高填方地基沉降变形计算及分析研究综述★

黄 玮 梁永辉 蒋 松

(上海申元岩土工程有限公司，上海 200040)

·岩土工程·地基基础·

高填方地基沉降变形计算及分析研究综述★

黄 玮 梁永辉 蒋 松

(上海申元岩土工程有限公司，上海 200040)

从填方高度、填料类型、填料压实度等六个方面，阐述了高填方地基沉降变形的影响因素。综述了五种高填方地基沉降变形计算方法：物理模型试验、理论计算、数值模拟、经验公式和模型预测，各自的研究进展、适用性和优缺点，对需深化内容进行了合理展望，使高填方地基沉降变形计算方法更加完善。

高填方地基，沉降变形，影响因素，分析方法

0 引言

高填方地基是指人工填筑处理形成的、填筑厚度大于20 m的地基，包括原场地地基和填筑地基。高填方地基的沉降主要由包括软弱土层在内的原地基的沉降变形和人工填筑体的压缩两部分引起[1]。填筑体的沉降主要是在自身重力作用下所产生的变形，而原地基的沉降则主要来源于上覆填土的作用。

高填方项目往往出现在机场建设、新城建设、石油化工场平建设和高速公路建设等工程中，如九寨黄龙机场、延安新城建设项目、云南绿春绿东新区、浙江丽水生态产业低丘缓坡开发项目、延长石油延安煤油气资源综合利用项目等。过去软土地基的沉降是学者们研究的主要对象，然而在高填方工程中，不仅存在软基的沉降问题，还存在由于填方荷载的大幅度增加而引起的一般沉降问题，以及填筑体自身的沉降变形。鉴于此类工程地质条件的复杂性以及地基沉降计算的重要性，许多学者对高填方地基沉降的影响因素和沉降计算方法进行了研究，但仍然没有一种方法能够准确的计算出地基沉降量。

本文针对高填方地基沉降变形问题，归纳了高填方地基沉降变形的主要影响因素，并对目前常用的五种沉降变形计算方法，各自的研究现状、适用性和优缺点进行了综述，对需深化内容进行了合理展望。

1 高填方地基沉降变形的影响因素

高填方地基沉降变形的影响因素很多。闫玉兴(2013年)[2]认为影响高填方地基沉降的自然因素主要有地质条件、水文地质条件、地形地貌与土的种类性质；而人为因素则主要包括荷载作用形式、施工方法以及养护方式。

作者认为，高填方地基沉降变形的影响因素可归纳为以下几个方面：

1)填方高度和原地基软弱土层厚度：高填方地基沉降量最大处，常见于填筑体深厚或原地基软弱土层与填筑体均深厚处。

2)填料类型：贺广零等(2007年)[3]通过分析发现石类填料或土石混合填料的压缩性小于土类填料，填筑体沉降量也小于土类填料；同时，工后沉降量与石料的弹性模量呈反比，对于弹性模量越大的石料，其后期压缩性越小，工后沉降也就越小；透水性良好的填料，工后沉降明显小于透水性较差的填料。

3)填料干密度、压实度：大量的研究结果表明：填筑体的干密度和压实度与工后沉降一般呈负相关关系，填筑体的干密度和压实度越大时，填筑体的自身沉降量与工后沉降越小。此外，当填筑体具有较高压实度时其完成自身压缩变形达到稳定的时间也将大大缩短。

4)地下水：湿化变形是影响地基沉降的重要因素，当地下水位发生变化而有效应力没有提高时，高填方地基往往会产生很大的变形。有学者认为，土石混合料的初次湿化变形主要与其应力水平有关，两者间存在近似于幂函数的关系。作者认为在湿化作用下，地下水与地基沉降变形时间之间的关系还有待进一步的研究。

5)施工时间：填筑体施工越快，在施工期完成的沉降量越小，工后沉降量越大；分层填筑完成后预留一段时间的固结期，可以减小工后沉降值。

6)原地基的压缩模量：原地基的压缩模量越大，高填方地基沉降量越小。刘宏等(2004年)[4]以九寨黄龙机场高填方工程为依托，证明了软弱地基经过处理后，压缩模量得到了提高，地基沉降量明显减小，稳定性也得到了提高。

2 沉降变形计算方法

物理模型试验是研究高填方地基沉降变形最直接的方法，此外主要还有理论计算法、数值模拟法、经验公式法以及模型预测方法，这五种方法的具体研究现状如下。

2.1物理模型试验法

目前采用的物理模型试验法主要是离心模型试验，试验装置如图1所示。离心模型试验主要是利用了相似理论，在模型材料与原材料保持统一的基础上，将原模型按一定比例缩小制成试验模型，置于离心机内利用离心机高速旋转所产生的离心力场来模拟重力场，通过提高重力加速度使模型应力状态与真实情况相近，模拟出实际的受力与变形状态从而观察研究原型的变形规律。

