CN113486567B - 一种吹填土沉降预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吹填土沉降预测方法，包括以下步骤：S1：基于待测土体进行离心机模拟试验，获取待测土体的土体压力和位移量；S2：构建PFC数值模拟模型，获取待测土体的实际沉降量；S3：根据待测土体的土体压力和位移量，进行沉降量分析；S4：利用对数曲线法和半经验公式法，根据待测土体的实际沉降量和沉降量分析的结果得到的沉降预测模型进行沉降量预测。本发明研究土体的沉降规律。基于现场地基原型制作离心模型，通过大型土工离心机试验，便于分析土体沉降演化过程中的沉降规律和特性。

Description

一种吹填土沉降预测方法

技术领域

本发明属于土体检测技术领域，具体涉及一种吹填土沉降预测方法。

背景技术

我国土地面积虽大，但人均可用土地面积分布不均匀，西部幅员辽阔，东部人口稀少，特别是东部沿海地区。为了缓解“少地多人”的局面，沿海地区开始研究围垦技术，利用沿海滩涂或直接通过围垦土地来达到大面积增加土地的目的。国外已有吹填造陆的典型案例，例如，日本为了工业、交通、住宅等方面的发展，大力发展吹填造陆，建立了神户人工岛、关西国际机场等，东京湾、伊势湾、大阪湾等20多个新型工业中心均建立在新陆上。迪拜为了旅游业，人工填海了一座漂亮岛屿棕榈岛。国内也有许多吹填造陆案例，例如，香港1995造陆面积占香港总面积的5.7％，九龙半岛、观塘、启德机场等均为早期造陆形成。近年来，中国对南沙多个岛礁进行吹沙填海，形成了南海最大人工岛美济岛。

目前，吹填土地基处理方法一般采用真空预压技术。该方法会让土在短时间内拥有一定的强度，但其整体工程性质依然很差。吹填土的特点体现了吹填土的流变性。由土的流变造成地基的不均匀沉降时有发生。如若天津港输气管道因地基沉降发生挤压变形，最终导致天然气泄漏，后果将不堪设想。因此，对吹填土沉降研究很有必要。

发明内容

本发明的目的是为了解决土体沉降预测的问题，提出了一种吹填土沉降预测方法。

本发明的技术方案是：一种吹填土沉降预测方法包括以下步骤：

S1：基于待测土体进行离心机模拟试验，获取待测土体的土体压力和位移量；

S2：构建PFC数值模拟模型，获取待测土体的实际沉降量；

S3：根据待测土体的土体压力和位移量，进行沉降量分析；

S4：利用对数曲线法和半经验公式法，根据待测土体的实际沉降量和沉降量分析的结果得到的沉降预测模型进行沉降量预测。

进一步地，步骤S1包括以下子步骤：

S11：将离心机模型的材料、密度和分布范围与待测土体的材料、密度和分布范围设为一致，并在离心机模型内安装压力传感器和位移传感器；

S12：将离心机模型置于离心机中，将离心机的离心加速度增加至和待测土体的自重力一致，通过传感器获取土体压力和位移量。

进一步地，步骤S2包括以下子步骤：

S21：根据待测土体的分布特征将其分为上层土和下层土，并分别在对上土层表面和下土层中间设置追踪点；

S22：利用离散元颗粒流软件获取追踪点的位移轨迹，得到待测土体的实际沉降量。

进一步地，步骤S3包括以下子步骤：

S31：在离心机内进行待测土体的自重固结试验，得到自重固结土体，并根据土体压力计算自重固结土体的孔隙比e，其计算公式为：

e＝e₀-λlnσ

其中，e₀表示初始孔隙比，σ表示压缩应力，λ表示压缩指数；

S32：根据自重固结土体的孔隙比e计算自重固结土体的最终沉降高度S_c和固结过程中土体任意时刻的变形量S_ct，并将其作为沉降分析的结果，其计算公式分别为：

S_c＝L-L_m

S_ct＝U_ZS_c

其中，L表示土样的高度，L_m表示土样的最终高度，U_Z表示平均固结度。

进一步地，步骤S4中，利用沉降预测模型预测整个区域的土体平均沉降量，计算施工期T完成后的沉降量s_t的计算公式为：

s_t＝S_d+S_ct＝s_∞[1-Aexp(-Bt)]+S_dAexp(-Bt)

