一种改进的路堤信息化施工监控流程.pdf

第28卷第2期2011年2月公路交通科技JoumalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentV01．28No．2Feb．20ll文章编号：1002一0268(20lll02—003l—06一种改进的路堤信息化施工监控流程曹海莹1，王大鹏2，窦远明3(1．燕山大学建筑工程与力学学院，河北秦皇岛066004；2．交通运输部公路科学研究院，北京100088；3．河北工业大学土木工程学院，天津300130)摘要：针对目前路堤信息化监测环节中存在对工程地质信息和监测数据潜在价值挖掘力度不够的现象，将数值模拟技术和预测理论与信息化施工相结合。提出一种改进的路堤信息化监控流程。以邢台一临西高速公路软基试验段工程为背景，基于FLAcD30构建三维工程模型，对软土路基的变形特征进行数值模拟分析，借助数值计算结果确定仪器布设方案。基于双曲线和灰色预测模型，结合已知实测数据，采用误差绝对值加权和最小的准则，构建出路基沉降预测模型，利用该模型预测路基变形趋势和工后沉降量。实例分析结果表明，研究成果对提高路堤施工水平具有一定的理论指导意义和工程实用价值。关键词：道路工程；路堤；数值分析；信息化施工；监控流程中图分类号：U415．12文献标识码：AAnlmprOVedM0nitOrandCOntrOlPr0CeSSOfInfOrmatlon—Or．entedCOnStruCtiOnfOrEmbankmentsCAOHaiyin91，WANGDapen92，DOUYuanmin93(1．schoolofcivilEn舀nee血g粕dMecharIics，YaJlsh锄Unjvers时，QiIl}lu明gdaoHebei066004，Clli眦；2．ResearchIIlstituteofHighway，MOT，Beijing10()088，China；3．sch00lofCivilEn舀neerirIg，HebeiUniversityofTechnolo留，Tianjin300130，China)Abstract：Aimedatthephenomenont}latthepotentialValue0fengineeringgeolog)，infomationandmonitoringdataw鹪notexploitedfunyincurIentinfo珊ation—orientedmonitoringofembankments，粕impmvedmonitor肌dcontmlpmcessofinfo订nation—orientedconstmctionforembankments，whichcombinesinfomation·orientedconstructionwith舢mericalsimulationtechnologyandpredictiontheory，waspmposed．Basedont}leexpe—mentalsoftfoundationroadsectionofXingtai一“nxiexpressway，a3DcomputationmodelwasbuiltbyusingFLACD3D，锄dnumericalanalysesoftheroadbed’sdefoHIlationresponsewaspe而瑚ed，thenbyvirtueofthecalculationresults，thenowchanofmonitoringinstmmentplacementw嬲dete瑚ined．Basedonthehyperbolicforecastingmodelandgreyforec鹊tingmodelasweU鹊themeasureddata，aforecastingmodel《expresswayroadbedsettlementswasbuiltwiththetechniqueofminimalweightedsumofen．orabsolutevaluestopredictthefuturetrendofroadbed’sdefo咖ationandpost—constructionsettlement．Theca_sestudyshowsthattIleabove-mentionedprocessh船sometIleoreticalmeaningarIdpracticalvaluetoimprovetheconstmctionofembankments．Keywords：roadengineering；embankment；numericalanalysis；info咖ation—orientedconstlllction；monitorandcontrolprocess收稿甘期：20lO—02—22基金项目：河北省自然科学摹金资助项目(E2007000030)；河北省建设厅科技计划资助项目(2009—265)作者简介：曹海莹(19r79一)，男，河北廊坊人，讲师，博士研究生，研究力．