地基沉降预测方法

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　　软基沉降量主要取决于使土体产生变形的原因以及土体本身性状两个方面。土体产生变形的原因是土体中应力状态的改变，如地表荷载在地基中产生附加应力、地基中地下水位的变化、振动对地基的影响等;土体自身形状主要指土体的压缩特性，或土体的应力一应变关系，是指土体在附加应力作用下产生的效应[1][2]。对于饱和的地基土而言，土体在附加应力作用下会产生剪切变形;当土体中孔隙水逐渐消散还会产生固结变形;随着时间的推移又会产生蠕变变形。土体的应力一应变关系十分复杂，常呈弹性、塑性、甚至粘弹塑性等，并且还呈非线性、各向异性，同时又受应力历史的影响。地基中附加应力的正确计算和地基土体性状的正确描述是提高沉降计算精度的两个关键问题，然而要达到这两点，都是较为困难的[3]。经典的沉降计算方法对上述两个问题是这样处理的:在荷载作用下，地基中的附加应力场是根据半无限空间的各向同性体弹性理论计算的，土体的压缩性是根据一维压缩试验测定的，并采用分层总和法来计算地基的沉降的。
　　在公路施工过程中，为了控制施工进度，指导后期施工组织和安排，同时保证路堤
　　的稳定与实用，需要对路堤不同时刻沉降及最终沉降量进行预测。软基路堤沉降问题多
　　属于三维课题，且实际土层情况又很复杂，因此利用沉降实测数据来推算后期沉降具有
　　重要意义[3]。目前，这类方法归纳起来，主要有如下几类:
　　(一)经验公式法
　　土的压缩变形随时间的变化过程不仅在室内试验时观测到，而且在实际工程中也可以通过观测沉降随时间变化得到。采用科学的预测方法处理沉降实测资料，有助于准确地预测沉降，从而使后期施工组织安排达到最优化。目前常见的经验公式法主要有：指数曲线模型、双曲线模型、Logistic模型、Verhulst模型、抛物线拟合法以及由此派生的一些方法(如修正双曲线法等等)。
　　（1)指数曲线模型
　　该模型是从土层平均固结度为时间的指数函数出发，依据固结度方程和固结度定义
　　得出的:
　　(1)
　　式中，为最终沉降量;为时间;为时刻的沉降量;A,B为两个参数。
　　由于上式存在极限，理论上可肯定当t越大，S越接近某一个数。
　　(2)双曲线模型
　　该法认为沉降一时间关系符合双曲线式(1)，若沉降过程观测历时长，在沉降趋于稳定的后段取点计算，可得到基本上较满意的结果，若在曲线前段应用便会出现较大的误差，正是因为此点，冯文凯等[4]又提出了修正的双曲线法:
　　(2)
　　式中，a为参数;其它变量含义同上。
　　该法和上述指数曲线模型类似，需要有较长时间的观测资料，且需剔除反常的数据，否则造成推算值存在较大偏差。
　　(3)Logistic模型
　　宰金眠、梅国雄[5]在研究地基沉降一时间规律时发现全过程沉降量与时间关系包含两个方面内容:其一是初始沉降不为零;其二是沉降一时间曲线呈现“S”形。加载过程地基沉降的发展可分为4个阶段:发生阶段、发展阶段、成熟阶段和到达极限阶段，这与Logistic模型所反映的实际事物产生、发展、成熟并达到一定极限的过程是一致的。
　　Logistic模型,也可称之为增长曲线模型，在时间数列中其一般形式如下：
　　（3）
　　式中，、、为待定参数。
　　只要参数选的合理，式(3)可很好地拟合几何中的“S"、“凸”形甚至“凹”形曲线，故适用性较广。
　　(4)Verhulst模型
　　吴雄伟、宋彦辉等[6][7]基于德国生物学家VerhulstC1873的生物繁殖与人口变化
　　特征模型，提出了下面的沉降预测模型:
　　（4）
　　其中，式中，a,b为常数;t。为初始时刻;So为S(t)初始值。
　　该模型曲线开始段增长慢，中间段增长快，末段增长趋势越来越小。这一规律也很符合饱和粘土的沉降一时间发展关系。在式(4)中当t趋向无穷大时，右边值接近a/b，若作沉降预测式子，这就是地基的最终总沉降。
　　(5)对数抛物线拟合法
　　许永明、徐泽中[8]过对现场观测值的分析，发现路堤完建后的沉降一时间曲线在初期并不表现为双曲线或指数曲线形式，而在沉降一时间对数坐标系中可看出大致由两部分组成:第一部分可用抛物线式来拟合;第二部分也即次固结部分可以由直线拟合。第一、二部分发生的量级、时间取决于土层固结后达到的孔隙比所对应的当量固结应力，只要运营期间的有效力小于预压期末的固结应力，次固结可以忽略不计。
　　实践表明，除了有机质含量高的土体外，沉降量主要集中在第一部分，沉降曲线表达式可为：
　　（5）
　　式中，参数A、B、C可优化法求的。
　　应用该法仅需掌握短期观测资料，即可求得满足工程精度要求的工后沉降量以及沉降速率，而且该法实际推算结果比双曲线还要可靠。
　　(二)、Asaoka法
　　1978年日本学者AsaokaA.[9]提出，又称图解法[10]。其突出优点在于其可利用较短期的观测资料就能得到较为可靠的最终沉降推算值。其次，还能对是否己进入次固结阶段进行判断，并进行次固结沉降的推算。但存在一些不足之处。最终沉降预测值一定程度上依赖于时间间隔△t;对主、次固结的划分有时存在一定的人为误差。
　　(三)、灰色理论法
　　在现实工程中，引起地基沉降的因素众多，理论计算最终沉降量有一定的困难，而上述的所介绍的方法均有一定的适用性和地区性。工程实践已证明:使用双曲线法拟合出来的沉降结果偏大，指数法拟合出的结果偏小等。近年来，岩土工程领域的科技人员也在采用灰色模型解决一些与沉降有关的问题。在采用灰色理论进行沉降预测中，它是以己知单位时段内的沉降量为研究对象，通过对这些数据的处理来获得地基的沉降变形规律，从而对工后沉降进行预测。曾超等[11]把灰色模型的路堤沉降预测结果和双曲线法预测值及实测值进行了对比，证明了灰色模型沉降量预测值和实际沉降量值更接近。
　　(四)、人工神经网络法
　　人工神经网络(ANN)作为一门新兴的信息处理系统，已在信息科学和工程技术等
　　领域内得到了广泛的应用。它是模拟生物脑神经系统的计算机处理模式，是由一系列简单的高度互联的处理单元组成，具有较强的非线性映射能力和学习能力。人工神经网络的重要特点是在解决复杂问题时，对于外加的输入，它是以并行的、非确定的方式进行处理的[12][13]。它具有在复杂非线性系统中较高的建模能力以及对所提供数据的良好拟合能力。在地基沉降计算中，分层总和法虽然方便但计算精度不高;数值计算法理论上虽严谨，但模型参数的取值是影响结果精度的关键，且对技术人员的素质提出了很高的要求，推广起来还比较困难;经验公式法是基于地方经验，且存在取点位置等带来的误差。而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[14][15]，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。刘勇健[16]和林代锐等[17]都曾采用传统的三层即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。