软土地基上分期施工的路堤沉降预测方法
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软土路基填筑沉降观测方法软土路基上填筑路堤时,在边坡坡脚外设置边桩进行水平位移观测,在路堤中心线地面上设置地基沉降观测设备进行沉降观测。
在路堤填筑过程中严格控制填土速率,控制沉降速率小于10mm/d,水平位移速率小于5mm/d。
并根据观测数据推算地基的最终沉降量。
必要时,调整设计使地基处理达到预定的工后沉降控制目标值。
边桩位移观测:边桩设置:在路堤坡脚外侧2~10m 范围内,按顺线路方向布置1~2排,桩与桩之间间距以10~20m 为宜;每排位移边桩两端在不受荷载影响范围以外设置固定桩,用混凝土浇灌固定。
边桩用100×100×1000mm 的硬木制成,按设计要求打入土中,桩顶露出地面2~3cm ,并在桩顶钉一小钉,以备观测之用。
位移观测:用精度较高的经纬仪、水平仪进行观测。
测量精度准确到±1mm 。
一般填土低于临界高度时,每两天观测一次即可;接近或超过临界高度时,每天观测并绘制“填土高—时间—位移量”关系曲线图。
每日上、下班时各观测一次,两次观测值之差除以观测时间(h )再乘以24(h )即可作为日平均沉降量、位移量。
日平均水平位移量小于5mm ,日平均垂直位移量小于10mm 则是安全的。
若平均位移量超过以上数值,必须停止填筑,必要时立即采取措施。
地面沉降观测:地面沉降板的设置:在60mm ×800mm ×800mm 的木底板上联40mm ×40mm 的方木观测杆,如下图所示,观测杆每杆长1.5m ,上端包铁皮接头,以便随填土的增大而接长。
观测杆外面套一竹保护管,管端做成楔口形以便接长。
安装沉降板前先将地面整平,以保持木底板的水平和标杆的垂直。
在填土高度达到1m 以后,根据填土部分的压缩量将竹套管上拨一定距离,以免由于填土部分的压缩而影响地面沉降数值。
沉降观测:用水平仪观测,路基填土低于临界高度时,每两天观测一次即可;接近或超过临界高度时,每天观测一次,在沉降量急剧加大的情况下,每天观测次数不小于2~3次;精度准确到±1mm ;同时整理绘制“填土高—时间—沉降量”关系曲线图,日平均沉降量在10mm 以内是安全的。
探讨公路软土地基沉降预测方法在进行公路作业的过程中,要掌控相应的施工进度,为后续作业提供一些依据,并且使得路基具有稳定性和适用性,因此要计算预测路基的最终沉降量。
传统的理论计算方法是,按常规的一维固结理论来计算土工试验指标进行理论,但是通过这样获得的结果,跟实测结果相比差距非常的大,地基沉降的研究命题多数都是三维课题,具有现实的复杂性,所以要运用相应的沉降观测资料,进行推断和计算后期沉降,同时也包含了最终沉降,其意义是非常深远的。
1 软土路基沉降机理1.1 次固结沉降超静孔隙水的压力基本上已经消散开,指的就是次固结沉降,随时间继续发生的沉降量的条件是基本上有效应力不变。
通常会觉得这是一种恒定应力状态,土中粘滞流动的形态结合水,移动的速度十分缓慢,使得相应的变化出现,骨架产生徐变在结合水膜厚度之中。
在实际的次固结时,也会存在微小的超土孔隙压力,使得图块中有相应的水流。
对于这样很小的沉降,跟土层的厚度没有关系,而且具有很长的历时,通常不予考虑。
1.2 瞬时沉降在加荷的瞬间,来不及排出土中的孔隙水,孔隙没有产生体积变化,但是因为荷载的作用,剪切变形在土中发生,这就是瞬时沉降。
很小的瞬时沉降出现在严格的土体一维变形情况之下。
在土体全部饱和之后,对土块中的颗粒变形情况忽略不计,此时瞬时沉降几乎属于零。
针对土体的二维或三维变形的情况,也就是说在沉降地基总沉降量中瞬时沉降占有的比例很大。
加荷方式和加荷速率跟瞬时沉降有着非常大的关系,如果使用一次加载瞬时的方式,地基的瞬时沉降会大大地超过均匀慢速加载的情况,其原因是因为增量加载的时刻不同,土体在不断的固结,随之土中有效应也在增大,土体相应的变形模量也会随之增加。
1.3 固结沉降在外荷载的情况下,受到超孔隙水压力的水力梯度的影响,水从土内排出,土骨架上因为转移了应力增量因此产生沉降,这就是固结沉降。
这个过程跟时间有着紧密的联系,重点是在体积的变化,当中也包括了剪切变形,所以使得进一步沉降的发生,在粘性土地基沉降当中,这是最重要的一个组成部分。
混凝土路基沉降预测方法一、引言混凝土路基是建筑工程中重要的结构体系之一,它在工程建设中扮演着至关重要的角色。
然而,在实际使用过程中,混凝土路基会出现沉降现象,影响其使用寿命和安全性能。
因此,混凝土路基沉降预测方法的研究和应用具有重要意义。
本文将介绍混凝土路基沉降预测方法的具体步骤和技术要点。
二、混凝土路基沉降的成因混凝土路基沉降主要有以下四个原因:1.地基土壤的压缩变形;2.地基土壤的渗透变形;3.路基结构的变形;4.降雨、渗水等外界因素的影响。
三、混凝土路基沉降预测的方法1.经验法经验法是根据历史数据和经验公式来预测混凝土路基沉降的方法。
具体步骤如下:(1)收集历史数据和相关资料;(2)分析历史数据和相关资料,得出经验公式;(3)根据经验公式计算混凝土路基沉降。
2.数学模型法数学模型法是根据混凝土路基的材料特性和结构特征建立数学模型,利用计算机进行仿真计算来预测混凝土路基沉降的方法。
具体步骤如下:(1)建立混凝土路基的数学模型;(2)输入相关参数,进行仿真计算;(3)根据仿真结果预测混凝土路基沉降。
3.现场试验法现场试验法是在混凝土路基使用过程中进行现场试验,通过对试验结果的分析来预测混凝土路基沉降的方法。
具体步骤如下:(1)选择合适的试验点位,进行试验;(2)收集试验数据,进行数据处理;(3)根据试验数据预测混凝土路基沉降。
四、混凝土路基沉降预测的技术要点1.地基土壤性质的测试地基土壤的性质对混凝土路基沉降具有重要影响,因此在进行混凝土路基沉降预测前需要进行地基土壤性质的测试。
测试内容包括土壤类型、密度、含水率、剪切强度等。
2.混凝土路基结构的分析混凝土路基结构的分析是混凝土路基沉降预测的重要环节。
需要对混凝土路基的结构特征进行分析,包括路基的高程、断面形状、荷载分布等。
3.预测模型的建立预测模型的建立是混凝土路基沉降预测的核心。
需要根据经验公式、数学模型和现场试验等方法建立预测模型,以预测混凝土路基沉降。
Settlement prediction of embankments with stageconstruction on soft groundLIU Song-yu,JING FeiInstitute of Geotechnical Engineering, Southeast University,Nanjing210096,China;软土地基上分期施工的路堤沉降预测方法刘松玉,经绯岩土工程研究所210096期,中国南京东南大学摘要沉降量和沉降速率控制是软土地基上路堤工程设计的关键问题,由于固结理论的局限性和参数的不确定性,理论预测的精度较低,而基于现场实测数据的观测法则显示出了较高的精度。
本文在Asaoka观测法的基础上,形成了一种软土路基上分期施工时路堤沉降预测的方法,结合江苏海相软土上的高速公路工程进行了沉降预测分析。
关键词:沉降;路堤;观测法;分期施工;江苏海相软土1.简介对于软土地基上的路堤设计来说,沉降和稳定性是需要考虑的两个关键性因素。
现有的评估路堤稳定性的方法基本上能满足设计要求。
因此,沉降便成了设计分析路堤长久性的关键参数。
换句话说,对沉降的分析是路堤分析的最合适的方法。
软土地基上路堤的沉降主要是由于路堤的固结和侧向流动所引起的。
对于软土地基上的路堤,人们做了很多这方面的研究。
很多实验已经得出了对于预估沉降量和沉降率的实际值的理论,同时,实验也解释了一些涉及精确预估沉降量的问题。
Duncan于1993年、Olson于1998年分别对预估沉降量在现有条件下所引起缺陷的不确定性因素进行了分析。
这些不确定性因素使得估算路堤沉降量和沉降速率有时特别困难甚至是无法进行估算。
尽管数值分析法能提高计算的精确性,但是土的本构模型涉及到很多不能被确定的参数。
然而,随着数值分析法的计算化,这使得我们可以获得更多的土的本构模型和相应的程序代码,从而使计算得以简化得以更精确。
因此,人们非常渴望发展这样一种观测方法——只要记录足够的沉降参数,通过计算机就能得到精确的沉降值。
工程地质知识:软土地基路堤的稳定与沉降一般规定
1.在软土地基上修筑路堤,应进行稳定验算与沉降计算。