向为道路I：程、岩土力学数值计算．(chy一7912lO@126．∞m) 32公路交通科技第28卷0引言众所周之，由于软土或软弱土具有高含水量、高压缩性和低强度的特性，建在软土或软弱土地基上的路堤工程存在工后沉降过大、侧向滑移破坏等潜在危害。通过对既有线路路基使用状况的调查发现，路基的非预期沉降与边坡失稳是导致工程病害的主要原因⋯。由前人的研究成果旧“o可知，通过信息化施工方法，能有效解决填筑施工过程中的路堤稳定问题，并能控制工后沉降。采用的信息化施工方法一般指根据工程施工中的监测数据，对下一步或下一阶段施工进行反馈调整，以达到控制工程质鼍的目的。然而，在实施信息化监测过程中仍存在不足之处，比如：在监测仪器参数的选定及其原位布置环节中，往往是根据工程经验或规范"1的一般性要求来确定，并未充分利用已知工程地质条件提供的信息，缺乏针对性和准确性；在监测过程中，技术人员只利用当前观测数据来指导施工进度，而对路基变形的未来趋势缺乏科学的预测、预报。因此，在路堤信息化施工中，其监控工艺流程有待进一步改进和完善。结合邢台一临西高速公路的软基试验段工程，笔者应用FLAcD30构建三维工程模型，对软土路基的沉降和水平变形特征进行数值计算分析，计算结果为制定仪器布设方案提供龟化参数；同时，建立沉降加权组合预测模型，为路基变形和工后沉降预测分析提供理论依据。将数值模拟技术和变形预测理论与信息化施工方法有机结合，为完善路堤信息化施工监控流程提供新的思路和方法。1工程概况邢台一临西高速公路(以下简称邢I临高速)西起石安高速公路邢台南互遏，东至冀鲁交界，全长104km，于2003年7月28日开工建设，至2005年12月21日提前通车运营。设计标准为双向4车道、全封闭、全立交高速公路，设计行车速度100krn／h，路堤顶部宽度为26m。是河北省“五纵、六横、七条线”高速公路网主骨架的莺要组成部分。公路全线经初勘和详勘2个阶段的勘察，查明穿越区存在不均匀软土夹层地基土，软土层埋置深度较浅，呈连续区段分布和透镜体状的不连续分布2种类型，土层厚度变化范围为1．O一4．5m，该类地基土主要分布于第3标段的l(33+550一K39+990区间以及第4标段的l(5l+550一l㈣+455区间。为防止路基失稳、工后沉降过大等不良现象的发生，需要采用信息化施工方法，在上述2个区间设置若干个监控断面。2改进的信息化施工流程目前，高速公路软土路基变形监测的基本流程旧1是：制定监测方案一埋设监测仪器_+测试初始读数一十动态跟踪监测_+数据常规分析_完成监测报告。依据该监测流程自身存在的问题，作者拟从以下2个方面加以完善：(1)填筑路堤的性状受所处地基和地形条件等因素的影响较大，其稳定和变形直接取决于所处位置的地质条件和路堤填筑材料的特性，所以在制定监测方案时，有必要借助数值模拟技术，充分挖掘已知工程信息，辅助完成对监测仪器的布设。比如，侧斜仪的成孔及安装费用昂贵，不可能大量布设，若不能合理判断路基体内侧向位移最大的平面位置，导致基于测斜仪得到的数据不能准确确定路基变形的主要特征，势必影响到路堤施工过程中决策的合理性与有效性。而以nAc3D软件为代表的数值分析方法，从材料的应力、应变关系入手，可较全面地分析各种情况下路堤填筑不同高度时所处的状态，得出其应力、变形等参数，可以作为指导工程实践的一种有效的科学手段一叫¨。(2)在数据分析过程中，只能得到实测阶段的沉降，而不知未来沉降趋势。因此寻求一种在理论上合理、应用七可行、计算简便的数学计算模型是非常有必要的¨2|。而组合预测法综合利用了各种预测方法所提供的信息，避免了单一预测方法效果时好时坏的缺点，能够提高预测精度，可以获得较好的预测结果¨卜bJ。基于以上2点分析，提出了一种改进的路堤信息化监控流程，如图l所示。3实例应用3．1数值模拟阶段选取K39+830断面作为研究对象，该断面路堤填土高度5．0m，填土重度19．6kN／m3，路堤顶宽28m，边坡坡度1：1．5，未经过地基处理，计算选用的土体物理力学参数见表1。由于几何模型具有对称性，采用1／2模型进行分析。FLAc30构建的三维工程地质模型见图2，计算范围包括路堤和地基土2部分，具体计算范围为50m×20．1m×20m(长×高×宽)。计算模型的 第2期曹海莹，等：一种改进的路堤信息化施工监控流程33图1监控流程图F唔lnowclIanofmoIIitoraIld∞mmIprooe蟠表l计算选用的土体物理力学参数Tab．1Physico-m∞h如icalpa咖ete璐ofsoilsforn咖ericaIcalclllation土段工后沉降量的限值(≤10cm)。