CN106777647A - 一种道路路基沉降的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种路基沉降预测方法，分别拟合侧向变形引起的沉降量的变形规律、拟合固结排水变形引起的沉降量的变形规律，进而得到了路基沉降的时程变形规律。采用本发明的方法，考虑了侧向变形引起的沉降量的影响，在预压期较短时，可以获得较为准确的路基沉降变形结果，为确定合理的路基卸载时机具有重要意义。

Description

一种道路路基沉降的预测方法

本申请是申请号为：201610930510.8，专利名称为：“软土区公路路基沉降预测系统”的发明专利的分案申请，原案申请日：2016-10-31。

技术领域

本发明涉及公路路基工程施工领域，具体涉及一种路基沉降预测方法。

背景技术

工程经验表明，侧向变形与沉降变形具有相关性：侧向变形越大，沉降越大。然而，现有技术中侧向变形一般只是用来评价路基的稳定性，却没有被用来预测路基沉降计算。如专利文献CN 202710028U公开了一种变形预测系统，包括水准仪、数据传输模块、高程计算模块、沉降量及沉降速率计算模块、沉降曲线图绘制模块及灰色预测模块；所述的水准仪、数据传输模块、高程计算模块、沉降量及沉降速率计算模块、沉降曲线图绘制模块及灰色预测模块依次相连。该系统在计算时也仅仅考虑了沉降数据。

测斜管监测由于费用较高，一般设置在高填土的横断面上，作为评判监测路基填筑过程是否稳定的一个指标。对于高填土的横断面，其侧向变形引起的沉降往往较大，因而，如何考虑侧向变形引起的沉降是高填土断面预测路基沉降的一大难题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种测算更为准确的一种道路路基沉降的预测方法。

为实现上述发明目的，本发明专利所采用的技术方案是：

一种道路路基沉降的预测方法，包括：数据传输模块、高程计算模块、侧向位移计算模块、沉降量预测模块、沉降曲线图绘制模块；数据传输模块用于将沉降板高程数据和测斜管数据分别传输到高程计算模块、侧向位移计算模块；高程计算模块、侧向位移计算模块计算得到的沉降量数据和侧向位移数据传送给沉降量预测模块处理；沉降量预测模块处预测的结果传递给沉降曲线图绘制模块通过图形和/或数据来显示沉降量预测结果；

所述的沉降量预测模块在处理高程计算模块和侧向位移计算模块的数据；沉降量分为两部分：侧向位移引起的沉降和固结沉降，分别对上述两部分采用数学模型拟合计算；其中，固结沉降的实测数据＝总沉降-侧向位移引起的沉降；侧向位移引起的沉降由测斜管得到的数据进行转换求取。

进一步，还包括：数据库，用于存储沉降数据和预测沉降量；查询单元，输入单元输入需要查询的指定时刻，从数据库中调取指定时刻对应的沉降量，传输到结果输出模块进行显示。

进一步，侧向位移引起的沉降由测斜管得到的数据进行转换求取的方法为：

或

或

C_左t、C_右t分别表示基于测斜管测量的数据得到进入预压期t时刻下的侧向鼓肚子的变形面积，S_侧t表示基于路基边坡坡脚处两侧的测斜管得到的数据求得进入预压期t时刻下侧向变形引起的路基中心沉降，B表示路基横断面两跛脚的距离。

进一步，侧向位移引起的沉降和固结沉降，分别对上述两部分采用数学模型拟合计算的方法是：

侧向位移引起的沉降的规律采用增量双曲线法、或指数曲线法、或Asaoka法进行拟合分析；

固结沉降的实测数据为：监测得到的总沉降-同一时刻侧向位移引起的沉降；固结沉降的实测数据的规律采用增量双曲线法、或指数曲线法、或Asaoka法进行拟合分析；

沉降的规律为：沉降变形＝“侧向位移引起的沉降的规律”+“固结沉降的规律”。

施工时，其数据计算方法如下：

包括如下几个步骤：

A.埋设沉降板及测斜管，记录数据：

路基排水体施工完成后，在路基中部埋设沉降测量装置，采用沉降测量设备测量沉降值，并按照监测频率记录沉降数据；

在路基边坡两侧坡脚处埋设测斜管，测斜管管底进入硬土层，测斜管管底到埋设地面高度记为H，路基坡脚宽度记为B,按照监测频率记录测斜数据；

路基填土至预压高度的时间记为第0天，测量得到的沉降值记为S₀，进入预压期后第t天测量得到的沉降值记为S_t；

B.拟合侧向变形引起的沉降量的变形规律：

1)基于路基边坡坡脚处两侧的测斜管得到的数据求得进入预压期t时刻下侧向变形引起的路基中心沉降S_侧t；进入预压期当天测量得到的侧向变形引起的路基中心沉降记为S_侧0；

