软基路堤最终沉降量的灰色预测及反演分析
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摘要
随着我国基本建设的发展，在软土地区兴建高速公路、机场跑道等高级道路工程
日益增加，这类道路对工后沉降有明确的要求。然而，现有设计规范中的基于单向固
结理论的沉降计算方法，不能考虑软土路基由于塑流引起的侧向位移所产生的附加沉
降，致使设计计算的最终沉降量小于实际沉降量，造成工后沉降偏大，影响工程质量。
因此，改进现有的沉降计算方法有重要的工程意义和理论价值。
本文依托漳诏高速公路软基试验路段，通过对实测沉降、分层沉降、孔压、侧向
位移等资料的分析，掌握了软土路基变形的实际性状。特别证实了在深厚软土路基中，
侧向位移的长期性。
由于软基塑流的复杂性，要准确计算塑流引起的附加沉降有相当大的难度，为此，
工程技术人员往往根据现场实测沉降过程线来推算最终沉降量。常用的有指数曲线
法、对数曲线法等。本文采用灰色理论进行最终沉降量预测，用三次B-Spline函数
将原始沉降数据进行等时距处理，并用缓冲弱化算子的概念，以消除灰色预测模型的
无限增长性，提高长期预测精度。通过比较说明：灰色预测精度最高，指数曲线法次
之，对数曲线法最低。
但是上述方法都要求较长的放置预压期（不少于半年），然而，一般的工程因受工
期限制不能取得足够长时间的实测沉降资料，这就会影响了预测的准确程度。为此，
在灰色预测最终沉降量的基础上，采用有限元方法，通过二步优化反演分析了
Duncan-Chang模型中的K、K_(ur)参数。再用反演得到的参数进行有限元正分析，证
明通过上述方法得到的参数具有一定的可靠性。我们有理由相信：只要我们积累了一
定数量的数据，在将来类似的工程实践中，完全有可能采用这些参数应用有限元方法
对软基最终沉降量作出更为准确的预测。
本文的研究是依托漳（州）诏（安）高速公路8公里软基试验路段进行的。
Along with the development of country capital construction, more and more projects such as highway, airdrome run way, etd. were built in the area of soft clay, these projects require the settlement after construction completed definitely. However, in the existing design criterion, the calculation methods which base on one-dimensional consolidation theory can take into account the additional settlement caused by the lateral displacement that generated by the plastical flow of the soft foundation. It leads the calculation final settlement to be less than the actual settlement which leads the settlement after construction completed to be on the big side, and affect the project quality. So, it is possessed of great engineering meaning and theoretical value to improve the existing methods which are used for calculating the sefflement of the soft foundation.
This paper which relies on the research of the test section of the soft foundation of the Thang-Zhao highway. Through analyzing the in-situ datum such as total settlement, layered settlement, lateral displacement and pore water pressure, we mastered the actual deformation behavior of soft foundation, and specially approved the chronicity of the lateral displacement in the soft foundation.
Because of the complexity of the soft foundation plactic flow, it is much difficult to calculate the additional settlement caused by the plactic flow well and truly. So, the engineers often forecast the final settlement basing on the measured settlement curve. The general methods to forecast the soft foundation final settlement which base on the measured settlement curve are exponential curve method, logarithmic curve method, etc. The gray theory is used for forecasting the soft foundation final settlement in this paper, and the cubic B-spline function is used to make the original datum to be same spatio-temporal, and the buffered softening arithmetic is used to eliminate the infinite increase of the gray forecasting model to increase the forecasting precision. Through the compare we can draw a conclusion that the gray forecasting precision is the best, the exponential curve method is the second best, and the logarithmic curve method is the worst.
The methods above all need the foundation having a long preloading period. But, to the general projects, because of the time limit, sometimes it can get the long period of measured settlement data, which will affect the veracity of the forecast result. In this paper, based on the gray forecasting final settlement, two parameters K and ~ of the Dun can-Chang model were back analyzed through two-step optimization back analyses using the FEM method. The FEM analysis was carried using back analytic parameters, it is proved that the parameters got through the methods shown above are of reliability We can believe with reason that as long as we accumulate a number of data, we will have the possibility to use these datum to make more exactly forecasting result of the final settlement of the soft foundation in the similar projects in the future through the FEM method.
This paper is based on the research of the test section of the 8-kilometers-long soft foundation of the Zhang-Zhao highway.
