软土地基沉降规律研究（精选5篇）
软土地基沉降规律研究 第1篇
隧道的纵向沉降及其不均匀性，将会引起隧道结构的附加内力、变形，对接头防水构成威胁。隧道的长期沉降监测数据可以反映纵向沉降在长期营运中的发展情况，沉降分析结果是隧道安全性和服役性评估的基础资料，有利于发现隧道内部结构变形或外部地层变化可能存在的隐患，从而及时采取有效工程防治措施，避免灾难性事故的发生。
国际隧协（ITA）盾构法隧道设计指南中第一次提出将隧道纵向沉降的影响必要时列入荷载种类的其它荷载项予以考虑，证明隧道的纵向沉降已经引起国际隧道工程界的重视。国内同济大学郑永来、黄宏伟等探讨了隧道渗漏对软土隧道沉降的影响[5,6,7]，结果表明，隧道渗漏导致的地面和隧道沉降随隧道渗透系数比的增加而增加。文献[8]进行了不均匀沉降导致的管片接头环缝开裂研究。文献[9,10,11]研究了盾构隧道纵向沉降对结构内力的影响。
本文结合某工程实例，拟对隧道纵向沉降的长期观测数据进行分析，得到了隧道整体纵向沉降形态曲线；计算了隧道纵向变形曲率变化。探讨了该隧道的沉降发展态势，以及不均匀沉降的影响因素。
1 隧道沉降观测方法
1.1 监测基准网
监测基准网是隧道沉降监测的基准参考系，由水准基点和工作基点构成。沉降监测网可布设成闭合环、结点或附合水准路线等形式。水准基准点，应埋设在变形区以外的基岩或原状土层上，亦可利用稳固的建筑物、构筑物设立基准点（注意：基准点的埋深要大于或等于隧道最深处地层）。当受条件限制时，在变形区内也可埋设深层金属管水准基准点[1]。起始点高程宜采用测区原有高程系统。监测面积较大时，宜与国家或测区原有水准网联测。
沉降监测网的主要技术要求，应符合工程测量规范 (GB50026-93) 的相关规定，见表1。
注：n为测段的测站数
1.2 沉降观测的实施
沉降观测点的布设应符合下列规定[2]：
1）反映建筑物、构筑物变形特征和变形明显的部位；
2）标志应稳固、明显、结构合理，不影响建筑物、构筑物的美观和使用。
3）测点位应避开障碍物，便于观测和长期保存。
监测隧道结构的沉降，主要包括隧道整体的纵向沉降监测和隧道各矩形段或圆形管片交接处的沉降差异监测。监测沉降一般是指监测隧道结构的底板沉降，地铁隧道沉降监测点布设在道床的两轨之间，公路隧道沉降监测点布设在公路侧基石。且通常位于沉降缝或伸缩缝的两侧，建筑物不同结构的分界处两侧。观测点的布设要能反映结构体特征，如：矩形段的四角、直线段一般每隔5～60 m设1个点, 地质条件复杂或结构复杂的区段需加密。
运营阶段结构变形监测频率应根据竣工时和运营期结构变形量的大小进行调整。变形监测在运营第一年每季度宜观测一次，第二年每半年至少观测一次，直至沉降量小于1mm/100d为止，但在变形量显著时，应加密观测频率。
针对不同工程特点、具体情况采用不同的观测方法及观测程序，需要对在实施过程中出现的问题分析原因并要正确运用误差理论对观测所得来的沉降数据进行数学处理。各次观测数据整理检查无误后方可进行平差计算，从而求出各次每个观测点的高程值，近而计算出本次沉降量和累计沉降量，最后计算全隧道平均沉降量及各结构段的平均变化量。
监测网的平差计算与精度评定，应根据工程需要，采用经典严密平差法或自由网平差法。相应地，监测网点位稳定性的检验，可采用经典严密平差时的检验方法、自由网平差时的统计检验方法以及经典法与统计检验法相结合的检验方法对测量资料进行精度评定。
1.3 监测实例
下面以上海黄浦江某越江公路隧道为例，对其运营期进行沉降监测。该越江隧道是我国采用盾构法建造的第一条越江公路隧道，已运营近40年。该隧道为双车道，由东、西两岸引道、矩形段及中间的圆形段部分组成，矩形段采用连续沉井法施工，圆形段采用盾构法施工，有些井为通风井（即工作井），有些井为施工需要设置的井。
沉降监测参照国家Ⅱ等水准测量规范要求实施，沉降变形监测基准点设在隧道口东、西两端，高程基准点中间沿隧道纵向布设沉降观测点，从而形成闭合环。
