高速鐵路軟土地基沉降計算方法淺析

付紅梅

摘要：高速鐵路軟土地基沉降計算是高速鐵路路基的主要研究課題之一，由于實際地質(zhì)條件的復(fù)雜性，理論計算的沉降往往與實際值有較大的差異。大量的工程實踐表明，要準(zhǔn)確地計算軟土地基的沉降，特別是預(yù)測工后沉降，仍是高速鐵路建設(shè)中要解決的關(guān)鍵問題。因此，本文對目前各種文獻出現(xiàn)過的高速鐵路軟土地基沉降計算方法加以總結(jié)，為進行軟土地基沉降計算提供方法上的參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路軟土地基沉降計算方法

中圖分類號：TU4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（c）-0048-01

軟土地基沉降計算方法，早在20世紀(jì)初，Terzaghi等人就曾建立了經(jīng)典的軟土地基沉降分析法，以后又有很多人為該方法的改進和完善做出了重要貢獻。自20世紀(jì)70年代以來，隨著計算機技術(shù)的進步，采用有限元分析法計算地基沉降也已成為可能，但時至今日，地基沉降課題仍然困擾著土木工程技術(shù)人員。就一般的土木工程而言，仍在普遍沿用Terzaghi等人建立的經(jīng)典分析法。在實用設(shè)計中，工程人員的經(jīng)驗和技術(shù)往往起著關(guān)鍵的作用。究其原因，可概括為如下幾個方面：一是新的理論和技術(shù)尚未成熟，且對技術(shù)人員的素質(zhì)和工程測試手段提出了很高要求；二是地基沉降的分析需要理論與實踐密切地結(jié)合，而工程技術(shù)人員總希望地基沉降的計算方法能盡可能地簡便直觀，所需試驗參數(shù)少而易確定，對各種工程情況均有良好的適應(yīng)性，這就難免使地基沉降分析中需要加入一定的經(jīng)驗成分；三是地基沉降分析中涉及到地面外荷載的計算、土中應(yīng)力的計算、土體固結(jié)度的計算、土體變形的計算以及土體試驗參數(shù)的選用等許多環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)之間又互有影響，其相互關(guān)系也隨時間變化，因此，地基沉降的分析也是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，每一環(huán)節(jié)的疏忽都可能導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。

1計算方法

1.1 常規(guī)計算方法

按分層總和法計算最終沉降，計算分層沉降時考慮瞬時沉降、主固結(jié)和次固結(jié)沉降。計算沉降速率時，則采用Terzaghi的一維固結(jié)理論。這種方法采用了一系列假定，與實際情況不完全符合，但由于簡單易用，所需參數(shù)可在常規(guī)試驗中確定，因而仍是實際工程中國內(nèi)外最通用的方法，被納入許多國家的規(guī)范。計算總沉降量S時，一般情況下，按瞬時沉降Sd與主固結(jié)Sc之和計算。當(dāng)?shù)鼗鶠槟嗵客粒缓袡C質(zhì)黏土或高塑性黏土?xí)r，應(yīng)考慮計算次固結(jié)沉降Ss。

瞬時沉降Sd用彈性理論或一些經(jīng)驗公式計算；主固結(jié)沉降Sc的計算可用一維的e—lg p曲線或壓縮模量Es，也可用黃文熙提出的三維分析法或Skempton和Lambe法；次固結(jié)沉降Ss采用次固結(jié)系數(shù)計算。工程實際中經(jīng)常采用主固結(jié)沉降乘以一個修正系數(shù)ms的方法來計算總沉降量。

1.2 有限元法

理論上，這一方法可適合于任意的邊界條件和加載方式，可計入土層的不均勻性和土層性質(zhì)的非線性特征等。

近30年來，已經(jīng)提出了大量的土體本構(gòu)關(guān)系模型理論，歸納起來有兩大類：一是彈性非線性本構(gòu)模型理論，它以彈性理論為基礎(chǔ)，在各微小的荷載增量范圍內(nèi)，把土看成彈性材料，從一個荷載增量變化到另一個荷載增量，土體的彈性常數(shù)發(fā)生變化以考慮非線性；二是彈塑性本構(gòu)模型理論，認(rèn)為土體的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分，把彈性理論和塑性理論結(jié)合超來建立土的本構(gòu)關(guān)系模型。

