浅议高速公路路基沉降预测

摘要：高速公路路基变形的问题一直是相关部门关注的重要问题，引起路基变形的因素主要是路基沉降程度大。由此而产生的路基维修问题给我国带来了巨大的经济损失，因此研究高速公路路基沉降的影响因素以及沉降预测的方法对我国国民经济具有重要的作用。路基沉降的影响因素主要有路基土应力、填土高度、路基侧向位移以及路堤填筑速率；路基沉降预测方法主要有灰色理论法和人工神经网络法等，其中灰色理论法在工程中应用比较广泛。

关键词：高速公路；路基；沉降；影响因素；预测

中图分类号：U412.36+6 文献标识码：A 文章编号：

在建设高速公路实践研究过程中虽然积累了大量的施工技术以及地基处理的经验，但是经过稳定处理后的深厚软土地基的长期变形问题始终没有得到很好的改善。引发这种现象的主要原因就是施工后期路基的沉降程度大，这严重影响了路面的平整度，致使桥头跳车现象非常严重，路面维修周期短，给国民经济带来了不小的损失。因此探究高速公路路基沉降的具体影响因素，以及相关预测方法是非常必要的。

高速公路路基沉降的影响因素

（1）路基土应力。通常情况下，软土分为超固结状态和正常固结状态。压密土本身存在先期固结压力，只有外界负荷超过该压力时，软土才能够成为压密正常状态，剪应力变形的影响才会明显。在一些欠固结软土中，其当前的自重应力比先期固结应力小，如果不存在外载荷时，软土层中的有效应力就会增加，当其大于自重产生的应力时，土体才能够达到完全固结的状态。而在超固结土体中，只有自重应力和外界负荷应力的总和比先期固结应力相等或者小的情况下，土体的变形才会小。

（2）填土高度。填土高度和地基沉降程度成正比，高度越高，侧向路基的位移就越大。因此在设计路堤时，为了减少自重必须设定合理的路堤高度。有关资料显示，当其填土层薄时，填土高度和路堤的沉降量呈现的是线性关系。

（3）路基侧向位移。在不考虑次固结沉降的情况下，软土地基沉降的主要原因有两个，一是上文提到的固结沉降，二是路基位移引起的路基沉降。侧向路基位移能够使路基产生瞬时沉降。外加荷载产生的剪应力的增长速度如果大于土壤本身的抗剪强度，那么就极容易引起侧向路基位移，因此施工速度不能过快，否则会引发外界荷载应力超过土壤本身的承受能力，从而产生过大的侧向位移。

（4）路堤填筑速率。从上文的叙述中可以知道，填土低，路基沉降量小；填土高，路基沉降量大。当暂停填土时，沉降过程不会立即停止，而是会持续一段时间。而且，填土速度越快，沉降速度也变大。达到超载预压期后，停止加载，沉降速度逐渐降低直至平缓。从这里可以看出，填土速度在一定程度上对路基沉降有影响，当填筑速率比较快时，外界荷载就会过早地增加路基的最初沉降量，由于速率快，完工也快，固结时间会缩短，所以完工时其引发的路基沉降量反而没有填土速率慢的情况下引发的沉降量大。

2、路基沉降预算

常见了路基沉降预算方法有：灰色理论法、人工神经网络法、经验公式法等。灰色理论法（GM）是1982年由我国科学家提出的，该法能够在信息不确定、数据少的情况下，通过建立微分方程动态模型对系统进行预测。而经验公式法就是将和沉降曲线相类似的曲线进行拟合，最后就出软土路基的沉降量。下面通过工程实例探究灰色理论法在预测路基沉降中的应用。

2.1工程概况

对某高度公路路基K72+200桩号断面进行预测分析。该桩号断面的路基的填料是被风化的碎石，设计填土高度是9.6米。该堤段位于某低山区，山区岩石性质是黑云斜长片石以及第四系砂砾土。在选取的断面处设置三处沉降监测点，对断面路基的沉降特性进行预测。通过科学的设计测量，我们将这三处监测点分别布置在路基中心以及左右侧路肩处。

