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        修正指數(shù)曲線法在軟土路基沉降預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

        2014-05-09 08:25:46舒夢(mèng)雪
        交通科技 2014年1期
        關(guān)鍵詞:工后軟土修正

        舒夢(mèng)雪

        (中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430050)

        路基沉降預(yù)測(cè)方法[1]可以分為3類:傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法、數(shù)值計(jì)算法和根據(jù)實(shí)測(cè)沉降資料預(yù)測(cè)法。傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法以土力學(xué)為基礎(chǔ),數(shù)值計(jì)算方法以本構(gòu)理論為基礎(chǔ),根據(jù)實(shí)測(cè)沉降資料的預(yù)測(cè)方法則更多地依賴實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)測(cè)沉降資料的預(yù)測(cè)方法包括雙曲線法、指數(shù)曲線法、時(shí)間對(duì)數(shù)擬合法、泊松曲線法、Asoaka法、三點(diǎn)法等,本文將選取修正后的指數(shù)曲線法預(yù)測(cè)路基工后沉降量,從而對(duì)地基處理加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

        1 修正指數(shù)曲線法的計(jì)算原理

        指數(shù)曲線法[2]是軟土路基沉降預(yù)測(cè)中一種常用的方法,該法又稱指數(shù)曲線外推法或簡(jiǎn)單外推法,是指對(duì)符合指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律的一組觀測(cè)數(shù)據(jù),建立指數(shù)曲線方程,并據(jù)此作為預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型來(lái)推算路基的沉降量。

        指數(shù)曲線法是假定下沉平均速度以指數(shù)曲線形式減少的一種經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)法。假設(shè)從填土開始到任意時(shí)間t的沉降量,按指數(shù)曲線法沉降關(guān)系模式見圖1。

        圖1 沉降關(guān)系模式

        根據(jù)太沙基的固結(jié)理論,超孔隙水壓力隨時(shí)間變化過(guò)程呈指數(shù)曲線關(guān)系[3],地基固結(jié)度U的計(jì)算式為

        式中:α,β為計(jì)算參數(shù),可根據(jù)固結(jié)排水條件求得,其中取α=1。

        在t時(shí)刻的固結(jié)度U還可表示為

        式中:St為地基在荷載作用下t時(shí)刻的沉降量;Sd為瞬時(shí)沉降量;S∞為最終沉降量。

        根據(jù)式(1)與(2),可以得到任意時(shí)間t的沉降量St,其表達(dá)式為

        最終沉降量S∞可按式(4),參數(shù)γ可按式(5)求得。

        式中:Sd為瞬時(shí)沉降量;S∞為由沉降曲線推算的最終沉降量;γ 為 計(jì) 算 參數(shù);S1,S2為St-t 曲 線 上時(shí)間t1,t2分別對(duì)應(yīng)的沉降量;t為沉降觀測(cè)時(shí)間;Δt為時(shí)間間隔,Δt=t2-t1。

        式(4)與(5)僅適用于路基填土?xí)r期瞬時(shí)施加荷載的施工情況,但作用于地基上的荷載往往不是瞬時(shí)施加的,而通常是在路基填土施工期內(nèi)逐級(jí)加載到最大值。因此,計(jì)算路基沉降時(shí)必須對(duì)沉降曲線加以修正,修正指數(shù)曲線法沉降關(guān)系模式見圖2。

        圖2 修正指數(shù)曲線法沉降模式

        對(duì)沉降曲線進(jìn)行修正時(shí),假定荷載是在開工后1/2施工期時(shí)瞬時(shí)施加到地基上的,故St-t曲線中的沉降觀測(cè)時(shí)間t都應(yīng)減去1/2施工期;瞬時(shí)沉降Sd很難確定,一般假定Sd=0。為了消除瞬時(shí)沉降Sd對(duì)計(jì)算任意時(shí)間t沉降量St的影響,以及瞬時(shí)沉降Sd對(duì)沉降量St的影響,避免給最終沉降量S∞帶來(lái)的誤差,通常采用簡(jiǎn)易公式計(jì)算,其計(jì)算公式為式中:γ為計(jì)算參數(shù),γ;η為計(jì)算參數(shù),;S∞為最終沉降量,S∞=S1+(S2-;S1,S2,S3為St-t 曲線上時(shí)間t1,t2,t3分別對(duì)應(yīng)的沉降量。

        實(shí)際計(jì)算表明,用式(6)計(jì)算出的S∞比按式(5)計(jì)算值小一些,但若沉降觀測(cè)歷時(shí)較長(zhǎng),就不會(huì)有較大誤差。該簡(jiǎn)化公式還假定荷載是在路基開工后1/2施工期瞬時(shí)施加到地基上的,因此,St-t曲線中的沉降觀測(cè)時(shí)間t都應(yīng)減去1/2施工期。

        2 實(shí)例應(yīng)用

        2.1 工程概況

        某高等級(jí)公路采用一級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)速度為120 k m/h,路基形式為整體式路基斷面,路基寬度為24.0 m。經(jīng)地勘調(diào)查得知,K59+900~K60+700路段地基分布在低洼地帶,路基填土高度約為5.0 m,地下水位較高。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地貌以濱海相沉積為主,陸相、河口三角洲沉積為輔,受地形影響,分布在泥質(zhì)海岸,水下地形平緩向海中傾斜,場(chǎng)地內(nèi)地層變化較大,表層為淤泥、淤泥淤質(zhì)土及腐殖土層,土體呈灰黑色,流塑狀態(tài),層厚為3.20~6.50 m;第二層為粉砂混土,分布不均勻,橫向縱向變化不大,層厚為1.6~1.8 m;第三層為砂混淤泥,層厚為2.0~3.5 m;第四層為淤泥質(zhì)粘土層,含大量細(xì)砂和粉砂,呈松散狀態(tài),層厚為3.5~5.0 m,淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土容許承載力非常低。軟弱地基土體含水量較高,工程力學(xué)性質(zhì)極差,不能滿足一級(jí)公路路基強(qiáng)度和變形的要求。