2.根据软土地基的地质条件、土层强度以及路堤高度的不同,进行计算段落的划分,分段长度宜为300m~500m。
桥头路堤及人工构造物附近,应按30m~50m分段。
3.稳定验算与沉降计算按成层地基进行,不得简化为均质地基。
在同一段落同一土层中,各计算参数可分别取其平均值。
4.对用于计算沉降的压缩层,其底面应在附加应力与有效自重应力之比不大于0.15处。
5.行车荷载对稳定验算的影响应按静止的土柱作用考虑。
行车动荷载对沉降的影响不予考虑。
6.稳定验算时,应采用圆弧条分法按路堤施工期及公路营运期的荷载分别计算稳定安全系数。
路堤施工期荷载只考虑路堤自重。
营运期荷载应包括路堤自重、路面的增重及行车荷载。
地震力的计算应遵照现行《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)的规定,只考虑水平向地震力而不考虑竖向地震力。
7.稳定验算与沉降计算应考虑路堤在施工期及预压期由于地基沉降而多填筑的填料增重的影响。
2009年3月第3期城市道桥与防洪收稿日期:2008-10-20作者简介:张本达(1964-),男,浙江上虞人,工程师,从事工程建设监理工作。
路堤沉降变形的分段预测法张本达(宁波港工程建设监理有限公司,浙江宁波315800)摘要:该文针对某路堤深厚软土地基的沉降变形,以一维固结微分方程及实测沉降过程为基础,分析了一维固结沉降的预测模型,探讨了预测模型的辨识和滤波问题。
通过分析实测沉降过程线,提出了分段沉降预测法,其精度优于一般预测法。
关键词:沉降;滤波;分段预测中图分类号:U416.1+2文献标识码:A文章编号:1009-7716(2009)03-0031-020引言在软土地基上建造高速公路或堤坝,预测修筑路堤地基的沉降是决定工程成败的关键。
在设计和建造路堤时,要求准确预测堤基的沉降,及时采取工程措施,确保工程建成后正常运行。
由于土的一些参数不易准确测定,甚至任何一个模型的提出都是建立在许多假设的基础之上,因此工程的计算结果和实测结果,往往会有一些差异。
如何利用近期的实测值去反推有关参数,进而预测最终结果,使二者较为吻合,就显得格外重要而有意义。
1沉降预测模型1.1主固结沉降预测模式引入沉降表达式S(t)=Ho乙ε(t,z )dz(1)通过运算,得到n阶沉降—时间关系主方程:S+C 1S 1+C 2S 2+…+C n S (n)=C (2)式中:C 1,C 2,…,C n ,C 为未知常数。
引入离散时间因子t j =Δt ·j j =0,1,2,…(3)式中:Δt=常数。
则式(2)可改写为S j =β0+ni=1∑βi S j-1(4)式中:S j -t j 时刻的沉降;βi -i=0,1,2,…,未知常数。
分析式(4)可知,t j 时刻的沉降是前j-1个沉降序列的线性组合。
鉴于这个思路,Asaoka [1]首先取式(2)为一阶近似方程,则有式(4)中的i =1,假设沉降序列在某一时刻之后S j =S j-1则S f =β0/(1-β1)式中:S f —最终沉降。
公路软土地基沉降预测的探讨摘要:沉降预测在公路软土地基处理中占有重要地位,也是选择处理效果的主要指标及制定维修维护计划的基础。
本文在总结现有沉降预测方法的基础上,指出影响预测精度的主要原因是目前对软基变形的定性不准及观测数据时间序列过短,目前公路软土地基的沉降预测还处于初级阶段。
关键词:沉降预测软土地基固结1前言沉降预测是软基处理的重要内容,公路软基处理的每一个环节都与沉降预测息息相关。
在设计阶段,变形的大致估算或预测是选择和确定处理方法的依据;在施工阶段,变形预测是采用超载等手段的决策基础;在施工后阶段,沉降预测是评价软基处理质量的主要指标及制订维修维护计划的重要参考。
基于沉降预测在公路软基处理中的重要性,岩土工作者多年以来在此方面作了大量的工作,总结出了理论的、经验的、理论与经验相结合的多种预测方法,这些预测方法在实际工程中得到广泛应用,但在某些情况下,特别是深厚软土的情况下,实际变形与预测的沉降存在着较大的偏差,有的甚至与预测的情况完全偏离。
本文在对沉降预测方法简单总结评价的基础上,对深厚软基上沉降预测偏差较大的原因作了初步分析。
2公路软基沉降预测的主要方法2.1分层综合法分层综合法是软土地基处理设计的最常用的方法,一般采用一维固结的分层综合法计算公式,由于计算结果与实测数据往往有较大偏差,实际应用中一般用经验系数m s加以调整。
S=m s×Sˊ(式1)其中S为最终取值,Sˊ为分层综合法计算取值m s为经验系数,取值范围一般在0.7~1.7之间。
调整后的分层综合法也经常与实测结果有较大的偏离,其原因一是分层综合法附加应力计算误差较大、每一土层的孔隙比及压缩指数代表性不强,一是m s取值范围太大,没有详尽的取值标准,使采用该方法得出的最终结果有很大的人为性。
理论上讲,m s主要用来调整由于采用一维固结公式而忽略地基由于土体剪胀性而引起的沉降。
从这个意义上讲,m s应大于1,m s应与软土的强度、厚度、填土高度及加载方式有关,软土强度越低,厚度越大,填土高度越大,加载速率越高,则m s取值应越大。
如何准确测算软基沉降在高速公路的修建过程中,不可避免地要通过软土地基。
由于软土地基的压缩性大、承载力低、在外荷作用下会产生较大的变形,而过大的沉降或沉降差会影响路面的平整度及路面结构的稳定性,继而影响行车速度和安全。
因此,软土地基沉降计算方法的可靠程度对软土地区高速公路的建设具有十分重要的意义。
1 软土地基沉降的计算方法《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》中计算软土地基的总沉降量有两种方法:一种是按瞬时沉降(Sd)、主固结沉降( Sc)、次固结沉降(Ss)之和计算,即 S=Sd+Sc+Ss。
一种是采用经验系数校正法即 S=m·Sc ,m为沉降系数,它是考虑了地基的初始沉降、塑性变形及其它影响因素的综合修正系数,其大小与地基条件,荷载强度,加载速率等因素有关,取值范围为1. 1~1.7。
瞬时沉降是指在荷载作用下,因地基侧向剪切变形而产生的沉降,一般认为是当路堤填土荷载施加后立即发生并很快完成的,目前一般按弹性理论计算。
主固结沉降是由于地基排水固结而产生的沉降,一般采用一维压缩的分层总和法。
根据计算中所用试验参数的差异,分层总和法包括e-p 曲线法、压缩系数av法和压缩指数Cc 法等。
次固结沉降是指作用在土骨架上的有效应力基本保持不变的条件下,地基随时间的增长而发生的沉降,一般可利用土样的室内试验结果进行估计,其计算可按从主固结沉降完成后开始,由e-lgP曲线的斜率采用次固结系数法近似求得。
2 计算的误差分析2.1荷载强度计算路堤荷载作用下地基中不同深度处的附加应力是计算地基主固结沉降的重要内容,路堤荷载计算是把路堤看成一个梯形断面的无限长垂直条形均布荷载来考虑的,这与现场实际情况会存在一定差距。
地基沉降计算时,路堤荷载一般取为梯形断面范围内的填土荷重,但由于软土地基的沉降量较大,在施工期间的地基沉降是由后继填土补填起来的,从而会使实际填土荷载大于原设计荷载。
另外,当地下水位很高时,沉降至地下水位以下的填土会受到水的浮力作用,导致基底附加应力减少,从而影响了地基土附加应力的计算精度。
软基路堤沉降预测1引言在环境和车辆荷载作用下,软土地基路堤会发生沉降,使道路发生病害。
准确预报软土地基路堤沉降量,对道路病害预防有着重要的意义。
现有的路堤沉降预估方法主要分为两种:一种是试验法,首先通过试验测定土基样本来获得土基的参数,然后选择适当的模型进行计算地基沉降量;另外一种是统计分析法,通过对地基沉降數据的统计回归分析,来预测路堤的沉降量。
国内对地基沉降方面做了大量研究工作,宇云飞等[ ]对软土地基的沉降预测应用做了相关的研究工作,他针对软土地基利用泊松曲线进行了相应预测,通过结果对比证明了预测结果的准确性;王东耀等[ ]给出了高速公路的软土地基最终沉降的推理方法,该推理方法应用于确定软土地基的最终沉降值大小是方便、可行的;李又云等[ ]对饱和软土地基固结沉降进行了现场测试,测定结果可用于地基固结理论分析的依据;张留俊等[ ]应用人工神经网络来预测了路堤沉降的量,结果表明人工神经网络来预估路堤沉降是有效的;冯炜[ ]实现了MATLAB-ANN 系统在高速公路的软土地基沉降预测中的应用,将数学软件与工程实际结合,有效的预测软土地基的沉降量。