通过下式：

或

或

可以求的系列数据S_侧t、S_侧0；

2)采用双曲线模型拟合S_侧t：

上式可变为：

由上式线性拟合，可求得参数：a₁，b₁。

C.拟合固结排水变形引起的沉降量的变形规律：

1)实测数据处理：

其中，S_t为预压期后第t天测量得到的沉降值，S₀进入预压期单天的沉降值；S_侧t为基于路基边坡坡脚处两侧的测斜管得到的数据求得进入预压期t时刻下侧向变形引起的路基中心沉降，S_侧0为进入预压期当天测量得到的侧向变形引起的路基中心沉降记；S_排水t为预压期后第t天排水变形引起的沉降值，S_排水0为预压期当天排水变形引起的沉降值。

2)采用双曲线模型拟合S_排水t：

上式可变为：

由上式线性拟合可求得参数：a₂，b₂。

D.路基中心沉降量的预测：

采用上式可预测任意时刻下的路基沉降值。

进一步，路基沉降最终值为：

进一步，基于测斜管数据计算侧向鼓肚子的变形面积的方法是：

进入预压期后第t天测量得到的测斜管中n个点位的倾斜数据，第i个点位的距离管底高度和测斜数据记录为h_i(h_n＝H，H为测斜管管底到埋设地面高度)，y_it，土体单侧鼓肚子的变形面积C_t。

进一步，所述测斜管测量数据时，多个点位选取测量值时，自管底每隔0.5m～1m选取1个点。

相应的，一种道路施工方法，核心在于按照前述任意一项所述的方法监测沉降数据，在预压期1～3月的时间内，通过上述方法计算沉降值，确定卸载时机。

本发明的优点在于：根据工程实践：排水引起的沉降(单一变量)是符合双曲线变化的。而1-3个月之内的沉降数据，侧向变形引起的沉降也是在不断增大(两个变量)，因而用双曲线拟合出来的结果不佳。本发明将测斜管监测的数据纳入到路基沉降的预测体系中；沉降测算兼顾固结排水变形引起的沉降量和侧向变形引起的沉降量，该测算方法在预压期1-3月的时间内，可以获得较为准确的结果。较现有技术预测精准度明显提升。采用本发明的方法可以在预压期较短时，就获得较为精确的沉降计算结果，可以为卸载时机的确定提供更为准确的结论。

附图说明

图1为系统结构示意图；

图2为路基填土、测斜管示意图；

图3为侧向变形引起的土体变形图；

图4为侧向变形计算示意图；

图5为土体凹陷示意图。

具体实施方式

双曲线法是路基沉降预测常用的方法，但是在进入预压期1个月的时候，采用该法预测的结果与实际测量结果相差较大，无法满足工程实际需要。但是，如果在预压期达到6个月的时候，在实际运用工程中，在采用双曲线法预测时，一般选取进入预压期3-6个月期间来拟合参数，该法预测得到的结果与工程实际测量结果相差不大。

沉降变形主要包括三方面：一是弹性变形(时间很快，基本在1天内完成，变形量较小，可忽略)，二是路基固结排水变形(简称排水形变或固结形变)，三是路基下方土体侧向变形引起的变形。之所以预压期3-6个月期间计算到的结果与实际相差不大，是由于3个月后，侧向变形基本稳定，路基沉降基本上是以排水引起的沉降为主。上述工程实践表明:排水引起的沉降(单一变量)是符合双曲线变化的。而1-3个月之内的沉降数据，侧向变形引起的沉降也是在不断增大(两个变量)，因而用双曲线拟合出来的结果不佳。

本发明提供的道路路基沉降的预测方法，包括：数据传输模块、高程计算模块、侧向位移计算模块、沉降量预测模块、沉降曲线图绘制模块。数据传输模块用于将沉降板高程数据和测斜管数据分别传输到高程计算模块、侧向位移计算模块。高程计算模块、侧向位移计算模块计算得到的沉降量数据和侧向位移数据传送给沉降量预测模块处理。沉降量预测模块处预测的结果传递给结果显示模块模块，结果显示模块例如是沉降曲线图绘制模块来显示沉降量预测结果。

所述的沉降量预测模块在处理高程计算模块和侧向位移计算模块的数据，沉降量分为两部分：侧向位移引起的沉降和固结沉降，分别对上述两部分采用数学模型拟合计算。其中，固结沉降的实测数据＝总沉降-侧向位移引起的沉降；侧向位移引起的沉降由测斜管得到的数据进行转换求取。

进一步，还可以包括：数据库，用于存储沉降数据和预测沉降量；查询单元，输入单元输入需要查询的指定时刻，从数据库中调取指定时刻对应的沉降量，传输到沉降曲线图绘制模块进行显示。

