路基沉降計(jì)算影響因素分析及預(yù)測方法研究
2016-07-05
0 引言
路基沉降的理論計(jì)算方法很多，每種方法的計(jì)算結(jié)果不同，同時影響路基沉降實(shí)際值的因素較多，這就使得理論值與實(shí)際值之間偏差較大。本文在詳細(xì)論述路基沉降理論計(jì)算方法、影響因素和實(shí)際測量的基礎(chǔ)上，采用國際上三大統(tǒng)計(jì)分析軟件之一的SPSS11.5進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與擬合，來對路基最終沉降量進(jìn)行預(yù)測[1]。
1 路基沉降計(jì)算影響因素分析
影響路基沉降的不確定性因素較多，這就嚴(yán)重影響了路基沉降理論計(jì)算的精確度。主要體現(xiàn)在計(jì)算模型的不確定性，荷載取值的不確定性，力學(xué)參數(shù)的不確定性，幾何尺寸的不確定性，初始狀態(tài)和邊界條件的不確定性等。
1.1 計(jì)算模型的不確定性
很多文獻(xiàn)[2]都詳細(xì)分析了計(jì)算模型的問題，由于各種模型的側(cè)重點(diǎn)不同，所以任何一個模型都不能完全反映實(shí)際情況。針對不同的填土，根據(jù)其通常的力學(xué)參數(shù)已經(jīng)提出了許多本構(gòu)模型和屈服準(zhǔn)則。不同本構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果差異很大。
同時，計(jì)算機(jī)計(jì)算與實(shí)際狀況之間存在矛盾的地方，比如，當(dāng)為了得到更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果而將模型設(shè)置的更能全面的反應(yīng)土的性質(zhì)，此時本構(gòu)關(guān)系可能會相當(dāng)復(fù)雜，這對計(jì)算機(jī)的性能要求就更高，數(shù)值計(jì)算就非常繁瑣，在實(shí)際工程中很難應(yīng)用。計(jì)算模型的不確定性與土粒粒度、成分和土體結(jié)構(gòu)有關(guān)，同時也和它所受外力的種類和方向、周圍環(huán)境、地下水的變化等因素有關(guān)[3]。
1.2 作用荷載的不確定性
對于高速公路來說，荷載主要包括施工荷載、土體結(jié)構(gòu)自重和車輛荷載。路基的沉降規(guī)律與荷載的施加方式及荷載大小有很大關(guān)系，加載方式不同、荷載大小不同、加載速率不同，路基的沉降規(guī)律就不同。
路基的初期沉降主要受加載速率的影響。當(dāng)路基填筑速率較小時，土體中的孔隙水壓力有足夠的時間進(jìn)行消散和降低，此時路基的沉降會隨著逐漸增大的填土荷載而逐漸增大。反之，當(dāng)施工填筑速率過快，土中孔隙水壓力不能完全消散，土體不能完全固結(jié)，這種情況下后期沉降將會很大。
對由于車輛荷載引起的路基沉降，一般將其轉(zhuǎn)換為靜載。路基在車輛荷載作用下引起的累積變形可以分為兩部分：在可變荷載作用下土體中的殘余應(yīng)變引起的變形和土體中由于可變荷載引起的孔壓消散產(chǎn)生的固結(jié)變形。正確估算道路構(gòu)筑物在可變荷載作用下的沉降，對實(shí)際工程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。
1.3 路基填料參數(shù)的不確定性
不同的施工地點(diǎn)，不同的施工環(huán)境，不同的施工方法下路基填料的參數(shù)都不同。數(shù)值計(jì)算的參數(shù)確定只能依靠大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)合現(xiàn)狀土的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果。路基沉降數(shù)值計(jì)算的精度很大一部分取決于土體參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析的精度。這些參數(shù)包括容重，彈性模量，泊松比以及強(qiáng)度，內(nèi)摩擦角等。Cambo通過研究發(fā)現(xiàn)，泊松比的變化對數(shù)值計(jì)算的結(jié)果影響不大，且泊松比統(tǒng)計(jì)分析的變異性很小。但彈性模量與強(qiáng)度系數(shù)的變化范圍較大，對數(shù)值計(jì)算的影響是顯著的。
與此同時，路基沉降呈現(xiàn)一定的整體性，受一定范圍內(nèi)路基填土整體的特性影響，但是填土的特性在整體范圍內(nèi)又呈現(xiàn)出明顯的空間差異，不同位置處的土體的特性各不相同。因此，土體材料參數(shù)通常需采用隨機(jī)場模型加以模擬。但在地基沉降未能全面實(shí)現(xiàn)概率分析以前，基于參數(shù)的反演分析方法亦是解決參數(shù)不確定性問題的較好 途徑。
1.4 路基幾何尺寸的不確定性
數(shù)值計(jì)算不能對整個施工環(huán)境進(jìn)行模擬，只能取關(guān)鍵部位及相應(yīng)的擴(kuò)大范圍進(jìn)行計(jì)算，這就涉及到模型幾何尺寸的問題。目前對這一方面的研究較少，主要側(cè)重于路基范圍內(nèi)各土層厚度的影響。
1.5 初始條件和邊界條件的不確定性