由上述文献可以看出,软土地基沉降预测方法更侧重于预测模型的构建,因此,本文阐述了一种基于费尔哈斯模型的软土地基沉降量预测方法,将生长曲线(推理曲线)应用于地基沉降预测分析,并编写了相应的计算程序,此外,为了验证该预测模型的正确性,对某地区的软土地基沉降进行了现场测定,通过实测值与预测值的对比及误差分布结果,来检验本文的预测模型精度。
2费尔哈斯模型费尔哈斯曲线是一种推理曲线,又称为S型曲线,它是在Malthusian模型的基础上进一步发展的,认为生物的繁殖不可能完全保持一定速度的生长,由于受到外界环境多方面的因素的影响,它会出现前期迅速增加,后期逐渐趋于稳定的S型增长特点。
因此,这种特性又可称为生长特性,这种生长曲线在生活实际中可以找到类似的规律,如人口增加规律、人的身高变化规律等。
公路软土路基沉降预测方法研究摘要:随着社会经济水平的提高,道路工程也在逐渐增多,但是在道路施工过程中,施工单位经常会遇到的一个问题就是软土地基,这类地基的承载能力是非常差的,如果我们在施工的时候没有考虑到这个问题、也没有采取科学合理的措施对这些软土地基进行处理,那么很有可能会导致道路施工质量不合格,所以说软土地基的处理是道路施工中非常重要的一道工序。
这就要求相关的专业人员对整个工程的施工过程加以关注,我们总结了一些软土地基沉降预测方式,在本文则重点分析不同方法的优缺点,希望能够为软土地基施工提供一定的参考价值。
关键词:公路;软土路基;沉降预测方法前言:公路路基是路面的基础,其基本作用是承受来自路面的载荷,确保路面的强度和稳定性。
但是软土路基的工程性质比较差,在通车之后容易产生较大的沉降,从而造成路面破损,因此路基沉降的预测与控制是软土地区公路建设的一个关键问题,也是日前亟待解决的一大难题。
由于理论计算方法本身的局限性和工程地质条件的复杂性,完全依靠理论方法很难准确预测路基沉降,因此根据路基前期实测沉降来预测后期沉降直至最终沉降具有重要意义。
1.软土地基施工过程中所存在的问题1.1地基承载能力低,难以施工软土层的一个特点就是内部的含水量相对来说是偏高的,也就造成了在进行压实工作的时候难度会增加,但是压实工作可以说直接决定了道路的平整性,是十分重要的工作,但是就目前我国市政道路的施工来讲,一方面软土地基的压实难度特别大,另一方面就是施工人员的专业技术以及自身能力是十分有限的,所以说在进行软土地基的压实工作方面,我国取得的成效还是不够好,这也导致了市政道路施工的质量以及应用标准都是不能够满足相关要求。
并且软土地基一般上都是出现在南方的一些区域,受到地理环境等一些原因的影响,再加上在施工过程中不能够掌握天气状况的变化,一旦在施工的过程中恰好遇到了雨水多发的季节,就会导致软土地基中还会出现大量的积水,不仅工作难度会增加,并且道路中的一些材料还会得到腐蚀,使工程的整体性能都有所减少。
2019年12期方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application软土地基沉降变形预测方法归纳分析杜艳1,2(1.陕西省榆林公路管理局,陕西榆林719000;2.榆林路桥勘察设计院,陕西榆林719000)1背景目前软土地基沉降预测方法较多,不同的预测方法适用于不同的软土条件。
国内学者针对软土的沉降预测方法也进行了不少的研究,杨帆[1]研究路堤软土地基超载-卸载-再加荷的沉降预测分析时,证明了双曲线法预测最终沉降的可行性,并对软土地基沉降速率与最终沉降量的关系进行了研究。
胡烈铭[2]在针对软土地基路堤工后沉降进行研究时发现,利用双曲线法进行软土地基沉降预测时,需要注意到双曲线法本身的收敛性较差,只有在含有足够数据时,预测的结果才能具有价值,指数曲线法与双曲线法相比,其收敛性比较好,所预测的结果比双曲线法预测的结果好。
吕妍洁[3]利用灰色系统GM (1,1)模型在软基沉降预测中的应用研究中发现,灰色系统GM (1,1)模型在预测软土路基沉降变化情况时,具有与现场实测值相差不大的效果,预测结果精度相对较高,同时GM (1,1)克服了大部分方法的缺点和不足,通过较少的数据进行沉降预测。
旷翀[4]利用BP 神经网络法预测某输气站沉降发现,BP 神经网络法使得监测值的拟合效果比其他方法好,但BP 神经网络法不适用于长时间的沉降预测,这是因为预测时间的延长,会使得预测的数据与输出数据偏差增大,这也就是神经网络预测中的缺陷。
卞志兵[5]利用广义遗传算法进行路基沉降预测时发现,广义遗传算法是一种计算软土地基沉降的新算法,在给出合理的最终沉降范围,就可以得到全局最优解,广义遗传算法避免了传统方法局部极值的缺陷,使得收敛效率提高,研究还发现,尽管在求解多参数非线性优化问题时,遗传算法没有严格的要求对于目标函数,但作为一种新的路基沉降分析方法,其方法适用性还需要进一步研究。
高速公路软土路基沉降预测方法摘要:软土路基段的高速公路建设中,利用沉降观测资料准确地推算沉降有着重要意义。
目前常用的预测方法有曲线拟合法,以及发展较快的灰色预测法与人工神经网络法等。
文中介绍了主要预测方法的基本原理及优缺点,为准确预测高速公路软土地基的沉降量提供一定的参考。
关键词:沉降预测;曲线拟合;灰色预测;神经网路.1 引言高速公路软土地基路段的建设过程中,软土地基的复杂性,为了控制施工进度,指导后期的施工组织与安排,如何利用沉降观测资料较为准确地推算后期沉降(包括最终沉降)显得至关重要。
本文研究了曲线拟合法、灰色系统法、人工神经网络法、遗传算法等多种沉降预测方法的原理及应用,为准确预测高速公路软土路基的沉降提供一定的参考。
2沉降预测方法此法采用与沉降曲线相似的曲线对沉降过程进行拟合,再外延推求最终沉降量。
包括双曲线法、星野法、泊松曲线法及Asaoka法等。
2.1 双曲线法双曲线法[1]假定沉降量S与时间t按“沉降平均速度呈双曲线递减”的规律变化,其表达式为:(1)由上式看出,α和β分别为(t- t0) /(st-s0)—(t-t0)关系图中的截距和斜率,可用图解法求出。
将得到的α、β和S0、t0代入式(1),则可求得任意时刻t的预估沉降量S(t)。
最终沉降量为:(2)基于太沙基一维固结理论,U与T之间应该是指数关系,而双曲线法简化了此关系,且可用图解法简单易行,适合工程人员用。
但此法只能推算地基最终沉降量,难以反映地基固结参数,已有的工程实例表明预测结果比实测值偏大。
2.2对数抛物线拟合法文献[2]在路基完建后的沉降-对数坐标系上看出沉降大致由两部分组成:第一部分可用抛物线拟合;第二(即次固结)部分可由直线拟合。
实践证明,除有机质含量高的土体外,沉降量主要集中在第一部分,表达式为:(3)式中A、B、C可用优化法求得。
该法仅需掌握短期观测资料,便可求得满足要求的工后沉降量及铺设路面时的沉降速率。
Settlement prediction of embankments with stageconstruction on soft groundLIU Song-yu,JING FeiInstitute of Geotechnical Engineering, Southeast University,Nanjing210096,China;软土地基上分期施工的路堤沉降预测方法刘松玉,经绯岩土工程研究所210096期,中国南京东南大学摘要沉降量和沉降速率控制是软土地基上路堤工程设计的关键问题,由于固结理论的局限性和参数的不确定性,理论预测的精度较低,而基于现场实测数据的观测法则显示出了较高的精度。
本文在Asaoka观测法的基础上,形成了一种软土路基上分期施工时路堤沉降预测的方法,结合江苏海相软土上的高速公路工程进行了沉降预测分析。
关键词:沉降;路堤;观测法;分期施工;江苏海相软土1.简介对于软土地基上的路堤设计来说,沉降和稳定性是需要考虑的两个关键性因素。
现有的评估路堤稳定性的方法基本上能满足设计要求。
因此,沉降便成了设计分析路堤长久性的关键参数。
换句话说,对沉降的分析是路堤分析的最合适的方法。
软土地基上路堤的沉降主要是由于路堤的固结和侧向流动所引起的。
对于软土地基上的路堤,人们做了很多这方面的研究。
很多实验已经得出了对于预估沉降量和沉降率的实际值的理论,同时,实验也解释了一些涉及精确预估沉降量的问题。
Duncan于1993年、Olson于1998年分别对预估沉降量在现有条件下所引起缺陷的不确定性因素进行了分析。
这些不确定性因素使得估算路堤沉降量和沉降速率有时特别困难甚至是无法进行估算。
尽管数值分析法能提高计算的精确性,但是土的本构模型涉及到很多不能被确定的参数。
