高速铁路软土地基沉降计算方法浅析

摘要：高速铁路软土地基沉降计算是高速铁路路基的主要研究课题之一，由于实际地质条件的复杂性，理论计算的沉降往往与实际值有较大的差异。大量的工程实践表明，要准确地计算软土地基的沉降，特别是预测工后沉降，仍是高速铁路建设中要解决的关键问题。因此，本文对目前各种文献出现过的高速铁路软土地基沉降计算方法加以总结，为进行软土地基沉降计算提供方法上的参考。

关键词：高速铁路 软土地基沉降 计算方法

中图分类号：TU4文献标识码：A文章编号：1672-3791（2012）08（c）-0048-01

软土地基沉降计算方法，早在20世纪初，Terzaghi等人就曾建立了经典的软土地基沉降分析法，以后又有很多人为该方法的改进和完善做出了重要贡献。自20世纪70年代以来，随着计算机技术的进步，采用有限元分析法计算地基沉降也已成为可能，但时至今日，地基沉降课题仍然困扰着土木工程技术人员。就一般的土木工程而言，仍在普遍沿用Terzaghi等人建立的经典分析法。在实用设计中，工程人员的经验和技术往往起着关键的作用。究其原因，可概括为如下几个方面：一是新的理论和技术尚未成熟，且对技术人员的素质和工程测试手段提出了很高要求；二是地基沉降的分析需要理论与实践密切地结合，而工程技术人员总希望地基沉降的计算方法能尽可能地简便直观，所需试验参数少而易确定，对各种工程情况均有良好的适应性，这就难免使地基沉降分析中需要加入一定的经验成分；三是地基沉降分析中涉及到地面外荷载的计算、土中应力的计算、土体固结度的计算、土体变形的计算以及土体试验参数的选用等许多环节，各环节之间又互有影响，其相互关系也随时间变化，因此，地基沉降的分析也是一项复杂的系统工程，每一环节的疏忽都可能导致错误的结果。

1 计算方法

1.1 常规计算方法

按分层总和法计算最终沉降，计算分层沉降时考虑瞬时沉降、主固结和次固结沉降。计算沉降速率时，则采用Terzaghi的一维固结理论。这种方法采用了一系列假定，与实际情况不完全符合，但由于简单易用，所需参数可在常规试验中确定，因而仍是实际工程中国内外最通用的方法，被纳入许多国家的规范。计算总沉降量S时，一般情况下，按瞬时沉降Sd与主固结Sc之和计算。当地基为泥炭土，富含有机质黏土或高塑性黏土时，应考虑计算次固结沉降Ss。

瞬时沉降Sd用弹性理论或一些经验公式计算；主固结沉降Sc的计算可用一维的e—lg p曲线或压缩模量Es，也可用黄文熙提出的三维分析法或Skempton和Lambe法；次固结沉降Ss采用次固结系数计算。工程实际中经常采用主固结沉降乘以一个修正系数ms的方法来计算总沉降量。

1.2 有限元法

理论上，这一方法可适合于任意的边界条件和加载方式，可计入土层的不均匀性和土层性质的非线性特征等。

近30年来，已经提出了大量的土体本构关系模型理论，归纳起来有两大类：一是弹性非线性本构模型理论，它以弹性理论为基础，在各微小的荷载增量范围内，把土看成弹性材料，从一个荷载增量变化到另一个荷载增量，土体的弹性常数发生变化以考虑非线性；二是弹塑性本构模型理论，认为土体的变形包括弹性变形和塑性变形两部分，把弹性理论和塑性理论结合超来建立土的本构关系模型。

在弹性非线性模型方面，最常用的有E-μ和K-G弹性非线性模型。在软土问题计算中，Duncan-Chang的E-μ模型应用最广。其主要特点在于模型概念明确，简单实用，可以利用常规三轴剪切试验测定所需的计算参数。另外，其计算结果近似地反映工程的实际情况，特别是计算的沉降值与观测值具有较满意的一致性，但水平位移相对较差。

用弹塑性模型成功地解决一些实际的土工问题不是很多。多数集中在应用改进的剑桥弹塑性模型上。国内沈珠江、黄文熙和殷宗泽各自的弹塑性模型的应用也取得了较为满意的结果。一般认为，弹塑性模型的计算结果偏小。

1.3 曲線拟合法

鉴于固结沉降理论在很多情况下尚不能满足设计的要求，因此，用实际的沉降过程线推算固结度以及最终沉降量等，是预压固结软土地基工程最重要和最基本的分析工作。国内外曾采用经验公式来预估沉降和时间的关系，由此建立起来的数学模型有几种方法，分别是三点法、双曲线法、指数曲线法、沉降速率法以及在日本比较常用的方法是浅岗法、星野法等等。在观测的时间具备了一定的条件后，而后期的沉降往往推求上面就会出现误差很小的，而这样就会用在软基的最终沉降的推求上面。通过各项资料中显示，在各种方法中的预测精度与观测和预测的时间上面有着密不可分的关系，同时在软基加固方法、对应的不同地质条件以及荷载条件上与适用性和预测精度都相互存在着问题。

1.4 反演分析法

反演分析法是近十几年发展起来的一项新技术，它通过已有的沉降观测资料，反演得到正分析中的某些输入参数，使正分析得到的结果与实测沉降充分接近。如可以通过反演分析确定原位固结系数，再根据Terzaghi的一维固结理论推算出最终的沉降和沉降量的发展过程。

1.5 人工神经网络法

人工神经网络法自20世纪80年代中后朝以来，迅速发展为一个前沿研究领域，并广泛应用于各个学科。近几年，国外已将人工神经网络成功应用于岩土工程位移预测，国内也已开始将人工神经网络用于岩土工程位移预测、砂土液化、边坡稳定、本构模型等领域。神经网络方法从模拟人脑的形象思维人手，具有非线性、并行性、鲁棒性和强泛化性等特点，对于处理具有非线性的岩土工程信息具有一定的发展前景。

2 结语

地基的沉降计算方法很多，很难对它进行简单的归纳分类，许多计算方法是相互渗透有机联系的。从现有的文献来看，大致可分为以上几种。本文仅对高速铁路软土地基沉降计算方法进行了介绍，不同的计算方法有不同的适应情况。在实际工程的沉降计算中，要熟练的掌握各种方法才能在实际运用的过程中灵活地选择适合的计算方法。

参考文献

[1] 王炳龙.高速铁路路基工程[M].中国铁道出版社，2007.

[2] 杨广庆，等.高速铁路路基设计与施工[M].中国铁道出版社，2008.

[3] 刘大鹏，等.地基基础[M].北京交通大学出版社，2009.

[4] 陆培毅，等.土力学[M].中国建材工业出版社，2000.

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