黃 瑋 梁永輝 蔣 松

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200040)

·巖土工程·地基基礎·

高填方地基沉降變形計算及分析研究綜述★

黃 瑋 梁永輝 蔣 松

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200040)

從填方高度、填料類型、填料壓實度等六個方面，闡述了高填方地基沉降變形的影響因素。綜述了五種高填方地基沉降變形計算方法：物理模型試驗、理論計算、數值模擬、經驗公式和模型預測，各自的研究進展、適用性和優(yōu)缺點，對需深化內容進行了合理展望，使高填方地基沉降變形計算方法更加完善。

高填方地基，沉降變形，影響因素，分析方法

0 引言

高填方地基是指人工填筑處理形成的、填筑厚度大于20 m的地基，包括原場地地基和填筑地基。高填方地基的沉降主要由包括軟弱土層在內的原地基的沉降變形和人工填筑體的壓縮兩部分引起[1]。填筑體的沉降主要是在自身重力作用下所產生的變形，而原地基的沉降則主要來源于上覆填土的作用。

高填方項目往往出現在機場建設、新城建設、石油化工場平建設和高速公路建設等工程中，如九寨黃龍機場、延安新城建設項目、云南綠春綠東新區(qū)、浙江麗水生態(tài)產業(yè)低丘緩坡開發(fā)項目、延長石油延安煤油氣資源綜合利用項目等。過去軟土地基的沉降是學者們研究的主要對象，然而在高填方工程中，不僅存在軟基的沉降問題，還存在由于填方荷載的大幅度增加而引起的一般沉降問題，以及填筑體自身的沉降變形。鑒于此類工程地質條件的復雜性以及地基沉降計算的重要性，許多學者對高填方地基沉降的影響因素和沉降計算方法進行了研究，但仍然沒有一種方法能夠準確的計算出地基沉降量。

本文針對高填方地基沉降變形問題，歸納了高填方地基沉降變形的主要影響因素，并對目前常用的五種沉降變形計算方法，各自的研究現狀、適用性和優(yōu)缺點進行了綜述，對需深化內容進行了合理展望。

1 高填方地基沉降變形的影響因素

高填方地基沉降變形的影響因素很多。閆玉興(2013年)[2]認為影響高填方地基沉降的自然因素主要有地質條件、水文地質條件、地形地貌與土的種類性質；而人為因素則主要包括荷載作用形式、施工方法以及養(yǎng)護方式。

作者認為，高填方地基沉降變形的影響因素可歸納為以下幾個方面：

1)填方高度和原地基軟弱土層厚度：高填方地基沉降量最大處，常見于填筑體深厚或原地基軟弱土層與填筑體均深厚處。

2)填料類型：賀廣零等(2007年)[3]通過分析發(fā)現石類填料或土石混合填料的壓縮性小于土類填料，填筑體沉降量也小于土類填料；同時，工后沉降量與石料的彈性模量呈反比，對于彈性模量越大的石料，其后期壓縮性越小，工后沉降也就越?。煌杆粤己玫奶盍?，工后沉降明顯小于透水性較差的填料。

3)填料干密度、壓實度：大量的研究結果表明：填筑體的干密度和壓實度與工后沉降一般呈負相關關系，填筑體的干密度和壓實度越大時，填筑體的自身沉降量與工后沉降越小。此外，當填筑體具有較高壓實度時其完成自身壓縮變形達到穩(wěn)定的時間也將大大縮短。

4)地下水：濕化變形是影響地基沉降的重要因素，當地下水位發(fā)生變化而有效應力沒有提高時，高填方地基往往會產生很大的變形。有學者認為，土石混合料的初次濕化變形主要與其應力水平有關，兩者間存在近似于冪函數的關系。作者認為在濕化作用下，地下水與地基沉降變形時間之間的關系還有待進一步的研究。