然而,随着数值分析法的计算化,这使得我们可以获得更多的土的本构模型和相应的程序代码,从而使计算得以简化得以更精确。
因此,人们非常渴望发展这样一种观测方法——只要记录足够的沉降参数,通过计算机就能得到精确的沉降值。
很多研究人员在现场观测的基础上发展了沉降预估法。
该方法不仅能够得到精确解,还被认可为估算最终沉降量和沉降速率的方法。
分期施工对于软土地基上的路堤来说是一个特殊的程序。
随着每一个施工期路堤的固结,路堤的安全性会逐渐提高,竣工后的沉降量也会减少。
施工时期的沉降—时间(s-t)曲线可能会比瞬时荷载的曲线更为复杂。
尽管竣工后的沉降量会减少,但是施工时期路堤在稳定的最终荷载作用下的初始的固结期会明显增加。
为了加快沉降速率,减小软土层的竣工后的二次沉降,实际中我们经常采用超载,也就是在竣工时期加临时荷载,然后卸载。
对于软土层上路堤的施工期的沉降分析的问题有如下几种:(1)预估施工时期由于钻孔测试而引起的变形。
(2)预估在永久荷载作用下由于第一施工期所引起的最终沉降。
(3)预估在永久荷载和相应的超载下由于超载所引起的竣工后的沉降。
第一个问题主要依赖于设计时的理论。
其余两个问题需要以经验为根据而不是靠理论方法。
因为它们是靠观测的数据而得来的。
在任何情况下,第二个和第三个从现场观测到的预估沉降量比理论算得的沉降量都可靠。
Leroueil et al 提出了有效应力路径,分析了施工时期竖向沉降和横向沉降之间的关系。
Stamatopoulos 和Kotzias 发展了在永久荷载下确定最终沉降的方法,但这种方法是基于弹性理论的,而且它很难用来计算沉降率。
而双曲线模型的方法又是依据总的荷载—沉降关系来预估最终沉降量,这种方法对于在初始天然荷载下的沉降很不灵敏。
本文在Asaoka 观测法的基础上,提出了一种软土地基上分期施工时在永久荷载作用下的预估最终沉降的方法。
2. 分期观测法Asaoka 建议采取一个“观测过程”,利用现场观测的数据来估算最终沉降量和原位固结系数。
这种方法因为其简单性和有效性而变得越来越受欢迎。
该方法是基于单向固结沉降量S 0 , S 1 , S 2 , …… ,S j 在时间0 ,∆t ,2∆t ,…… ,j ∆t 时能被作为第一近似值,公式如下:S j =0β+1βS j-1 (1) 在时间S j - S j-1图里它代表了一条直线。
这里0β是直线的截距,1β是直线的倾角。
当达到最终沉降时:S j = S j-1=S f ,因此,最终沉降S f 可以由如下公式求得:S f =101ββ- (2)ln 1β= - 26H tC V ∆(两面排水时) (3)ln 1β= - 22H tC V ∆(顶部排水时) (4)常数1β和固结系数C V 有关:Magnan 和Deroy 认为对于横向排水:C h =t FD e ∆⋅-12ln 8β (5) 对于竖向排水:C v =t H ∆⋅-12ln 125β (6) 这里D e ,H 分别是排水路径的长度。
Asaoka 观测法也表明,S j - S j-1图中的直线在多级荷载作用下会改变位置,而且,当沉降相对较小而粘土层相对较厚时,移动的直线基本上和初始直线是平行的。
但是,该方法并没有讨论给出如何确定从一个直线段到下一个直线段的移动距离。
在表达式(1)中,当j = 0时,t = 0,S(t=0) = S0 ,这里t 是荷载的工作时间。
如果在荷载卸载的瞬间将t 设置为0,那么Sj-1就变为0。
因此S0 = 0β=瞬时沉降Se (7)这就意味着Asaoka 观测法能被扩展为求固结沉降,其值等于Sj- Sj-1图里的 直线的截距0β,这里t = 0是在荷载加上之后。
此外,这种瞬时沉降也是分期施工期平行线的移动距离。
事实上,根据Asaoka 观测法的最初土层的沉降值能由下式求得:St = dz z t H ⎰0),(ε (8)+'++++'++=)(51)(31)(41)(21),(243242F C Z F C Z ZF T C Z T C Z T z t V V V V !!!!ε (9)这里T 和F 是两个未知的时间系数。
在竖向排水的底部和土层的顶部,),(z t ε=T=ε(t , z=0) 。
如果t = 0,那么),(z t ε=ε(t=0 , z=0) =e ε=初始弹性应变。
因此,S(t=0)=S0就能得到瞬时沉降Se 。
Se 也能由如下弹性原理的公式求解:S0=Se=u E qbIV )1(2- (10)上式清楚地表明Asaoka 观测法能够被扩展到估算施工期路堤的沉降。
也就是说,下一个施工期的路堤的状况可由上一个施工期的0β,1β进行估算。
上一个施工期的路堤的沉降测量值越多,下一个施工期的估算值就越精确。
分期观测法包括以下几个步骤:(1)观察时间—沉降曲线的草图(2)选择时间间隔∆t ,通常是10到100天之间。
在tj 时刻读取曲线上的沉降Sj 。
(3)在相应的坐标系里以Sj- Sj-1为轴,从0开始标出沉降Sj- Sj-1的点。
(4)用直线将标出的点连起来,直线相应的倾角是1β,在Sj 轴上的截距为0β,与45o 直线的交点是第一工期的最后固结沉降量。
(5)利用第一工期的0β通过(10)式反求不排水压缩模量。
(6)通过已知的Eu 来确定下一工期的路堤沉降,从而确定直线段的移动距离。
(7)假设C V 在分期施工时是连续的,并且假设相对于软土的厚度来说路堤沉降非常小,这可以保证下一工期的直线段平行于第一施工期的直线段。
(8)从与45o 斜线的交点预估下一施工期的最后沉降量。
(9)利用1β的值通过式(5)、(6)分别估算C h 和C V 。
3.实例研究3.1工程地址和工程概述连云港—徐州高速公路的A段是一段长31km的高速公路,它把港口城市连云港和国家高速公路网连在一起。
该工程于1999年12月开始动工。
这其中包括104座桥和涵洞。
该高速公路路堤的底部宽40m,高从3m到7m不等。
根据设计标准,路堤和结构的沉降值必须控制在10cm以内。
竣工后的路堤沉降在建成后的15年里必须小于30cm。
很明显,路堤的沉降量和沉降速率对工程的可靠性和经济性是至关重要的。
3.2地面下的土质条件连徐高速公路的A段要经过海相沉积平原。
该平原的地基土剖面图包括0到3m厚的上层硬表层的硬粘土,其下是5.6m到13m厚的软粘土,别名江苏海相软土。
软粘土下是交替间隔的硬粘土和稠粘土,厚度从10m到20m,它们一直延伸到基岩。
3.3土层的改良和路堤的施工我们设计采用干射搅拌法和砂垫层分期施工法来减少总的沉降和竣工后的沉降。
从1999年12月开始,路堤用残积粘土填充,在第一期施工到2.5—3.5m高后,让土自然固结6个月。
固结沉降期间通过沉降板定期观测路堤的沉降,这一期间,一些观测到的沉降比相应的设计总沉降还大。
为了修改原先的设计,使得下一施工期的方案更可靠,我们有必要再次预估基于第一施工期沉降观测结果的路堤的性状。
3.4预估最终沉降从路堤填充高度和对路堤中心处砂垫层的地表沉降测试结果中,我们发现第一期和第二期的沉降曲线下降非常陡。
第二施工期后的最后沉降可以由分期观测法通过第一期的观测数据来预测。
这表明预估沉降量和测试沉降量基本上是相符的。
曲线同时也表明基于第一期观测数据的不排水弹性模量E u和C V的有效性。
E u/c u的比率为50—100,而C V(现场)/C V(室内)的比率为6—12。
这也似乎表明江苏海相粘土E u/c u在低范围内的比率符合。
Bangkok粘土和其它已经存在的粘土的比率为70—253(也就是计算数据是有效的),而实际的固结系数值大于试验测得的值,这会导致更快速率的沉降。
4. 结论基于Asaoka观测法的理论来源,结合对江苏海相粘土的研究,本文发展了一种软土路基上分期施工时路堤沉降预测的方法。
结论如下:(1)对比所有的最终沉降预测的观测方法,Asaoka观测法能够成功地扩展到预测分期施工路堤的沉降。
的。
(2)在根据Asaoka观测法绘制的S j-和S j-1图中,瞬时沉降S e被证明是等于截距0因此,在第一期观测中,我们能够得到软土层的不排水压缩模量。
它有助于我们更精确地估算下一期的瞬时沉降。
(3)假定实际的固结系数和土层厚度在分期施工期仍然保持连续,倾角1 的平行线段的移动距离等于第一分期由公式反求的瞬时沉降值。
(4)本文所介绍的这种方法的优点是下一个分期的不排水压缩模量的值和固结系数的值可由第一分期的计算分析获得。