在彈性非線性模型方面，最常用的有E-μ和K-G彈性非線性模型。在軟土問題計算中，Duncan-Chang的E-μ模型應(yīng)用最廣。其主要特點在于模型概念明確，簡單實用，可以利用常規(guī)三軸剪切試驗測定所需的計算參數(shù)。另外，其計算結(jié)果近似地反映工程的實際情況，特別是計算的沉降值與觀測值具有較滿意的一致性，但水平位移相對較差。

用彈塑性模型成功地解決一些實際的土工問題不是很多。多數(shù)集中在應(yīng)用改進的劍橋彈塑性模型上。國內(nèi)沈珠江、黃文熙和殷宗澤各自的彈塑性模型的應(yīng)用也取得了較為滿意的結(jié)果。一般認(rèn)為，彈塑性模型的計算結(jié)果偏小。

1.3 曲線擬合法

鑒于固結(jié)沉降理論在很多情況下尚不能滿足設(shè)計的要求，因此，用實際的沉降過程線推算固結(jié)度以及最終沉降量等，是預(yù)壓固結(jié)軟土地基工程最重要和最基本的分析工作。國內(nèi)外曾采用經(jīng)驗公式來預(yù)估沉降和時間的關(guān)系，由此建立起來的數(shù)學(xué)模型有幾種方法，分別是三點法、雙曲線法、指數(shù)曲線法、沉降速率法以及在日本比較常用的方法是淺崗法、星野法等等。在觀測的時間具備了一定的條件后，而后期的沉降往往推求上面就會出現(xiàn)誤差很小的，而這樣就會用在軟基的最終沉降的推求上面。通過各項資料中顯示，在各種方法中的預(yù)測精度與觀測和預(yù)測的時間上面有著密不可分的關(guān)系，同時在軟基加固方法、對應(yīng)的不同地質(zhì)條件以及荷載條件上與適用性和預(yù)測精度都相互存在著問題。

1.4 反演分析法

反演分析法是近十幾年發(fā)展起來的一項新技術(shù)，它通過已有的沉降觀測資料，反演得到正分析中的某些輸入?yún)?shù)，使正分析得到的結(jié)果與實測沉降充分接近。如可以通過反演分析確定原位固結(jié)系數(shù)，再根據(jù)Terzaghi的一維固結(jié)理論推算出最終的沉降和沉降量的發(fā)展過程。

1.5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法自20世紀(jì)80年代中后朝以來，迅速發(fā)展為一個前沿研究領(lǐng)域，并廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科。近幾年，國外已將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功應(yīng)用于巖土工程位移預(yù)測，國內(nèi)也已開始將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于巖土工程位移預(yù)測、砂土液化、邊坡穩(wěn)定、本構(gòu)模型等領(lǐng)域。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法從模擬人腦的形象思維人手，具有非線性、并行性、魯棒性和強泛化性等特點，對于處理具有非線性的巖土工程信息具有一定的發(fā)展前景。

2結(jié)語

地基的沉降計算方法很多，很難對它進行簡單的歸納分類，許多計算方法是相互滲透有機聯(lián)系的。從現(xiàn)有的文獻來看，大致可分為以上幾種。本文僅對高速鐵路軟土地基沉降計算方法進行了介紹，不同的計算方法有不同的適應(yīng)情況。在實際工程的沉降計算中，要熟練的掌握各種方法才能在實際運用的過程中靈活地選擇適合的計算方法。

參考文獻

[1] 王炳龍.高速鐵路路基工程[M].中國鐵道出版社，2007.

[2] 楊廣慶，等.高速鐵路路基設(shè)計與施工[M].中國鐵道出版社，2008.

[3] 劉大鵬，等.地基基礎(chǔ)[M].北京交通大學(xué)出版社，2009.

[4] 陸培毅，等.土力學(xué)[M].中國建材工業(yè)出版社，2000.