其中，

t₂-t₁＝t₃-t₂，S_d表示瞬时沉降量，S_ct表示固结过程中土体任意时刻的变形量，s_∞表示最终沉降量，A表示一维固结理论近似值

B表示时间参数，exp(·)表示指数函数，t₁、t₂和t₃分别表示实测的早期s-t曲线的三个时间，s_t1表示实测的早期s-t曲线t₁时刻的沉降量，s_t2表示实测的早期s-t曲线t₂时刻的沉降量，s_t3表示实测的早期s-t曲线t₃时刻的沉降量。

进一步地，步骤S4中，利用沉降预测模型预测整个区域中单个位置的土体沉降量，计算所求时刻的次固结累积沉降量S_a的计算公式为：

其中，γ＝-0.0009t³+0.0083t²-0.0149t+0.0522，H₀表示所求土层的厚度，γ表示沉降系数，t₁和t₂分别表示次固结开始时刻和所求时刻，e₀表示初始孔隙比，t表示固结历时。

本发明的有益效果是：

(1)本发明研究土体的沉降规律。基于现场地基原型制作离心模型，通过大型土工离心机试验，便于分析土体沉降演化过程中的沉降规律和特性。

(2)用PFC软件建立双层地基模型并计算，结合离心机试验结果和模拟试验结果，提出了两种预测吹填土沉降的预测模型，确定土体的沉降量，对工程施工和工程安全有重要意义。

附图说明

图1为吹填土沉降预测方法的流程图；

图2为离心机试验、沉降预测模型和PFC数值模拟的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：

离散元颗粒流软件PFC3D：主要是利用显式差分算法和离散元理论开发的微/细观力学程序，它是从介质的基本粒子结构的角度考虑介质的基本力学特性，并认为给定介质在不同应力条件下的基本特性主要取决于粒子之间接触状态的变化，适用研究粒状集合体的破裂和破裂发展问题、以及颗粒的流动(大位移)问题。

自重固结试验：将土样置于金属压缩容器内，在有侧限的条件下施加压力，观察土在不同压力下的压缩变形量。

如图1所示，本发明提供了一种吹填土沉降预测方法，包括以下步骤：

S1：基于待测土体进行离心机模拟试验，获取待测土体的土体压力和位移量；

S2：构建PFC数值模拟模型，获取待测土体的实际沉降量；

S3：根据待测土体的土体压力和位移量，进行沉降量分析；

S4：利用对数曲线法和半经验公式法，根据待测土体的实际沉降量和沉降量分析的结果得到的沉降预测模型进行沉降量预测。

在本发明实施例中，步骤S1包括以下子步骤：

S11：将离心机模型的材料、密度和分布范围与待测土体的材料、密度和分布范围设为一致，并在离心机模型内安装压力传感器和位移传感器；

S12：将离心机模型置于离心机中，将离心机的离心加速度增加至和待测土体的自重力一致，通过传感器获取土体压力和位移量。

基于场区工程地质概况特征，选取与原型相同的材料制作离心机模型，通过离心机试验获得了场地地基沉降规律，揭示了地基土沉降规律。

离心模型试验基于相似理论。模型按原型的一定比例进行建模，建好后置于离心机上，通过离心机的转动产生离心场来增加模型的体积力，使其应力状态等于原型，此时模型和原型的变形破坏保持着相似性，通过研究模型的变形破坏特征即可推断原型的变形破坏特征。离心模型试验通常具有以下一些特点：①模型材料与原型材料相同，本构方程一致；②模型应力状态与原型应力状态一致；③模型的几何比尺与原型几何比尺成正比；④模型与原型的应力状态相等，变形相似，破坏机理一致，离心模型能够模拟岩土体的变形破坏全过程；⑤能够模拟复杂的地质结构条件、边界条件，岩土体全过程受力下的变形破坏现象，可获得综合影响的成果；⑥离心模型的能够在较短的时间内实现岩土体在各种条件下的较长时间的岩土体变形和破坏现象。

