软土路基沉降及预测方法对比研究

洪英维

(南昌铁路勘测设计院有限责任公司，江西 南昌 330002)

1 工程概况

该路段位于冲湖积平原，地区软土多为积海成因。这些软土强度低、含水量高、压缩性高、灵敏度高、易受干扰、变形、承载力低等特点，地质条件差。路段的路基处理方式采用了塑料排水板堆载预压法，该方法为当前软土路基的主要处理方法之一。其原理主要是塑料排水板作为软土地基中的竖向排水体，加大地基渗透参数，加快土体孔隙水排出。具有施工方法简便，造价低廉，加固效果显著等优点，适用于大面积软基加固处理工程。

2 监测结果分析

该试验路累计观测625 d，共测76次，在路基填筑期平均3～4 d观测一次，在路基交验期平均9～10 d观测一次。填土施工按照每周每次填筑不超过25 cm的速率进行，同时依据观测数据适当的调整填筑的时间间隔，当沉降速率超过15 mm/d并收敛较缓时，减缓填筑速率。沉降板的埋设采用地表埋设方式进行。沉降观测采用全自动电子水准仪测定进行复合或闭合。

该路段共布置了4个观测断面，12块沉降板。根据观测资料绘制的荷载-沉降-时间曲线图及填筑与沉降速率变化曲线图，以典型断面K4+943为例说明，如图1、2所示。

图1 K4+943荷载-沉降-时间曲线图

图2 K4+943荷载-沉降速率曲线图

经图1、2，得出：

(1)与路基中心沉降板相对应的沉降量大于与两侧相对应的沉降量，主要原因是道路荷载分布对称，而沉降由路边沉降观测点观测到是半边载荷。

(2)在填筑期间，沉降率明显上升，停填一段时间后，沉降率放缓，收敛值较小。因此，当荷载-时间-沉降曲线出现更陡峭的方向时，应严格控制加载率，以确保路基的稳定性和安全性。

(3)考虑到主要原因，早期软土地层孔隙大、含水量高、负荷早、孔隙水消散率相对较快，随着施工的进行，沉降速率变化较大软土地层的施工、荷载、孔隙比逐渐减小，承载力逐渐增大，荷载产生的附加应力逐渐由土粒骨架承担，加载后，排水效应减小，沉降率变化幅度减小，使填土厚度在施工初期尽可能减小，并随着路基承载力的提高，路堤的填充厚度可以加快。

3 软土路基沉降预测

沉降预测方法多为结合固结理论和本构关系建立正演模型，利用实测的沉降数据资料和数学优化方法，反演分析出地基土的各项参数，最后利用所建立的正演模型预测后期的软土沉降量。

本文在考虑了路基上负载荷的稳定性后，将沉降近似看作是固定荷载作用下某介质变化的过程，并采用全局优化方法对路基进行了优化。利用测量的沉降数据，可以得到更常用的预测公式。反演模型中的各参数，运用于后期的沉降预测，并将预测值与实测值进行对比。

3.1 预测方法介绍

(1)双曲线模型及其解法

双曲线法是一种纯经验的曲线拟合方法，根据实测的沉降曲线采用双曲线拟合，预测未知某时刻的沉降量或最终的沉降量。其基本公式为：

(1)

由式(1)可推导出：

(2)

式中：st为t时刻的预测沉降量；s0为预测起始时刻t0的沉降量实测值。

(2)星野法模型

星野法根据现场实测数据得出t时刻固结沉降量的计算式：

(3)

则总沉降的计算公式为：

(4)

式中st为t时刻的预测沉降量；s0为预测起始时刻t0的沉降量实测值，A、K为待定系数。

(3)指数函数法模型

指数曲线法与双曲线法类似，它假定地基土体在上部荷载的作用下，沉降量的平 均增长速率以指数曲线形式减少的一种经验推导法，其经验表达式为：

st=s∞-(s∞-s0)e(t0-t)/n

(5)

式中：t为任意时刻；s0为t0时刻对应的沉降量；s∞为最终沉降量；n为待定系数。

3.2 算例分析及其与实测数据对比研究

选取试验路段的K4+943断面为研究对象，对双曲线模型、星野法模型和指数函数模型中的模型参数进行优化求解，求出最优解，得出各种预测模型的数学方程表达式，并通过数学方程的表达式，与实测沉降数据进行了比较。通过上述操作，预测的具体数据与实际观测数据对比见图3～图4。

图3 K4+943(路中)沉降预测与实测值对比图

图4 K4+943(路右)沉降预测与实测值对比图

从实测数据以及预测数据进行分析可得：

(1)双曲线法、星野法和指数函数法均能对实测数据的拟合度均较好，其拟合的平均线性相关系数分别99.53、98.36和99.51。其中双曲线模型及指数函数模型的拟合度稍高于星野法模型。

(2)在预测数据里，星野法模型预测的数据最大，其次为双曲线法模型，指数函数法模型预测的数据较小。

(3)根据图3～图4中的预测模型获得的沉降的预测值与实测量值之间的比较，可以看出通过指数函数方法预测的沉降数据类似于图中的最终测量沉降数据相近;图3中通过双曲线方法预测的沉降数据相近于实测量的结算数据。图4中道路右侧沉降板的预测值表明，Hoshino方法预测的沉降数据与测量的沉降数据接近。比较每种预测方法与实测量值之间的误差。相对而言，双曲线拟合法具有比星野法和指数函数更小的误差比，并且相应误差百分比的值是：2.64%，3.33%和4.22%。表明这三种预测模型对结算数据具有良好的预测。

4 结 论

施工期，沉降速率受填土荷载影响较大，在填土期间应及时测量沉降速率值，并及时调整填土速率和频率。在路基填筑初期，沉降速率受填土影响波动较大，随着孔隙水的排放，将有更多的土颗粒骨架来承担填筑荷载，沉降速率波动也将逐渐减小。