【摘 要】道路地基沉降問題的預測關(guān)系到人們的生產(chǎn)生活，其影響因素也是多方面的，它不僅受到地質(zhì)條件的影響，也受到上部荷載、地下水以及施工過程的影響，然而，這些影響因素又具有不確定性，從分析來看，地基沉降變形屬于典型的灰色系統(tǒng)問題。在系統(tǒng)分析了道路地基變形影響因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的工程實例，應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論對道路地基的沉降問題進行預測，并對觀測中所得數(shù)據(jù)與預測數(shù)據(jù)進行對比分析，其結(jié)果證明我們利用灰色系統(tǒng)進行預測的數(shù)據(jù)和實測的數(shù)據(jù)基本吻合，能夠有效地進行地基沉降預測分析。

【關(guān)鍵詞】灰色理論；道路地基；沉降；預測；分析

高等公路建設(shè)中，地基沉降計算分析與預測是一個難點問題。由于公路土工構(gòu)筑物等荷載通過基礎(chǔ)或路堤的底面?zhèn)鬟f給地基，改變了天然土層原有的應(yīng)力狀態(tài)，形成新的土體固結(jié)和附加三向應(yīng)力重分布，在應(yīng)力場作用下地基發(fā)生固結(jié)沉降。常規(guī)的地基沉降計算方法有：分層總和法、有限元法、應(yīng)力面積法和應(yīng)力路徑法等。然而，由于公路地基沉陷影響因素的復雜性和不確定性，導致地基沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測的不完全性和灰色性。為建立監(jiān)測數(shù)據(jù)的樣本基礎(chǔ)上的地基沉降預測，對地基沉降系統(tǒng)進行全面多因素的分析基礎(chǔ)上，本論文把灰色系統(tǒng)方法引入到地基沉降計算中，將公路地基變形系統(tǒng)作為一個灰色系統(tǒng)，從而避免了公路下方土體系統(tǒng)各影響因素的相互作用、相互影響的變化機理。結(jié)合實例，監(jiān)測數(shù)據(jù)與灰色方法的預測數(shù)據(jù)基本吻合，所以該方法適于在公路地基沉降計算中應(yīng)用。

一、預測地基變形的影響因素

地基土層承受上部構(gòu)筑物的荷載，必然會產(chǎn)生變形，從而引起地基沉降，當場地土質(zhì)堅實時，地基的沉降較小，對工程正常使用沒有影響；但若地基為軟弱土層且厚薄不均，或上部結(jié)構(gòu)荷載輕重變化懸殊時，地基將發(fā)生嚴重的沉降和不均勻沉降，其結(jié)果將使地表構(gòu)筑物發(fā)生各類事故，影響構(gòu)筑物的正常使用與安全。地基土產(chǎn)生沉降的原因：

（一）地基變形的內(nèi)因

地基的作用載體是復雜的具有不確定性的巖土體，而這種復雜不確定的工程地質(zhì)條件決定了地基結(jié)構(gòu)在荷載的作用下，必然會產(chǎn)生新的沉降變形等，從而達到一種新的平衡穩(wěn)定。影響這種沉降變形的工程地質(zhì)特性和巖土體的內(nèi)在結(jié)構(gòu)屬性主要包括孔隙比、含水量、透水性、壓縮系統(tǒng)、壓縮模量、厚度、主要持力層上下土層的透水性等。

（二）地基變形的外因

地基系統(tǒng)是一個巖土體結(jié)構(gòu)施工復合體，其必然受到人工外在荷載等的干擾和影響。不同的工藝、荷載等也是影響地基沉降的關(guān)鍵因素。①地基上部荷載的分布特點和作用，這是引起地基沉降最本質(zhì)的因素之一。②地下水位的變化，受到施工的影響，地下水位得到大幅度下降，從而在地基上形成了大量的空隙水壓力，間接對地基施加大面積荷載。③施工工藝和過程的影響，不同的施工工藝對地基產(chǎn)生不同的荷載類型和工程響應(yīng)規(guī)律，對對基槽持力層土的結(jié)構(gòu)形成擾動，破壞了土體的原平衡狀態(tài)。④振動影響，產(chǎn)生震沉、液化等多種工程響應(yīng)。⑤溫度變化影響，如冬季冰凍，春季融化。⑥浸水下沉，如黃土濕陷，填土下沉。

