华中科技大学硕士毕业答辩PPT

高填方路基沉降变形特性及

预测方法研究答辩人：陈皓专业：道路与铁道工程指导老师：李小青教授HuazhongUniversityofScience&Technology研究背景和意义高填方路基沉降技术及现场监测方案曲线拟合法在沉降预测中的应用灰色系统理论在高填方路基沉降预测中的应用高填方路基施工数值模拟分析结论与展望目录HuazhongUniversityofScience&Technology1.1研究背景（1）高等级公路通车里程达到一个新时期，其巨大经济效益和方便快捷，赢得了社会一致认可；（2）高速公路建设改变了沿线原有的自然状态，特别是高填方路基的施工极易导致路基变形过大或失稳，在竣工通车后短时间内就会出现不同程度的不均匀沉降；（3）大量的研究针对单个工程，集中于软土地基的沉降和稳定，对于高填土路堤在施工期、静载期、工后期沉降预测没有进行全面系统的研究，也没有找到较好的解决办法。1.2项目来源及研究意义项目来源：武汉天河机场第二公路通道高填方路基沉降分析及控制技术国家自然科学基金项目（51278391）FRP土钉静动态力学性能与作用机理研究连接武汉市区与天河机场快速通道和西北部的重要出口通道，同时也是武汉市环线上一条放射线，在整个区域公路网中占据较为重要的地位。1.3课题研究内容HuazhongUniversityofScience&Technology2现场调查分析与沉降监控技术工程地质概况现场沉降监控技术沉降监控结果及分析HuazhongUniversityofScience&Technology

2.1武汉天河机场第二公路通道工程概况武汉天河机场第二公路通道地处武汉市西北部，地理位置介于东经113°45′～114°20′，北纬30°10′～30°40′之间。沿线地形起伏不大，较为平缓，地势较开阔，多为农田、湖汊、鱼塘等，植被发育较好。沿途桥梁众多，高架、互通、跨河（湖）等。平均不到500m一处过渡段，且多为高填方段，一般达7～8m，有的高达10m。地貌多为第四系冲湖积平原，相间垄岗、剥蚀残丘，多为相当于长江中游一级或三级阶地地貌，且第四系覆盖层厚度大，下部基岩分布情况较复杂，主要为白垩系、二叠系、志留系沉积岩。

HuazhongUniversityofScience&Technology武汉天河机场第二公路通道地理位置图填土碾压HuazhongUniversityofScience&Technology2.2沉降监控内容武汉市天河机场第二公路通道S6标段的高填方路基工程沉降沉降监测项目观测项目观测内容和目的观测设备地表沉降测量土体沉降量，用于调整填筑速率，预测沉降变化趋势，确定预压卸载和结构物、路面最佳施工时间，为沉降土方计算提供依据测量仪器和沉降板地基分层沉降地基不同层位分层沉降量分层沉降仪和沉降标土体水平位移观测测斜管倾斜变形，测量土体水平分层位移量，判定土体剪切变形情况，判定路堤安全和稳定状况测斜仪和测斜管孔隙水压力观测地基孔隙水压力变化，分析地基土体固结情况孔隙水压力计土压力观测地基土压力变化，分析地基土体变形情况土压力计沉降监控方案武汉市天河机场第二公路通道S6标段的高填方路基工程采用分层填筑、分层加载、实时监测断面沉降变形的施工形式，自2011年9月至今陆续设置了14个沉降观测点，沉降观测点布置见下表。观测断面沉降板位置数量填土高度/mK12+000路基中线及两侧路肩35.5K12+150路基中线及两侧路肩36.5K12+300路基中线及左侧路肩38.5K12+450路基中线及两侧路肩38.0K12+600路基中线17.5K12+800路基中线16.0HuazhongUniversityofScience&Technology武汉天河机场第二公路通道S6标段沉降观测点布置图

K12+600断面K12+300断面K12+150断面典型断面监测元件布置图断面布置图服务区断面元件布置形式平面布置图典型断面监测元件布置图断面布置图一般路基断面元件布置形式平面布置图沉降观测仪器-地表沉降HuazhongUniversityofScience&Technology沉降板：地表沉降的观测，埋设位置为路堤左、右肩和路堤中心线下垫层底面。剖面布置图沉降板示意图沉降观测仪器-分层沉降分层沉降标：埋设在路堤断面中线下地层分界线处，土层较厚处2至3米设置一个观测点，分层标钻孔深度即为埋置深度。。剖面布置图分层沉降标示意图底盖孔隙填充物连接处完全密封保护墩铁盖孔口标记铁管接头沉降环沉降观测仪器-水平位移测斜管：埋设于地基土体水平位移最大的平面位置，一般埋设于路堤边坡坡趾处或边沟上口外线1m左右的位置。。剖面布置图测斜管示意图沉降观测仪器-孔隙水压力孔隙水压计：由水压力计、透水石等部件组成，适用于路基内不同地质层面的孔隙水压力测量，可进行长期监测。埋设于地基土体水平位移最大的平面位置，一般埋设于路堤边坡坡趾处或边沟上口外线1m左右的位置。。孔隙水压力的埋设孔隙水压力计沉降观测仪器-土压力土压力：计由背板、感应板、信号传输电缆、振弦及激振电磁线圈等组成。适用于长期测量土石坝、土堤、边坡、路基等结构物内部土体的压应力。。土压力计HuazhongUniversityofScience&Technology2.3典型监测成果6标k12+150-3处累计沉降量随时间变化曲线

