CN107016197A - 一种路基沉降预测方法以及路基沉降预测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种路基沉降预测方法以及路基沉降预测系统，涉及交通建设工程领域。由第一分析模块对在交通荷载作用下的路基土体作出分析预测，得到累积变形值；由第二分析模块对在超静孔隙水压力消散产生的路基土体固结沉降作出分析预测，得到固结沉降值；再利用长期沉降值计算公式对累积变形值和固结沉降值进行计算，得出长期沉降值。与现有技术中的预测方法相比，本发明提供的路基沉降预测方法考虑了超静孔隙水压力消散产生的路基土体固结沉降，同时结合有限元法和试验结果解决了交通荷载高振动次数计算量偏大的问题，且方法合理可行，能够更加准确的预测出交通荷载下路基土体的长期沉降值，为交通工程的设计、施工、运维等方面提供参考依据。

Description

一种路基沉降预测方法以及路基沉降预测系统
技术领域
本发明涉及交通建设工程领域，具体而言，涉及一种路基沉降预测方法以及路基沉降预测系统。
背景技术
交通工程分为公路、地铁和高铁工程，相应工程的交通荷载为公路车辆荷载、地铁和高铁列车荷载。运营期间，由于交通荷载作用，路基将产生长期沉降，进而影响交通的安全运行以及沿线构筑物的正常使用，对周边环境造成噪声污染等一系列不良影响，因此，需要基于交通工程提出一种长期沉降预测方法，可为交通工程的设计、施工、运维等方面提供参考依据。
目前，预测交通工程通行后长期沉降的方法屡见不鲜，但是要达到计算准确并且简单实用、合理，还需要深入分析。发明人研究发现，交通工程在通车期的长期沉降可分为两部分：一是交通荷载作用下地基累积变形，二是超静孔隙水压力消散引起的土体固结沉降。目前常用的预测方法只是利用经验法预测地基累积变形，这样一来精确度不高，计算结果受人为影响，并且没有考虑土体固结沉降，测出来的长期沉降与实际值有较大出入。
有鉴于此，设计出一种能够准确预测出路基长期沉降值的路基沉降预测方法以及路基沉降预测系统特别是在交通工程中显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种路基沉降预测方法，方便实用，能够快速准确的预测出交通荷载下路基土体的长期沉降值，为交通工程的设计、施工、运维等方面提供参考依据。
本发明的另一目的在于提供一种路基沉降预测系统，方便实用，性价比高，能够快速准确的预测出交通荷载下路基土体的长期沉降值，为交通工程的设计、施工、运维等方面提供参考依据。
本发明是采用以下的技术方案来实现的。
一种路基沉降预测方法，用于预测在交通荷载作用下路基土体的长期沉降值，包括：累积变形预测步骤：利用第一分析模块测算出在交通荷载作用下路基土体的累积变形值；固结沉降预测步骤：利用第二分析模块测算出在超静孔隙水压力消散产生的路基土体固结沉降值；长期沉降值计算步骤：根据累积变形值和固结沉降值，利用长期沉降值计算公式计算出路基土体的长期沉降值。
进一步地，累积变形预测步骤中，利用累积变形值计算公式计算出路基土体的累积变形值，累积变形值计算公式为Sp＝Sp,1000(N/1000)λ；式中Sp为路基土体的累积变形值，Sp,1000为第1000振次对应的累积变形，N为振动次数，λ为模型参数。
进一步地，累积变形值计算公式根据动应变公式带入分层总和法公式得出，动应变公式为εp＝εp,1000(N/1000)λ；分层总和法公式为式中εp为动应变，εp,1000为1000振动次数时的动应变，N为振动次数，λ为模型参数，S为总分层总和法，εzi为第i层土体的应变值，Hi为第i层土体的厚度。
进一步地，根据模型参数计算公式计算出模型参数λ，模型参数计算公式为λ＝a×CSR2+b×CSR+c；式中CSR为动应力比，且CSR＝qcyc/qf，qcyc为动偏应力，即为初始动应力，可以由数值模拟计算得到，qf为不排水抗剪强度，a、b、c为试验参数。