二、地基沉降的常規(guī)計算方法

（一）分層總和法

分層總和法是計算公路地基沉降的最基本方法，主要是將地基沉降計算深度范圍按照圖層的土質(zhì)和應(yīng)力分布情況話費為若干層，然后依照理論基礎(chǔ)計算各層的沉降量，從而獲得地基沉降總量。

（二）有限元法

有限單元法是應(yīng)用最為廣泛的一種方法之一，主要是通過假定介質(zhì)材料的連續(xù)力學性質(zhì)，對一般土體采用非線性彈性本構(gòu)模型或彈塑性本構(gòu)模型，綜合考慮地基復雜的邊界條件、土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性特性、土體的應(yīng)力歷史和水與骨架上應(yīng)力的耦合效應(yīng)，模擬現(xiàn)場逐級加荷，求得任意時刻的沉降、水平位移等的變化，從而預測地基沉降變形等參數(shù)，為工程建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（三）應(yīng)力面積法

應(yīng)力面積法是國家標準《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中推薦使用的一種計算地基最終沉降量的方法，故又稱為規(guī)范方法。應(yīng)力面積法一般按地基土的天然分層面劃分計算土層，引入土層平均附加應(yīng)力的概念，通過平均附加應(yīng)力系數(shù)，將基底中心以下地基中zi- 1～zi深度范圍的附加應(yīng)力按等面積原則化為相同深度范圍內(nèi)矩形分布時的分布應(yīng)力大小，再按矩形分布應(yīng)力情況計算土層的壓縮量，各土層壓縮量的總和即為地基的計算沉降量。

（四）應(yīng)力路徑法

應(yīng)力路徑是指在外力作用下土中某點的應(yīng)力變化過程在應(yīng)力坐標圖中的移動軌跡。土體中任一單元的變形和強度變化都與應(yīng)力路徑有關(guān)。應(yīng)力路徑法是用應(yīng)力軌跡表示現(xiàn)場在施工前、施工中及完工后地基中某點的應(yīng)力變化情況。應(yīng)力路勁法能夠促進和發(fā)展新的更符合地基應(yīng)力狀態(tài)變化的室內(nèi)土工試驗方法和成果分析方法。

三、地基沉降灰色模型GM（1，1）的建立

GM（1，1）是最簡單的一階灰色模型。根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，對時間序列下的一組數(shù)據(jù)進行預測分析的基本過程如下：對一組數(shù)據(jù) X0：

X0={X1（0），X2（0），…Xn（0），}

進行一次累加生成處理，生成新系列 X（1）：

X（1）={X1（1），X2（1），…Xn（1），}

其中：X（1）i=

對此生成序列，GM（1，1）模型白化形式的微分方程為：

，其中，a、u為待定系數(shù)，記為： ，YN

時間響應(yīng)方程為：

離散響應(yīng)方程為：

K=1，2，3......n

為了判別模型的優(yōu)劣，可用殘差檢驗、后驗差檢驗等方法，進行檢驗，合格后即可用于模型預測。我們選擇某公路上的一座新建橋梁為研究對象。在適當?shù)奈恢眠x擇觀測點，并通過以上模型對沉陷的各項數(shù)據(jù)進行預測。經(jīng)過觀測值和預測值的比較分析，我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)用灰色系統(tǒng)預測結(jié)果與觀測結(jié)果基本吻合；通過殘差檢驗及后驗誤差計算，該預測模型精度系級為一級。說明應(yīng)用灰色系統(tǒng)預測地基沉陷的可行性與準確性。

四、結(jié)束語

灰色 GM（1，1）模型用于地基沉降的預測，能夠減少試驗成本，計算方法簡單，預測結(jié)果準確可靠，避免了由于工序等帶來的試驗系統(tǒng)誤差。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，灰色系統(tǒng)對于地基沉降在封閉、靜止狀態(tài)系統(tǒng)的時間序列的預測是準確的，并隨著觀測數(shù)據(jù)越多，時間越長 GM（1，1）預測精度越高，越能有效的揭示地基變形的變化規(guī)律。

參考文獻：

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