華中科技大學(xué)碩士畢業(yè)答辯PPT

高填方路基沉降變形特性及

預(yù)測方法研究答辯人：陳皓專業(yè)：道路與鐵道工程指導(dǎo)老師：李小青教授HuazhongUniversityofScience&Technology研究背景和意義高填方路基沉降技術(shù)及現(xiàn)場監(jiān)測方案曲線擬合法在沉降預(yù)測中的應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論在高填方路基沉降預(yù)測中的應(yīng)用高填方路基施工數(shù)值模擬分析結(jié)論與展望目錄HuazhongUniversityofScience&Technology1.1研究背景（1）高等級公路通車?yán)锍踢_(dá)到一個新時期，其巨大經(jīng)濟(jì)效益和方便快捷，贏得了社會一致認(rèn)可；（2）高速公路建設(shè)改變了沿線原有的自然狀態(tài)，特別是高填方路基的施工極易導(dǎo)致路基變形過大或失穩(wěn)，在竣工通車后短時間內(nèi)就會出現(xiàn)不同程度的不均勻沉降；（3）大量的研究針對單個工程，集中于軟土地基的沉降和穩(wěn)定，對于高填土路堤在施工期、靜載期、工后期沉降預(yù)測沒有進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，也沒有找到較好的解決辦法。1.2項目來源及研究意義項目來源：武漢天河機(jī)場第二公路通道高填方路基沉降分析及控制技術(shù)國家自然科學(xué)基金項目（51278391）FRP土釘靜動態(tài)力學(xué)性能與作用機(jī)理研究連接武漢市區(qū)與天河機(jī)場快速通道和西北部的重要出口通道，同時也是武漢市環(huán)線上一條放射線，在整個區(qū)域公路網(wǎng)中占據(jù)較為重要的地位。1.3課題研究內(nèi)容HuazhongUniversityofScience&Technology2現(xiàn)場調(diào)查分析與沉降監(jiān)控技術(shù)工程地質(zhì)概況現(xiàn)場沉降監(jiān)控技術(shù)沉降監(jiān)控結(jié)果及分析HuazhongUniversityofScience&Technology

2.1武漢天河機(jī)場第二公路通道工程概況武漢天河機(jī)場第二公路通道地處武漢市西北部，地理位置介于東經(jīng)113°45′～114°20′，北緯30°10′～30°40′之間。沿線地形起伏不大，較為平緩，地勢較開闊，多為農(nóng)田、湖汊、魚塘等，植被發(fā)育較好。沿途橋梁眾多，高架、互通、跨河（湖）等。平均不到500m一處過渡段，且多為高填方段，一般達(dá)7～8m，有的高達(dá)10m。地貌多為第四系沖湖積平原，相間壟崗、剝蝕殘丘，多為相當(dāng)于長江中游一級或三級階地地貌，且第四系覆蓋層厚度大，下部基巖分布情況較復(fù)雜，主要為白堊系、二疊系、志留系沉積巖。

HuazhongUniversityofScience&Technology武漢天河機(jī)場第二公路通道地理位置圖填土碾壓HuazhongUniversityofScience&Technology2.2沉降監(jiān)控內(nèi)容武漢市天河機(jī)場第二公路通道S6標(biāo)段的高填方路基工程沉降沉降監(jiān)測項目觀測項目觀測內(nèi)容和目的觀測設(shè)備地表沉降測量土體沉降量，用于調(diào)整填筑速率，預(yù)測沉降變化趨勢，確定預(yù)壓卸載和結(jié)構(gòu)物、路面最佳施工時間，為沉降土方計算提供依據(jù)測量儀器和沉降板地基分層沉降地基不同層位分層沉降量分層沉降儀和沉降標(biāo)土體水平位移觀測測斜管傾斜變形，測量土體水平分層位移量，判定土體剪切變形情況，判定路堤安全和穩(wěn)定狀況測斜儀和測斜管孔隙水壓力觀測地基孔隙水壓力變化，分析地基土體固結(jié)情況孔隙水壓力計土壓力觀測地基土壓力變化，分析地基土體變形情況土壓力計沉降監(jiān)控方案武漢市天河機(jī)場第二公路通道S6標(biāo)段的高填方路基工程采用分層填筑、分層加載、實時監(jiān)測斷面沉降變形的施工形式，自2011年9月至今陸續(xù)設(shè)置了14個沉降觀測點(diǎn)，沉降觀測點(diǎn)布置見下表。觀測斷面沉降板位置數(shù)量填土高度/mK12+000路基中線及兩側(cè)路肩35.5K12+150路基中線及兩側(cè)路肩36.5K12+300路基中線及左側(cè)路肩38.5K12+450路基中線及兩側(cè)路肩38.0K12+600路基中線17.5K12+800路基中線16.0HuazhongUniversityofScience&Technology武漢天河機(jī)場第二公路通道S6標(biāo)段沉降觀測點(diǎn)布置圖

