軟土路基沉降計算方法及影響因素研究

胡鈺睿

摘 要：在軟土地區修筑高速公路，最重要的是控制路基沉降。本文探討了軟土路基沉降的計算方法，分析了影響沉降的一些主要因素，并指出軟土路基沉降計算存在的困難與問題，最后提出了自己的建議。

關鍵詞：軟土;路基;沉降計算

0引言

地基沉降分析是土力學的重要研究課題之一。自從Terzahgi的一維固結理論問世以來，土體固結沉降理論研究取得了長足的發展，并在工程建設中發揮了巨大的指導作用。且隨著計算機技術的進步，采用有限元等數值計算、分析沉降已成為現實，但是軟土地基沉降的課題仍然困擾著許多巖土工程技術人員[1]。

軟土是一種特殊性土，具有壓縮性大、滲透性低、固結變形時間長等特點。在軟基上修建筑物，沉降問題和穩定問題就顯得尤為突出。因此，高速公路路基沉降的分析與計算已經引起廣泛的關注。本文就軟土路基的沉降計算問題做一些探討。

1軟土路基的沉降計算

1.1沉降的組成

在軟土地區修筑高速公路，必然導致路基的下沉。通常認為沉降是由瞬時沉降、主固結沉降與次固結沉降三部分組成。即S=Sd+Sc+Ss

式中：Sd—瞬時沉降，由于土體的側向變形引起的附加沉降;Sc—主固結沉降，是加荷后土體的體積壓縮變形引起的沉降;Ss—次固結沉降，由于土體蠕變而發生的沉降;

由于土體側向變形引起的那部分沉降，其實并不是瞬時發生的，它在沉降的整個過程顯示出其影響。

1.2常規計算方法

（1）泊松模型

泊松曲線反映了實際事物發生、發展、成熟，然后達到一定極限的過程。這一點和荷載逐步施加與對應的沉降逐步發生的過程十分相似。在時間序列預測中，泊松曲線的表達式為

式中：y為第t期的沉降預測值，t為時間，a、b和c為待定參數。利用一時間序列求出上述3個待定參數即可建立泊松曲線方程，從而可以對今后的y進行預測。由式（2）可以看到，泊松曲線具有以不通過原點、單調遞增、有界、曲線呈“s”形和靈敏性好等特點。對于飽和土和非飽和土，荷載加載后，雖變形機理不一樣，但在沉降曲線上都存在一個初始沉降，泊松曲線能很好地體現這一特點。但在采用泊松模型預測時，所需實測數據必須是等時空距數據，且數據越多預測精度越高[3]。

（2）灰色模型

灰色模型方法是一種綜合運用數學方法對信息不完全的系統進行預測、預報的理論和方法。其基本思想是將與時間有關的已知數據按某種規則加以組合，構成白色模塊，然后按某種規則提高灰色模塊的白化度，其特點是應用為數不多的數據就能建模。灰色預測是灰色系統重要的組成內容，其基本3個環節為：模型識別（建模）、參數估計和預測。參數估計是指由系統過去行為構成的數據序列反演確定模型下一步預測參數的過程，稱為灰色逆過程。參數確定以后就可以用灰色模型對目標進行預測、預報。

（3）神經網絡法

人工神經網絡法在處理非線性問題上具有其獨特的優越性，可以充分運用人工神經網絡較強的非線性映射能力，基于路堤沉降的前期實測資料，對高度復雜、高度非線性的土工結構進行直接建模來預測路堤的沉降量，這樣更能反映軟基路堤的沉降規律。彭濤[4]和張慧敏等[5]都曾采用傳統的三層BP網絡模型對此作過研究，二者具體實施方法盡管不太相同，但均取得了較滿意的結果。但是該法對多級荷載下的路堤沉降預測，特別是沉降一時間曲線上有明顯“臺階現象”的情形適用性較差。