刘宏等(2005年)[5]从模型设计、填料模拟、软弱层强夯处理模拟和填筑过程模拟，四个方面阐述了高填方地基离心模型试验技术，具有较大参考价值。肖阳(2012年)[6]对西南某机场填方体进行模型试验，发现工后期的沉降约为总沉降的10%。蒋洋等(2007年)[7]通过对不同填土粒径配比、干密度、含水量条件下的填方路堤试验，发现路堤的沉降变形与坡面水平位移，均随填筑体的干密度降低和含水量的增加而增加。该研究较有意义，若能得到填筑体干密度及含水量与最大沉降量之间的定量关系式，则有助于最大沉降量的预测，以及施工过程中对沉降量的控制。这些模型试验对工程实际皆具有参考价值和指导意义。

综上所述，离心模型试验方法能够有效地实现模型与原型之间的重力相似性，直接观测和记录地基的变形。但是离心模型试验一般需要极大的人力、物力，并且很难找到同时满足尺寸相似与力学性质相似的模型材料。此外，离心模型试验应当加强地下水作用的研究，这也对模型设计提出了更高的要求。

2.2理论计算法

理论计算法中最基本也是工程中最常用的是分层总和法，如式(1)所示，常用于地基最终沉降量计算：

(1)

曹喜仁等(2005年)[8]认为在填筑阶段，土体的变形既有剪切变形又产生压缩变形，建议采用邓肯—张模型；而在非填筑阶段，则建议采用与时间和固结压力有关的指数函数模型进行计算。曹光栩等(2011年)[9]则是考虑到施工过程中软弱地基的沉降变形，利用双曲线模型对传统的分层总和法进行改造并提出了简化计算方法。

分层总和法虽然计算简便，但无法考虑土体侧向变形、土体非线性特性以及土层间相关作用等因素，因此计算结果较实测值偏小。高填方地基沉降仍可采用分层总和法，值得注意的是，当填筑体高度较大，计算时采用同一压缩指标显然是不科学的，应对公式进行适当的修正。

2.3数值模拟法

近年来，数值模拟方法在高填方地基沉降变形计算中得到了广泛运用，目前主要研究方法的进展如下。

李秀珍等(2005年)[10]运用FLAC3D软件对机场高填方地基施工过程及总沉降进行了分析。张晏等(2010年)[11]通过有限元数值模拟，验证了分级加载作用下高路堤中间大、两边小的沉降规律，发现路堤沉降量随高度和路堤土密度的增加而增大，随弹性模量、泊松比和压实度的增大而减小。数值模拟方法不仅可以考虑土体应力—应变关系的非线性特性、土体的应力历史、水与骨架上应力的耦合效应，此外还能够模拟现场实际施工条件，并对高填方工后沉降进行预测。但往往计算模型十分复杂，模型中所涉及的计算参数多且不易确定，这对数值计算的时间以及计算精度有很大的影响。

朱才辉等(2015年)[12]将能反映高填方变形时效性的修正Burgers模型，嵌入到FLAC3D软件中，对高填方工后沉降规律进行敏感性分析。钟守宾等(2003年)[13]和吕庆等(2005年)[14]分别用邓肯张E-V模型和广义Kelvin模型预测路堤施工阶段和工后的沉降。传统的数值计算方法往往采用非线性弹性模型，而实际上填筑体的应力应变关系更趋向于弹塑性模型，建议根据相关试验结果，建立适用于具体工程沉降计算的本构模型，通过二次开发嵌入到相关数值计算软件中，对模型参数进行反演，再进行高填方地基沉降变形计算。

目前，学者们研究出了许多针对次固结变形计算的本构模型，主要有村山塑朗模型、有效应力蠕变模型和弹粘塑性本构模型。但这些模型的参数往往很难获得，如何将本构模型、计算参数、数值计算很好的结合在一起，是未来高填方地基变形数值计算研究的重点。

2.4经验公式法

目前国内外学者在高填方工程实践中总结了一些经验公式，为类似高填方工程的沉降计算提供了参考依据。

经验公式法具有参数易取、计算方便的特点，但是不具备普适性，由于不同的工程项目，地质条件复杂多样，填筑体的材料、施工工艺、压实质量不同，计算结果与实测结果往往有较大的差距，如何根据多种影响因素建立一个普遍适用的经验公式，是未来应该着重研究的内容。

2.5模型预测法

模型预测法是指，基于施工期和工后沉降变形监测数据，主要包括地表沉降观测数据、地基分层沉降监测数据和水平位移监测数据等，通过回归分析、灰色系统理论、智能优化算法等方法对监测资料进行分析，对高填方地基长期沉降变形进行预测。

1)回归分析方法。

回归分析法是指建立数学模型对监测数据进行拟合计算的方法，一般选取的数学模型比较简单，常见有指数模型、对数模型、双曲线模型、抛物线模型、幂函数模型等。王华俊[18]等对常用的回归分析方法进行了总结和介绍，如表1所示。

