基于SFIA的路基沉降預(yù)測應(yīng)用研究

胡其志，黃希程，葉忠武，游 鵬

（1湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068；2湖北省路橋集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430000）

國內(nèi)外數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果［1］表明:高速公路出口匝道在互通區(qū)域內(nèi)事故率占到約40%，出口匝道發(fā)生側(cè)翻和碰撞路側(cè)護(hù)欄等交通事故率高達(dá)75%。入口匝道采用RLRM［2］控制方法有效地控制了交通堵塞緩解率，交通量越大效果越明顯。隨著我國交通工程學(xué)科的不斷發(fā)展深入，必將為高速公路互通立體匝道建設(shè)提供更好的發(fā)展平臺，并且匝道路基沉降控制決定著道路工程匝道建設(shè)的成敗，也關(guān)系著高速公路運(yùn)營的安全性與舒適性。通過對路基沉降估算常見的方法進(jìn)行優(yōu)劣分析，選用SFIA方法對某匝道填方地段的沉降進(jìn)行預(yù)測。

1 SFIA方法

SFIA方法也稱為地基與基礎(chǔ)共同作用分析方法（Subsoil ＆Foundation Interaction Analysis），大體經(jīng)歷三個(gè)階段:建立對立靜力平衡體系計(jì)算的初級階段，通過彈性地基和彈塑性地基應(yīng)用分析的過渡階段，和運(yùn)用有限元（子結(jié)構(gòu)）研究共同作用的最終階段。

國外的研究起源于20世紀(jì)40年代。1947年G.G.Meyerhof［3］首先提出框架結(jié)構(gòu)與土的共同作用概念，推導(dǎo)出框架結(jié)構(gòu)等效剛度的公式，以考慮上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎(chǔ)剛度的貢獻(xiàn)。隨著有限元和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，O.C.Zeinkeiwicz和 Y.K.Cheung［4］應(yīng)用有限元研究地基基礎(chǔ)的共同作用。1968年，J.S.Pr Zen1ieniec［5］提出子結(jié)構(gòu)的分析方法，用來解決計(jì)算機(jī)存儲問用研究的發(fā)展。張國霞［6］為核心研究團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過20多年比較系統(tǒng)的理論研究與現(xiàn)場測試，創(chuàng)建了一種地基土非線性本構(gòu)模型，以此為基礎(chǔ)逐漸形成了一套較完整的地基與基礎(chǔ)共同作用分析方法-SFIA。

根據(jù)布辛奈斯克應(yīng)力假設(shè)［7］和分層總和法［8］建立起地基柔度矩陣，推出地基沉降與基底反力的關(guān)系式:

S為節(jié)點(diǎn)沉降量；δ為地基柔度系數(shù)；p為平均基地反力向量；S0為外來沉降量，包括外荷塊的荷載引起的沉降量；nb為計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)；hik為i節(jié)點(diǎn)處第K土層厚度；σijk為j加荷塊作用單位壓力時(shí)；i節(jié)點(diǎn)第k層土的垂直應(yīng)力；Mik為由單向壓剪非線性本構(gòu)關(guān)系確定的第i節(jié)點(diǎn)第k層土的計(jì)算模量。

國內(nèi)外公路路基沉降預(yù)測的方法各異，如曲線擬合法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、泊松模型、三點(diǎn)法、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)校正法等等。

目前工程上常用的擬合曲線有:雙曲線法、降時(shí)間倒數(shù)法及對數(shù)曲線法等。曲線擬合法屬于經(jīng)驗(yàn)方法，應(yīng)用比較簡單，但它的推算原理不強(qiáng)，預(yù)測精度不高。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能對復(fù)雜問題進(jìn)行預(yù)測，但其對預(yù)測結(jié)果不能準(zhǔn)確的解釋。泊松模型預(yù)測方法對實(shí)測數(shù)據(jù)有一定要求，實(shí)測數(shù)據(jù)越多預(yù)測精度越高并且必須是等時(shí)空距數(shù)據(jù)。三點(diǎn)法中3點(diǎn)的選擇以時(shí)間—沉降的曲線趨于穩(wěn)定階段為依據(jù)，并且要求選取3點(diǎn)間隔盡可能大，這樣推算的沉降值最接近真實(shí)值［9］。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)校正法是目前國內(nèi)公路軟土地基總沉降預(yù)測最常用的方法，其計(jì)算結(jié)果取決于沉降系數(shù)的選取。根據(jù)《公路軟規(guī)》中相關(guān)規(guī)定:地基的總沉降應(yīng)采用沉降系數(shù)m與主固結(jié)沉降Sc計(jì)算:S＝mSc，沉降系數(shù)m為一經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與地面狀況、負(fù)荷強(qiáng)度、負(fù)荷率等因素有關(guān)，其范圍值為1.1～1.7，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場沉降觀測資料確定。

相比上述方法，SFIA方法具有以下新特點(diǎn):1）采用簡單實(shí)用的地基土非線性本構(gòu)關(guān)系，即地基土的單向壓密非線性模量與地基土的單向剪切非線性模量，并確定了地基土的單向壓剪模型；2）考慮基礎(chǔ)剛度對建筑物沉降的調(diào)整作用，使沉降分布更接近實(shí)際；3）總沉降量采用增量法分階段計(jì)算及最后計(jì)總沉降量，并且可以模擬不同階段荷載與剛度變化；4）通過大量的建筑物沉降實(shí)測資料“反演”得到的經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，可獲得與實(shí)際較接近的沉降估計(jì)值和分布情況［10］.

