软土路基沉降计算方法及影响因素研究

胡钰睿

摘 要：在软土地区修筑高速公路，最重要的是控制路基沉降。本文探讨了软土路基沉降的计算方法，分析了影响沉降的一些主要因素，并指出软土路基沉降计算存在的困难与问题，最后提出了自己的建议。

关键词：软土;路基;沉降计算

0引言

地基沉降分析是土力学的重要研究课题之一。自从Terzahgi的一维固结理论问世以来，土体固结沉降理论研究取得了长足的发展，并在工程建设中发挥了巨大的指导作用。且随着计算机技术的进步，采用有限元等数值计算、分析沉降已成为现实，但是软土地基沉降的课题仍然困扰着许多岩土工程技术人员[1]。

软土是一种特殊性土，具有压缩性大、渗透性低、固结变形时间长等特点。在软基上修建筑物，沉降问题和稳定问题就显得尤为突出。因此，高速公路路基沉降的分析与计算已经引起广泛的关注。本文就软土路基的沉降计算问题做一些探讨。

1软土路基的沉降计算

1.1沉降的组成

在软土地区修筑高速公路，必然导致路基的下沉。通常认为沉降是由瞬时沉降、主固结沉降与次固结沉降三部分组成。即S=Sd+Sc+Ss

式中：Sd—瞬时沉降，由于土体的侧向变形引起的附加沉降;Sc—主固结沉降，是加荷后土体的体积压缩变形引起的沉降;Ss—次固结沉降，由于土体蠕变而发生的沉降;

由于土体侧向变形引起的那部分沉降，其实并不是瞬时发生的，它在沉降的整个过程显示出其影响。

1.2常规计算方法

（1）泊松模型

泊松曲线反映了实际事物发生、发展、成熟，然后达到一定极限的过程。这一点和荷载逐步施加与对应的沉降逐步发生的过程十分相似。在时间序列预测中，泊松曲线的表达式为

式中：y为第t期的沉降预测值，t为时间，a、b和c为待定参数。利用一时间序列求出上述3个待定参数即可建立泊松曲线方程，从而可以对今后的y进行预测。由式（2）可以看到，泊松曲线具有以不通过原点、单调递增、有界、曲线呈“s”形和灵敏性好等特点。对于饱和土和非饱和土，荷载加载后，虽变形机理不一样，但在沉降曲线上都存在一个初始沉降，泊松曲线能很好地体现这一特点。但在采用泊松模型预测时，所需实测数据必须是等时空距数据，且数据越多预测精度越高[3]。

（2）灰色模型

灰色模型方法是一种综合运用数学方法对信息不完全的系统进行预测、预报的理论和方法。其基本思想是将与时间有关的已知数据按某种规则加以组合，构成白色模块，然后按某种规则提高灰色模块的白化度，其特点是应用为数不多的数据就能建模。灰色预测是灰色系统重要的组成内容，其基本3个环节为：模型识别（建模）、参数估计和预测。参数估计是指由系统过去行为构成的数据序列反演确定模型下一步预测参数的过程，称为灰色逆过程。参数确定以后就可以用灰色模型对目标进行预测、预报。

（3）神经网络法

人工神经网络法在处理非线性问题上具有其独特的优越性，可以充分运用人工神经网络较强的非线性映射能力，基于路堤沉降的前期实测资料，对高度复杂、高度非线性的土工结构进行直接建模来预测路堤的沉降量，这样更能反映软基路堤的沉降规律。彭涛[4]和张慧敏等[5]都曾采用传统的三层BP网络模型对此作过研究，二者具体实施方法尽管不太相同，但均取得了较满意的结果。但是该法对多级荷载下的路堤沉降预测，特别是沉降一时间曲线上有明显“台阶现象”的情形适用性较差。

（4）曲线拟合法

曲线拟合方法属于经验方法，即采用与沉降预测曲线相似的曲线进行拟合，然后外延求出后期沉降量。目前，工程上常用的拟合曲线有：指数曲线法、双曲线法及沉降时间倒数法等。曲线拟合方法推算原理不强，理论性不够明确，预测精度不高。也会因实测沉降时间不够，无法用拟合推测。但它比较简单明了，所以有一定的实用性[7]。

2影响软土路基沉降计算的一些主要因素

影响软土路基沉降计算的因素很多，本文着重讨论以下几个方面：

2.1土体自重应力的计算

软土地基中的地下水位通常很高，对于地下水位以下的土体，当其液性指数为0

2.2土中压力随沉降变化

当软土地基上的荷载是填土时，一方面，在施工期间的地基沉降由后继填土补填起来，从而使实际填土荷载大于原设计荷载;另一方面，当地下水位很高时，沉至地下水位以下的填土会受到浮力作用，导致基底附加压力减少。常规计算很难考虑这两方面的影响。事实上，由于路基沉降导致的超填荷载与填土浸水后受到的浮力作用，对沉降量的影响具有互补性，故在沉降分析中应对这两方面的影响综合考虑，否则将会导致更大的误差。

2.3侧向变形

软土变形中不仅包含弹性变形，也包含塑性变形。路堤荷载作用下，软土的固结过程中，侧向变形也逐渐增大，土体的沉降不仅由于主应力引起的排水固結，还由于土体中不断发展的侧向变形。侧向变形的大小与土的性质、软土层的位置、路堤的高度等因素有关。如果在沉降计算中不考虑侧向变形的影响，会使计算沉降与实测沉降出现较大偏差。

2.4加载方式和加载速率

实际施工中的加载方式变化很大，采用不同的加载方式和加载速率，路基的沉降一时间曲线显著地不同。加载速率对初期沉降有明显影响，而对后期沉降影响不大。填筑速率过快，土体没有充分固结，会造成较大的工后沉降。

3结论

（1）目前工程中常用的软土路基沉降计算方法含有许多简化假定，与实际情况不完全符合。进一步研究新的计算理论和计算方法，尽可能考虑多种因素的影响，又做到简单直观，方便工程设计人员使用。

（2）土力学问题的分析与计算，目前仍处在半理论半经验阶段，计算参数的选用可能比计算方法更为重要。建议进行广泛的试验研究，深入了解各地区软土的基本特性。

（3）由于高速公路路堤的设计一般以变形控制为主，对工后沉降量的要求很高。因此有必要建立高速公路专家设计系统，指导信息化施工，有效地控制工后沉降量。

参考文献：

[1] 王志亮. 软基路堤沉降预测和计算[D]. 河海大学， 2004.

[2] 周镜. 软土沉降分析中的某些问题[J]. 中国铁道科学， 1999（2）：17-29.

[3] 冯震， 祝海涛， 熊仲华. 泊松模型预测路基沉降[J]. 东华理工大学学报（自然科学版）， 2003， 26（4）：364-366.

[4] 彭涛， 杨岸英， 梁杏， et al. BP神经网络-灰色系统联合模型预测软基沉降量[J]. 岩土力学， 2005， 26（11）：1810-1814.

[5] 张慧梅， 李云鹏， 毛成. 人工神经网络在软土地基路基沉降预测中的应用[J]. 长安大学学报：自然科学版， 2002（4）：20-22.

[6] 陈善雄， 王星运， 许锡昌， et al. 路基沉降预测的三点修正指数曲线法[J]. 岩土力学， 2011， 32（11）：3355-3360.

[7] Xiang X ， Lianliang S ， Liang J ， et al. 高速公路软土路基工后沉降预测的新方法[J]. 岩土工程学报， 2011， 33（S1）：132-137.