2.2运用灰色理论进行沉降预测分析

对该断面进行为期270天的监测记录，将实际监测的沉降值详细记录，并通过GM（1,1）模型进行灰色预测。在这里，GM（1,1）模型对应的微分方程为：

路基沉降预测模型的离散形式为：

k为原始数据序列数。当k趋于无穷大时，得到的路基的最终沉降预测值为：

通过利用该模型对所获得的数据进行计算后可以得到三处监测点的路基沉降预测值以及观测值对比度。由计算结果可以看出路基左右肩位置，其达到沉降稳定所需要的时间分别为210天和225天，而路基中间位置达到沉降稳定的时间最长，为240天，在90天时，路中沉降速度最大，右侧路肩沉降最大也是90天，而左侧路基是在75天。通过计算相对误差，我们得到实测值和利用灰色预测模型得到的沉降数据比较吻合，而左右路肩以及路中达到沉降稳定值时的时间的实测值要比GM预测值略小。利用GM（1,1）计算得到三处监测位点的预测误差值分别为，路中1.97%、左路肩1.65%、右路肩1.98%。从计算数据中可以得出，利用该模型进行路基沉降预测所得到的误差值都不超过2%，因此我们可以认为，采用GM对高速公路沉降变形进行预测的精度是比较高的，可以运用在实际工程中。

人工神经网络预测法

由于路基沉降容易受到多种外界因素的影响，因此沉降变化的规律很难用明确的数学公式或者显著的规律对其表示和描述，因此人们采用了一种新型的预测方法--人工神经网络法。这种新型的信息处理系统是通过对生物的脑神经进行模拟的计算机处理模式，该系统中有许多高度互联的简单的处理单元。该法的输出和输入对应的是传统函数中的因变量和自变量，其具有优良的处理非线性问题的功能，因此在高速公路软土路基沉降预测中发挥了良好的拟合复杂非线性系统的功能。该方法能够对典型的影响路基沉降的因素分析整理，连同工程特性一起作为训练样本，将样本代入到神经网络中进行训练，最后能够得到输出映射（路基最终沉降）。相关人员能够根据影响沉降资料和沉降特性，完成沉降预测。利用该方法进行预测时，首先选取样本参数，然后建立路基沉降模型，最后进行检测结果分析。这种方法进行预测时，其泛化性非常强，并且精度也比较高，预测操作简便。但是在训练样本中输入路基最终沉降值时，其输入的准确率对预测样本精度的影响非常大，因此在工程中的运用不广泛，但是随着我国科研技术不断发展，相关的监测设备的精度不断提高，该预测方法的应用将会越来越广泛。

路基沉降计算

当前计算路基沉降的常用方法有理论公式法和数值分析法。由于理论公式法计算参数少，并且具有直观、简便的优点，所以在工程中应用的更为广泛。理论公式法主要有以下几种：分层总和法，该法是先将路基土的竖向应力求出，然后通过适当的压缩性指标、压缩模量以及系数进行分层计算，得到分层沉降量，然后将这些沉降量进行总和就可以得到最终沉降量；按应力路径计算沉降，该法是采用应力轨迹对施工全过程中路基内部应力的变化进行完全表示。该方法能够克服对因路基地下水位下降快而引起的初始超孔隙压力估值不准的缺点；反分析法，该法是通过在施工现场获得路基位移数据，然后通过反演将所有未知参数确定下来，利用位移反分析的计算方法对路基沉降进行预测。

结语

总之，分析影响路基沉降的因素以及探究路基沉降预测方法和计算方法在高速公路建设工程中具有十分重要的意义。由于影响路基沉降预测的因素比较多，因此目前各种沉降计算方法以及预测模型都存在一定的缺陷，但是随着科研技术的不断发展，新的预测方法会不断地开发出来，这将大大提高沉降预测精度。

参考文献

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