表1 常用的沉降曲线回归分析方法

刘宏等(2005年)[19]认为在指数模型、幂函数模型、平方根模型、双曲线模型和对数模型等回归参数模型中，只有对数模型能较真实反映填料为砂砾石的高填方机场工后沉降规律。朱才辉等(2013年)[20]通过对吕梁机场高填方地基工后沉降监测资料的分析，认为Gompertz函数更适用于黄土地区工后沉降预测。匡希龙等(2008年)[21]以衡枣高速公路沉降板实测资料为依据，将龚帕斯曲线法与灰色预测法、有限元反分析法相比较，认为龚帕斯模型有更好的适应性。

回归分析方法对监测数据的要求较高，一方面监测数据越多，拟合效果越好，越能反映沉降变形趋势；另一方面，监测数据波动性越小，拟合效果越好，为了避免数据波动性对回归分析效果的影响，在分析前需要先对原始数据进行预处理，使监测数据更加平滑。在采用回归分析法之前，还应对监测数据进行预判，根据沉降变形趋势选择合适的回归分析模型进行分析，针对不同类型的工程项目，当场地条件、填料类型、填筑工艺不同时，应通过比较选择合适的计算分析模型。拟合参数初始值选择对拟合效果也有很大的影响，如何确定拟合参数的初始值也是一个值得研究的问题，作者建议引入一些智能优化算法用于快速搜索最优的拟合参数初始值。

2)灰色预测方法。

灰色系统理论主要用于解决具有“数据量少”“信息不确定”特点的数据预测分析。韩汝才(2000年)[22]采用GM(1,1)灰色预测模型对深圳机场地基沉降进行不等距预测，预测值与实测值相对误差为5%。吴大志等(2002年)[23]将GM(1,1)模型用于京珠高速公路高路堤沉降拟合，证明将灰色理论应用于预测高路堤不同填筑时期的沉降量是可行的。高阶灰色模型在沉降预测应用中还存在许多问题，还需要进一步的研究。

3)智能优化算法。

刘宏等(2005年)[24]研究了九寨黄龙机场的高填方地基，并且采用了神经网络模型对其工后沉降进行了预测，认为高填方地基最终沉降量为42 cm～44 cm，两年后可完成90%～95%。郭云开等(2010年)[25]采用小波神经网络模型对高填方路基沉降进行预测，通过与S型成长曲线模型和BP神经网络进行比较，认为组合模型的预测精度更高。将多种智能优化算法组合成一个新的模型，也为高填方地基沉降计算提供了新的思路。

除了上述智能优化算法以外，目前国内外学者研究出的智能优化算法还有很多，比如动态规划算法、鱼群算法、遗传算法、支持向量机等，每种优化算法都有自身的优点，未来的研究中可以引入更多更先进的智能优化算法，也应当根据每一个高填方工程各自的特点，选择合适的智能优化算法进行沉降变形分析。

3 结语

对高填方地基的沉降变形的影响因素及其特点进行了简单介绍。在此基础上总结了五类高填方地基沉降变形的计算预测方法，得出以下结论：

1)影响高填方地基沉降变形的因素有很多，其中填方高度、填料类型、填料压实度、地下水、施工时间以及原地基压缩模量等影响较大。

2)理论计算法应用较为简便，也是工程应用中较为广泛的一种，数值模拟法和模型预测法则是较有发展前景的方法。为了使得高填方地基沉降量计算结果具有准确性，应保证采用多种沉降监测手段获得长期的、准确的监测数据，并且采用多种计算方法进行对比分析。

3)高填方地基的沉降计算研究还有许多工作需要加强。如在不同的计算方法中，应当更多的考虑填筑体填料的特性，地下水的作用，施工参数的影响，以及土体长期蠕变特性等因素。

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Overviewofsettlementdeformationcalculationandanalysisofhighfilledground★

HuangWeiLiangYonghuiJiangSong

(ShanghaiShenyuanGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200040,China)

Six aspects of the influencing factors of settlement deformation was examined in this paper, which include filling height, packing type, degree of compaction in filler, groundwater, construction time and foundation compression modulus. This paper introduced five methods of calculating settlement, namely, physical model tests, theoretical calculation, numerical simulation, empirical formula, model forecast analysis, and made a review on the advantages and disadvantages of each method. At the same time, the scope of application and latest advancement of these methods were also discussed. It was pointed out that the analysis method of the settlement calculation in high filled ground should be deeply investigated in further studies.

high filled ground, settlement deformation, influencing factors, analysis method

TU433

A

1009-6825(2017)26-0061-04

2017-07-02 ★：华建集团科研基金项目(14-1类-0051-基、15-1类-0024-基)

黄 玮(1988- )，男，硕士，工程师