等结构物内部土体的压应力。,。,土压力计,Huazhong

7、 University of Science&Technology,2.3 典型监测成果,6标k12+150-3处累计沉降量随时间变化曲线,6标k12+150-3处孔隙水压力随时间变化曲线,Huazhong University of Science&Technology,典型监测成果-K12+150-3,6标k12+150-3处土压力随填土高度变化曲线,6标k12+150-3断面边桩水平位移变化曲线,Huazhong University of Science&Technology,典型监测成果-K12+600-1,6标k12+600-1处累计沉降量随时间变化曲线,6标k12+600-1处孔

8、隙水压力随时间变化曲线,Huazhong University of Science&Technology,典型监测成果-K12+600-1,6标k12+600-1处土压力随填土高度变化曲线,6标k12+600断面边桩水平位移变化曲线,3 曲线拟合法在高填方路基沉降预测中的应用,曲线拟合法的概述,常见的曲线拟合法在高填方沉降预测中的应用,华中科技大学,各曲线拟合法 预测结果与现场监控数据对比分析,3.1 基于实测数据的沉降预测方法的适用性,Huazhong University of Science&Technology,Huazhong University of Science&Techn

9、ology,3.2 常见的曲线拟合法在高填方沉降预测中的应用,该法近似认为地基的沉降变形量与时间成双曲线函数关系，其基本方程式为： 式中St为时间t时的沉降量，S0为时间t0时的沉降量， 、 为待定拟合参数。,一、双曲线拟合法,、,当 ，则有 ，由上式可得地基的最终沉降量：,双曲线拟合法预测各断面最终沉降量相关参数,Huazhong University of Science&Technology,双曲线法是一种经验方法，推算原理不强，理论性不够明确，且会因实测沉降时间不够，无法采用双曲线法推测，但由于其形式简单明了，所以有一定的实用性。该法需要有较长时间的观测资料，否则造成推算值存在较大偏差

10、，使得拟和出的沉降结果偏大。,Huazhong University of Science&Technology,3.2 常见的曲线拟合法在高填方沉降预测中的应用,利用地基的平均固结度可以得到t时刻的沉降公式： 式中St为时间t时的沉降量，Sd为瞬时沉降量， 为地基的最终沉降量。,二、指数曲线拟合法,、,若不考虑瞬时沉降的影响，上式可简化为：,指数曲线拟合法预测各断面最终沉降量相关参数,Huazhong University of Science&Technology,指数曲线法通常采用三点法，其需在实测的曲线上取荷载恒定后时间间隔相等的三点。由于三点的选定任意性往往会使推算结果带有人为的误差

11、，大量的工程实例应用表明：该模型后期确实拟合较好，但对前期沉降拟合不够稳定，且其拟和出来的结果偏小。,3.2 常见的曲线拟合法在高填方沉降预测中的应用,三、皮尔曲线拟合法,、,是 的微分，表示 的变化速率。则 的增长率就等于其微分方程为： 用分离变量法对微分方程求解，则有： 上式就是逻辑斯蒂成长曲线，也称泊松曲线或皮尔曲线方程。 Pearl 成长曲线预测模型的数学公式可简化为：,皮尔曲线拟合法预测各断面最终沉降量相关参数,Huazhong University of Science&Technology,由于皮尔成长曲线所反映的事物发生、发展、成熟并到达一定极限的过程与地基沉降的变化发展过程十

12、分相似。因此皮尔成长曲线很好地反映了全过程的地基沉降与时间的关系。,Huazhong University of Science&Technology,3.3 各曲线拟合法预测结果的对比分析,利用总体最小均方差法对上述各种曲线拟合法进行评判，计算结果如下表 。,各曲线拟合的最终沉降量汇总表,Huazhong University of Science&Technology,3.3 各曲线拟合法预测结果的对比分析,采用双曲线法、皮尔曲线法预测武汉天河机场第二公路通道S6标段典型高填方路基静载期和工后期沉降量的总体均方差和相对残差均比较小，说明采用双曲线法、皮尔曲线法预测路基静载期和工后期沉降误差

13、较小，吻合程度好。 双曲线法预测武汉天河机场第二公路通道S6标段典型高填方路基工后期沉降的总体均方差和相对残差均是最小的，皮尔曲线法施工期的总体均方差和相对残差相对双曲线法、指数曲线法小，静载期的总体均方差相对双曲线法、指数曲线法小，相对残差相对双曲线大1.95%。这说明皮尔曲线法对于施工期和静载期沉降的拟合相对于双曲线法、指数曲线法好。双曲线法对于工后期拟合相对较好。,4 灰色预估法在高填方路基沉降预测中的应用,灰色系统理论概述,灰色预估模型的建立,华中科技大学,灰色预估模型工程应用,灰色预估法与曲线拟合法的对比分析,Huazhong University of Science&Techno