（4）曲線擬合法

曲線擬合方法屬于經驗方法，即采用與沉降預測曲線相似的曲線進行擬合，然后外延求出后期沉降量。目前，工程上常用的擬合曲線有：指數曲線法、雙曲線法及沉降時間倒數法等。曲線擬合方法推算原理不強，理論性不夠明確，預測精度不高。也會因實測沉降時間不夠，無法用擬合推測。但它比較簡單明了，所以有一定的實用性[7]。

2影響軟土路基沉降計算的一些主要因素

影響軟土路基沉降計算的因素很多，本文著重討論以下幾個方面：

2.1土體自重應力的計算

軟土地基中的地下水位通常很高，對于地下水位以下的土體，當其液性指數為0

2.2土中壓力隨沉降變化

當軟土地基上的荷載是填土時，一方面，在施工期間的地基沉降由后繼填土補填起來，從而使實際填土荷載大于原設計荷載;另一方面，當地下水位很高時，沉至地下水位以下的填土會受到浮力作用，導致基底附加壓力減少。常規計算很難考慮這兩方面的影響。事實上，由于路基沉降導致的超填荷載與填土浸水后受到的浮力作用，對沉降量的影響具有互補性，故在沉降分析中應對這兩方面的影響綜合考慮，否則將會導致更大的誤差。

2.3側向變形

軟土變形中不僅包含彈性變形，也包含塑性變形。路堤荷載作用下，軟土的固結過程中，側向變形也逐漸增大，土體的沉降不僅由于主應力引起的排水固結，還由于土體中不斷發展的側向變形。側向變形的大小與土的性質、軟土層的位置、路堤的高度等因素有關。如果在沉降計算中不考慮側向變形的影響，會使計算沉降與實測沉降出現較大偏差。

2.4加載方式和加載速率

實際施工中的加載方式變化很大，采用不同的加載方式和加載速率，路基的沉降一時間曲線顯著地不同。加載速率對初期沉降有明顯影響，而對后期沉降影響不大。填筑速率過快，土體沒有充分固結，會造成較大的工后沉降。

3結論

（1）目前工程中常用的軟土路基沉降計算方法含有許多簡化假定，與實際情況不完全符合。進一步研究新的計算理論和計算方法，盡可能考慮多種因素的影響，又做到簡單直觀，方便工程設計人員使用。

（2）土力學問題的分析與計算，目前仍處在半理論半經驗階段，計算參數的選用可能比計算方法更為重要。建議進行廣泛的試驗研究，深入了解各地區軟土的基本特性。

（3）由于高速公路路堤的設計一般以變形控制為主，對工后沉降量的要求很高。因此有必要建立高速公路專家設計系統，指導信息化施工，有效地控制工后沉降量。

參考文獻：

[1] 王志亮. 軟基路堤沉降預測和計算[D]. 河海大學， 2004.

[2] 周鏡. 軟土沉降分析中的某些問題[J]. 中國鐵道科學， 1999（2）：17-29.

[3] 馮震， 祝海濤， 熊仲華. 泊松模型預測路基沉降[J]. 東華理工大學學報（自然科學版）， 2003， 26（4）：364-366.

[4] 彭濤， 楊岸英， 梁杏， et al. BP神經網絡-灰色系統聯合模型預測軟基沉降量[J]. 巖土力學， 2005， 26（11）：1810-1814.

[5] 張慧梅， 李云鵬， 毛成. 人工神經網絡在軟土地基路基沉降預測中的應用[J]. 長安大學學報：自然科學版， 2002（4）：20-22.

[6] 陳善雄， 王星運， 許錫昌， et al. 路基沉降預測的三點修正指數曲線法[J]. 巖土力學， 2011， 32（11）：3355-3360.

[7] Xiang X ， Lianliang S ， Liang J ， et al. 高速公路軟土路基工后沉降預測的新方法[J]. 巖土工程學報， 2011， 33（S1）：132-137.