路基沉降计算影响因素分析及预测方法研究
2016-07-05
0 引言
路基沉降的理论计算方法很多，每种方法的计算结果不同，同时影响路基沉降实际值的因素较多，这就使得理论值与实际值之间偏差较大。本文在详细论述路基沉降理论计算方法、影响因素和实际测量的基础上，采用国际上三大统计分析软件之一的SPSS11.5进行数据统计分析与拟合，来对路基最终沉降量进行预测[1]。
1 路基沉降计算影响因素分析
影响路基沉降的不确定性因素较多，这就严重影响了路基沉降理论计算的精确度。主要体现在计算模型的不确定性，荷载取值的不确定性，力学参数的不确定性，几何尺寸的不确定性，初始状态和边界条件的不确定性等。
1.1 计算模型的不确定性
很多文献[2]都详细分析了计算模型的问题，由于各种模型的侧重点不同，所以任何一个模型都不能完全反映实际情况。针对不同的填土，根据其通常的力学参数已经提出了许多本构模型和屈服准则。不同本构模型的计算结果差异很大。
同时，计算机计算与实际状况之间存在矛盾的地方，比如，当为了得到更准确的计算结果而将模型设置的更能全面的反应土的性质，此时本构关系可能会相当复杂，这对计算机的性能要求就更高，数值计算就非常繁琐，在实际工程中很难应用。计算模型的不确定性与土粒粒度、成分和土体结构有关，同时也和它所受外力的种类和方向、周围环境、地下水的变化等因素有关[3]。
1.2 作用荷载的不确定性
对于高速公路来说，荷载主要包括施工荷载、土体结构自重和车辆荷载。路基的沉降规律与荷载的施加方式及荷载大小有很大关系，加载方式不同、荷载大小不同、加载速率不同，路基的沉降规律就不同。
路基的初期沉降主要受加载速率的影响。当路基填筑速率较小时，土体中的孔隙水压力有足够的时间进行消散和降低，此时路基的沉降会随着逐渐增大的填土荷载而逐渐增大。反之，当施工填筑速率过快，土中孔隙水压力不能完全消散，土体不能完全固结，这种情况下后期沉降将会很大。
对由于车辆荷载引起的路基沉降，一般将其转换为静载。路基在车辆荷载作用下引起的累积变形可以分为两部分：在可变荷载作用下土体中的残余应变引起的变形和土体中由于可变荷载引起的孔压消散产生的固结变形。正确估算道路构筑物在可变荷载作用下的沉降，对实际工程具有重要的现实意义[4]。
1.3 路基填料参数的不确定性
不同的施工地点，不同的施工环境，不同的施工方法下路基填料的参数都不同。数值计算的参数确定只能依靠大量的数据统计结合现状土的实验室测试结果。路基沉降数值计算的精度很大一部分取决于土体参数统计分析的精度。这些参数包括容重，弹性模量，泊松比以及强度，内摩擦角等。Cambo通过研究发现，泊松比的变化对数值计算的结果影响不大，且泊松比统计分析的变异性很小。但弹性模量与强度系数的变化范围较大，对数值计算的影响是显著的。
与此同时，路基沉降呈现一定的整体性，受一定范围内路基填土整体的特性影响，但是填土的特性在整体范围内又呈现出明显的空间差异，不同位置处的土体的特性各不相同。因此，土体材料参数通常需采用随机场模型加以模拟。但在地基沉降未能全面实现概率分析以前，基于参数的反演分析方法亦是解决参数不确定性问题的较好 途径。
1.4 路基几何尺寸的不确定性
数值计算不能对整个施工环境进行模拟，只能取关键部位及相应的扩大范围进行计算，这就涉及到模型几何尺寸的问题。目前对这一方面的研究较少，主要侧重于路基范围内各土层厚度的影响。
1.5 初始条件和边界条件的不确定性
模型大小限制了对土体边界的正常模拟，只能根据数值计算的要求、结果输出的要求、土体的力学参数进行近似模拟。需要考虑的因素主要包括：土体力学参数、数值计算的模型要求等。
2 路基沉降预测方法
由此可见，影响路基沉降的因素很多，如何在施工过程中正确的对路基沉降进行预测显得尤为重要。目前主要采用以路基沉降监测为主，辅以在监测数据上的沉降
预测。
采用科学合理的路基沉降预测方法，有助于准确地预测路基最终沉降，为施工过程的安全保证提供数据支持。根据实测资料来推测最终沉降量，目前归纳起来，主要有4类方法：曲线拟合法、灰色系统法、BP神经网络法和遗传算法。
2.1 曲线拟合法
该方法是基于原始测量数据，根据各个数据的大小对数据曲线进行近似的拟合。
2.2 灰色系统法
该方法的基本理论是对一组有序的数据进行累计，重新得到一组数据，通过对这组数据采取适当的方式进行逼近，得到一条预测曲线。
2.3 人工神经网络法
该方法主要针对不能用传统的数学表达式进行函数表达的一些数据，将其用高维的非线性映射来表达。
2.4 遗传算法
遗传算法是全新计算方法。它处理的不是数据，而是编码。它将模型参数进行编码，基于遗传理论对编码进行统计分析。同样对高度非线性数据的处理有明显的优势。
在实际工程中，对路基沉降预测而言。鉴于曲线拟合方法的原理简单，容易掌握，结果直观等优点而被广泛
采用。
3 曲线拟合法预测工后沉降
3.1 观测断面的设置
某公路路基为填方路堤。填土材料为粘性土。填土高度达到5m。路堤边坡为双坡，分别为1：1.5、1：1.75.路面横坡坡度为2.0%。为保证填方路堤和坡面稳定，在路中线和两侧路肩打入沉降板，在两侧坡脚部位打边桩，沉降板和边桩的材料均为钢筋混凝土材料。如图1所示。
3.2 典型断面沉降曲线拟合与预测
本论文仅对该断面的某一个监测点进行分析预测。目前可以采用多种软件和工具对数据进行曲线拟合，而被广泛应用且经证明具有很高的实用价值和准确程度的是SPSS。图2便是利用此软件对数据进行曲线拟合的结果。
从图2可以看出，四条拟合曲线都基本能够反映实际曲线的变化趋势。对数、二次多项式、三次多项式的拟合曲线更接近于实际曲线，根据数据显示，对数、二次多项式、三次多项式的相关系数均大于0.95，相关程度已经非常接近于1，说明采用该曲线拟合是比较合理的。
将根据拟合的多项式方程对后期沉降的预测值与后期实际沉降值进行对比，差值在误差允许范围内。说明预测结果具有一定参考价值。
4 结语
路基沉降是道路工程中的重点监测对象，如何做好路基沉降的预测，及时采取措施对路基沉降进行处理，对加快施工进度，保证施工质量，确保施工安全具有重要的意义。本论文介绍了几种预测方法，并针对具体工程采用曲线拟合方法进行了预测。结果显示曲线拟合的预测误差在允许范围之内，预测结果具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]冯胜洋，魏丽敏，郭志广.基于最小二乘支持向量机的高速铁路路基沉降预测[J].中国铁道科学，2012，33（6）：6-10.
[2]张建明，刘端，齐吉琳.青藏铁路冻土路基沉降变形预测[J].中国铁道科学，2007，28（3）：12-17.
[3]单珂.高速公路路基沉降影响因素的研究[J].内蒙古民族大学学报，2012，27（1）：37-40.
[4]王光勇.武广客运专线路基沉降监测系统与沉降预测[J].铁道工程学报，2009，128：5-7.