日益增加，这类道路对工后沉降有明确的要求。然而，现有设计规范中的基于单向固
结理论的沉降计算方法，不能考虑软土路基由于塑流引起的侧向位移所产生的附加沉
降，致使设计计算的最终沉降量小于实际沉降量，造成工后沉降偏大，影响工程质量。
因此，改进现有的沉降计算方法有重要的工程意义和理论价值。
本文依托漳诏高速公路软基试验路段，通过对实测沉降、分层沉降、孔压、侧向
位移等资料的分析，掌握了软土路基变形的实际性状。特别证实了在深厚软土路基中，
侧向位移的长期性。
由于软基塑流的复杂性，要准确计算塑流引起的附加沉降有相当大的难度，为此，
工程技术人员往往根据现场实测沉降过程线来推算最终沉降量。常用的有指数曲线
法、对数曲线法等。本文采用灰色理论进行最终沉降量预测，用三次B-Spline函数
将原始沉降数据进行等时距处理，并用缓冲弱化算子的概念，以消除灰色预测模型的
无限增长性，提高长期预测精度。通过比较说明：灰色预测精度最高，指数曲线法次
之，对数曲线法最低。
但是上述方法都要求较长的放置预压期（不少于半年），然而，一般的工程因受工
期限制不能取得足够长时间的实测沉降资料，这就会影响了预测的准确程度。为此，
在灰色预测最终沉降量的基础上，采用有限元方法，通过二步优化反演分析了
Duncan-Chang模型中的K、K_(ur)参数。再用反演得到的参数进行有限元正分析，证
明通过上述方法得到的参数具有一定的可靠性。我们有理由相信：只要我们积累了一
定数量的数据，在将来类似的工程实践中，完全有可能采用这些参数应用有限元方法
对软基最终沉降量作出更为准确的预测。
本文的研究是依托漳（州）诏（安）高速公路8公里软基试验路段进行的。
Along with the development of country capital construction, more and more projects such as highway, airdrome run way, etd. were built in the area of soft clay, these projects require the settlement after construction completed definitely. However, in the existing design criterion, the calculation methods which base on one-dimensional consolidation theory can take into account the additional settlement caused by the lateral displacement that generated by the plastical flow of the soft foundation. It leads the calculation final settlement to be less than the actual settlement which leads the settlement after construction completed to be on the big side, and affect the project quality. So, it is possessed of great engineering meaning and theoretical value to improve the existing methods which are used for calculating the sefflement of the soft foundation.
This paper which relies on the research of the test section of the soft foundation of the Thang-Zhao highway. Through analyzing the in-situ datum such as total settlement, layered settlement, lateral displacement and pore water pressure, we mastered the actual deformation behavior of soft foundation, and specially approved the chronicity of the lateral displacement in the soft foundation.
Because of the complexity of the soft foundation plactic flow, it is much difficult to calculate the additional settlement caused by the plactic flow well and truly. So, the engineers often forecast the final settlement basing on the measured settlement curve. The general methods to forecast the soft foundation final settlement which base on the measured settlement curve are exponential curve method, logarithmic curve method, etc. The gray theory is used for forecasting the soft foundation final settlement in this paper, and the cubic B-spline function is used to make the original datum to be same spatio-temporal, and the buffered softening arithmetic is used to eliminate the infinite increase of the gray forecasting model to increase the forecasting precision. Through the compare we can draw a conclusion that the gray forecasting precision is the best, the exponential curve method is the second best, and the logarithmic curve method is the worst.
The methods above all need the foundation having a long preloading period. But, to the general projects, because of the time limit, sometimes it can get the long period of measured settlement data, which will affect the veracity of the forecast result. In this paper, based on the gray forecasting final settlement, two parameters K and ~ of the Dun can-Chang model were back analyzed through two-step optimization back analyses using the FEM method. The FEM analysis was carried using back analytic parameters, it is proved that the parameters got through the methods shown above are of reliability We can believe with reason that as long as we accumulate a number of data, we will have the possibility to use these datum to make more exactly forecasting result of the final settlement of the soft foundation in the similar projects in the future through the FEM method.
This paper is based on the research of the test section of the 8-kilometers-long soft foundation of the Zhang-Zhao highway.
