黃 瑋 梁永輝 蔣 松

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200040)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

高填方地基沉降變形計(jì)算及分析研究綜述★

黃 瑋 梁永輝 蔣 松

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200040)

從填方高度、填料類型、填料壓實(shí)度等六個(gè)方面，闡述了高填方地基沉降變形的影響因素。綜述了五種高填方地基沉降變形計(jì)算方法：物理模型試驗(yàn)、理論計(jì)算、數(shù)值模擬、經(jīng)驗(yàn)公式和模型預(yù)測(cè)，各自的研究進(jìn)展、適用性和優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)需深化內(nèi)容進(jìn)行了合理展望，使高填方地基沉降變形計(jì)算方法更加完善。

高填方地基，沉降變形，影響因素，分析方法

0 引言

高填方地基是指人工填筑處理形成的、填筑厚度大于20 m的地基，包括原場(chǎng)地地基和填筑地基。高填方地基的沉降主要由包括軟弱土層在內(nèi)的原地基的沉降變形和人工填筑體的壓縮兩部分引起[1]。填筑體的沉降主要是在自身重力作用下所產(chǎn)生的變形，而原地基的沉降則主要來(lái)源于上覆填土的作用。

高填方項(xiàng)目往往出現(xiàn)在機(jī)場(chǎng)建設(shè)、新城建設(shè)、石油化工場(chǎng)平建設(shè)和高速公路建設(shè)等工程中，如九寨黃龍機(jī)場(chǎng)、延安新城建設(shè)項(xiàng)目、云南綠春綠東新區(qū)、浙江麗水生態(tài)產(chǎn)業(yè)低丘緩坡開發(fā)項(xiàng)目、延長(zhǎng)石油延安煤油氣資源綜合利用項(xiàng)目等。過(guò)去軟土地基的沉降是學(xué)者們研究的主要對(duì)象，然而在高填方工程中，不僅存在軟基的沉降問(wèn)題，還存在由于填方荷載的大幅度增加而引起的一般沉降問(wèn)題，以及填筑體自身的沉降變形。鑒于此類工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及地基沉降計(jì)算的重要性，許多學(xué)者對(duì)高填方地基沉降的影響因素和沉降計(jì)算方法進(jìn)行了研究，但仍然沒(méi)有一種方法能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出地基沉降量。

本文針對(duì)高填方地基沉降變形問(wèn)題，歸納了高填方地基沉降變形的主要影響因素，并對(duì)目前常用的五種沉降變形計(jì)算方法，各自的研究現(xiàn)狀、適用性和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了綜述，對(duì)需深化內(nèi)容進(jìn)行了合理展望。

1 高填方地基沉降變形的影響因素

高填方地基沉降變形的影響因素很多。閆玉興(2013年)[2]認(rèn)為影響高填方地基沉降的自然因素主要有地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地形地貌與土的種類性質(zhì)；而人為因素則主要包括荷載作用形式、施工方法以及養(yǎng)護(hù)方式。

作者認(rèn)為，高填方地基沉降變形的影響因素可歸納為以下幾個(gè)方面：

1)填方高度和原地基軟弱土層厚度：高填方地基沉降量最大處，常見于填筑體深厚或原地基軟弱土層與填筑體均深厚處。

2)填料類型：賀廣零等(2007年)[3]通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)石類填料或土石混合填料的壓縮性小于土類填料，填筑體沉降量也小于土類填料；同時(shí)，工后沉降量與石料的彈性模量呈反比，對(duì)于彈性模量越大的石料，其后期壓縮性越小，工后沉降也就越小；透水性良好的填料，工后沉降明顯小于透水性較差的填料。

3)填料干密度、壓實(shí)度：大量的研究結(jié)果表明：填筑體的干密度和壓實(shí)度與工后沉降一般呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，填筑體的干密度和壓實(shí)度越大時(shí)，填筑體的自身沉降量與工后沉降越小。此外，當(dāng)填筑體具有較高壓實(shí)度時(shí)其完成自身壓縮變形達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也將大大縮短。

4)地下水：濕化變形是影響地基沉降的重要因素，當(dāng)?shù)叵滤话l(fā)生變化而有效應(yīng)力沒(méi)有提高時(shí)，高填方地基往往會(huì)產(chǎn)生很大的變形。有學(xué)者認(rèn)為，土石混合料的初次濕化變形主要與其應(yīng)力水平有關(guān)，兩者間存在近似于冪函數(shù)的關(guān)系。作者認(rèn)為在濕化作用下，地下水與地基沉降變形時(shí)間之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步的研究。