(5)实例研究表明,江苏海相软土的E u/c u的比率从50到100不等,而实际的固结系数几乎都比实验室试验所得的数据大。
AbstractThe magnitude and rate of the settlement are the key elements subjected to design analysis of embankments on soft ground. The observational methods based onfieldmeasurement have indicated the promising results and become effective methods to predict the final settlement, while the uncertainties of parameters and theories limit significantly the accuracy of settlement estimation. This paper presents an observational method to predict the settlement performance of embankments with stage construction on soft ground based on Asaoka method. The case studies show the accordance of the predicting results with the field measured data. It is also given from the case study that the value of E u / C u ratio ranges from 50 to 100 for Jiangsu Marine clay and its actual coefficient of consolidation is almost one order of magnitude larger than the laboratory data.Key words:settlement; embankment; observational method; stage construction; Jiangsu Marine clay1. IntroductionSettlement and stability are two primary considerations systematically related to the design of an embankment on soft ground. The tools available for the stability evaluation seem to be satisfactory. The key element of long term behavior of the embankment routinely subjected to design analysis is the settlement. In other words , the settlement analysis is the most appropriate approach to the embankment analysis .The settlements of embankments on soft clays result from the consolidation and the lateral flow under the embankments. Many researches have been made on performance of embankments on soft ground.Although many experiences have shown the practical value of the theory for estimating settlements and settlements rates , they also illustrated some of the problems in volved in making accurate prediction of the settlement .Duncan (1993) and Olson (1998) analyzed the uncertainties causing the shortcomings in the current state of the art for settlement prediction respectively. These uncertainties sometimes make it difficulty or impossible to estimate the magnitude and rate of settlement for embankments . Although the numerical analysis may be possible to improve the accuracy , the soil models may involve many parameters that can not be determined economically. However , the evolution of numerical methods with computer may result in simpler models and complete codes that are increasingly becoming available.It is desirable therefore to develop observational methods based upon which the settlement can be estimated once sufficient data has been recorded. Many researchers developed the settlement prediction methods on field measurement observation , which have indicated promising results and become an accepted method to estimate final settlements and rates of settlements.Stage construction is a typical procedure for embankments on the soft ground. With a certain period of consolidation at every stage construction ,the safety factor of the embankment can be generally raised and the post construction settlement may be reduced. The settlement - time curve during stage construction may be more complicated than it is withinstantaneous loading. The period for primary consolidation at a definite final load with stage construction may be increased significantly , in spite of the fact that the post construction settlement can be reduced. In order to speed up the rate of settlement and minimize the post construction secondary settlement of soft clays , surcharge is often used in practice ,which can be taken as a type of stage construction with temporary loading and unloading stages .Problems related to the settlement analysis of stage construction for embankments on soft clays are of the following types:(1) Prediction of the deformation behavior of stage construction from the results of borings and tests .