5)施工時間：填筑體施工越快，在施工期完成的沉降量越小，工后沉降量越大；分層填筑完成后預留一段時間的固結期，可以減小工后沉降值。

6)原地基的壓縮模量：原地基的壓縮模量越大，高填方地基沉降量越小。劉宏等(2004年)[4]以九寨黃龍機場高填方工程為依托，證明了軟弱地基經過處理后，壓縮模量得到了提高，地基沉降量明顯減小，穩(wěn)定性也得到了提高。

2 沉降變形計算方法

物理模型試驗是研究高填方地基沉降變形最直接的方法，此外主要還有理論計算法、數值模擬法、經驗公式法以及模型預測方法，這五種方法的具體研究現狀如下。

2.1物理模型試驗法

目前采用的物理模型試驗法主要是離心模型試驗，試驗裝置如圖1所示。離心模型試驗主要是利用了相似理論，在模型材料與原材料保持統(tǒng)一的基礎上，將原模型按一定比例縮小制成試驗模型，置于離心機內利用離心機高速旋轉所產生的離心力場來模擬重力場，通過提高重力加速度使模型應力狀態(tài)與真實情況相近，模擬出實際的受力與變形狀態(tài)從而觀察研究原型的變形規(guī)律。

劉宏等(2005年)[5]從模型設計、填料模擬、軟弱層強夯處理模擬和填筑過程模擬，四個方面闡述了高填方地基離心模型試驗技術，具有較大參考價值。肖陽(2012年)[6]對西南某機場填方體進行模型試驗，發(fā)現工后期的沉降約為總沉降的10%。蔣洋等(2007年)[7]通過對不同填土粒徑配比、干密度、含水量條件下的填方路堤試驗，發(fā)現路堤的沉降變形與坡面水平位移，均隨填筑體的干密度降低和含水量的增加而增加。該研究較有意義，若能得到填筑體干密度及含水量與最大沉降量之間的定量關系式，則有助于最大沉降量的預測，以及施工過程中對沉降量的控制。這些模型試驗對工程實際皆具有參考價值和指導意義。

綜上所述，離心模型試驗方法能夠有效地實現模型與原型之間的重力相似性，直接觀測和記錄地基的變形。但是離心模型試驗一般需要極大的人力、物力，并且很難找到同時滿足尺寸相似與力學性質相似的模型材料。此外，離心模型試驗應當加強地下水作用的研究，這也對模型設計提出了更高的要求。

2.2理論計算法

理論計算法中最基本也是工程中最常用的是分層總和法，如式(1)所示，常用于地基最終沉降量計算：

(1)

曹喜仁等(2005年)[8]認為在填筑階段，土體的變形既有剪切變形又產生壓縮變形，建議采用鄧肯—張模型；而在非填筑階段，則建議采用與時間和固結壓力有關的指數函數模型進行計算。曹光栩等(2011年)[9]則是考慮到施工過程中軟弱地基的沉降變形，利用雙曲線模型對傳統(tǒng)的分層總和法進行改造并提出了簡化計算方法。

分層總和法雖然計算簡便，但無法考慮土體側向變形、土體非線性特性以及土層間相關作用等因素，因此計算結果較實測值偏小。高填方地基沉降仍可采用分層總和法，值得注意的是，當填筑體高度較大，計算時采用同一壓縮指標顯然是不科學的，應對公式進行適當的修正。

2.3數值模擬法

近年來，數值模擬方法在高填方地基沉降變形計算中得到了廣泛運用，目前主要研究方法的進展如下。

李秀珍等(2005年)[10]運用FLAC3D軟件對機場高填方地基施工過程及總沉降進行了分析。張晏等(2010年)[11]通過有限元數值模擬，驗證了分級加載作用下高路堤中間大、兩邊小的沉降規(guī)律，發(fā)現路堤沉降量隨高度和路堤土密度的增加而增大，隨彈性模量、泊松比和壓實度的增大而減小。數值模擬方法不僅可以考慮土體應力—應變關系的非線性特性、土體的應力歷史、水與骨架上應力的耦合效應，此外還能夠模擬現場實際施工條件，并對高填方工后沉降進行預測。但往往計算模型十分復雜，模型中所涉及的計算參數多且不易確定，這對數值計算的時間以及計算精度有很大的影響。