5)施工時(shí)間：填筑體施工越快，在施工期完成的沉降量越小，工后沉降量越大；分層填筑完成后預(yù)留一段時(shí)間的固結(jié)期，可以減小工后沉降值。

6)原地基的壓縮模量：原地基的壓縮模量越大，高填方地基沉降量越小。劉宏等(2004年)[4]以九寨黃龍機(jī)場(chǎng)高填方工程為依托，證明了軟弱地基經(jīng)過(guò)處理后，壓縮模量得到了提高，地基沉降量明顯減小，穩(wěn)定性也得到了提高。

2 沉降變形計(jì)算方法

物理模型試驗(yàn)是研究高填方地基沉降變形最直接的方法，此外主要還有理論計(jì)算法、數(shù)值模擬法、經(jīng)驗(yàn)公式法以及模型預(yù)測(cè)方法，這五種方法的具體研究現(xiàn)狀如下。

2.1物理模型試驗(yàn)法

目前采用的物理模型試驗(yàn)法主要是離心模型試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。離心模型試驗(yàn)主要是利用了相似理論，在模型材料與原材料保持統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，將原模型按一定比例縮小制成試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，置于離心機(jī)內(nèi)利用離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力場(chǎng)來(lái)模擬重力場(chǎng)，通過(guò)提高重力加速度使模型應(yīng)力狀態(tài)與真實(shí)情況相近，模擬出實(shí)際的受力與變形狀態(tài)從而觀察研究原型的變形規(guī)律。

劉宏等(2005年)[5]從模型設(shè)計(jì)、填料模擬、軟弱層強(qiáng)夯處理模擬和填筑過(guò)程模擬，四個(gè)方面闡述了高填方地基離心模型試驗(yàn)技術(shù)，具有較大參考價(jià)值。肖陽(yáng)(2012年)[6]對(duì)西南某機(jī)場(chǎng)填方體進(jìn)行模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)工后期的沉降約為總沉降的10%。蔣洋等(2007年)[7]通過(guò)對(duì)不同填土粒徑配比、干密度、含水量條件下的填方路堤試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)路堤的沉降變形與坡面水平位移，均隨填筑體的干密度降低和含水量的增加而增加。該研究較有意義，若能得到填筑體干密度及含水量與最大沉降量之間的定量關(guān)系式，則有助于最大沉降量的預(yù)測(cè)，以及施工過(guò)程中對(duì)沉降量的控制。這些模型試驗(yàn)對(duì)工程實(shí)際皆具有參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

綜上所述，離心模型試驗(yàn)方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)模型與原型之間的重力相似性，直接觀測(cè)和記錄地基的變形。但是離心模型試驗(yàn)一般需要極大的人力、物力，并且很難找到同時(shí)滿足尺寸相似與力學(xué)性質(zhì)相似的模型材料。此外，離心模型試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)地下水作用的研究，這也對(duì)模型設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

2.2理論計(jì)算法

理論計(jì)算法中最基本也是工程中最常用的是分層總和法，如式(1)所示，常用于地基最終沉降量計(jì)算：

(1)

曹喜仁等(2005年)[8]認(rèn)為在填筑階段，土體的變形既有剪切變形又產(chǎn)生壓縮變形，建議采用鄧肯—張模型；而在非填筑階段，則建議采用與時(shí)間和固結(jié)壓力有關(guān)的指數(shù)函數(shù)模型進(jìn)行計(jì)算。曹光栩等(2011年)[9]則是考慮到施工過(guò)程中軟弱地基的沉降變形，利用雙曲線模型對(duì)傳統(tǒng)的分層總和法進(jìn)行改造并提出了簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

分層總和法雖然計(jì)算簡(jiǎn)便，但無(wú)法考慮土體側(cè)向變形、土體非線性特性以及土層間相關(guān)作用等因素，因此計(jì)算結(jié)果較實(shí)測(cè)值偏小。高填方地基沉降仍可采用分層總和法，值得注意的是，當(dāng)填筑體高度較大，計(jì)算時(shí)采用同一壓縮指標(biāo)顯然是不科學(xué)的，應(yīng)對(duì)公式進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