某监测点本次高程减前次高程的差值为本次沉降量，本次高程减初始高程的差值为累计沉降量。矩形段每段（四角）布置四个测点，圆形段则每段（两侧）定距布置两个测点，测点布置如图2所示。每年将隧道沉降变形监测基准点纳入上海市一等高程控制网中同步观测、平差计算，以便对监测基准点高程进行修正，故所得沉降结果中包含地面沉降在内的相对于基岩标的绝对沉降值。
2 沉降观测数据分析
隧道沉降分析宜采取整体分析，可按隧道的上、下行线逐条或隧道区间逐段去分析。把握隧道整体的纵向沉降，总结分析其随时间的变化规律和趋势，并要找出沉降发展较快点，其中各段相对差异沉降应重点分析。
较直观的方法是将监测的报表绘制成隧道整体纵向沉降形态曲线，即将每一期各测点的累计沉降量曲线绘制在以隧道里程 (或测点) 为横轴，沉降量为竖轴的坐标系中；从整体纵向沉降形态曲线找出沉降较大或发展较快的沉降观测点，绘制其随时间变化的曲线；根据隧道纵向沉降形态曲线计算曲线的曲率并绘制相应的曲率变化曲线，以分析纵向沉降曲线的曲率变化情况，得到其差异沉降的发展规律。从而全面、直观地研究整条隧道的沉降情况、规律和趋势。
2.1 纵向沉降形态曲线
隧道沉降监测点数量较多，且相邻测点之间的结构体呈现一定的刚度，局部的结构变形会影响相邻结构的变形及内力。图3、图4为隧道圆形盾构段部分测期左、右线纵向沉降形态曲线图。
从图中可以看出隧道左、右线沉降变化趋势、规律十分相似：
1）绝大部分观测点的累计升降值在-30mm～30mm之间。每年的沉降曲线之间基本是相互平行的，即各测点的位移增幅均匀。这意味着目前在隧道纵向变形表现出较好的整体性，表现为整体上浮或下沉的，隧道各段之间差异变形较小，因此对隧道结构内力的影响不是很大。
2）隧道的沉降随时间的变化呈摆动的状态，即测点的位移时大、时小，有的测点在摆动中缓慢而持续地增长，有的测点在摆动中趋于稳定。例如2004年的累计沉降值相对于2002年增大，但2006年相对于2004年的累计沉降值却有所减少。
2.2 沉降观测曲线的曲率变化
沉降观测曲线的曲率变化是隧道纵向沉降的重要特征，可以从整体上反应隧道相邻管片或相邻矩形段之间的差异沉降。
将隧道纵向沉降观测点的沉降数据进行三次样条插值，利用插值结果计算数值微分，从而由式（1）得出曲线曲率κ。
式中y'、y'为纵向沉降曲线函数对里程的一、二阶导数。
将1996年、2006年沉降曲线的曲率变化曲线绘制在以隧道里程为横轴，纵向沉降曲线的曲率为竖轴的坐标系中。从图中可以看出10年来，沉降曲线曲率在不断增大，即其差异沉降在逐渐增大，且曲率随隧道里程不断波动，与隧道纵向沉降曲线的波动规律相符；圆形盾构段在4#竖井至2#竖井之间的曲线曲率较小，基本都在0.00006mm-1以下，靠近竖井处的差异沉降较各竖井之间区段大；2#竖井至1#竖井区间的曲线曲率很大，故另绘图表述。其曲率平均为0.01mm-1，最大达到0.021mm-1，即其差异沉降很大，故该区间段应为安全性评估和结构加固的重要区段。
3 隧道纵向沉降的影响因素
隧道的纵向沉降，尤其是差异沉降是隧道的外部地质环境、施工工艺、运营条件以及其它各种因素长期影响的结果。
一般在隧道竣工时，往往会产生不同程度永久性的不均匀沉降。在软弱复杂地层中的隧道，经过长期运营，不均匀沉降会持续增加。隧道长期营运中的纵向变形有以下几个影响因素[3]：
1）隧道下卧土层的不均匀性
由于隧道下卧土层的固结特性不同, 在下卧土层长期固结过程中，不同性质土层的固结速率差异量很大，达到沉降稳定的所需时间也各不相同，导致隧道因为沿纵向土性分布不均匀而产生差异沉降。该越江隧道 (盾构挤压推进施工) 江中段和浦东段，其下卧层为粘质粉土或粉砂与淤泥质粘土互层 (接近砂性土) 的土层，投入运行后的十几年中，沉降增量为40～50mm，平均沉降速率只有0.1008mm/天；而浦西段隧道下卧层为松软的淤泥质粉质粘土，在隧道1号井以东120m的范围内，最大沉降增量达120mm，出现严重的纵向不均匀沉降。此后不均匀沉降持续增加，导致目前（运营35年后）该区段沉降曲线曲率很大（图9），成为隧道结构的薄弱环节。