6标k12+150-3处孔隙水压力随时间变化曲线HuazhongUniversityofScience&Technology典型监测成果-K12+150-36标k12+150-3处土压力随填土高度变化曲线

6标k12+150-3断面边桩水平位移变化曲线HuazhongUniversityofScience&Technology典型监测成果-K12+600-16标k12+600-1处累计沉降量随时间变化曲线

6标k12+600-1处孔隙水压力随时间变化曲线HuazhongUniversityofScience&Technology典型监测成果-K12+600-16标k12+600-1处土压力随填土高度变化曲线

6标k12+600断面边桩水平位移变化曲线3曲线拟合法在高填方路基沉降预测中的应用曲线拟合法的概述常见的曲线拟合法在高填方沉降预测中的应用华中科技大学各曲线拟合法

预测结果与现场监控数据对比分析3.1基于实测数据的沉降预测方法的适用性HuazhongUniversityofScience&Technology预测方法分类对实测数据要求是否含次固结曲线拟合法双曲线法图解双曲线法恒载期沉降数据是改进双曲线法恒载期沉降数据是S型成长模型Gompertz全沉降曲线是Pearl全沉降曲线是Weibull全沉降曲线是指数曲线法需沉降曲线拐点数据是S-lgt曲线法恒载期沉降数据否Asaoka法等时距恒载期否其它方法沉降速率法自加载起的所有加荷及沉降数据否三点法三个等时距恒载期沉降数据点否（小波）神经网络法等时距（处理）是灰色模型GM(1,1)灰色模型等时距；恒载期否Verhulsr灰色模型全沉降曲线是HuazhongUniversityofScience&Technology3.2常见的曲线拟合法在高填方沉降预测中的应用该法近似认为地基的沉降变形量与时间成双曲线函数关系，其基本方程式为：式中St为时间t时的沉降量，S0为时间t0时的沉降量，、为待定拟合参数。一、双曲线拟合法、

当

，则有

，由上式可得地基的最终沉降量：双曲线拟合法预测各断面最终沉降量相关参数HuazhongUniversityofScience&Technology双曲线法是一种经验方法，推算原理不强，理论性不够明确，且会因实测沉降时间不够，无法采用双曲线法推测，但由于其形式简单明了，所以有一定的实用性。该法需要有较长时间的观测资料，否则造成推算值存在较大偏差，使得拟和出的沉降结果偏大。HuazhongUniversityofScience&Technology3.2常见的曲线拟合法在高填方沉降预测中的应用利用地基的平均固结度可以得到t时刻的沉降公式：式中St为时间t时的沉降量，Sd为瞬时沉降量，为地基的最终沉降量。二、指数曲线拟合法、

若不考虑瞬时沉降的影响，上式可简化为：指数曲线拟合法预测各断面最终沉降量相关参数HuazhongUniversityofScience&Technology指数曲线法通常采用三点法，其需在实测的曲线上取荷载恒定后时间间隔相等的三点。由于三点的选定任意性往往会使推算结果带有人为的误差，大量的工程实例应用表明：该模型后期确实拟合较好，但对前期沉降拟合不够稳定，且其拟和出来的结果偏小。3.2常见的曲线拟合法在高填方沉降预测中的应用三、皮尔曲线拟合法、

是的微分，表示的变化速率。则的增长率就等于其微分方程为：用分离变量法对微分方程求解，则有：上式就是逻辑斯蒂成长曲线，也称泊松曲线或皮尔曲线方程。Pearl成长曲线预测模型的数学公式可简化为：皮尔曲线拟合法预测各断面最终沉降量相关参数HuazhongUniversityofScience&Technology由于皮尔成长曲线所反映的事物发生、发展、成熟并到达一定极限的过程与地基沉降的变化发展过程十分相似。因此皮尔成长曲线很好地反映了全过程的地基沉降与时间的关系。HuazhongUniversityofScience&Technology3.3各曲线拟合法预测结果的对比分析利用总体最小均方差法对上述各种曲线拟合法进行评判，计算结果如下表

。各曲线拟合的最终沉降量汇总表HuazhongUniversityofScience&Technology3.3各曲线拟合法预测结果的对比分析采用双曲线法、皮尔曲线法预测武汉天河机场第二公路通道S6标段典型高填方路基静载期和工后期沉降量的总体均方差和相对残差均比较小，说明采用双曲线法、皮尔曲线法预测路基静载期和工后期沉降误差较小，吻合程度好。双曲线法预测武汉天河机场第二公路通道S6标段典型高填方路基工后期沉降的总体均方差和相对残差均是最小的，皮尔曲线法施工期的总体均方差和相对残差相对双曲线法、指数曲线法小，静载期的总体均方差相对双曲线法、指数曲线法小，相对残差相对双曲线大1.95%。这说明皮尔曲线法对于施工期和静载期沉降的拟合相对于双曲线法、指数曲线法好。双曲线法对于工后期拟合相对较好。4灰色预估法在高填方路基沉降预测中的应用灰色系统理论概述灰色预估模型的建立华中科技大学灰色预估模型工程应用灰色预估法与曲线拟合法的对比分析HuazhongUniversityofScience&Technology4.1灰色系统理论灰色系统理论按照五步建模思想构建，通过灰色生成或序列算子的作用弱化随机性，挖掘潜在的规律。通过灰色差分方程和灰色微分方程之间的互换实现了利用离散的数据序列建立连续的动态微分方程的新飞跃。

灰色系统理论的主要内容包括以灰色朦胧集为基础的理论体系，以灰色关联空间为依托的分析体系，以灰色序列生成为基础的方法体系，以灰色模型为核心的模型体系，以系统分析、评估、