2.3數(shù)值模擬法

近年來(lái)，數(shù)值模擬方法在高填方地基沉降變形計(jì)算中得到了廣泛運(yùn)用，目前主要研究方法的進(jìn)展如下。

李秀珍等(2005年)[10]運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)機(jī)場(chǎng)高填方地基施工過(guò)程及總沉降進(jìn)行了分析。張晏等(2010年)[11]通過(guò)有限元數(shù)值模擬，驗(yàn)證了分級(jí)加載作用下高路堤中間大、兩邊小的沉降規(guī)律，發(fā)現(xiàn)路堤沉降量隨高度和路堤土密度的增加而增大，隨彈性模量、泊松比和壓實(shí)度的增大而減小。數(shù)值模擬方法不僅可以考慮土體應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的非線性特性、土體的應(yīng)力歷史、水與骨架上應(yīng)力的耦合效應(yīng)，此外還能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件，并對(duì)高填方工后沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。但往往計(jì)算模型十分復(fù)雜，模型中所涉及的計(jì)算參數(shù)多且不易確定，這對(duì)數(shù)值計(jì)算的時(shí)間以及計(jì)算精度有很大的影響。

朱才輝等(2015年)[12]將能反映高填方變形時(shí)效性的修正Burgers模型，嵌入到FLAC3D軟件中，對(duì)高填方工后沉降規(guī)律進(jìn)行敏感性分析。鐘守賓等(2003年)[13]和呂慶等(2005年)[14]分別用鄧肯張E-V模型和廣義Kelvin模型預(yù)測(cè)路堤施工階段和工后的沉降。傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法往往采用非線性彈性模型，而實(shí)際上填筑體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系更趨向于彈塑性模型，建議根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，建立適用于具體工程沉降計(jì)算的本構(gòu)模型，通過(guò)二次開發(fā)嵌入到相關(guān)數(shù)值計(jì)算軟件中，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行反演，再進(jìn)行高填方地基沉降變形計(jì)算。

目前，學(xué)者們研究出了許多針對(duì)次固結(jié)變形計(jì)算的本構(gòu)模型，主要有村山塑朗模型、有效應(yīng)力蠕變模型和彈粘塑性本構(gòu)模型。但這些模型的參數(shù)往往很難獲得，如何將本構(gòu)模型、計(jì)算參數(shù)、數(shù)值計(jì)算很好的結(jié)合在一起，是未來(lái)高填方地基變形數(shù)值計(jì)算研究的重點(diǎn)。

2.4經(jīng)驗(yàn)公式法

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高填方工程實(shí)踐中總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)公式，為類似高填方工程的沉降計(jì)算提供了參考依據(jù)。

經(jīng)驗(yàn)公式法具有參數(shù)易取、計(jì)算方便的特點(diǎn)，但是不具備普適性，由于不同的工程項(xiàng)目，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，填筑體的材料、施工工藝、壓實(shí)質(zhì)量不同，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果往往有較大的差距，如何根據(jù)多種影響因素建立一個(gè)普遍適用的經(jīng)驗(yàn)公式，是未來(lái)應(yīng)該著重研究的內(nèi)容。

2.5模型預(yù)測(cè)法

模型預(yù)測(cè)法是指，基于施工期和工后沉降變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要包括地表沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)、地基分層沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，通過(guò)回歸分析、灰色系統(tǒng)理論、智能優(yōu)化算法等方法對(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，對(duì)高填方地基長(zhǎng)期沉降變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1)回歸分析方法。

回歸分析法是指建立數(shù)學(xué)模型對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算的方法，一般選取的數(shù)學(xué)模型比較簡(jiǎn)單，常見有指數(shù)模型、對(duì)數(shù)模型、雙曲線模型、拋物線模型、冪函數(shù)模型等。王華俊[18]等對(duì)常用的回歸分析方法進(jìn)行了總結(jié)和介紹，如表1所示。

表1 常用的沉降曲線回歸分析方法

劉宏等(2005年)[19]認(rèn)為在指數(shù)模型、冪函數(shù)模型、平方根模型、雙曲線模型和對(duì)數(shù)模型等回歸參數(shù)模型中，只有對(duì)數(shù)模型能較真實(shí)反映填料為砂礫石的高填方機(jī)場(chǎng)工后沉降規(guī)律。朱才輝等(2013年)[20]通過(guò)對(duì)呂梁機(jī)場(chǎng)高填方地基工后沉降監(jiān)測(cè)資料的分析，認(rèn)為Gompertz函數(shù)更適用于黃土地區(qū)工后沉降預(yù)測(cè)。匡希龍等(2008年)[21]以衡棗高速公路沉降板實(shí)測(cè)資料為依據(jù)，將龔帕斯曲線法與灰色預(yù)測(cè)法、有限元反分析法相比較，認(rèn)為龔帕斯模型有更好的適應(yīng)性。

