适用于黄土高填方路堤工后沉降规律的Logistic-Hyperbola组合预测模型研究

摘要

在我国经济不断增长的驱动下，公路建设的规模不断增大、技术含量持续增加。在山区修建公路时，通常采用高填方路堤。我国的西北、华北平原以及东北南部等地区，黄土分布广泛，在这些地区修建公路时，通常因地制宜采用黄土高填方路堤。工后沉降问题是高填方路堤的主要病害，解决好高填方路堤的工后沉降问题，才能保证公路的安全性、耐久性等基本要求。国内外的众多学者对高填方路堤工后沉降进行了深入研究，但大部分研究是针对软土路堤，对于黄土高填方路堤工后沉降研究较少。因此，对黄土高填方路堤的工后沉降规律以及相关预测模型进行深入研究，具有重要的意义。 本文以太原市太行路段的黄土高填方路堤工程为研究对象，进行了室内土工试验、原位沉降监测试验、沉降预测模型对比分析、建立组合预测模型等方面的研究工作，得到的结论如下： 1. 黄土填方体室内土工试验结论 （1）黄土填方体试样的孔隙比与干密度具有相同的周期性变化规律，在3m、6m处出现极值，其变化周期为3m。周期性变化的原因是每填筑3m的黄土填料，要进行重夯处理，表明重夯法对黄土填方体的挤密效果显著。 （2）通过联合测定法测得黄土填方体试样的液限值为ωL=29.03%、塑限值为ωp=20.21%、塑性指数Ip=ωL?ωp=8.82，故判定用于路堤填方的黄土填料属于砂质粉黄土。 （3）通过侧限压缩试验，得到3m、4m、5m深度处黄土填方体试样的压缩系数分别为：0.06MPα-1、0.07MPα-1、0.08MPα-1，压缩模量Es分别是：26.37MPa、23.51MPa、20.39MPa，借助两组指标可以判定三个不同深度处的黄土均为低压缩性土。其中，3m 深度处黄土的压缩系数最小、压缩模量最大，表明该深度处填方体的压实效果好，再次证明了重夯法的击实效果显著。 2. 黄土高填方路堤的原位沉降监测试验结论 （1）监测路段的地基沉降、黄土填方体压缩变形、路面沉降的变化规律相似：90天之前，沉降量增长较快，90～150d之间沉降量受温度影响导致增速放缓，150d后，沉降量快速增长一段时间后逐渐收敛、稳定。 （2）黄土高填方公路沉降主要由于黄土路堤的压缩变形，黄土填方体的压缩沉降量占总沉降量的90%，地基的沉降量占比为10%。黄土填方体的沉降量与填方高度呈正相关关系，填方高度越大，填方体的沉降量越大。 （3）黄土高填方路堤同一断面上的早期沉降量相差不大，但中后期沉降由于受多种因素（土颗粒的高离散性、地质条件、地下水、动荷载大小、车流量等）影响而出现明显差异，同一断面沉降量大小排序为：西侧>中间>东侧。 （4）黄土填方体各土层的沉降量存在差异，四层土的沉降量大小排序为：第三层土>第二层土>第一层土>第四层土。第三层土的应力历史较短，土体的固结程度较低，在自重以及外荷载作用下，土体会出现较大压缩变形，故第三层土的沉降量最大，第二层土的沉降量次之。第一层土受自重应力作用时间长，固结程度高，因此沉降量较小。第四层土中参有6%的灰土填料，土颗粒的强度、刚度较大，压缩变形最小，故沉降量最小。 3. 多种沉降预测模型用于预测黄土高填方路堤沉降量的研究结论 （1）分别运用Logistic模型、Hyperbola模型、Gompertz模型、乘幂模型对K4+120断面监测点的沉降数值进行拟合，对比分析后表现出相同规律：Logistic模型、Hyperbola模型、乘幂模型的预测精度较好，能够较好地拟合黄土高填方路堤的早期沉降，在250d之后，三种模型具有不同的增长趋势，Hyperbola 模型、乘幂模型的预测曲线持续增长且未表现出收敛趋势，不能预测路堤最终沉降量，Logistic模型在250d左右出现拐点进入收敛阶段，但收敛速度过快，无法预测最终沉降量，三种独立模型对黄土高填方路堤的中后期沉降拟合存在一定误差；Gompertz模型虽然在工程中广泛用于沉降预测，但经过验证，该模型与黄土高填方路堤沉降的适应性太差，不建议用于黄土高填方路堤沉降量的拟合、计算、预测。 （2）Logistic 模型与 Hyperbola 模型的预测精度比 Gompertz 模型、乘幂模型的精度高，两种模型均能较好地拟合黄土高填方路堤的早期沉降，与黄土高填方路堤沉降的适应性较好，但两种模型在预测 后期表现出不同的增长趋势，因此，将二者合理组合建立变权重组合预测模型，充分结合两种独立模型的优点。Logistic- Hyperbola 组合模型的预测精度比两种独立模型的预测精度更高，表明组合模型与黄土高填方路堤沉降的适应性更好。 （3）通过Logistic-Hyperbola组合模型，可以预测出K4+120断面上三个测点的最终沉降量，K3X、K3Z、K3D的最终预测沉降量分别是：29.12mm、20.74mm、18.90mm，表明K4+120断面处黄土填方体的沉降量范围是18.90～29.12mm。

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