注：a—隧道圆形盾构段竣工时的纵向沉降曲线
b—隧道运营13年（1970-1983）的纵向沉降曲线
2）破坏性纵向变形
破坏性纵向变形是指隧道的衬砌接头由于拼装或隧道后期纵向变形而出现的缝隙，泥水通过这些缝隙渗漏进入隧道内部，使得有裂缝的隧道段下卧层土体有效应力增大，产生固结沉降，从而导致此处隧道段沉降。如果裂缝过大，会使隧道周围的水土不断流失，从而加剧隧道的不均匀沉降，加剧隧道弯曲变形，裂缝逐渐变长、变宽。由此可见，渗漏与不均匀沉降相互影响、相互作用，形成恶性循环。
3）隧道上方地表加卸荷载
在软弱土层中的隧道，当隧道上方地面荷载增加，会的增加隧道沉降和不均匀变化。特别是在较大面积地面堆载作用下，当隧道下部压缩土层很厚，隧道增加的沉降和不均匀变化会更大。
该越江隧道2号井以东第70环隧道周边土方覆土厚15m，地表为一约30m×50m的洼地，自1970年隧道通车后，在1973年至1987年间对该洼地进行了填平处理，期间进行四次土方填筑和混凝土层铺筑的工程，每次地表单位面积的荷载增量约为10～20kPa，四次总共约70kPa，实测显示每次加荷后沉降量约增加20～40mm，四次加荷后总沉降增量为110mm。此后，隧道的弯曲变形逐渐增大，从1996～2006年该段隧道纵向沉降曲线（图3、图4）中可以看出该段不均匀沉降较为剧烈，曲率半径约为35000m（图
4 中C点），在200m的长度上隧道纵向发生了近60mm的差异变形，造成隧道管片的错动和接头张开，2号井东侧部分管片出现较为严重的错动，最大达到6～7cm和113环变形缝牛腿至管片发生撕裂。
对处于含水层和不透水层等复杂地层中的隧道来说, 在长期运营过程中，地下水位的变化导致隧道纵向荷载变化从而引起纵向不均匀沉降。对于水底盾构隧道来说，水位的变化会促使隧道下沉或上升。当隧道处在相对不透水土层中，水位的上升或下降如同对隧道的加载或卸载。对含水砂性土，水位上升使土体膨胀，从而上抬隧道；水位下降增加了土体有效应力，导致隧道下沉，对穿越不透水粘性土和含水砂性土的复杂地层的河床下的隧道，在地层变化的分界面处，沿隧道纵向受到非均匀分布的压力和相应的纵向变形，在河道水位变化幅度较大时，隧道的纵向变形会更大。
4）隧道与工作井、车站连接处差异沉降
由于盾构隧道、工作井、车站施工方法存在很大差异，它们对周围土体的扰动程度、沉降特点也截然不同, 因此很容易在隧道与工作井、车站的连接处产生差异沉降，发生接头开裂、漏水、漏泥等情况。例如，打浦路越江隧道1号井较其东部隧道多沉降约150mm，在通风井以东约160m范围内形成了明显的纵向变形曲线，不仅造成隧道的挠曲发生环向裂缝，而且使竖井与隧道的接头发生错动开裂。近十年来在隧道1号井以东120m的范围内，最大沉降增量达60mm，出现严重的纵向不均匀沉降。
5）隧道邻近建筑施工活动的影响
隧道邻近范围内的各种建筑施工活动扰动隧道周围土体，对土层施加新的附加荷载, 造成隧道周围土层产生沉降、隆起或平移等运动，导致隧道发生纵向不均匀变形。
4 结论
1）根据工程特点，结合沉降监测方案，建立合理的水准监测控制网，依据沉降观测点的埋设要求，确定沉降观测点的位置，沉降观测点之间建立固定的测量路线，进行固定周期沉降观测。严格遵照测量规范作业，保证施测精度达到设计要求，确保测量成果正确、可靠。
2）从隧道纵向沉降曲线图看出，该隧道经过多年运营，沉降已基本趋于稳定；从沉降观测曲线曲率变化图中看出，该隧道有些区段纵向不均匀沉降发展严重，曲率半径小于35000～40000m时，易导致衬砌环向接头的张开度增大，引起渗漏。不均匀沉降长期发展将会影响隧道的安全性和使用性。