朱才輝等(2015年)[12]將能反映高填方變形時效性的修正Burgers模型，嵌入到FLAC3D軟件中，對高填方工后沉降規(guī)律進行敏感性分析。鐘守賓等(2003年)[13]和呂慶等(2005年)[14]分別用鄧肯張E-V模型和廣義Kelvin模型預測路堤施工階段和工后的沉降。傳統(tǒng)的數值計算方法往往采用非線性彈性模型，而實際上填筑體的應力應變關系更趨向于彈塑性模型，建議根據相關試驗結果，建立適用于具體工程沉降計算的本構模型，通過二次開發(fā)嵌入到相關數值計算軟件中，對模型參數進行反演，再進行高填方地基沉降變形計算。

目前，學者們研究出了許多針對次固結變形計算的本構模型，主要有村山塑朗模型、有效應力蠕變模型和彈粘塑性本構模型。但這些模型的參數往往很難獲得，如何將本構模型、計算參數、數值計算很好的結合在一起，是未來高填方地基變形數值計算研究的重點。

2.4經驗公式法

目前國內外學者在高填方工程實踐中總結了一些經驗公式，為類似高填方工程的沉降計算提供了參考依據。

經驗公式法具有參數易取、計算方便的特點，但是不具備普適性，由于不同的工程項目，地質條件復雜多樣，填筑體的材料、施工工藝、壓實質量不同，計算結果與實測結果往往有較大的差距，如何根據多種影響因素建立一個普遍適用的經驗公式，是未來應該著重研究的內容。

2.5模型預測法

模型預測法是指，基于施工期和工后沉降變形監(jiān)測數據，主要包括地表沉降觀測數據、地基分層沉降監(jiān)測數據和水平位移監(jiān)測數據等，通過回歸分析、灰色系統(tǒng)理論、智能優(yōu)化算法等方法對監(jiān)測資料進行分析，對高填方地基長期沉降變形進行預測。

1)回歸分析方法。

回歸分析法是指建立數學模型對監(jiān)測數據進行擬合計算的方法，一般選取的數學模型比較簡單，常見有指數模型、對數模型、雙曲線模型、拋物線模型、冪函數模型等。王華俊[18]等對常用的回歸分析方法進行了總結和介紹，如表1所示。

表1 常用的沉降曲線回歸分析方法

劉宏等(2005年)[19]認為在指數模型、冪函數模型、平方根模型、雙曲線模型和對數模型等回歸參數模型中，只有對數模型能較真實反映填料為砂礫石的高填方機場工后沉降規(guī)律。朱才輝等(2013年)[20]通過對呂梁機場高填方地基工后沉降監(jiān)測資料的分析，認為Gompertz函數更適用于黃土地區(qū)工后沉降預測?？锵｝埖?2008年)[21]以衡棗高速公路沉降板實測資料為依據，將龔帕斯曲線法與灰色預測法、有限元反分析法相比較，認為龔帕斯模型有更好的適應性。

回歸分析方法對監(jiān)測數據的要求較高，一方面監(jiān)測數據越多，擬合效果越好，越能反映沉降變形趨勢；另一方面，監(jiān)測數據波動性越小，擬合效果越好，為了避免數據波動性對回歸分析效果的影響，在分析前需要先對原始數據進行預處理，使監(jiān)測數據更加平滑。在采用回歸分析法之前，還應對監(jiān)測數據進行預判，根據沉降變形趨勢選擇合適的回歸分析模型進行分析，針對不同類型的工程項目，當場地條件、填料類型、填筑工藝不同時，應通過比較選擇合適的計算分析模型。擬合參數初始值選擇對擬合效果也有很大的影響，如何確定擬合參數的初始值也是一個值得研究的問題，作者建議引入一些智能優(yōu)化算法用于快速搜索最優(yōu)的擬合參數初始值。