在本发明实施例中，步骤S2包括以下子步骤：

S21：根据待测土体的分布特征将其分为上层土和下层土，并分别在对上土层表面和下土层中间设置追踪点；

S22：利用离散元颗粒流软件获取追踪点的位移轨迹，得到待测土体的实际沉降量。

目前，对于地基沉降的数值模拟所采用的方法主要为有限元法。与有限元方法相比，离散元颗粒流方法所建立的模型更能反应离散物质的真实情况，因为离散元法是把每一个颗粒作为一个单元进行建模，以此来分析整个模型，而且，离散元粒子流方法可以通过直接获取大量离散物质的复杂行为信息来研究离散物质的微观结构，从而解释离散物质的复杂力学行为，对复杂的准静态和动态行为进行数值模拟。本发明将利用离散元颗粒流软件PFC3D对吹填土地基沉降进行数值模拟分析。PFC颗粒流采用的是离散单元法，有别于有限元法，它是通过球形或者圆形颗粒间的相互作用来进行模拟计算。基于颗粒单元，采用不连续数值方法求解变形模式的问题，通过接触本构关系来完成颗粒间的相互作用。通过迭代计算分析，确定数值边界条件，以达到试样的不同应力平衡状态，直到数值试样的宏观力学性能接近材料的真实力学行为或工程性能。

基于场区工程地质特征建立“双层”地基模型，采用球ID对分别对上土层表面、下土层中间的端点、中点、拐点、中点、端点五个位置设置追踪点以及管道设置追踪点，共11个追踪点。对地表进行沉降监测是对路基进行沉降分析的重要环节，而利用颗粒流软件PFC3D数值模拟的方法进行地表沉降监测，能直接反映出地基土沉降的效果。

在本发明实施例中，步骤S3包括以下子步骤：

S31：在离心机内进行待测土体的自重固结试验，得到自重固结土体，并根据土体压力计算自重固结土体的孔隙比e，其计算公式为：

e＝e₀-λlnσ

其中，e₀表示初始孔隙比，σ表示压缩应力，λ表示压缩指数；

S32：根据自重固结土体的孔隙比e计算自重固结土体的最终沉降高度S_c和固结过程中土体任意时刻的变形量S_ct，并将其作为沉降分析的结果，其计算公式分别为：

S_c＝L-L_m

S_ct＝U_ZS_c

其中，L表示土样的高度，L_m表示土样的最终高度，U_Z表示平均固结度。

太沙基一维固结理论的平均固结度以以下公式求解：

U_Z＝1-(32/π³)·exp[(-π²·T_v)/4]，

其中，T_v＝C_v·t/H²，T_v为时间因数，H-压缩土层最远的排水距离(cm)，当单面排水时，H取土层厚度，双面排水时，H取土层厚度之半；t-固结历时(s)；C_v-竖向固结系数(cm²/s)，它是渗透系数k，压缩系数a，天然孔隙比e的函数，一般通过固结试验直接测定。

在本发明实施例中，步骤S4中，利用沉降预测模型预测整个区域的土体平均沉降量，计算施工期T完成后的沉降量s_t的计算公式为：

s_t＝S_d+S_ct＝s_∞[1-Aexp(-Bt)]+S_dAexp(-Bt)

其中，

t₂-t₁＝t₃-t₂，S_d表示瞬时沉降量，S_ct表示固结过程中土体任意时刻的变形量，s_∞表示最终沉降量，A表示一维固结理论近似值

B表示时间参数，exp(·)表示指数函数，t₁、t₂和t₃分别表示实测的早期s-t曲线的三个时间，s_t1表示实测的早期s-t曲线t₁时刻的沉降量，s_t2表示实测的早期s-t曲线t₂时刻的沉降量，s_t3表示实测的早期s-t曲线t₃时刻的沉降量。