模型大小限制了對土體邊界的正常模擬，只能根據(jù)數(shù)值計(jì)算的要求、結(jié)果輸出的要求、土體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行近似模擬。需要考慮的因素主要包括：土體力學(xué)參數(shù)、數(shù)值計(jì)算的模型要求等。
2 路基沉降預(yù)測方法
由此可見，影響路基沉降的因素很多，如何在施工過程中正確的對路基沉降進(jìn)行預(yù)測顯得尤為重要。目前主要采用以路基沉降監(jiān)測為主，輔以在監(jiān)測數(shù)據(jù)上的沉降
預(yù)測。
采用科學(xué)合理的路基沉降預(yù)測方法，有助于準(zhǔn)確地預(yù)測路基最終沉降，為施工過程的安全保證提供數(shù)據(jù)支持。根據(jù)實(shí)測資料來推測最終沉降量，目前歸納起來，主要有4類方法：曲線擬合法、灰色系統(tǒng)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法。
2.1 曲線擬合法
該方法是基于原始測量數(shù)據(jù)，根據(jù)各個數(shù)據(jù)的大小對數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行近似的擬合。
2.2 灰色系統(tǒng)法
該方法的基本理論是對一組有序的數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)，重新得到一組數(shù)據(jù)，通過對這組數(shù)據(jù)采取適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行逼近，得到一條預(yù)測曲線。
2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法
該方法主要針對不能用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行函數(shù)表達(dá)的一些數(shù)據(jù)，將其用高維的非線性映射來表達(dá)。
2.4 遺傳算法
遺傳算法是全新計(jì)算方法。它處理的不是數(shù)據(jù)，而是編碼。它將模型參數(shù)進(jìn)行編碼，基于遺傳理論對編碼進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。同樣對高度非線性數(shù)據(jù)的處理有明顯的優(yōu)勢。
在實(shí)際工程中，對路基沉降預(yù)測而言。鑒于曲線擬合方法的原理簡單，容易掌握，結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛
采用。
3 曲線擬合法預(yù)測工后沉降
3.1 觀測斷面的設(shè)置
某公路路基為填方路堤。填土材料為粘性土。填土高度達(dá)到5m。路堤邊坡為雙坡，分別為1：1.5、1：1.75.路面橫坡坡度為2.0%。為保證填方路堤和坡面穩(wěn)定，在路中線和兩側(cè)路肩打入沉降板，在兩側(cè)坡腳部位打邊樁，沉降板和邊樁的材料均為鋼筋混凝土材料。如圖1所示。
3.2 典型斷面沉降曲線擬合與預(yù)測
本論文僅對該斷面的某一個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分析預(yù)測。目前可以采用多種軟件和工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，而被廣泛應(yīng)用且經(jīng)證明具有很高的實(shí)用價值和準(zhǔn)確程度的是SPSS。圖2便是利用此軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合的結(jié)果。
從圖2可以看出，四條擬合曲線都基本能夠反映實(shí)際曲線的變化趨勢。對數(shù)、二次多項(xiàng)式、三次多項(xiàng)式的擬合曲線更接近于實(shí)際曲線，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，對數(shù)、二次多項(xiàng)式、三次多項(xiàng)式的相關(guān)系數(shù)均大于0.95，相關(guān)程度已經(jīng)非常接近于1，說明采用該曲線擬合是比較合理的。
將根據(jù)擬合的多項(xiàng)式方程對后期沉降的預(yù)測值與后期實(shí)際沉降值進(jìn)行對比，差值在誤差允許范圍內(nèi)。說明預(yù)測結(jié)果具有一定參考價值。
4 結(jié)語
路基沉降是道路工程中的重點(diǎn)監(jiān)測對象，如何做好路基沉降的預(yù)測，及時采取措施對路基沉降進(jìn)行處理，對加快施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量，確保施工安全具有重要的意義。本論文介紹了幾種預(yù)測方法，并針對具體工程采用曲線擬合方法進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果顯示曲線擬合的預(yù)測誤差在允許范圍之內(nèi)，預(yù)測結(jié)果具有一定的參考價值。
參考文獻(xiàn)：
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