进一步地，路基沉降预测方法还包括模型分析步骤；模型分析步骤：在累积变形预测步骤前，先将交通荷载值输入交通工程有限元模型进行运算得到竖向位移，再对竖向位移进行分析得到第1000振次对应的累积变形Sp,1000。
进一步地，路基沉降预测方法还包括交通荷载测算步骤；交通荷载测算步骤：在模型分析步骤前，采用多频率半正弦波模拟交通荷载信号的方式得出交通荷载值。
进一步地，固结沉降预测步骤中，利用固结沉降值计算公式计算出路基土体的固结沉降值，固结沉降值计算公式为式中Sv为路基土体的固结沉降值，mvi为第i层土体的体积压缩系数，hi为第i层土体的厚度，Ui为第i层土体的固结度，ui为第i层土体的孔隙水压力。
进一步地，先采集孔隙水压力的数据，再通过幂数型孔压模型公式处理采集到的数据，以得到第i层土体的孔隙水压力ui，幂数型孔压模型公式为ui/σ'c＝dNe；式中ui/σ'c为第i层土体超静孔压与有效固结应力之比，N为振动次数，d、e为试验参数。
进一步地，长期沉降值计算步骤中，长期沉降值计算公式为St＝Sp+Sv；式中St为路基土体的长期沉降值，Sp为路基土体的累积变形值，Sv为路基土体的固结沉降值。
一种路基沉降预测系统，用于预测在交通荷载作用下路基土体的长期沉降值，包括第一分析模块、第二分析模块和计算模块，第一分析模块与计算模块连接，用于测算出在交通荷载作用下路基土体的累积变形值，并将累积变形值传递给计算模块，第二分析模块与计算模块连接，用于测算出在超静孔隙水压力消散产生的路基土体固结沉降值，并将固结沉降值传递给计算模块，计算模块用于根据累积变形值和固结沉降值，并利用长期沉降值计算公式整合计算得出路基土体的长期沉降值。
本发明提供的路基沉降预测方法以及路基沉降预测系统具有以下有益效果：
本发明提供的路基沉降预测方法，由第一分析模块对在交通荷载作用下的路基土体作出分析预测，得到累积变形值；由第二分析模块测算出在超静孔隙水压力消散产生的路基土体固结沉降值；再利用长期沉降值计算公式对累积变形值和固结沉降值进行计算，得出长期沉降值。与现有技术中的预测方法相比，本发明提供的路基沉降预测方法由于采用了对在超静孔隙水压力消散产生的的路基土体固结沉降作分析预测的固结沉降预测步骤，所以能够更加准确的预测出交通荷载下路基土体的长期沉降值，为交通工程的设计、施工、运维等方面提供参考依据。
本发明提供的路基沉降预测系统，利用第一分析模块测算出在交通荷载作用下路基土体的累积变形值，利用第二分析模块测算出在超静孔隙水压力消散产生的路基土体的固结沉降值，再利用计算模块整合计算得到路基土体的长期沉降值。相较于现有技术，本发明提供的路基沉降预测系统能够准确预测出交通荷载下路基土体的长期沉降值，为交通工程的设计、施工、运维等方面提供参考依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的路基沉降预测系统的结构组成框图；
图2为图1中第一分析模块的结构组成框图；
图3为图1中第二分析模块的结构组成框图；
图4为本发明实施例提供的路基沉降预测方法的流程图。
图标：100-路基沉降预测系统；110-第一分析模块；111-交通荷载测算单元；113-模型分析单元；115-累积变形预测单元；130-第二分析模块；131-孔隙水压力测算单元；133-固结沉降预测单元；150-计算模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。
实施例