利用前期沉降观测资料来推算后期沉降量。最终沉降量主要由瞬时沉降、固结沉降和次压缩沉降三个分量组成。大多情况下，次压缩沉降是次要的。从固结蠕变试验结果可知，土样在应力条件下，蠕变过程的变形量不大。符合用前期沉降观测资料来推算后期沉降量。因此，通常最终沉降量只取瞬时沉降量和固结沉降量之和，即s＝s_d+s_c，施工期T完成后(t＞T)的沉降量为：

s_t＝s_d+s_ct

或者s_t＝s_d+U_ZS_c

沉降预测有很多方法，本次采用对数曲线法来进行沉降预测。

由太沙基一维固结理论可知，平均固结度为：

将不同条件下的平均固结度简化为一个表达式，如下：

式中，A、B为两个参数，如将式

相比，A就是个常数值

B则与时间因素T_V中的排水距离以及固结系数C_V有关。如果将A和B作为实测的沉降与时间关系曲线中的参数，其值是特定的。

将式

代入到式s_t＝s_d+U_ZS_c中，可得

(s_t-s_d)/s_c＝1-Aexp(-Bt)

将式s_t＝s_d+s_ct代入式(s_t-s_d)/s_c＝1-Aexp(-Bt)可推算出最终沉降量s_∞代替式s_t＝s_d+s_ct中的s，则有：

s_t＝s_∞[1-Aexp(-Bt)]+s_dAexp(-Bt)

上式中一共包含四个未知数，s_∞、s_d、A、B。从实测的早期s-t曲线选择三个时间t₁、t₂、t₃，其中t₃应尽可能与曲线末端对应，时间差(t₂-t₁)和(t₃-t₂)必须相等且尽可能大。将所选时间分别代入式s_t＝s_∞[1-Aexp(-Bt)]+s_dAexp(-Bt)，可得

又有：

t₂-t₁＝t₃-t₂

或者写成

exp[B(t₂-t₁)]＝exp[B(t₃-t₂)]

联立式

和式t₂-t₁＝t₃-t₂，将实测的t₁、t₂、t₃和s_t1、s_t2、s_t3可解得：

将实测的t₁、t₂、t₃和s_t1、s_t2、s_t3及B、s_∞代入式s_t＝s_d+U_ZS_c中，可计算s_d：

式中，A-一维固结理论近似值

然后可以按照式s_t＝s_∞[1-Aexp(-Bt)]+s_dAexp(-Bt)中可推算任一时刻的后期沉降量s_t。根据此公式可推测任意时刻的沉降量。此公式计算的是整个区域的平均沉降量。

在本发明实施例中，步骤S4中，利用沉降预测模型预测整个区域中单个位置的土体沉降量，计算所求时刻的次固结累积沉降量S_a的计算公式为：

其中，γ＝-0.0009t³+0.0083t²-0.0149t+0.0522，H₀表示所求土层的厚度，γ表示沉降系数，t₁和t₂分别表示次固结开始时刻和所求时刻，e₀表示初始孔隙比，t表示固结历时。此公式针对的是单个点的沉降量预测，即计算某个位置的沉降量。

沉降系数γ是根据实测沉降值和室内试验对次固结系数做的修正。

该模型公式不仅与时间相关，还与土的初始孔隙比、土层厚度有关，不同区域的土的孔隙比和厚度不一样，则算出来的沉降量不一样，能更好的反映土的不均匀沉降。

本发明的工作原理及过程为：第一，分析研究区吹填土的力学性质。土的比重、含水率、天然密度、孔隙比、粘聚力C、内摩擦、压缩指数、固结系数、次固结系数、平均孔径和孔隙率。第二，进行沉降模拟试验和沉降数值模拟，归纳了研究区吹填土的沉降特性并提出了沉降预测方程。离心机试验表明，模型表面的沉降量远大于模型深部的沉降量。计算得离心机试验的沉降量，换算成实际工况下的沉降量。采用PFC数值模拟软件对吹填土进行了沉降模拟研究，模拟的沉降规律符合离心机试验的沉降规律。基于试验数据，提出了对数曲线法沉降预测公式，该预测公式可得到土体的平均沉降量；提出了半对数经验公式，该预测公式可根据具体区域的土的性质的不同求解不同区域的沉降量。

