动应力场和渗流场耦合作用下软土路基长期沉降预测方法

1.本发明涉及岩土工程领域中一种动应力场和渗流场耦合作用下软土路基长期沉降预测方法


背景技术：

2.滩涂作为重要的土地后备资源，为沿海城市的发展提供了广阔的利用空间。滩涂区广泛分布着具有高含水量、高孔隙比、高压缩性、低抗剪强度和低渗透性的软土地基。路基两侧赋存环境差别迥异，一侧邻接陆地，水位较低，一侧邻近大海，长期受到潮汐作用下反复水位变化影响。此外，运维期，路基将承受交通荷载作用。大量的工程实践表明，在长期反复水位和交通耦合作用下，软土路基动应力场和渗流场不断发生变化，容易引发工后沉降过大等工程事故，甚至会直接影响工程的安全和正常使用。因此，合理探寻一种动应力场和渗流场耦合作用下软土路基长期沉降预测方法，对有效防止工程灾变具有重要的意义。
3.目前，适用于软土地基的常用的沉降预测方法主要有分层总和法(又称规范法gb50007-2011)、三点法、verhulst模型、logistic模型、砂井固结理论方法、有限单元法、模型试验方法、灰色预测方法和双曲线法等。但在目前的沉降预测方法中尚未见考虑交通荷载和反复水位耦合作用的文献报道，预测的沉降值往往与工程监测沉降数据存在较大的误差。
4.基于上述原因，研发一种动应力场和渗流场耦合作用下软土路基长期沉降预测方法，为软土路基安全服役设计提供设计参考，具有切实的工程意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高效可行、准确度高的动应力场和渗流场耦合作用下软土路基的长期沉降预测方法。技术方案如下：
6.1.一种动应力场和渗流场耦合作用下软土路基长期沉降预测方法，包括下列步骤：
7.第一步，监测在时间t内线性路基工程在典型位置处由潮汐诱发的反复水位幅值a、反复水位周期t、交通荷载大小的平均值f和不同潮汐荷载与交通荷载耦合作用下的沉降监测数据和无潮汐荷载作用下的沉降监测数据，不同潮汐荷载与交通荷载耦合作用下的沉降监测数据与反复水位幅值a、反复水位周期t、交通荷载大小的平均值f和时间t有关，且沉降曲线呈现双曲线特征，满足公式(1)：
[0008][0009]
式中，t0为初始时间；s
t
为时间t时的沉降，s0为初始时间t0时的沉降，a为截距参数，b为斜率参数，d为沉降的增加幅度；
[0010]
第二步，将不同潮汐荷载与交通荷载耦合作用下的沉降监测数据绘制于横坐标为t-t0，纵坐标为s
t-s0中，求得斜率参数b；分析斜率参数b与反复水位幅值a的关系，利用二次
多项式建立斜率参数b与反复水位幅值a的关系，如公式(2)所示，初始时间t0为0，初始沉降s0为0：
[0011]
b＝c1a2+c2a+c3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0012]
式中，c1、c2和c3为二次多项式的待定参数，通过最小二乘法获得；
[0013]
第三步，将不同潮汐荷载与交通荷载耦合作用下的沉降监测数据绘制于横坐标为t-t0，纵坐标为s
t-s0中，求得斜率参数b和截距参数a；分析斜率参数b和截距参数a与交通荷载的关系，结合对数函数建立截距参数b与交通荷载大小的平均值f的关系，即公式(3)，利用指数函数建立截距参数a与交通荷载大小的平均值f的关系，即公式(4)：
[0014]
a＝c
4 ln(f)+c5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0015][0016]
式中，c4、c5为对数函数的待定参数，c6、c7为指数函数的待定参数，通过拟和方法确定，且要求拟和程度超过90％；
[0017]
第四步，将不同潮汐荷载与交通荷载耦合作用下的沉降监测数据与无潮汐荷载作用下的沉降监测数据进行对比，利用线性函数，建立沉降增加幅度d与反复水位周期t的关系：
[0018]
d＝c8t+c9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0019]