        在施工中對(duì)K59+900~ K60+800路段的軟弱地基采用了粉噴樁加固處理[4],該方法是將水泥或水泥粉和地基土原位攪拌形成圓柱狀、格柵狀或連續(xù)墻式的水泥土墻體,形成復(fù)合地基以提高地基承載力,減小路基的沉降。在地基加固處理后,加鋪一層雙向土工格柵和增設(shè)反壓護(hù)道,并在其上填筑層厚為50 c m的砂墊層。粉噴樁處理軟土地基橫斷面見圖3。

        圖3 粉噴樁處理軟土地基橫斷面(單位:m)

        2.2 沉降計(jì)算分析

        軟土路基在填筑施工過(guò)程中和填筑完成后,通過(guò)埋設(shè)沉降板,在 K60+000、K60+200、K60+400、K60+600設(shè)置了4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面共12個(gè)觀測(cè)點(diǎn),對(duì)軟土路基的沉降量實(shí)施了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。根據(jù)軟土路基沉降觀測(cè),可以得到在各段時(shí)期內(nèi)每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中填土厚度-沉降量與時(shí)間關(guān)系曲線的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

        從軟土沉降觀測(cè)第120 d的時(shí)候開始計(jì)算,則初始計(jì)算時(shí)間為t0=120 d。采用修正指數(shù)曲線法的簡(jiǎn)易公式(6)進(jìn)行計(jì)算,求得4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面預(yù)測(cè)沉降量的參數(shù)計(jì)算見表1。

        表1 各監(jiān)測(cè)斷面的修正指數(shù)曲線法參數(shù)的計(jì)算

        利用修正指數(shù)曲線法計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的沉降量曲線,與實(shí)測(cè)的沉降數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行擬合,得出各測(cè)點(diǎn)的擬合曲線見圖4~7。

        圖4 斷面K60+000擬合曲線

        圖5 斷面K60+200擬合曲線

        圖6 斷面K60+400擬合曲線

        圖7 斷面K60+600擬合曲線

        由以上擬合的曲線圖可見,利用修正指數(shù)曲線法的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值間誤差較小,該方法對(duì)濱海地基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè),具有一定的可行性。預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值曲線擬合的不均勻性較大改進(jìn)了未修正前指數(shù)曲線法不能直接計(jì)算斷面的前期沉降量,修正后能計(jì)算全時(shí)期的沉降量,而且可以得到很好的預(yù)測(cè)效果。由此可知,修正指數(shù)曲線法具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值,可以用該方法來(lái)預(yù)測(cè)軟土路基的工后沉降量。

        由表1可知,4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面 K60+000,K60+200,K60+400,K60+600的工后沉降ΔS均小于設(shè)計(jì)容許工后沉降,固結(jié)度都超過(guò)94%,K59+900~K60+700路段路基土體已基本固結(jié)穩(wěn)定。同時(shí)表明,設(shè)計(jì)中采用粉噴樁、加鋪雙向土工格柵和增設(shè)反壓護(hù)道的軟土地基處理方案合理有效,能很好地減小工后沉降,提高地基承載力。

        采用修正指數(shù)曲線法[5]的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值較接近,具有很高的擬合度,預(yù)測(cè)效果較好。因此,修正指數(shù)曲線法被廣泛用于實(shí)際的工程建設(shè)施工中,研究較為成熟。該項(xiàng)目由于前期預(yù)測(cè)擬合效果不太好,要求使用恒載后的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)軟土路基的沉降量。

        3 結(jié)論

        本文采用修正指數(shù)曲線法分析了某一級(jí)公路軟土路基沉降的變化情況,計(jì)算了軟土路基的工后沉降量,并對(duì)設(shè)計(jì)采用的地基處理加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià),得出了如下的主要結(jié)論:

        (1)利用修正指數(shù)曲線法的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值間誤差較小,該方法對(duì)濱海地基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè),具有一定的可行性。

        (2)修正指數(shù)曲線法的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值擬合度很高,并克服了修正前指數(shù)曲線法不能直接計(jì)算斷面前期沉降量的缺點(diǎn),修正后能計(jì)算軟土路基全時(shí)期的沉降量,并得到很好的預(yù)測(cè)效果。

        (3)修正指數(shù)曲線法的預(yù)測(cè)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)中采用粉噴樁、加鋪雙向土工格柵和增設(shè)反壓護(hù)道的軟土地基處理方案科學(xué)合理,能有效地減小軟基的工后沉降,提高地基承載力。

        [1] 鄭長(zhǎng)安,黃 斌.公路路基沉降與穩(wěn)定觀測(cè)技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2012.

        [2] 高燕希,莫志兵,魏金勝.指數(shù)曲線法在軟土地基沉降預(yù)測(cè)中的優(yōu)化與應(yīng)用[J].交通科學(xué)與工程,2011(2):1-5.

        [3] 金智濤.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟土路基最終沉降量的分析研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2006.

        [4] 龔曉南.高速公路軟土地基處理技術(shù)[M].上海:上海大學(xué)出版社,1998.

        [5] 陳善雄,王星運(yùn),許錫昌,等.路基沉降預(yù)測(cè)的三點(diǎn)修正指數(shù)曲線法[J].巖土力學(xué),2011(11):3354-3360.

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