K12+600斷面K12+300斷面K12+150斷面典型斷面監(jiān)測元件布置圖斷面布置圖服務(wù)區(qū)斷面元件布置形式平面布置圖典型斷面監(jiān)測元件布置圖斷面布置圖一般路基斷面元件布置形式平面布置圖沉降觀測儀器-地表沉降HuazhongUniversityofScience&Technology沉降板：地表沉降的觀測，埋設(shè)位置為路堤左、右肩和路堤中心線下墊層底面。剖面布置圖沉降板示意圖沉降觀測儀器-分層沉降分層沉降標(biāo)：埋設(shè)在路堤斷面中線下地層分界線處，土層較厚處2至3米設(shè)置一個觀測點(diǎn)，分層標(biāo)鉆孔深度即為埋置深度。。剖面布置圖分層沉降標(biāo)示意圖底蓋孔隙填充物連接處完全密封保護(hù)墩鐵蓋孔口標(biāo)記鐵管接頭沉降環(huán)沉降觀測儀器-水平位移測斜管：埋設(shè)于地基土體水平位移最大的平面位置，一般埋設(shè)于路堤邊坡坡趾處或邊溝上口外線1m左右的位置。。剖面布置圖測斜管示意圖沉降觀測儀器-孔隙水壓力孔隙水壓計：由水壓力計、透水石等部件組成，適用于路基內(nèi)不同地質(zhì)層面的孔隙水壓力測量，可進(jìn)行長期監(jiān)測。埋設(shè)于地基土體水平位移最大的平面位置，一般埋設(shè)于路堤邊坡坡趾處或邊溝上口外線1m左右的位置。。孔隙水壓力的埋設(shè)孔隙水壓力計沉降觀測儀器-土壓力土壓力：計由背板、感應(yīng)板、信號傳輸電纜、振弦及激振電磁線圈等組成。適用于長期測量土石壩、土堤、邊坡、路基等結(jié)構(gòu)物內(nèi)部土體的壓應(yīng)力。。土壓力計HuazhongUniversityofScience&Technology2.3典型監(jiān)測成果6標(biāo)k12+150-3處累計沉降量隨時間變化曲線

6標(biāo)k12+150-3處孔隙水壓力隨時間變化曲線HuazhongUniversityofScience&Technology典型監(jiān)測成果-K12+150-36標(biāo)k12+150-3處土壓力隨填土高度變化曲線

6標(biāo)k12+150-3斷面邊樁水平位移變化曲線HuazhongUniversityofScience&Technology典型監(jiān)測成果-K12+600-16標(biāo)k12+600-1處累計沉降量隨時間變化曲線

6標(biāo)k12+600-1處孔隙水壓力隨時間變化曲線HuazhongUniversityofScience&Technology典型監(jiān)測成果-K12+600-16標(biāo)k12+600-1處土壓力隨填土高度變化曲線

6標(biāo)k12+600斷面邊樁水平位移變化曲線3曲線擬合法在高填方路基沉降預(yù)測中的應(yīng)用曲線擬合法的概述常見的曲線擬合法在高填方沉降預(yù)測中的應(yīng)用華中科技大學(xué)各曲線擬合法

預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)對比分析3.1基于實測數(shù)據(jù)的沉降預(yù)測方法的適用性HuazhongUniversityofScience&Technology預(yù)測方法分類對實測數(shù)據(jù)要求是否含次固結(jié)曲線擬合法雙曲線法圖解雙曲線法恒載期沉降數(shù)據(jù)是改進(jìn)雙曲線法恒載期沉降數(shù)據(jù)是S型成長模型Gompertz全沉降曲線是Pearl全沉降曲線是Weibull全沉降曲線是指數(shù)曲線法需沉降曲線拐點(diǎn)數(shù)據(jù)是S-lgt曲線法恒載期沉降數(shù)據(jù)否Asaoka法等時距恒載期否其它方法沉降速率法自加載起的所有加荷及沉降數(shù)據(jù)否三點(diǎn)法三個等時距恒載期沉降數(shù)據(jù)點(diǎn)否（小波）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等時距（處理）是灰色模型GM(1,1)灰色模型等時距；恒載期否Verhulsr灰色模型全沉降曲線是HuazhongUniversityofScience&Technology3.2常見的曲線擬合法在高填方沉降預(yù)測中的應(yīng)用該法近似認(rèn)為地基的沉降變形量與時間成雙曲線函數(shù)關(guān)系，其基本方程式為：式中St為時間t時的沉降量，S0為時間t0時的沉降量，、為待定擬合參數(shù)。一、雙曲線擬合法、