请参照图1，本发明实施例提供了一种路基沉降预测系统100，用于预测在交通荷载作用下路基土体的长期沉降值，其方便实用，性价比高，能够快速准确的预测出交通荷载下路基土体的长期沉降值，为交通工程的设计、施工、运维等方面提供参考依据。该路基沉降预测系统100包括第一分析模块110、第二分析模块130和计算模块150。第一分析模块110与计算模块150连接，用于测算出在交通荷载作用下路基土体的累积变形值，并将累积变形值传递给计算模块150，第二分析模块130与计算模块150连接，用于测算出在超静孔隙水压力消散产生的路基土体固结沉降值，并将固结沉降值传递给计算模块150，计算模块150用于整合计算得出路基土体的长期沉降值。
第一分析模块110包括交通荷载测算单元111、模型分析单元113和累积变形预测单元115。交通荷载测算单元111通过模型分析单元113与累积变形预测单元115连接。交通荷载测算单元111用于采用多频率半正弦波模拟交通荷载信号的方式得出交通荷载值并将其传输给模型分析单元113。模型分析单元113用于测算得出第1000振次对应的累积变形Sp,1000并将其传输给累积变形预测单元115。累积变形预测单元115用于根据累积变形Sp,1000测算出在交通荷载作用下路基土体的累积变形值。
第二分析模块130包括孔隙水压力测算单元131和固结沉降预测单元133。孔隙水压力测算单元131与固结沉降预测单元133连接。孔隙水压力测算单元131用于采集孔隙水压力的数据，再通过幂数型孔压模型公式处理采集到的数据，以得到第i层土体的孔隙水压力ui，并将其传输给固结沉降预测单元133。固结沉降预测单元133用于根据孔隙水压力ui测算出在超静孔隙水压力消散产生的路基土体固结沉降值。
本发明实施例提供的纱线捻度测量系统的工作原理是，利用第一分析模块110测算出在交通荷载作用下路基土体的累积变形值，利用第二分析模块130测算出在超静孔隙水压力消散产生的路基土体固结沉降值，再利用计算模块150整合计算得到路基土体的长期沉降值。相较于现有技术，本发明提供的路基沉降预测系统100能够准确预测出交通荷载下路基土体的长期沉降值，为交通工程的设计、施工、运维等方面提供参考依据。
本发明实施例还提供了一种路基沉降预测方法，用于预测在交通荷载作用下路基土体的长期沉降值，其方便实用，能够快速准确的预测出交通荷载下路基土体的长期沉降值，为交通工程的设计、施工、运维等方面提供参考依据。该路基沉降预测方法包括以下步骤：
步骤S401：交通荷载测算步骤，利用交通荷载测算单元111，采用多频率半正弦波模拟交通荷载信号的方式得出交通荷载值。
值得注意的是，在交通荷载测算步骤S401中，公路工程的计算公式与铁路工程的计算公式互不相同。
在公路工程中，通车期交通振动荷载为P(t)＝P0+M0mω2×sin(ωt)；式中P(t)为交通荷载值，P0为汽车轴重，M0为车辆簧下质量，m为考虑路面不平顺下的矢高，ω为圆频率，且ω＝2πv/n，其中v为汽车时速，n为车辆的长度。
铁路工程包括地铁工程和高铁工程。在铁路工程中，列车运营期振动荷载为P(t)＝AB(P0+P1sinω1t+P2sinω2t+P3sinω3t)；式中P(t)为交通荷载值，A、B可根据车辆的类型和轨道结构、轴重、列车长度、运行时速以及钢轨、轨枕类型等条件获得，t为振动荷载作用时间，P0为列车车轮自重荷载，P1为按行车平稳性产生的振动荷载，P2为按作用到线路上的动力附加振动荷载，P3为波形磨耗产生的振动荷载。
步骤S402：模型分析步骤，利用模型分析单元113，先将交通荷载值输入交通工程有限元模型进行运算得到竖向位移，再对竖向位移进行分析得到第1000振次对应的累积变形Sp,1000。