回歸分析方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的要求較高，一方面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)越多，擬合效果越好，越能反映沉降變形趨勢(shì)；另一方面，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)性越小，擬合效果越好，為了避免數(shù)據(jù)波動(dòng)性對(duì)回歸分析效果的影響，在分析前需要先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加平滑。在采用回歸分析法之前，還應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)判，根據(jù)沉降變形趨勢(shì)選擇合適的回歸分析模型進(jìn)行分析，針對(duì)不同類型的工程項(xiàng)目，當(dāng)場(chǎng)地條件、填料類型、填筑工藝不同時(shí)，應(yīng)通過(guò)比較選擇合適的計(jì)算分析模型。擬合參數(shù)初始值選擇對(duì)擬合效果也有很大的影響，如何確定擬合參數(shù)的初始值也是一個(gè)值得研究的問(wèn)題，作者建議引入一些智能優(yōu)化算法用于快速搜索最優(yōu)的擬合參數(shù)初始值。

2)灰色預(yù)測(cè)方法。

灰色系統(tǒng)理論主要用于解決具有“數(shù)據(jù)量少”“信息不確定”特點(diǎn)的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析。韓汝才(2000年)[22]采用GM(1,1)灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)深圳機(jī)場(chǎng)地基沉降進(jìn)行不等距預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差為5%。吳大志等(2002年)[23]將GM(1,1)模型用于京珠高速公路高路堤沉降擬合，證明將灰色理論應(yīng)用于預(yù)測(cè)高路堤不同填筑時(shí)期的沉降量是可行的。高階灰色模型在沉降預(yù)測(cè)應(yīng)用中還存在許多問(wèn)題，還需要進(jìn)一步的研究。

3)智能優(yōu)化算法。

劉宏等(2005年)[24]研究了九寨黃龍機(jī)場(chǎng)的高填方地基，并且采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)其工后沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)，認(rèn)為高填方地基最終沉降量為42 cm～44 cm，兩年后可完成90%～95%。郭云開等(2010年)[25]采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)高填方路基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)與S型成長(zhǎng)曲線模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較，認(rèn)為組合模型的預(yù)測(cè)精度更高。將多種智能優(yōu)化算法組合成一個(gè)新的模型，也為高填方地基沉降計(jì)算提供了新的思路。

除了上述智能優(yōu)化算法以外，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究出的智能優(yōu)化算法還有很多，比如動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法、魚群算法、遺傳算法、支持向量機(jī)等，每種優(yōu)化算法都有自身的優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)的研究中可以引入更多更先進(jìn)的智能優(yōu)化算法，也應(yīng)當(dāng)根據(jù)每一個(gè)高填方工程各自的特點(diǎn)，選擇合適的智能優(yōu)化算法進(jìn)行沉降變形分析。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)高填方地基的沉降變形的影響因素及其特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。在此基礎(chǔ)上總結(jié)了五類高填方地基沉降變形的計(jì)算預(yù)測(cè)方法，得出以下結(jié)論：

1)影響高填方地基沉降變形的因素有很多，其中填方高度、填料類型、填料壓實(shí)度、地下水、施工時(shí)間以及原地基壓縮模量等影響較大。

2)理論計(jì)算法應(yīng)用較為簡(jiǎn)便，也是工程應(yīng)用中較為廣泛的一種，數(shù)值模擬法和模型預(yù)測(cè)法則是較有發(fā)展前景的方法。為了使得高填方地基沉降量計(jì)算結(jié)果具有準(zhǔn)確性，應(yīng)保證采用多種沉降監(jiān)測(cè)手段獲得長(zhǎng)期的、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并且采用多種計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析。

3)高填方地基的沉降計(jì)算研究還有許多工作需要加強(qiáng)。如在不同的計(jì)算方法中，應(yīng)當(dāng)更多的考慮填筑體填料的特性，地下水的作用，施工參數(shù)的影響，以及土體長(zhǎng)期蠕變特性等因素。

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Overviewofsettlementdeformationcalculationandanalysisofhighfilledground★

HuangWeiLiangYonghuiJiangSong

(ShanghaiShenyuanGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200040,China)

Six aspects of the influencing factors of settlement deformation was examined in this paper, which include filling height, packing type, degree of compaction in filler, groundwater, construction time and foundation compression modulus. This paper introduced five methods of calculating settlement, namely, physical model tests, theoretical calculation, numerical simulation, empirical formula, model forecast analysis, and made a review on the advantages and disadvantages of each method. At the same time, the scope of application and latest advancement of these methods were also discussed. It was pointed out that the analysis method of the settlement calculation in high filled ground should be deeply investigated in further studies.

high filled ground, settlement deformation, influencing factors, analysis method

TU433

A

1009-6825(2017)26-0061-04

2017-07-02 ★：華建集團(tuán)科研基金項(xiàng)目(14-1類-0051-基、15-1類-0024-基)

黃 瑋(1988- )，男，碩士，工程師