14、logy,4.1 灰色系统理论,灰色系统理论按照五步建模思想构建，通过灰色生成或序列算子的作用弱化随机性，挖掘潜在的规律。通过灰色差分方程和灰色微分方程之间的互换实现了利用离散的数据序列建立连续的动态微分方程的新飞跃。,灰色系统理论的主要内容包括以灰色朦胧集为基础的理论体系，以灰色关联空间为依托的分析体系，以灰色序列生成为基础的方法体系，以灰色模型为核心的模型体系，以系统分析、评估、建模、预测、决策，控制和优化为主体的技术体系。其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或者累减，使之变成一非负递增的数据列，用适当的曲线逼近，以此曲线作为预测模型，对系统进行预测。,Huazh

15、ong University of Science&Technology,4.2 灰色预估模型的建立,4.2.1 等时距灰色预估模型GM(1,1)建立,4.2.2 不等时距灰色预估模型GM(1,1)建立,4.2.3 优化不等时距灰色预估模型GM(1,1)建立,Huazhong University of Science&Technology,4.3 灰色预估模型的工程应用,Huazhong University of Science&Technology,施工期的应用,K12+300-1观测断面拟合方程： ，其最终累积沉降量为29.603cm。,K12+300-1观测断面的关联度e大于0.9，

16、后验差比值C小于0.35，小概率误差P为1，即该模型的精度为1级（好）。,Huazhong University of Science&Technology,静载期的应用,K12+150-3观测断面拟合方程： ，其最终累积沉降量为16.206cm。,K12+150-3观测断面的关联度e大于0.9，后验差比值C小于0.35，小概率误差P为1，即该模型的精度为1级（好）。,Huazhong University of Science&Technology,工后期的应用,K12+600-1观测断面不等时距灰色预估GM(1,1)模型拟合方程： ，其最终累积沉降量为41.294cm； 优化的等维新信息不

17、等时距灰色预估GM(1,1)模型拟合方程： ，其最终累积沉降量为42.672cm。,不等时距灰色预估GM(1,1)模型和优化的等维新信息不等时距灰色预估GM(1,1)模型对K12+600-1观测断面的的关联度e均大于0.9，则其模型的精度为一级。后验差比值C均小于0.35，小概率误差P均大于0.95，故它们模型的精度均为1级。,工后期的应用,K12+600-1观测断面沉降实测值与预测值对比结果,优化的等维新信息不等时距灰色系统预估GM(1,1)模型对实测值的预测更为精准些，更适合对武汉天河机场第二公路通道S6标段高填方路基工程的工后期的沉降预测。,工后期的应用,优化的等维新信息不等时距灰色系统

18、预估GM(1,1)模型预测K12+600-1观测断面365d-416d路基累计沉降值结果,K12+600-1断面预测值与实测沉降值非常接近，总体相对误差都在0.5%以内。故运用灰色系统理论建立的关于K12+600-1观测断面优化的等维新信息不等时距灰色预估模型精度等级良好。,5 高填方路基施工数值模拟分析,有限元FLAC概述,高填方路基填筑施工动态模拟仿真分析,华中科技大学,高填方路基的沉降变形特性,Huazhong University of Science&Technology,5.1 有限元概述,FLAC不仅能够用来模拟土、岩石和其它材料的非线性力学行为，而且可以解决众多有限元程序难以模

19、拟的复杂工程问题，例如大变形、大应变、非线性和非稳定性系统，甚至大面积屈服/失稳或完全塌方等问题。FLAC采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术能够非常准确模拟材料的塑性破坏和流动。,FLAC差分法迭代求解图,5.2 高填方路基填筑施工动态模拟仿真分析,选取模型尺寸水平宽140m，垂直高36m，即左右两侧计算边界为2倍左右的路基宽度，下部计算边界为2倍左右的填土高度。模型的左右两侧受X方向约束，前后受Y方向约束，底部受Z方向约束，地表为自由面。,三维有限元模型图,5.2 高填方路基填筑施工动态模拟仿真分析,模型中弱风化泥质粉砂岩、细砂土和耕植土以及路基填土层选择用可以模拟土体弹塑性特点的莫

20、尔库仑模型，粉砂土、粘性土采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，固结计算中孔隙水压力的增长消散采用fl-isotropic匀质流体模型来模拟。,数值模拟计算参数表,5.3 高填方路基沉降的变化规律,在填土高度小于或等于9m时，路基沉降变形和路基的填土高度成线性关系，在填土高度大于9m时，路基沉降变形随路基的填土高度增大而急剧增加。,5.3.1 不同填土高度下路基沉降变形特性,5.3 高填方路基沉降的变化规律,在填土高度小于或等于9m时，路基水平变形和路基的填土高度成线性关系，在填土高度大于9m时，路基水平变形随路基的填土高度增大而急剧增加。,5.3.1 不同填土高度下路基沉降变形特性,5.3.2 不同填料下路基沉降变形特性,不同填料下路基中线处最大竖向位移图,5.3 高填方路基沉降的变化规律,在填筑高度为8m、9m时，细颗粒填料即砂土、粘土的沉降变形和粗颗粒填料即钙质页岩、砂岩的沉降变形相差不大。 在填筑高度为10m时，细颗粒填料即砂土、粘土的沉降变形明显较粗颗粒填料即钙质页岩、砂岩的沉降变形大，此时细颗粒填料即砂土、粘土的沉降变形相差不大