3）隧道长期营运中的纵向沉降受到下卧土层的不均匀性、隧道上方荷载加卸、已有裂缝、隧道与工作井的差异沉降以及附近建筑物的施工等因素的综合影响。
摘要：隧道沉降观测是隧道运营管理维修养护的基本工作内容之一, 沉降观测数据可作为隧道维护的基础依据资料。本文结合某越江隧道沉降监测实例, 对长期运营隧道的沉降观测数据进行分析, 绘制了隧道整体纵向沉降形态曲线, 得到隧道整体的沉降规律;计算隧道纵向沉降曲线的曲率变化, 得到隧道差异沉降的发展态势。分析表明, 该隧道经多年运营, 沉降已基本趋于稳定, 但不均匀沉降还在继续发展。文中对纵向不均匀沉降的影响因素进行了初步探讨。
软土地基沉降规律研究 第2篇
本文主要利用土力学的基本理论,分析旧路拓宽后地基的附加压力分布情况,以便对旧路拓宽中差异沉降的形成以及分布有更好的了解,从而能更好解决旧路拓宽中的差异沉降问题。
1 旧路拓宽中地基附加应力分布特征
地基中沉降变形的基本分布规律与地基中附加应力的分布规律是相对应的。新老地基由于加宽荷载而产生的沉降变形在半对称的路基横断面上也应该呈“中间大、两边小”的正盆形分布,而且从理论上讲,拓宽地基表面的最大沉降点也应该与最大附加应力作用点相对应,位于拓宽荷载形心位置的水平对应点,新老地基表面沿路基横断面的沉降变形示意图如图1所示。
拓宽路基填筑前后,新老地基的竖向和水平位移发生了显著的变化。老路基下的累积沉降变形明显增大,但水平位移的变化并不十分明显,在老路边坡下还有一定程度的内缩现象。新路基下的沉降变形和水平位移变化均很显著,水平位移的影响深度也明显增加。
在高速公路扩建的实际工程中,由于老路基运营多年,在路基自重及交通荷载的作用下,老路基下的地基固结变形已基本稳定,扩建路堤以边载的形式作用在老路堤的两侧,不但使扩建路基的地基固结沉降,而且也会使老路基下本已稳定的地基发生新的固结变形。在半对称的路基横断面上呈“中间大、两边小”的正盆形分布,最大沉降点位于加宽路堤形心点下。
2 旧路拓宽地基附加应力分布特点
新老路基下地基固结程度的不同带来的新老地基工程特性是引起新老路基差异沉降的内因而新路基荷载作用下新老地基不同的附加应力则是引起新老路基差异沉降的外因。
旧路拓宽工程中的地基附加应力取决于新老地基表面新增荷载的变化。假设老路改扩建老路堤增设补强层,扩建工程的路基横断面示意图如图2所示。老路堤因增设补强层和铺筑新面层,其老路面下地基表面的新增荷载基本呈均匀分布;拓宽路堤的荷载均为新增荷载,荷载形状与老路基削坡坡度及新路基边坡坡度有关,近似呈平行四边形,作用在老路基边坡上以及加宽范围的地基表面。平行四边形荷载可以转化为相应的梯形荷载,因此,在加宽路堤荷载作用的范围内,地基表面的新增荷载也基本呈梯形分布。因此,加宽工程地基表面新增荷载的分布如图2所示。
3 旧路拓宽地基附加应力计算
地基中的附加应力是由加宽路堤荷载引起的应力增量,如果假定地基土是均质的线性变形半空间体,加宽路堤荷载瞬时施加,就可以采用弹性半空间理论的解答推导出加宽荷载下新老地基的附加应力分布。加宽路堤荷载可以转化为梯形荷载的分布形式,梯形荷载作用下的地基中任一点的附加应力,理论上可采用垂直均布条形荷载和垂直三角形分布条形荷载相加或者相减,求取该梯形条形荷载地基中任一点的附加应力。
如图3所示,根据布辛奈斯克公式,则矩形分布条形荷载作用下土中任意点的竖向应力为:
其中,nj=x·b;mj=z·b。坐标原点在矩形分布荷载中点处。
三角形分布条形荷载作用下土中任意点的竖向应力为:
其中,ns=x·b;ms=z·b。坐标原点在矩形分布荷载中点处。
则梯形荷载(ABCD)作用下土中任意点的竖向应力为:
考虑以矩形荷载底边中点为原点,得到任意断面尺寸的梯形路堤荷载引起的地基中任意一点的附加竖向应力:
其中,γ为路堤填土重度;H为路堤高度;B为路堤顶面宽度;m,n分别为路堤两侧边坡坡度。
加宽荷载作用下的地基中任一点的附加应力,还可以采用两个梯形荷载作用下地基附加应力相减的方法确定,即采用拓宽后的整个路堤荷载减去拓宽前老路的路堤荷载,如图3所示。即:
根据上述弹性理论的方法就可以确定加宽荷载作用下新老地基中任一点的附加应力。
在同一深度的新老地基中,由加宽荷载引起的半对称新老地基中,竖向附加应力呈“中间大、两边小”的正盆形分布,老路基中心由于距加宽荷载较远,其附加应力最小。
4 结论与建议
新老地基由于加宽荷载而产生的沉降变形在半对称的路基横断面上呈“中间大、两边小”的正盆形分布,加宽地基表面的最大沉降点也应该与最大附加应力作用点相对应,位于加宽荷载形心位置的水平对应点。加宽路基填筑前后,老路基下的累积沉降变形明显增大,在老路边坡下侧向位移还有一定程度的内缩现象新路基下的沉降变形和水平位移变化均很显著
参考文献
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我国软土地基沉降预测方法研究现状 第3篇
关键词：软土地基,沉降预测,仿生算法,曲线拟合
地基的沉降尤其是不均匀沉降会引起上部建筑结构的倾斜,引起建筑结构产生裂缝,严重时甚至会引起建筑物的倒塌,因此对于地基进行沉降预测以及沉降观测十分有必要。
1分层总和法
分层总和法是计算软土地基沉降的常用方法,也是我国规范中推荐使用计算地基沉降的方法。该种方法是基于太沙基所建立的均质土层竖向固结微分方程进行计算,该法假设软土地基是具有分层的各向异性的半无限体,同时软土地基在受荷载作用下的沉降以竖向固结沉降为主,忽略侧向的膨胀变形,采用有侧限条件下软土的固结压缩指标进行计算,利用软土地基中心点以下的附加应力计算软土地基各个分层的土体变形量si,最后将各层土体的变形量进行累加得到软土地基的总沉降量s,计算公式如式(1)
分层总和法在计算过程中,只计算土体的竖向变形而忽略掉其侧向变形,同时,在计算过程中附加应力计算值误差较大,孔隙比以及压缩指数等软土参数的选取有较大的人为性,因此计算得到的沉降量与实测值往往有较大误差。但是由于分层总和法计算原理简单,容易得到计算结果,因此常常利用分层总和法对软土地基沉降做初步预测。
2曲线拟合法
曲线拟合法是现在实际工程中对于软土地基沉降预测的最广泛方法,其原理是假设实际的沉降曲线与某种类型的曲线形式是相符合的,用实际沉降曲线中选取的若干点进行回归分析得到拟合预测曲线,再根据预测曲线进行软土地基的沉降预测。我国现在常用的曲线拟合办法主要有双曲线以及抛物曲线。在我国最早对软土地基沉降值进行曲线拟合时,大量的统计数据表明我国软土地基沉降的变化趋势较为符合双曲线变化趋势,因而根据实际数据所得到的趋势拟合曲线方程如下式:
式中:St—时间t时的沉降量;Sf—最终沉降量(t=∝);S0—初期沉降量(t=0);a、b—将荷载不再变化后的3组早期实测数据代入上式组成方程组求得的系数。
随着研究的不断深入以及统计数据的增多,发现除了双曲线变化趋势意外,软土地基沉降还呈现出其他曲线的变化形式,河海大学在对一系列路基沉降数据分析的基础上,发现其沉降曲线在初期变化是并不是以双曲线形式变化,而是可由两部分组成,在S-lnt的对数坐标轴上,第一部分沉降可以用抛物线进行拟合,此时发生的是主固结沉降;而第二部分可以用用直线进行模拟,为次固结沉降。而根据实测数据发现,除了高有机质含量土体以外,第一部分沉降量占据绝大多数,因此沉降趋势方程如下式
式中参数a,b,c为常数,可用优化方法求得。
除此以外,近年来我国还有学者研究了利用其他曲线预测软土地基沉降。高燕希[1]等优化了指数曲线法的计算过程,用于实际道路工程中,提高了软土地基沉降预测精度,也降低了软土地基的观测频率。吕秀杰[2]提出了一种新型的双曲线沉降预测模型,能够反映沉降速率以及沉降半立方的非线性关系,且通过实例证明该种模型的预测值可靠度较传统的双曲线模型更高。李洪峰[3]等运用指数曲线法以及双曲线法对季冻地区软土地基进行沉降预测,得到了较好的预测结果。尹利华[4]等以费尔哈斯曲线为拟合曲线对软土地基沉降进行预测,不需要人为的确定参考点的沉降,减少了人为的干扰,而且预测值与双曲线法相比也是偏于安全的。