本发明的有益效果为：

(1)本发明研究土体的沉降规律。基于现场地基原型制作离心模型，通过大型土工离心机试验，便于分析土体沉降演化过程中的沉降规律和特性。

(2)用PFC软件建立双层地基模型并计算，结合离心机试验结果和模拟试验结果，提出了两种预测吹填土沉降的预测模型，确定土体的沉降量，对工程施工和工程安全有重要意义。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种吹填土沉降预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于待测土体进行离心机模拟试验，获取待测土体的土体压力和位移量；

S2：构建PFC数值模拟模型，获取待测土体的实际沉降量；

S3：根据待测土体的土体压力和位移量，进行沉降量分析；

S4：利用对数曲线法和半经验公式法，根据待测土体的实际沉降量和沉降量分析的结果得到的沉降预测模型进行沉降量预测；

所述步骤S4中，利用沉降预测模型预测整个区域的土体平均沉降量，计算施工期T完成后的沉降量s_t的计算公式为：

s_t＝S_d+S_ct＝_∞[1-Aexp(-)]+S_dAexp(-)

其中，

t₂-t₁＝t₃-t₂，S_d表示瞬时沉降量，S_ct表示固结过程中土体任意时刻的变形量，s_∞表示最终沉降量，A表示一维固结理论近似值

B表示时间参数，exp(·)表示指数函数，t₁、t₂和t₃分别表示实测的早期s-t曲线的三个时间，s_t1表示实测的早期s-t曲线t₁时刻的沉降量，s_t2表示实测的早期s-t曲线t₂时刻的沉降量，s_t3表示实测的早期s-t曲线t₃时刻的沉降量；

所述步骤S4中，利用沉降预测模型预测整个区域中单个位置的土体沉降量，计算所求时刻的次固结累积沉降量S_a的计算公式为：

其中，γ＝-0.0009³+0.0083²-0.0149+0.0522，H₀表示所求土层的厚度，γ表示沉降系数，t₁和t₂分别表示次固结开始时刻和所求时刻，e0表示初始孔隙比，t表示固结历时。

2.根据权利要求1所述的吹填土沉降预测方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下子步骤：

S11：将离心机模型的材料、密度和分布范围与待测土体的材料、密度和分布范围设为一致，并在离心机模型内安装压力传感器和位移传感器；

S12：将离心机模型置于离心机中，将离心机的离心加速度增加至和待测土体的自重力一致，通过传感器获取土体压力和位移量。

3.根据权利要求1所述的吹填土沉降预测方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：

S21：根据待测土体的分布特征将其分为上层土和下层土，并分别在对上土层表面和下土层中间设置追踪点；

S22：利用离散元颗粒流软件获取追踪点的位移轨迹，得到待测土体的实际沉降量。

4.根据权利要求1所述的吹填土沉降预测方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下子步骤：

S31：在离心机内进行待测土体的自重固结试验，得到自重固结土体，并根据土体压力计算自重固结土体的孔隙比e，其计算公式为：

e＝e₀-λlnσ

其中，e₀表示初始孔隙比，σ表示压缩应力，表示压缩指数；

S32：根据自重固结土体的孔隙比e计算自重固结土体的最终沉降高度S_c和固结过程中土体任意时刻的变形量S_ct，并将其作为沉降分析的结果，其计算公式分别为：

S_c＝-L_m

S_ct＝_ZS_c

其中，L表示土样的高度，L_m表示土样的最终高度，U_Z表示平均固结度。

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