在模型分析步骤S402中，建立交通工程有限元模型，材料本构模型可以采用自定义模型，边界条件设置为粘弹性人工吸收边界。同时，还需要设置地应力平衡。随后将交通荷载测算步骤S401中获得的交通荷载嵌入ABAQUS有限元中，在Load模块中设置荷载Amplitude，类型是周期荷载(Periodic)，加载次数设置1000振次。最后将振动1000次的竖向位移提取出来，提取点可沿着地基中轴线往下直到沉降计算深度，以得出第1000振次对应的累积变形Sp,1000。
值得注意的是，若施工土质为软土，则取附加应力即动偏应力与自重应力之比小于等于0.1时对应的深度，以得出第1000振次对应的累积变形Sp,1000；若施工土质为其它土体，则取附加应力即动偏应力与自重应力之比小于等于0.2时对应的深度，以得出第1000振次对应的累积变形Sp,1000。
步骤S403：累积变形预测步骤，利用累积变形预测单元115测算出在交通荷载作用下路基土体的累积变形值。
在累积变形预测步骤S403中，利用累积变形值计算公式计算出路基土体的累积变形值，累积变形值计算公式为Sp＝Sp,1000(N/1000)λ；式中Sp为路基土体的累积变形值，Sp,1000为第1000振次对应的累积变形，N为振动次数，λ为模型参数。
本实施例中，通过大量的室内动三轴试验仪器实验，得到在双对数坐标下，动应变和振动次数关系曲线达到1000振动次数以后呈直线关系，建立的动应变预测公式为logεp＝logεp,1000+λlog(N/1000)；将其变形得到动应变公式为εp＝εp,1000(N/1000)λ；又由于分层总和法公式为将动应变公式和分层总和法公式结合推导得到累积变形值计算公式。式中εp为动应变，εp,1000为1000振动次数时的动应变，N为振动次数，λ为模型参数，S为总分层总和法，εzi为第i层土体的应变值，Hi为第i层土体的厚度。
本实施例中，根据模型参数计算公式计算出模型参数λ，模型参数计算公式为λ＝a×CSR2+b×CSR+c；式中CSR为动应力比，且CSR＝qcyc/qf，其中qcyc为动偏应力，即为初始动应力，可以由数值模拟计算得到，qf为不排水抗剪强度，a、b、c为试验参数。
步骤S404：固结沉降预测步骤，利用固结沉降预测单元133测算出在超静孔隙水压力消散产生的路基土体固结沉降值。
在固结沉降预测步骤S404中，利用固结沉降值计算公式计算出路基土体的固结沉降值，固结沉降值计算公式为式中Sv为路基土体的固结沉降值，mvi为第i层土体的体积压缩系数，hi为第i层土体的厚度，Ui为第i层土体的固结度，ui为第i层土体的孔隙水压力。
本实施例中，利用孔隙水压力测算单元131先采集孔隙水压力的数据，再通过幂数型孔压模型公式处理采集到的数据，以得到第i层土体的孔隙水压力ui，幂数型孔压模型公式为u/σ'c＝dNe；式中u/σ'c为第i层土体超静孔压与有效固结应力之比，N为振动次数，d、e为试验参数。
步骤S405：长期沉降值计算步骤，利用计算模块150根据累积变形值和固结沉降值，利用长期沉降值计算公式计算出路基土体的长期沉降值。
在长期沉降值计算步骤S405中，长期沉降值计算公式为St＝Sp+Sv；式中St为路基土体的长期沉降值，Sp为路基土体的累积变形值，Sv为路基土体的固结沉降值。
本发明实施例提供的路基沉降预测方法，由第一分析模块110对在交通荷载作用下的路基土体作出分析预测，得到累积变形值；由第二分析模块130测算出在超静孔隙水压力消散产生的路基土体固结沉降值；再利用计算模块150中的长期沉降值计算公式对累积变形值和固结沉降值进行计算，得出长期沉降值。与现有技术中的预测方法相比，本发明提供的路基沉降预测方法由于采用了对在超静孔隙水压力消散产生路基土体固结沉降作分析预测的固结沉降预测步骤，所以能够更加准确的预测出交通荷载下路基土体的长期沉降值，为交通工程的设计、施工、运维等方面提供参考依据。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种路基沉降预测方法，用于预测在交通荷载作用下路基土体的长期沉降值，其特征在于，包括：