引文
[1] E．W．Drand & R.P.Brenner 编著，叶书麟，宰金璋 译校．软粘土工程学．中国铁道出版社， 1991
[2] 李广信．岩土工程中的预测与预算．地基处理，2000，11(3) ：34-41
[3] 王铁儒，王立中，陈文华．排水固结预压法工程应用与设计综述．第四届塑料板排水法加固软 基技术研讨会论文集．河海大学出版社，1999，11
[4] 俞帆，王振民．杭甬高速公路排水板处理软基沉降估算．第四届塑料板排水法加固软基技术 研讨会论文集.河海大学出版社，1999，11
[5] 徐泽中，许永明．塑料排水板处理地基的沉降预测．第四届塑料板排水法加固软基技术研讨 会论文集．河海大学出版社，1999，11
[6] 孙伯永，罗庆裕．深圳市滨海大道路基沉降的分析探讨．第四届塑料板排水法加固软基技术 研讨会论文集．河海大学出版社，1999，11
[7] 马时冬 等．福厦高速公路泉厦段软基试验工程一般路堤地基处理研究报告．华侨大学土木 系，1995，9
[8] 黄阳才 等．滑坡体位移的不等时距灰色预测．水文地质工程地质，1992，9(3) ：8-12
[9] 雷学文，白世伟，孟庆山．灰色预测在软土地基沉降分析中的应用．岩土力学，2000， 21(2) ：145-147
[10] 蒋忠信．泥石流沟谷演化的不等时距灰色预测．地理研究，1994，9(3) ：53-59
[11] 胡斌，曾学贵.不等时距灰色预测．北方交通大学学报，1998，22(1) ：1-6
[12] 吴国平，王润富．地下工程反分析的研究．河海大学学报，2000，28(1) ：76-80
[13] 蔡体楞 主编．杭甬高速公路软土地基处理．杭州出版社，1998，11
[14] 折学森．软土地基沉降计算．人民交通出版社，1998，5
[15] 马时冬 等．漳诏高速 公路 K0-K8 软基路段塑料排水板处理试验段监测研究总报告．华侨 大学土木系，2000，5
[16] 翁升，马时冬．土工布加筋砂垫层对路基变形和稳定的影响．岩土力学，2001，22(1) ：42-46
[17] 《地基处理手册》编写委员会．地基处理手册．北京：中国建筑工业出版社，1988
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[23] 邓聚龙．灰色系统(社会·经济)．国防工业出版社，1985． 2
[24] 傅立．灰色系统理论及其应用．北京：科学技术文献出版社出版，1992． 10
[25] 刘思峰，郭天榜，党耀国 等．灰色系统理论及其应用．北京：科学出版社，1999． 10
[26] 孙更生，郑大同 主编．软土地基与地下工程．中国建筑工业出版社，1984． 9
[27] 张志涌，刘瑞桢，杨祖樱．掌握和精通MATLAB．北京航天航空大学出版社，1999． 1
[28] Duane Hanselman，Bruce Littlefield 著，李人厚，张平安 等译校．精通MATLAB综合辅 导与指南．西安交通大学出版社，1998． 1
[29] 谭浩强，田淑清 编著．FORTRAN语言程序设计．高等教育出版社，1986，10
[30] 邓建中，葛仁杰，程正兴．计算方法．西安交通大学出版社，1985，5
[31] 龚晓南，G．Gudehus．反分析法确定固结过程中土的力学参数．浙江大学学报，1989，23(6)
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[33] 杨林德，朱合华．地层三维粘弹性反演分析．岩土工程学报，1991，13(6)
[34] 朱志伟，冯紫良，刘学山．深基坑工程土层参数反演及挡墙内力预报．岩土力学，1999，20(4)
[35] 丁金华，包承纲．软基和吹填土上加筋堤的离心模型试验及有限元分析．土木工程学报， 1999，32(1)
[36] 介玉新，李广信，郑继勤．纤维加筋土计算新方法．工程力学，1999，16(3)
[37] 徐少曼，洪昌华．土工织物加筋堤坝软基的非线性分析．岩土工程学报，1999，21(4)
[38] 吴志雄，赵乃茹．加筋土强度模型与应力-应变特性研究．岩土工程学报，1992，14(增刊)
[39] 王吉力．土与土工织物相互作用机理的试验研究．中国科学院武汉岩土力学研究所硕士学 位论文，1991，7
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[42] D．M．希梅尔布劳 著，张义粲 等译．实用非线性规划．科学出版社，1981，5
[43] 席少霖，赵凤治．最优化计算方法．上海科学技术出版社，1983，3
[44] 万耀青，梁庚荣，陈志强．最优化计算方法常用程序汇编．工人出版社，1983
[45] 朱百里，沈珠江 等编著．计算土力学．上海科学技术出版社，1990，8
[46] 朱伯芳．有限单元法原理与应用(第二版)．中国水利水电出版社，1998，10
[47] 艾零件．软土深基坑开挖土质参数德位移反演分析研究．福州大学硕士学位论文，1998，5
[48] 魏汝龙．软粘土的强度和变形．人民交通出版社，1987，9
[49] 黄文熙 主编．土的工程性质．水利水电出版社，1983，1
[50] 朱梅生 主编．软土地基．中国铁道出版社，1989，3
[51] 朱向荣．软土预压流变性状研究．浙江大学博士学位论文，1993，9
[52] 赵维炳 等．土工织物加筋与塑料排水板联合加固软基的计算方法研究．岩土工程学报， 1998，20(3)
[53] 沈珠江 等．海滩软土路基的固结变形分析．岩土工程学报，1987，9(6)
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[50] 朱梅生 主编．软土地基．中国铁道出版社，1989，3
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[52] 赵维炳 等．土工织物加筋与塑料排水板联合加固软基的计算方法研究．岩土工程学报， 1998，20(3)
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[54] 殷宗泽．非线性及弹塑性比奥固结平面有限元程序(BCF95) ．河海大学岩土工程研究所