3优化算法
徐新跃[5]根据软土地基建筑结构物的沉降特点,运用灰色模型利用较少的沉降观测数据建立相关的预测模型。张慧梅[6]等将BP神经网络用于软土地基的路基沉降预测中,实验结果表明BP神经网络模型对于软土地基沉降预测有较高的预测精度。朱红霞[7]等提出了一种基于ANN神经网络的软土地基沉降预测方法,通过对实际观测数据形成的相关数据样本进行训练,建立了ANN神经网络模型,并利用该模型预测软土地基沉降量得到了较好的结果。
李凡等运用小波神经网络预测高速公路软土地基沉降量,利用其在非线性建模中的快速收敛等优势,在实例分析中显示该方法的预测精度较高,收敛性较好。夏江[8]等运用遗传算法预测了某加固纠偏软土地基沉降问题,结果表明运用该算法得到的预测结果与实测数据基本一致,遗传算法在非线性优化、全局优化以及多参数优化等方面具有较大的优势。黄仁东[9]基于动力系统自记忆原理建立地基沉降自记忆模型,通过该模型对汕汾高速公路软土地基进行沉降预测,结果表明该模型提高了预测的精度与可靠度。易富[10]将小波降噪与灰色模型相结合,对降噪后的实测数据运用灰色模型进行预测,结果表明经过降噪的灰色模型预测结构精度比原有模型要好。
4结语
软土地基沉降预测是我国软土地基工程的重要一环,精准的沉降预测数据可以更好的分析软土地基上部的结构物变形。我国对于软土地基沉降预测已有了一定的发展,从最初的分层总和法过渡到曲线拟合法以及现在不断发展的各类仿生优化算法的组合模型,其预测结果的精度得到大大提高,但是仍有许多参数选择的地方有较多的人为干扰因素,再进一步的预测中需要优化。
参考文献
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软土路基沉降规律的数值模拟研究 第4篇
路基是线状的土工结构物, 跨越空间距离大, 受地理条件限制, 许多路基不可避免地修筑在不良地质地段, 特别是在软弱土和不良土地段。高速铁路对路基的稳定及变形控制提出了很高的要求, 尤其对路堤工后沉降的控制, 国外有极严格的标准。我国《京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定》提出了路堤工后沉降不大于10 cm, 沉降速率不大于3 cm/年的标准[1]。同时从京沪高速铁路工程地质条件分析, 沿线软土地基分布广, 尤其是宁沪段, 软土地基总长达103.6 km, 大部分采用以桥代路后尚有软土路堤工点36.6 km/110处。因此软土地基沉降变形的控制、处理方案的正确选择, 是高速铁路路基设计、施工的一个重点。目前用于计算沉降的方法很多[2], 本文基于有限元, 使用分析软件ANSYS对京沪高速铁路 (DK447+930～DK447+778试验点) 的无处理软土路基进行模拟, 分析其沉降规律。
1实验模型
1.1 模型尺寸
实验所用土样取自京沪高速铁路长江冲积平原代表性工点 (DK447+930～DK447+778试验点) , 该工点地层较复杂, 实验选取了有代表性的4层土样, 路堤为风化花岗岩, 路堤边坡坡度比为1∶1.5。参照工程实际, 建立数值分析模型, 模型尺寸见图1。
1.2 土样参数
土样物理力学指标见表1。
路堤为风化花岗岩, E=15e9 Pa, γ=23.3 kN/m3, c=30 kPa, ϕ=20°。
2计算原理
2.1 力学模型
大多数土体都可视为弹塑性介质, 在一定应力水平下表现为线弹性, 超过此限即表现为塑性, 故采用最常用的弹性—理想塑性模型[3,4]。
由应变空间表述的Drucker-Prager模型的本构方程为:
其中, dσij, dεij分别为应力张量和应变张量的增量;K, G分别为弹性变形的体积模量和剪切模量;α, H分别为材料参数;Sij为应力偏张量, 且