进一步，侧向位移引起的沉降由测斜管得到的数据进行转换求取的方法为：

或

或

C_左t、C_右t分别表示基于测斜管测量的数据得到进入预压期t时刻下的侧向“鼓肚子”的变形面积，S_侧t表示基于路基边坡坡脚处两侧的测斜管得到的数据求得进入预压期t时刻下侧向变形引起的路基中心沉降，B表示路基横断面两跛脚的距离；

优选为，侧向位移引起的沉降和固结沉降，分别对上述两部分采用数学模型拟合计算的方法是：

侧向位移引起的沉降的规律采用增量双曲线法、或指数曲线法、或Asaoka法进行拟合分析；

固结沉降的实测数据为：监测得到的总沉降-同一时刻侧向位移引起的沉降；固结沉降的实测数据的规律采用增量双曲线法、或指数曲线法、或Asaoka法进行拟合分析；

沉降的规律为：沉降变形＝“侧向位移引起的沉降的规律”+“固结沉降的规律”。

进入预压期t时刻“鼓肚子”的变形面积C_t为：

式中，进入预压期后第t天测量得到的测斜管中n个点位的倾斜数据，第i个点位的距离管底高度和测斜数据记录为h_i，y_it，该侧土体的“鼓肚子”的变形面积C_t。

由上述方法可以求得：两侧进入预压期t时刻“鼓肚子”的变形面积，分别采用C_左t，和C_右t来表示。

以增量双曲线为例，其数据计算方法如下：

包括如下几个步骤：

A.埋设沉降板及测斜管，记录数据：

路基排水体施工完成后，在路基中部埋设沉降测量装置，采用沉降测量设备测量沉降值，并按照监测频率记录沉降数据；

在路基边坡两侧坡脚处埋设测斜管，测斜管管底进入硬土层，测斜管管底到埋设地面高度记为H，路基坡脚宽度记为B,按照监测频率记录测斜数据；

路基填土至预压高度的时间记为第0天，测量得到的沉降值记为S₀，进入预压期后第t天测量得到的沉降值记为S_t；

B.拟合侧向变形引起的沉降量的变形规律：

1)基于路基边坡坡脚处两侧的测斜管得到的数据求得进入预压期t时刻下侧向变形引起的路基中心沉降S_侧t；进入预压期当天测量得到的侧向变形引起的路基中心沉降记为S_侧0；

通过下式：

或

或

可以求的系列数据S_侧t、S_侧0；

2)采用双曲线模型拟合S_侧t：

上式可变为：

由上式线性拟合，可求得参数：a₁，b₁。

C.拟合固结排水变形引起的沉降量的变形规律：

1)实测数据处理：

其中，S_t为预压期后第t天测量得到的沉降值，S₀进入预压期单天的沉降值；S_侧t为基于路基边坡坡脚处两侧的测斜管得到的数据求得进入预压期t时刻下侧向变形引起的路基中心沉降，S_侧0为进入预压期当天测量得到的侧向变形引起的路基中心沉降记；S_排水t为预压期后第t天排水变形引起的沉降值，S_排水0为预压期当天排水变形引起的沉降值。

2)采用双曲线模型拟合S_排水t：

上式可变为：

由上式线性拟合可求得参数：a₂，b₂。

D.路基中心沉降量的预测：

采用上式可预测任意时刻下的路基沉降值。

相应的，路基沉降最终值为：

将上述方法用于某一级公路路基施工中，针对5个不同的沉降观测点，仅采用预压期内1个月的结果进行预测，采用双曲线、指数曲线法、Asaoka法、本发明法求得预压期3年后的沉降结果分别如下表所示：

项目	双曲线法	指数曲线法	Asaoka法	本发明法	3年实测值
						观测点1	182cm	150cm	100cm	163cm	158cm
观测点2	190cm	154cm	103cm	168cm	164cm
						观测点3	184cm	153cm	100cm	164cm	158cm
观测点4	175cm	143cm	95cm	152cm	150cm
						观测点5	180cm	147cm	99cm	161cm	176cm

沉降监测服务期一般在竣工后3年，3年后路基基本上稳定可以近似认为是最大沉降量。由上表可见，在所有方法中，本发明方法误差最小，不超过5cm。由该工程可知，采用本发明的方法可以在预压期较短时，就获得较为精确的沉降计算结果，可以为卸载时机的确定提供更为准确的结论。应用到工程实践中可以将很多施工环节提前安排，保证施工质量，同时提升施工效率。同时，路基沉降预测工作是道路施工及运营过程中不可缺少的部分，预测路基沉降在现场施工过程中具有更加重要的预警意义。选取最佳预测模型、正确预测路基沉降，是施工和运营的各个环节安全进行的有力保障，采用本发明方法能够用来预测路基沉降变化规律，对类似工程具有一定的指导意义。