累积变形预测步骤：利用第一分析模块测算出在交通荷载作用下所述路基土体的累积变形值；
固结沉降预测步骤：利用第二分析模块测算出在超静孔隙水压力消散产生的路基土体固结沉降值；
长期沉降值计算步骤：根据所述累积变形值和所述固结沉降值，利用长期沉降值计算公式计算出所述路基土体的长期沉降值。
2.根据权利要求1所述的路基沉降预测方法，其特征在于，所述累积变形预测步骤中，利用累积变形值计算公式计算出所述路基土体的累积变形值，所述累积变形值计算公式为
Sp＝Sp,1000(N/1000)λ；
式中Sp为所述路基土体的累积变形值，Sp,1000为第1000振次对应的累积变形，N为振动次数，λ为模型参数。
3.根据权利要求2所述的路基沉降预测方法，其特征在于，所述累积变形值计算公式根据动应变公式带入分层总和法公式得出，所述动应变公式为
εp＝εp,1000(N/1000)λ；
所述分层总和法公式为
式中εp为动应变，εp,1000为1000振动次数时的动应变，N为振动次数，λ为模型参数，S为总分层总和法，εzi为第i层土体的应变值，Hi为第i层土体的厚度。
4.根据权利要求3所述的路基沉降预测方法，其特征在于，根据模型参数计算公式计算出模型参数λ，所述模型参数计算公式为
λ＝a×CSR2+b×CSR+c；
式中CSR为动应力比，且CSR＝qcyc/qf，qcyc为动偏应力，qf为不排水抗剪强度，a、b、c为试验参数。
5.根据权利要求2所述的路基沉降预测方法，其特征在于，所述路基沉降预测方法还包括模型分析步骤；
所述模型分析步骤：在所述累积变形预测步骤前，先将交通荷载值输入交通工程有限元模型进行运算得到竖向位移，再对所述竖向位移进行分析得到第1000振次对应的累积变形Sp,1000。
6.根据权利要求5所述的路基沉降预测方法，其特征在于，所述路基沉降预测方法还包括交通荷载测算步骤；
所述交通荷载测算步骤：在所述模型分析步骤前，采用多频率半正弦波模拟交通荷载信号的方式得出所述交通荷载值。
7.根据权利要求1所述的路基沉降预测方法，其特征在于，所述固结沉降预测步骤中，利用固结沉降值计算公式计算出所述路基土体的固结沉降值，所述固结沉降值计算公式为
式中Sv为所述路基土体的固结沉降值，mvi为第i层土体的体积压缩系数，hi为第i层土体的厚度，Ui为第i层土体的固结度，ui为第i层土体的孔隙水压力。
8.根据权利要求7所述的路基沉降预测方法，其特征在于，先采集孔隙水压力的数据，再通过幂数型孔压模型公式处理采集到的数据，以得到所述第i层土体的孔隙水压力ui，所述幂数型孔压模型公式为
ui/σ'c＝dNe；
式中ui/σ'c为第i层土体超静孔压与有效固结应力之比，N为振动次数，d、e为试验参数。
9.根据权利要求1所述的路基沉降预测方法，其特征在于，所述长期沉降值计算步骤中，所述长期沉降值计算公式为
St＝Sp+Sv；
式中St为所述路基土体的长期沉降值，Sp为所述路基土体的累积变形值，Sv为所述路基土体的固结沉降值。
10.一种路基沉降预测系统，用于预测在交通荷载作用下路基土体的长期沉降值，其特征在于，包括第一分析模块、第二分析模块和计算模块，所述第一分析模块与所述计算模块连接，用于测算出在交通荷载作用下所述路基土体的累积变形值，并将所述累积变形值传递给所述计算模块，所述第二分析模块与所述计算模块连接，用于测算出在超静孔隙水压力引起的路基土体的固结沉降值，并将所述固结沉降值传递给所述计算模块，所述计算模块用于根据所述累积变形值和所述固结沉降值，并利用长期沉降值计算公式整合计算得出所述路基土体的长期沉降值。
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