公路软土地基沉降预测的探讨

公路软土地基沉降预测的探讨摘要：沉降预测在公路软土地基处理中占有重要地位，也是选择处理效果的主要指标及制定维修维护计划的基础。本文在总结现有沉降预测方法的基础上，指出影响预测精度的主要原因是目前对软基变形的定性不准及观测数据时间序列过短，目前公路软土地基的沉降预测还处于初级阶段。关键词：沉降预测软土地基固结1前言沉降预测是软基处理的重要内容，公路软基处理的每一个环节都与沉降预测息息相关。在设计阶段，变形的大致估算或预测是选择和确定处理方法的依据；在施工阶段，变形预测是采用超载等手段的决策基础；在施工后阶段，沉降预测是评价软基处理质量的主要指标及制订维修维护计划的重要参考。基于沉降预测在公路软基处理中的重要性，岩土工作者多年以来在此方面作了大量的工作，总结出了理论的、经验的、理论与经验相结合的多种预测方法，这些预测方法在实际工程中得到广泛应用，但在某些情况下，特别是深厚软土的情况下，实际变形与预测的沉降存在着较大的偏差，有的甚至与预测的情况完全偏离。本文在对沉降预测方法简单总结评价的基础上，对深厚软基上沉降预测偏差较大的原因作了初步分析。2公路软基沉降预测的主要方法2.1分层综合法分层综合法是软土地基处理设计的最常用的方法，一般采用一维固结的分层综合法计算公式，由于计算结果与实测数据往往有较大偏差，实际应用中一般用经验系数ms加以调整。S=ms×Sˊ(式1)其中S为最终取值，Sˊ为分层综合法计算取值ms为经验系数，取值范围一般在0.7～1.7之间。调整后的分层综合法也经常与实测结果有较大的偏离，其原因一是分层综合法附加应力计算误差较大、每一土层的孔隙比及压缩指数代表性不强，一是ms取值范围太大，没有详尽的取值标准，使采用该方法得出的最终结果有很大的人为性。理论上讲，ms主要用来调整由于采用一维固结公式而忽略地基由于土体剪胀性而引起的沉降。从这个意义上讲，ms应大于1，ms应与软土的强度、厚度、填土高度及加载方式有关，软土强度越低，厚度越大，填土高度越大，加载速率越高，则ms取值应越大。文献①详述了软土厚度与填土高度对ms取值的影响，笔者认为，加载速度对ms的影响值得重视，加载速率越快，地基中剪应力水平越高，土体的侧向挤出量越大，在地基处于极限平衡状态时，软土的侧向挤出量甚至成为软土沉降的重要组成部分。2.2曲线拟合法曲线拟合法分为指数曲线拟合法、对数曲线拟合法、双曲线拟合法等，其中双曲线拟合法较为常用②。曲线拟合方法都是假定实际的s－t关系曲线符合选定的曲线型式，在s－t曲线中选取几点代入曲线方程中，确定曲线的形态，然后对曲线外推即得到沉降预测的结果。曲线拟合法由于方法易于掌握，在实践中得到了广泛的应用，用该法进行短期的沉降预测往往能得到满意的结果，其缺陷是选点有较大的随意性，如在s－t曲线选取不同的点进行试算，则最终选定的预测结果也有较大的人为性。2.3数值计算方法数值计算方法主要是指基于土的某个模型的有限元计算方法，主要应用的模型有邓肯模型、剑桥模型等。在有限元计算方法的基础上，近年来还发展了人工神经网络法、遗传算法和灰色系统法③等不拘于固定模型的软土变形计算方法。由于数值计算方法较难掌握，应用范围受到一定限制。理论上，数值计算方法可以达到很高的精度，但由于其建立的概念模型与实体往往有较大的差异，实际预测的精度与曲线拟合法相比没有非常明显的提高。3影响变形预测精度的因素以上几种沉降预测方法在应用中往往存在精度不高的问题，表1为广珠段（东线）高速公路六标段软基用分层综合法计算沉降量与实测沉降量的对比，计算结果明显小于实测值。计算时ms取值为1.2，对软土的侧胀性考虑不足，分层综合法计算软土沉降应采用考虑侧胀性的二维固结模型，缩小ms的取值范围，提高计算精度。表1广珠段（东线）高速公路6标段软基实测沉降与计算沉降对比表监控断面K26+120K26+415K26+570K26+270K26+530实测沉降（cm）127186167190145计算沉降（cm）98124150125136百分比129150111152107表2广珠段（东线）高速公路预测工后沉降与实测沉降对比表监控断面K26+120K28+415K32+210K34+248K34+952K3+490K38+975软土厚度（m）129112532285实测沉降（mm）24.825.88.0259.1311.7330.97.6曲线法预测沉降（mm）66987616418419634数值法预测沉降（mm）56765414513416522注：实测沉降为1999年12月6日通车至2002年2月的累计沉降；预测沉降为预测营运15年内的沉降。