2.2 屈服准则
由于摩尔—库仑准则在空间中受角度性质的影响而具有一个严重的缺陷, 只要应力落在“棱角”附近, 屈服函数沿曲面的外法线方向导数就不易确定, 这就增加了使用上的困难。另外, 在角锥顶点也存在不连续问题。因此, 本文采用比较符合岩土材料屈服和破坏特性的Drucker-Prager屈服准则[4,5]。
其中,
当ϕ>0 (即α>0) 时, 在主应力空间中Drucker-Prager屈服准则的屈服面是一个摩尔—库仑六边形锥体的内切圆锥;当ϕ=0 (即α=0) 时, Drucker-Prager准则就是Mises准则, 如图2a) 所示, 更普遍的情况如图2b) 所示。
3路基沉降变化规律
由图3可见在1倍重力加速度作用下, 模型在土体自重影响下有明显沉降。
由图4可以看出, 路堤有明显的整体沉降, 路基最大沉降值发生在地表, 线路中心处的沉降最大达到0.914 m, 向两侧逐渐减小, 并且沉降随深度的增加逐渐减小。由图5可见, 横向位移最大发生在坡脚处, 路基表面下3 m～9 m范围内, 最大横向位移达13 cm。沉降规律与文献[1]土工离心模拟试验相一致, 在数据方面有误差, 由于数值模拟表现最终沉降, 沉降量较大, 而离心模拟试验产生线加速度, 横向位移较大。具体数据见图6, 图7。
4结语
本文运用有限元分析软件ANSYS, 对无处理软土路基进行模拟, 得出直观的沉降结果。沉降变化规律与实际相一致, 路基最大沉降值发生在地表, 线路中心处的沉降最大并向两侧逐渐减小, 沉降随深度的增加逐渐减小。横向位移最大发生在坡脚处, 路基表面下3 m～9 m范围内。
本次模拟结果沉降量较大, 明显未能满足设计要求。因此, 需要采用复合路基处理方法, 使桩土共同承担荷载, 以减小沉降, 保证高速铁路安全运营。
参考文献
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软土地基沉降规律研究 第5篇
1 真空堆载联合预压地基沉降分析
一般而言, 在借助真空堆载联合预压法进行堤防软土地基处理的过程, 需要在软土地基之中打设排水板, 其具体的操作是将直径为12cm的钢管插入到地基之中, 继而以此为基础构建起直径为12cm的柱形孔洞。在这一过程中, 该孔洞四周的土体在径向受压, 切向受拉, 并呈现出塑性状态。
相关的研究表明, 在进行排水板的打设作业过程中, 其往往会导致软土层中孔隙水压力的不断增大, 但是由于排水板具有较好的排水性, 故而在打设作业完成之后能够将孔隙水迅速排出, 继而在短时间内降低了隙水压力, 使土体压密。一般而言, 沉降现象只会发生在施工建设完成初期, 后期的地基沉降量变化不大。
另外, 施工团队在进行真空堆载联合预压加固堤防软土地基的过程中, 往往需要需要借助各类机械设备进行排水板的打设作业。而这些设备在运转的过程中就会就会产生各类振动, 继而对本软土地基产生不同程度的扰动, 甚至导致土层变形等一系列问题的出现。基于此, 在进行相关分析作业的过程中, 需要对这一系列因素进行充分的考虑。
2 沉降预测公式的建立
通过前文的分析可以得知:施工团队在借助真空堆载联合预压法进行地基处理作业的过程中, 会因为排水板打设作业过程中存在施工机具振动等一系列问题, 使得地基土出现不同程度的扰动, 降低了土层的强度。此外, 在施工初期, 软土层地基的沉降反映明显。关于计算软土层的沉降的计算公式, 笔者进行了相关总结, 具体内容如下:
在上述的公式中, SO指的是进行排水板打设作业过程中出现的的沉降;Pt指代的则是t时刻累计荷载;P则是设计方案中的总荷载, 一般而言, 该类数值往往是一定的;Sd指的则是瞬时沉降, 该数值往往是依据《日本高等级公路设计规范》中的相关方式进行计算得出的。SO'、TO'指的则是地基沉降反映趋于缓和后出现的沉降量及对应的时间;Tv、mv分别表示的是时间因数以及体积的压缩系数:而H则是压缩层厚度。