(2) Prediction of the final settlement at permanent load from the behavior of the first stage construction.(3) Prediction of the post construction settlement at the permanent load and corresponding time of surcharge removed from the behavior of the surcharge.The first of these problems is heavily dependent on the theory , which is necessary in design. The other two predictions require empirical rather than theoretical methods because they are based on observational data. In any case , the fact that the second and third predictions are derived from field observations makes them more reliable than the theoretical predictions .Leroueil et al revealed the effective stress path and analyzed the relationship between vertical settlement and lateral displacement during stage construction. Stamatopoulos and Kotzias developed a method to determine the final settlement at permanent load from the behavior of surcharge, but it is based on the elastic theory and difficult to calculate the rate of the settlement . The hyperbolic method is based on the total load - settlement relationship to predict the final settlement , which is not sensitive to the nature of the initial loading condition.This paper presented a method for the prediction of the final settlement at permanent load from the behavior of the first stage construction based on the Asaoka method.2. Stage observational methodAsaoka proposed an ‘observational procedure ’to estimate the final settlement and in2situ coefficient of consolidation from the field observational data. This method is becoming increasing popular because of its simplicity and effectivity.The method is based on the fact that one dimensional consolidation settlements S 0 , S 1 ,S 2 , … ,Sj at times 0 ,∆t ,2∆t ,… ,j ∆t can be expressed as a first order approximationbySj =0β+1βSj-1 (1)which represents a straight line in a Sj vs Sj-1 plot , where 0β is the intercept and 1β is the slope of the line. When the ultimate settlement has been reached : Sj= Sj-1=Sf , therefore ,the ultimate settlement Sf can be given bySf =101ββ- (2)andln 1β= -26H t C V ∆ (both top and bottom drainage) (3) ln 1β= - 22H t C V ∆ (top drainage) (4) The constant 1β has been suggested by Magnan and Deroy to be related to the coefficient of consolidation Cv as follows: for horizontal radial drainage onlyC=tF D e ∆⋅-12ln 8β (5) for vertical drainage onlyC v =tH ∆⋅-12ln 125β (6) where D e , H are the drainage path length respectively.Asaoka method also stated that the straight line in S j - S j-1 space would moved up in the case of multi-staged loading , moreover , the shifted lines become almost parallel to the initial when the settlement is relatively small compared to the thickness of clay layer. However , it is not discussed and provided how to determine the shift distance from the line of first stage to the line of the next stage.In the expression (1) ,when j = 0 that is : t = 0 and S (t=0) = S 0 ,where t can be taken as 0 from any time after loading works . If t is set as 0 at the exact time once the load is exerted , then , S j-1 becomes 0 , therefore ,S 0=0β= immediate settlement S e . (7) This means that Asaoka method can be extended to obtain the construction settlement , which equals to the intercept 0β of the liner line in the space S j - S j-1, where t = 0 is set just after loading. Moreover , this immediate settlement contributes the shift distance of the parallel lines during stage construction.In fact , from the derivation of the Asaoka method , the settlement of soil layers can be expressed asS t = dz z t H ⎰0),(ε (8) And +'++++'++=)(51)(31)(41)(21),(243242F C Z F C Z ZF T C Z T C Z T z t VV V V !!!!