式中，c8、c9为线性函数的待定参数；
[0020]
第五步，结合公式(1)，综合构建考虑反复水位幅值a、反复水位周期t和交通荷载大小的平均值f多因素耦合的沉降预测公式，如公式(6)：
[0021]
附图说明
[0022]
图1.动应力场和渗流场耦合作用下软土路基长期沉降预测方法流程图
[0023]
图2.预测沉降数据与监测数据对比图
具体实施方式
[0024]
下面结合具体实施方式及附图对本发明进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
[0025]
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
[0026]
本发明在双曲沉降预测公式的基础上，通过分别建立截距参数a、斜率参数b和沉降的增加幅度d与反复水位幅值a、反复水位周期t、交通荷载大小的平均值f和时间t的关系，以此构建一种动应力场和渗流场耦合作用下软土路基长期沉降预测方法，从而准确快速预测滩涂区软土路基的长期沉降，为软土路基安全服役设计提供设计参考。具体实施方式可分为以下几个步骤，如图1所示。
[0027]
第一步，监测在时间t内线性路基工程在典型位置处由潮汐诱发的反复水位幅值a、反复水位周期t、交通荷载大小的平均值f和不同潮汐荷载与交通荷载耦合作用下的沉降监测数据和无潮汐荷载作用下的沉降监测数据。其中，不同潮汐荷载与交通荷载耦合作用下的沉降监测数据与反复水位幅值a、反复水位周期t、交通荷载大小的平均值f和时间t有关，且沉降曲线呈现双曲线特征，满足公式(1)
[0028][0029]
式中，t0为初始时间。s
t
为时间t时的沉降，s0为初始时间t0时的沉降，a为截距参数，b为斜率参数，d为沉降的增加幅度。
[0030]
第二步，将不同潮汐荷载与交通荷载耦合作用下的沉降监测数据绘制于横坐标为t-t0，纵坐标为s
t-s0中，求得斜率参数b。分析斜率参数b与反复水位幅值a的关系，利用二次多项式建立斜率参数b与反复水位幅值a的关系，如公式(2)所示，结合工程实际，初始时间t0为0，初始沉降s0为0：
[0031]
b＝c1a2+c2a+c3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0032]
式中，c1、c2和c3为二次多项式的待定参数，可通过最小二乘法获得。
[0033]
第三步，将不同潮汐荷载与交通荷载耦合作用下的沉降监测数据绘制于横坐标为t-t0，纵坐标为s
t-s0中，求得斜率参数b和截距参数a。分析斜率参数b和截距参数a与交通荷载的关系。结合对数函数建立截距参数b与交通荷载大小的平均值f的关系，即公式(3)，利用指数函数建立截距参数a与交通荷载大小的平均值f的关系，即公式(4)：
[0034]
a＝c
4 ln(f)+c5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0035][0036]
式中，c4、c5为对数函数的待定参数，c6、c7为指数函数的待定参数，可通过拟和方法确定，且要求拟和程度超过90％。
[0037]
第四步，将不同潮汐荷载与交通荷载耦合作用下的沉降监测数据与无潮汐荷载作用下的沉降监测数据进行对比，利用线性函数，建立沉降增加幅度d与反复水位周期t的关系。
[0038]
d＝c8t+c9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0039]
式中，c8、c9为线性函数的待定参数。
[0040]
第五步，结合公式(1)，综合构建考虑反复水位幅值a、反复水位周期t和交通荷载大小的平均值f多因素耦合的沉降预测公式，如公式(6)，并与不同潮汐荷载与交通荷载耦合作用下的沉降监测数据进行对比，验证提出公式(6)的正确性，如图2所示。
[0041][0042]
综上，本专利旨在构建一种动应力场和渗流场耦合作用下软土路基长期沉降预测方法，从而准确快速预测滩涂区软土路基的长期沉降，为软土路基安全服役设计提供设计参考。