當(dāng)

，則有

，由上式可得地基的最終沉降量：雙曲線擬合法預(yù)測各斷面最終沉降量相關(guān)參數(shù)HuazhongUniversityofScience&Technology雙曲線法是一種經(jīng)驗方法，推算原理不強(qiáng)，理論性不夠明確，且會因?qū)崪y沉降時間不夠，無法采用雙曲線法推測，但由于其形式簡單明了，所以有一定的實用性。該法需要有較長時間的觀測資料，否則造成推算值存在較大偏差，使得擬和出的沉降結(jié)果偏大。HuazhongUniversityofScience&Technology3.2常見的曲線擬合法在高填方沉降預(yù)測中的應(yīng)用利用地基的平均固結(jié)度可以得到t時刻的沉降公式：式中St為時間t時的沉降量，Sd為瞬時沉降量，為地基的最終沉降量。二、指數(shù)曲線擬合法、

若不考慮瞬時沉降的影響，上式可簡化為：指數(shù)曲線擬合法預(yù)測各斷面最終沉降量相關(guān)參數(shù)HuazhongUniversityofScience&Technology指數(shù)曲線法通常采用三點(diǎn)法，其需在實測的曲線上取荷載恒定后時間間隔相等的三點(diǎn)。由于三點(diǎn)的選定任意性往往會使推算結(jié)果帶有人為的誤差，大量的工程實例應(yīng)用表明：該模型后期確實擬合較好，但對前期沉降擬合不夠穩(wěn)定，且其擬和出來的結(jié)果偏小。3.2常見的曲線擬合法在高填方沉降預(yù)測中的應(yīng)用三、皮爾曲線擬合法、

是的微分，表示的變化速率。則的增長率就等于其微分方程為：用分離變量法對微分方程求解，則有：上式就是邏輯斯蒂成長曲線，也稱泊松曲線或皮爾曲線方程。Pearl成長曲線預(yù)測模型的數(shù)學(xué)公式可簡化為：皮爾曲線擬合法預(yù)測各斷面最終沉降量相關(guān)參數(shù)HuazhongUniversityofScience&Technology由于皮爾成長曲線所反映的事物發(fā)生、發(fā)展、成熟并到達(dá)一定極限的過程與地基沉降的變化發(fā)展過程十分相似。因此皮爾成長曲線很好地反映了全過程的地基沉降與時間的關(guān)系。HuazhongUniversityofScience&Technology3.3各曲線擬合法預(yù)測結(jié)果的對比分析利用總體最小均方差法對上述各種曲線擬合法進(jìn)行評判，計算結(jié)果如下表

。各曲線擬合的最終沉降量匯總表HuazhongUniversityofScience&Technology3.3各曲線擬合法預(yù)測結(jié)果的對比分析采用雙曲線法、皮爾曲線法預(yù)測武漢天河機(jī)場第二公路通道S6標(biāo)段典型高填方路基靜載期和工后期沉降量的總體均方差和相對殘差均比較小，說明采用雙曲線法、皮爾曲線法預(yù)測路基靜載期和工后期沉降誤差較小，吻合程度好。雙曲線法預(yù)測武漢天河機(jī)場第二公路通道S6標(biāo)段典型高填方路基工后期沉降的總體均方差和相對殘差均是最小的，皮爾曲線法施工期的總體均方差和相對殘差相對雙曲線法、指數(shù)曲線法小，靜載期的總體均方差相對雙曲線法、指數(shù)曲線法小，相對殘差相對雙曲線大1.95%。這說明皮爾曲線法對于施工期和靜載期沉降的擬合相對于雙曲線法、指數(shù)曲線法好。雙曲線法對于工后期擬合相對較好。4灰色預(yù)估法在高填方路基沉降預(yù)測中的應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論概述灰色預(yù)估模型的建立華中科技大學(xué)灰色預(yù)估模型工程應(yīng)用灰色預(yù)估法與曲線擬合法的對比分析HuazhongUniversityofScience&Technology4.1灰色系統(tǒng)理論灰色系統(tǒng)理論按照五步建模思想構(gòu)建，通過灰色生成或序列算子的作用弱化隨機(jī)性，挖掘潛在的規(guī)律。通過灰色差分方程和灰色微分方程之間的互換實現(xiàn)了利用離散的數(shù)據(jù)序列建立連續(xù)的動態(tài)微分方程的新飛躍。

灰色系統(tǒng)理論的主要內(nèi)容包括以灰色朦朧集為基礎(chǔ)的理論體系，以灰色關(guān)聯(lián)空間為依托的分析體系，以灰色序列生成為基礎(chǔ)的方法體系，以灰色模型為核心的模型體系，以系統(tǒng)分析、評估、