2)灰色預測方法。

灰色系統(tǒng)理論主要用于解決具有“數據量少”“信息不確定”特點的數據預測分析。韓汝才(2000年)[22]采用GM(1,1)灰色預測模型對深圳機場地基沉降進行不等距預測，預測值與實測值相對誤差為5%。吳大志等(2002年)[23]將GM(1,1)模型用于京珠高速公路高路堤沉降擬合，證明將灰色理論應用于預測高路堤不同填筑時期的沉降量是可行的。高階灰色模型在沉降預測應用中還存在許多問題，還需要進一步的研究。

3)智能優(yōu)化算法。

劉宏等(2005年)[24]研究了九寨黃龍機場的高填方地基，并且采用了神經網絡模型對其工后沉降進行了預測，認為高填方地基最終沉降量為42 cm～44 cm，兩年后可完成90%～95%。郭云開等(2010年)[25]采用小波神經網絡模型對高填方路基沉降進行預測，通過與S型成長曲線模型和BP神經網絡進行比較，認為組合模型的預測精度更高。將多種智能優(yōu)化算法組合成一個新的模型，也為高填方地基沉降計算提供了新的思路。

除了上述智能優(yōu)化算法以外，目前國內外學者研究出的智能優(yōu)化算法還有很多，比如動態(tài)規(guī)劃算法、魚群算法、遺傳算法、支持向量機等，每種優(yōu)化算法都有自身的優(yōu)點，未來的研究中可以引入更多更先進的智能優(yōu)化算法，也應當根據每一個高填方工程各自的特點，選擇合適的智能優(yōu)化算法進行沉降變形分析。

3 結語

對高填方地基的沉降變形的影響因素及其特點進行了簡單介紹。在此基礎上總結了五類高填方地基沉降變形的計算預測方法，得出以下結論：

1)影響高填方地基沉降變形的因素有很多，其中填方高度、填料類型、填料壓實度、地下水、施工時間以及原地基壓縮模量等影響較大。

2)理論計算法應用較為簡便，也是工程應用中較為廣泛的一種，數值模擬法和模型預測法則是較有發(fā)展前景的方法。為了使得高填方地基沉降量計算結果具有準確性，應保證采用多種沉降監(jiān)測手段獲得長期的、準確的監(jiān)測數據，并且采用多種計算方法進行對比分析。

3)高填方地基的沉降計算研究還有許多工作需要加強。如在不同的計算方法中，應當更多的考慮填筑體填料的特性，地下水的作用，施工參數的影響，以及土體長期蠕變特性等因素。

[1] 劉 宏,李攀峰,張倬元.用壓縮蠕變試驗研究高填方體沉降變形[J].西南交通大學學報,2004,39(6):749-753.

[2] 閆玉興.遂寧機場泥巖碎石土高填方地基沉降研究[D].成都：成都理工大學碩士學位論文,2013.

[3] 賀廣零,李倩妹,洪 芳,等.山區(qū)變電站高填方地基工后沉降分析[J].建筑科學與工程學報,2007,24(4):45-49.

[4] 劉 宏,李攀峰,張倬元,等.山區(qū)機場高填方地基變形與穩(wěn)定性系統(tǒng)研究[J].地球科學進展,2004,19(S1):324-328.

[5] 劉 宏,張倬元,韓文喜.高填方地基土工離心模型試驗技術研究[J].地質科技情報,2005,24(1):103-106.

[6] 肖 陽.高填方地基沉降離心模型試驗研究[J].土工基礎,2012,26(2):68-69.

[7] 蔣 洋,柴賀軍.高填方路堤沉降變形離心模型試驗研究[J].現代交通技術,2007,4(6):5-8.