表2为广珠段（东线）通车2年的实测沉降与预测15年工后沉降的对比表，从中可以看出，在软土较薄的情况下，曲线拟合法及数值计算法预测的结果都相对较好，在深厚软土的情况下，两种预测结果均偏离较大。笔者认为曲线拟合法及数值计算法预测沉降存在误差的主要原因如下：3.1沉降观测序列的长度在条件不变的情况下，沉降预测的精度与观测的时间长度及需预测的时间长度的比值有关，称这个比值为k，则k值越大，预测的精度越高。如k值大于2，则预测值精度较高，如1＜k＜2，则预测值仅在条件简单的情况下，如软土较薄，附加应力较小的情况下，有较高的精度，在k＜0.5的情况下，预测结果仅可以作为定性分析的参考，不能作为定量预测。从这个意义上讲，目前公路软土规范用公路运营15年的工后沉降作为软基处理的标准是值得商榷的，除了沉降已基本稳定的路段可以直接判断外，以公路2至3年建设期的数据推算未来15年的变形本身是不可行的或者说是极不可靠的，建议工后沉降的预测期限以2年为宜，最长不超过3年。3.2忽视了观测期与预测期内沉降组成部分的差异软土沉降由主固结沉降、次固结沉降及瞬时沉降三部分组成，在软基处理的各个阶段，各个部分在总沉降中所占比例不断发生变化。次固结变形速率比较稳定，而主固结及瞬时沉降随不同情况发生较大的变化。主固结变形速率随固结度的增长逐渐减小，在软土较薄的情况下，软土的主固结较快的完成，主固结速率迅速减小，工后沉降较小，易于预测。在软土较厚的情况下，软土下部的主固结速率明显滞后于上部，主固结速率的衰减较为缓慢，甚至成为工后沉降的主要组成部分④，工后沉降较大。不了解深厚软土主固结的这个特点，容易在预测时出现较大的误差。瞬时沉降包含软土因侧胀性引起的沉降，可以占总沉降的15%以上⑤，某些情况下可以占发生沉降的50%以上⑥。瞬时沉降一般在加载结束后变形速率迅速衰减，基本不参与工后沉降。但在软土较厚，强度较低，附加应力较大的情况下，其衰减速率较低，可以在工后10年以上继续产生变形⑦，成为工后沉降的组分之一，目前的数值法预测模型仅在加载时考虑瞬时沉降，在建立概念模型时已出现偏差。由于沉降组成的比例随阶段不同发生变化，致使每个阶段沉降的特征是不相同的，曲线拟合法及数值计算法均是用前期的沉降特征对后期进行预测，产生误差是不可避免的，在软土较厚、强度较低、附加应力较大情况下，软土沉降的特征变化更为复杂，预测的误差就更大，在这种情况下，采用工程比拟法往往能取得较好的效果。3.3车辆动载及路面加铺的影响公路软土规范中写明车辆动载对沉降的影响可以忽略，但据文献介绍⑧及对珠三角高速公路实际观察，车辆动荷载对工后沉降有较大影响。在桥头处，由于车辆动载的冲击相当于一个额外的附加应力，增大了桥头段的工后沉降。另外沉降趋于稳定后加铺的路面也加大了工后沉降。这些因素也是造成预测结果与实测发生偏差的原因。4结论4.1分层综合法计算沉降时，应采用考虑软土侧胀性的二维固结模型。4.2观测时间序列太短是影响沉降预测精度的重要因素。4.3在软土较厚、强度较低、附加应力较大的情况下，沉降预测偏差较大，主要原因是忽视了不同阶段沉降组成及其特征的变化。4.4车辆动荷载及路面加铺是造成工后沉降预测与实测结果产生偏差的原因之一。参考文献：①刘银生，杨东援.公路软土地基总沉降预测研究.公路交通科技.1999年9月.②孙常青等.沉降观测曲线的拟合和最终沉降量的确定.长江科学院院报.2002年10月.③周焕云，黄晓明.高速公路软土地基沉降观测方法综述.交通运输工程学报.2002年8期.④刘增贤.“软土工后沉降的观测与分析”.中外公路.2002年第4期.⑤张诚厚等.“剪切变形引起附加沉降量的计算方法”.高速公路软基处理.中国建筑工业出版社．1997年3月．⑥E.W.Brand．软粘土工程学．中国铁道出现社．1991年8月．⑦周镜．“软土沉降分析中的一些问题”．中国铁道科学．1996年6月．⑧SukeoOhara．Studyonthesettlementofsaturatedclaylayerinducedbycyclicshear．Soilsandfoundation．Sept.1988．