Claims (6)

1.一种道路路基沉降的预测方法，特征在于：按如下步骤进行：

A.埋设沉降板及测斜管，记录数据：

路基排水体施工完成后，在路基中部埋设沉降测量装置，采用沉降测量设备测量沉降值，并按照监测频率记录沉降数据；在路基边坡两侧坡脚处埋设测斜管，测斜管管底进入硬土层，测斜管管底到埋设地面高度记为H，路基坡脚宽度记为B,按照监测频率记录测斜数据；

路基填土至预压高度的时间记为第0天，测量得到的沉降值记为S₀，进入预压期后第t天测量得到的沉降值记为S_t；

B.拟合侧向变形引起的沉降量的变形规律：

1)基于路基边坡坡脚处两侧的测斜管得到的数据求得进入预压期t时刻下侧向变形引起的路基中心沉降S_侧t；进入预压期当天测量得到的侧向变形引起的路基中心沉降记为S_侧0；

上述计算方法为：

或

或

式中，C_左t、C_右t分别表示基于测斜管测量的数据得到进入预压期t时刻下的侧向鼓肚子的变形面积；B表示路基横断面两跛脚的距离；

2)采用双曲线模型拟合S_侧t：

上式可变为：

由上式线性拟合，可求得参数：a₁，b₁。

C.拟合固结排水变形引起的沉降量的变形规律：

1)实测数据处理：

其中，S_t为预压期后第t天测量得到的沉降值，S₀进入预压期单天的沉降值；S_侧t为基于路基边坡坡脚处两侧的测斜管得到的数据求得进入预压期t时刻下侧向变形引起的路基中心沉降，S_侧0为进入预压期当天测量得到的侧向变形引起的路基中心沉降记；S_排水t为预压期后第t天排水变形引起的沉降值，S_排水0为预压期当天排水变形引起的沉降值。

2)采用双曲线模型拟合S_排水t：

上式可变为：

由上式线性拟合可求得参数：a₂，b₂。

D.路基中心沉降量的预测：

$S_t=S_0+\frac{t}{a_1+b_1\·t}+\frac{t}{a_2+b_2\·t}$

采用上式可预测任意时刻下的路基沉降值。

2.根据权利要求1所述的道路路基沉降的预测方法，其特征在于，路基沉降最终值为：

$S_{\mathrm{\∞}}=S_0+\frac{1}{b_1}+\frac{1}{b_2}$

3.根据权利要求1所述的道路路基沉降的预测方法，其特征在于，基于测斜管数据计算侧向鼓肚子的变形面积的方法是：

$C_t=\frac{y_{1t}\·h_1}{2}+\underset{i=2}{\overset{i=n}{\Σ}}\frac{(y_i+y_{i-1})\·(h_i-h_{i-1})}{2}$

其中，进入预压期后第t天测量得到的测斜管中n个点位的倾斜数据，第i个点位的距离管底高度和测斜数据分别记录为h_i、y_it，土体的鼓肚子的变形面积C_t。

4.根据权利要求1所述的道路路基沉降的预测方法，其特征在于，所述测斜管测量数据时，多个点位选取测量值时，自管底每隔0.5m～1m选取1个点。

5.根据权利要求1所述的道路路基沉降的预测方法，其特征在于，实施该方法时利用的硬件系统包括：数据传输模块、高程计算模块、侧向位移计算模块、沉降量预测模块、结果输出模块、数据库和查询单元；

所述数据传输模块用于将沉降板高程数据和测斜管数据分别传输到高程计算模块、侧向位移计算模块；

所述高程计算模块、侧向位移计算模块计算得到的沉降量数据和侧向位移数据传送给沉降量预测模块处理；

所述沉降量预测模块根据高程计算模块和侧向位移计算模块的数据进行测算；且沉降量分为两部分：侧向位移引起的沉降和固结沉降，分别对上述两部分采用数学模型拟合计算，然后加和得到预测的沉降量结果；所述沉降量预测模块处预测的结果传递给结果输出模块来通过图形和/或数据显示沉降量预测结果；

所述数据库用于存储沉降数据和预测沉降量；

所述查询单元，输入单元输入需要查询的指定时刻，从数据库中调取指定时刻对应的沉降量，传输到结果输出模块进行显示；

其中，计算和拟合过程中用到的固结沉降的实测数据＝总沉降-侧向位移引起的沉降；侧向位移引起的沉降由测斜管得到的数据进行转换求取。

6.一种道路施工方法，其特征在于：按照权利要求1～5中任意一项所述的方法监测沉降数据，在预压期1～3月的时间内，通过上述方法计算沉降值，确定卸载时机。