ε (9) where T and F are two unknown function of time.With the vertical drainage boundary conditions and at the ground surface ,),(z t ε=T =ε(t , z=0) . If t = 0 , ),(z t ε=ε(t=0 , z=0) =e ε= initial elastic strain. Therefore , S(t=0)=S 0 gives the immediate settlement S e , which can also be estimated from the elastic method by the equation :S 0=S e =uE qbI V )1(2- (10) It is clearly shown that the Asaoka method has been extended to predict the settlement of embankments with stage construction. In other words , the behavior of next stage construction can be predicted with the 0β ,1β from the last stage construction. The more the previous stages with settlement measurement , the higher the accuracy of next stage prediction. The stage observational method includes following steps :(1) Sketch observed time settlement curve .(2) Choose a time interval ∆t , which usually ranges from 10 to 100 days , read the settlements S j from the curve at times t j ( = ∆t j , j = 1 ,2 ,3, …).(3) Plot the settlements S j , S j-1 in a coordinate system with axis S j , S j-1 originated from 0.(4) Fit the plotted points by a straight line , of which corresponding slope is read as 1β. The intercept at the S j axis gives 0β , while the point of intersection with the 45o line , gives the final consolidation settlement of the first stage.(5) From the 0β of the first stage construction to determine the undrained modulus E u by inverse analysis (10) .(6) Determine the next stage construction settlement with the above known E u (10) , thus resulting in the shift distance of line.(7) Assume the C V remains constant during stage construction and settlement is small compared with the thickness of soft soils , this makes the line of next stage construction parallel to the first stage with the slope 1β.(8) Predicting the final settlement of next stage construction from the intersection of the shifted line with the 45o line.(9) Estimate the C h and C V from the value of 1β with the equation (5) or (6) .3. Case study3. 1 Site and project descriptionSection A of Lianxu highway is a 31 km long high standard expressway connecting the port city Lianyugang to the national highway system of China. It was began to construction from Dec. 1999. There are 104 bridges or culverts or passways in this 31 km long section designed to connect embankments . The bottom width of the embankment is 40 m , while the height of embankment changes from 3 to 7 m.Based on the design code , the differential settlements between embankments and structures have to be controlled less than 10 cm. Post construction settlements ofembankments have to be less than 30 cm during the post construction period of 15 years . It is clear that the magnitude and rates of the embankment settlements are the extremely important problem to make the project reliable and economical .3. 2 Subsurface conditionsThe section A of Lianxu highway passes over the marine deposit plain. The typical subsoil profile consists of 0 to 3m think upper crust of stiff clay underlain by a 5.6 to 13m thick soft clay ,which is named Jiangsu Marine clay. Blow this soft clay , lies alternating layers of stiff clay and dense sand extending to badrock with the varied thickness of 10 to 20m.3. 