2 工程實(shí)例

湖北黃岡至鄂州高速公路，起于黃岡市團(tuán)風(fēng)縣黃州區(qū)回龍鎮(zhèn)，設(shè)黃州北樞紐互通連接大廣北高速公路。路基表層厚度為0.6～9.3m，路基填料為處理后的粘性土。根據(jù)地質(zhì)鉆探結(jié)果，該段地基的工程地質(zhì)條件為:①第四系填土（Qme）層:人工填筑填土主要呈黃褐色或褐色，以含碎石的粘性土為主，結(jié)構(gòu)松散－稍密且稍濕－濕性。局部為人工填筑雜填土（含建筑垃圾）鉆孔揭露層厚約0.5～4.0m。②第四系全新統(tǒng)沖積（Q4a1）層:第四系全新統(tǒng)沖積淤泥及淤泥質(zhì)土層呈黃褐色、深灰色或褐色，局部混砂，厚度2.2～9.3m。③第四系更新統(tǒng)沖積（Q2＋3a1）層:粘土及粉質(zhì)粘土呈紅黃色～磚紅色，濕－飽和狀態(tài)，局部含少量礫石。④第四系更新殘坡積（Qe1＋d1）層:以粉質(zhì)粘土為主呈褐色或桔黃色，底部含礫石，硬塑為主，厚度0.5～6.3m。

選取黃岡互通段AB匝道路基沉降為例。為確保公路建設(shè)的質(zhì)量和指導(dǎo)施工，觀測小組對所選路段路基進(jìn)行了長期的沉降與穩(wěn)定性觀測。觀測小組于2012年6月進(jìn)行現(xiàn)場勘查，確定沉降觀測方案和觀測點(diǎn)的埋設(shè)位置。對黃鄂高速公路黃岡互通段AK0＋420和BK0＋170兩個(gè)觀測斷面的沉降觀測資料進(jìn)行整理，并選用本文所述SFIA方法計(jì)算路基最終沉降量。路基的工后沉降值可以按路基施工完成后的實(shí)測沉降值與利用SFIA方法計(jì)算所得最終沉降的差值計(jì)算。

表1 路基沉降量實(shí)測值與計(jì)算值

圖1 AKO＋420斷面時(shí)間～沉降曲線擬合圖

圖2 BKO＋170斷面時(shí)間～沉降曲線擬合圖

由圖1～2可以看出，從路基開始施工到250d時(shí)，各斷面處的沉降量的變化由大到小逐漸趨于穩(wěn)定。兩斷面月沉降量連續(xù)3個(gè)月都小于0.3cm時(shí)，根據(jù)觀測結(jié)果綜合分析，兩斷面沉降已基本穩(wěn)定。到150d時(shí)，發(fā)生的主要是瞬時(shí)沉降和主固沉降，受前期短工期荷載影響較大，其沉降速率和沉降量都較大。而到200d時(shí)，地基土經(jīng)過預(yù)壓固結(jié)以后，主固結(jié)沉降基本上完成，工后沉降主要為次固結(jié)沉降，其沉降速率和沉降量都相對較小。由表1和圖1可知道，AK0＋420斷面處的計(jì)算最終沉降比實(shí)測沉降要大，差值為－2.3cm，實(shí)測和計(jì)算差值與最終沉降的百分比為－8.6%（負(fù)值代表實(shí)測值比計(jì)算值?。籅K0＋170斷面處實(shí)測值比計(jì)算值大（圖2），差值為＋1.9cm，實(shí)測和計(jì)算差值與最終沉降的百分比為＋1.03%（正值代表實(shí)測值比計(jì)算值大）。到110d時(shí)，兩斷面均出現(xiàn)“反彈”現(xiàn)象，BK0＋170處“反彈”比AKO＋420處更加明顯，此時(shí)計(jì)算沉降值更能說明路基沉降規(guī)律變化。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況綜合分析，得出結(jié)論:極易出現(xiàn)“反彈”現(xiàn)象是由于在施工作業(yè)期間連續(xù)加載后停止加載；現(xiàn)代機(jī)械化施工導(dǎo)致地基加載的不均勻；觀測人員受觀測儀器和客觀因數(shù)等影響；沉降觀測點(diǎn)的變動。直到150d觀測時(shí)再沒有出現(xiàn)過“反彈”現(xiàn)象，加載周期均勻，沉降比較有規(guī)律地變化，地基變形基本穩(wěn)定，沉降擬合曲線趨于平緩，最終AB兩匝道觀測的沉降計(jì)算值誤差均較小，且最大不超過5%，充分說明了SFIA方法在路基沉降預(yù)測中的適用性。

3 結(jié)束語

軟土路基的沉降變形包括瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三部分，最終總沉降量為三者之和。路基沉降主要發(fā)生在主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降部分，這是因?yàn)樗矔r(shí)沉降是加載后路基瞬時(shí)發(fā)生的沉降，沉降時(shí)間較短，沉降值較小，而主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降往往是逐漸產(chǎn)生的，沒有固定的界限。

結(jié)合長期的工后沉降觀測資料及本文敘述可知，路堤填筑期和預(yù)壓期路基加荷逐步增加，路基沉降量變化相對較大，采用SFIF方法計(jì)算出來的沉降值也存在誤差。路面施工期隨著路基填筑增高，每層填筑厚度逐步減少，沉降量逐漸減少，沉降曲線趨于平緩，與采用SFIA方法計(jì)算最終沉降值相近。據(jù)此可以知道SFIA方法是一種簡單實(shí)用、能夠比較準(zhǔn)確推算沉降量的方法，即根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)修正參數(shù)模型，對參數(shù)進(jìn)行反演分析，即可預(yù)測路基工后沉降量。結(jié)合本文兩個(gè)路基斷面，采用SFIA方法對其進(jìn)行預(yù)測，充分說明了該方法在路基沉降預(yù)測中的適用性。

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