[8] 曹喜仁,趙振勇,趙明華.高填石路堤地基沉降計算方法研究[J].公路交通科技,2005,22(6):38-41.

[9] 曹光栩,宋二祥,徐 明.山區(qū)機場高填方地基工后沉降變形簡化算法[J].巖土力學,2011,32(S1):1-5.

[10] 李秀珍,許 強,孔紀名,等.九寨黃龍機場高填方地基沉降的數值模擬分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(12):2188-2193.

[11] 張 晏,費世江.高填方路堤施工期沉降變形的FLAC模擬[J].遼寧科技大學學報,2010,33(3):268-271.

[12] 朱才輝,李 寧.基于黃土變形時效試驗的高填方工后沉降研究[J].巖土力學,2015,36(10):3023-3031.

[13] 鐘守賓,趙明華,楊明輝.基于反分析方法的高填石路堤工期沉降計算[J].廣西交通科技,2003,28(2):63-65.

[14] 呂 慶,尚岳全,陳允法,等.高填方路堤粘彈性參數反演與工后沉降預測分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(7):1231-1235.

[15] Sowers G F,Williams R C,Wallace T S.Compressibility of broken rock and the settlement of rockfills[A].Proc 6th Int Conf on Soil Mech and Foundation Eng Montreal[C].1965:561-565.

[16] 曹光栩.山區(qū)機場高填方工后沉降變形研究[D].北京：清華大學博士學位論文,2011.

[17] 謝春慶,劉漢超,甘厚義.高填方塊碎石夯實地基變形的研究[J].巖土工程學報,2002,24(1):38-41.

[18] 王華俊,韓文喜,趙其華.高填方地基沉降回歸參數模型探討[J].土工基礎,2004,18(3):43-45.

[19] 劉 宏,李攀峰,張倬元.九寨黃龍機場高填方地基工后沉降預測[J].巖土工程學報,2005,27(1):90-93.

[20] 朱才輝,李 寧,劉明振,等.呂梁機場黃土高填方地基工后沉降時空規(guī)律分析[J].巖土工程學報,2013,35(2):293-301.

[21] 匡希龍,鄒德強.基于龔帕斯曲線法的高填方路基工后沉降預測新思路[J].公路工程,2008,33(1):127-129.

[22] 韓汝才,李 亮,傅鶴林.利用灰色理論對地基沉降進行不等時距預測[J].探礦工程,2000(2):4-5.

[23] 吳大志,李夕兵,蔣衛(wèi)東.灰色理論在高路堤沉降預測中的應用[J].中南工業(yè)大學學報,2002,33(6):230-233.

[24] 劉 宏,李攀峰,張倬元.用人工神經網絡模型預測高填方地基工后沉降[J].成都理工大學學報(自然科學版),2005,32(3):284-287.

[25] 郭云開,崔曉如,李 亮.基于小波神經網絡組合模型的高填方路基沉降預測[J].長沙理工大學學報(自然科學版),2010,7(2):6-11.

Overviewofsettlementdeformationcalculationandanalysisofhighfilledground★

HuangWeiLiangYonghuiJiangSong

(ShanghaiShenyuanGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200040,China)

Six aspects of the influencing factors of settlement deformation was examined in this paper, which include filling height, packing type, degree of compaction in filler, groundwater, construction time and foundation compression modulus. This paper introduced five methods of calculating settlement, namely, physical model tests, theoretical calculation, numerical simulation, empirical formula, model forecast analysis, and made a review on the advantages and disadvantages of each method. At the same time, the scope of application and latest advancement of these methods were also discussed. It was pointed out that the analysis method of the settlement calculation in high filled ground should be deeply investigated in further studies.

high filled ground, settlement deformation, influencing factors, analysis method

TU433

A

1009-6825(2017)26-0061-04

2017-07-02 ★：華建集團科研基金項目(14-1類-0051-基、15-1類-0024-基)

黃 瑋(1988- )，男，碩士，工程師