3 Soil improvement and embankment constructionDry Jet Mixing and stage construction with sand blanket have been designed to reduce the total settlement and post construction settlement . The embankment filled with residual clay from Dec. 1999. After the first stage construction of 2.5~3.5 m high , about 6 months were left along for soil consolidation. The settlements are observed regularly by settlement plates . During the period of the first stage consolidation , some observational settlements are found to be larger than the corresponding designed total settlement . It is necessary to re-predict the behavior of the embankments based on the settlement observational results of the first stage construction , in order to modify the original design and make the reliable decision for next stage construction.3. 4 Prediction of the final settlementThe typical fill heights with time and measured ground surface settlements at the center of embankments with sand blankets are shown. It can be seen that the settlement curve drops significantly between the first stage and second stage construction. The final settlements of the second stage construction are predicted from the first stage observational data by the stage observational method. It indicates that the predicted settlements are basically consistent with the measured settlement . Table 1 also shows the bake analyzed values of undrained elastic modulus E u and coefficient of consolidation C v based on the first stage observational data , giving ranges of E u / c u ratio of 50~100 and C V (field) /C V (lab) ratio of 6~12. It seems to be in the lower range of the E u / c u ratio for Jiangsu Marine clay compared with the ratio of 70~253 for Bangkok clay and other clays existing in the different literature. The actual coefficient of consolidation appears one order of magnitude larger than the laboratory value , this resulting in the faster rate of measured settlement .4. ConclusionsOn the basis of theoretical derivation of Asaoka method and case study of Jiangsu Marine clay , this paper presented a Stage Observational Method for settlement prediction of embankments on soft ground with stage construction. The following conclusions can begiven:(1) Considering the available observational methods for ultimate settlement prediction , the Asaoka method may be successfully extended to make the settlement prediction for stage construction embankments .βin the S j and(2) The immediate settlement S e is verified to be equal to the interceptS j-1space of the Asaoka method , therefore , the undrained modulus of soft ground can be obtained from the first stage construction measurements , this contributing to the more accurate estimation of immediate settlement of the next stage construction.(3) Assuming the actual coefficient of consolidation and the thickness of the soft ground remain constant during stage construction , the shifting distances of the parallel lines with the βis equaled to the immediate settlements , which can be calculated with the inverse slope of1modulus from the first (last) stage construction.(4) The distinct advantage of the recommended method is that the values of undrained modulus and coefficient of consolidation for next stage construction are inversely analyzed from the first (last) stage construction.(5) From the case study , the value of E u / c u ratio ranges from 50 to 100 for Jiangsu Marine clay , while the actual coefficient of consolidation is almost one order of magnitude larger than the laboratory data.。