3 软土地基沉降曲线特性
通过比较大量真空堆载联合预压加固淮河入海水道的堤防软土地基的沉降观测曲线发现以下特点:在实际的荷载施加作业之前, 该区域的软土地基已经产生了一定程度的沉降作业, 但是在进行真空预压操作的过程中, 软土层的沉降反应明显挣钱, 此时软土地基沉降曲线特性出现了第一个拐点。此后, 当真空度维持在一定值的状况下, 软土的沉降效应逐渐变慢。但是当施工建设团队进行堆载填土作业的过程中, 软基土体呈现出局部塑性的状态, 而沉降过程线则出现了另外一个拐点, 沉降速率开始变大。关于软土地基沉降曲线图, 笔者进行了相关总结, 具体内容见图1。
4 工程实例分析
4.1 工程案例
实测值作为我国的七大江河之一, 淮河流域面积27万km2。为了进一步促进淮河流域的发展, 促进相关的经济效益以及社会效益的取得, 我国的政府部门加强了对于淮河入海水道工程的建设。据悉, 该工程建设与苏北灌溉总渠平行, 紧靠其北侧。西起洪泽湖, 东至滨海县扁担港, 全长163.5km。
此外, 淮河入海水道南北堤防之间的距离为750m。在工程前期施工作业的过程中, 施工建筑团队在工中间挖两道偏乱, 其后再将滩面全部挖成深乱。目前, 淮河入海水道实施的工程主要分为五部分:行洪河道和两岸防洪大堤, 二河、淮安、滨海、海口4个枢纽及淮阜控制闸。该工程建设征地面积高达6.8万亩, 而总投资41.17亿元, 是江苏投资规模最大的单项水利工程。
4.2 施工概况
据悉, 该工程建设在实际的建设过程中主要在软土地基上进行相关的操作。而主要工程建设分为五段, 分别是河入海水道工程马集涵闸软基处理工程、淮河入海水道工程张马涵闸软基处理工程、淮河入海水道工程大沙河涵闸软基处理工程、淮河入海水道工程芦杨地龙涵闸软基处理工程以及淮河入海水道工程芦杨泵站涵闸软基处理工程。为了方便后续的分析作业, 笔者分别取A、B、C、D、E指代这五项工程建设。
4.3 预测结果
根据前文所叙述的相关原理, 研究人员编制了计算程序SPFOR, 并以此为基础对淮河入海水道堤防工程五个真空堆载联合预压处理的软土地基进行相关的分析以及计算。
在借助该编制程序对各个算例进行沉降反演预测分析的过程中, 为了确保相关分析的准确性以及科学性, 需要确保沉降观测数据及加载信息的准确以及严谨。在实际的分析过程中, 笔者将上述五个工程建设的沉降预测值与实际值进行了比较, 具体内容见表1~3。通过相关的研究分析可以得知:虑到实测沉降过程中的一些因素的影响, 沉降预测模型计算所得沉降量与实测沉降量较为吻合, 其预测是可信的。证明此方法是可行的。
5 结语
本文基于此, 主要分析了真空堆载联合预压地基沉降、沉降预测公式的建立以及软土地基沉降曲线特性。并就淮河入海水道工程建设过程中的五个工程建设 (淮河入海水道工程马集涵闸、淮河入海水道工程张马涵闸、淮河入海水道工程大沙河涵闸、淮河入海水道工程芦杨地龙涵闸以及淮河入海水道工程芦杨泵站涵闸) 进行了分析, 验证了真空堆载联合预压加固堤防软土地基沉降预测的准确性。笔者认为, 随着相关研究的不断深入以及相关措施的及时采取, 我国的真空堆载联合预压加固堤防软土地基建设工作必将获得长足的发展。
摘要：作为一种加固软土地基的有效方法, 真空堆载联合预压法是在真空排水预压法的基础上发展起来的。一般而言, 该技术在实际的运用过程中能够有效的消除软土地基建设过程中存在的固结、次固结沉降问题, 促进相关工程建设质量的提高。但事实上, 由于路基沉降问题存在周期较长, 因而会对软土地基上方的建筑建设的安全性以及稳定性造成严重的干扰, 为此需要加强相关作业的维护以及保障。本文基于此, 探讨真空堆载联合预压加固堤防软土地基沉降预测。
关键词：真空堆载联合预压,加固堤防,软土地基,沉降预测
参考文献
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