图3路基沉降位移场(单位：锄)n孚3R彻dbed靶nlement6em(眦血：锄)距月点的水平距离／mO51015202530图4地表沉降曲线Fi昏4Gm吼dsettIementcurve如图5、图6所示，邻近路堤坡脚范围内的地基水平变形值偏大，属可能发生失稳破坏区域。其中与路堤中心点水平距离为18．5m的，一，剖面是最危险部位，计算结果表明，该剖面处水平变形影响深度为16．0m，且位于地表以下5．0m处的水平变形最大，水平变形值为10．1cm。底面固定，对菇=0侧面限制水平移动，对所有节点的y方向速度进行水平约束(进行平面应变分析)。模型采用实体单元模拟，岩土材料的本构关系采用Mohr-coulomb模型。地基加载方式为逐级加载，路堤共分15次填筑完成，每次填土高度为O．33m。图5路基水平位移场(单位：伽)Fi孚5lbadbed№ralmspla伽ent削d(unit：锄)3．2现场监测阶段3．2．1仪器选定因l(39+830断面处的地质条件较差，且其路堤填筑高度较大，故有必要埋设沉降板和测斜仪加以跟踪监测。根据数值模拟的结果，确定仪器布设的图2三维工程地质模型具体方案，如表2和图7所示。Fi辱23Dengin∞ri嘴g∞Iogicalmodd3．2．2监测结果如图3、图4所示，该断面路堤中央位置(A自2004年4月12日q005年11月30日，测点)的沉降值为26．89cm，路肩处沉降值为得l(39+830断面的实测沉降曲线如图8所示；自20．5lcm。按照施工期已完成固结度70％计算，该2004年4月15日—2005年5月11日，测得该断面断面工后沉降量可达8．1咖，接近邢临高速对于软的实测水平变形曲线如图9所示。o巧加彤珈彩号：吕3／鞋器值拟场测据掘数模现监数挖、IL厂、Ikjr_l>l_、 公路交通科技第28卷水平位移／cIIlOl2345678910“图6I-I剖面水平变形曲线F嘻6LatemI出splacement伽rveof∞cti咖I—I表2仪器布设方案Tab-2MoIIitoringiIIstmmentplacementsdheme／＼扛沟／②路堤②＼边沟路基土①测：，②沉①昌莶好图7仪器布设示意图F培7Sche瑚ticdia蓼哪ofmonitori唱i惦tmmentphcemem时间，dOloo200300400500600700图8实测沉降曲线Fi昏8M翰sund靶ttlementcur"点水平变形值／cm：8．64．202468lOl2142004—05．1l2004．07．042004．07．252004一08一132004．08．222004．10．142004．11．172004一11．222004一12-012004一12—092005．03．3l2005-05．1l图9实测水平变形曲线F嘻9Mea蚰redIateraldefbmation衄nr皓3．3数据挖掘阶段3．3．1数据常规分析依据施工进度安排，l(39+830断面路堤填筑期．限为95d，相应的累计沉降值为8．32cm，即地表平均沉降速率为0．88mrn／d，期间地表最大沉降速率为1．71mm／d(路堤填筑的第90—97d)；此时水平变形值为4．98cm，即平均水平变形速率为o．52mH∥d，期间最大水平变形速率为2．36mn∥d(地表以下4．5m处)。经与邢临高速控制填土速率的标准(路堤中线地表沉降每昼夜不大于7m-n／d；坡脚水平变形每昼夜不大于3mm／d)进行比对，可以证实该断面在路堤填筑期内处于稳定状态。3．3．2沉降组合预测分析经过对实测数据的计算处理，分别得到了双曲线模型和灰色模型表达式。(1)双曲线模型s=13．83+面两青乏筹而而。(1)在融9+830断面双曲线模型中，￡的取值应大于470d，即汪470d时，S=13．83cm，此模型的预测起点时间为2005年6月5日；双曲线模型预测的最终沉降量为22．84cm。(2)灰色模型S=一11．62e-o·157(川’+22．42。(2)在灰色模型中，f的取值应为大于或等于l的自然数，f取值每次间隔实际代表为30d的时间，如，t=5与t=7对应的是间隔60d的2个沉降预测值。应用灰色模型预测的最终沉降量为22．42cm。应用式(1)、式(2)对2005年l1月1日和o4石培加m舶_H奁涨删到。也4石{邶啦“舶口1，雠翳。之4石{加也舶舶舶渤抛 第2期曹海莹，等：一种改进的路堤信息化施工监控流程352005年11月30日的路基沉降量进行拟合，其拟合结果如表3所示。表32种单项预测法的拟合值及误差表(2005年)Tab-3FittingValu髂anderrorscreatedbymetwosin鲫epredicti∞methods(iIl2∞5)令e。。为双曲线法f时刻拟合值的误差，e：，为灰色模型法f时刻拟合值的误差，分析表3可得：e¨=一1．03，e12=一1．04，e21=一1．23，e22=一1．1。取最优准则的折扣系数q=0．85卜‘(f=1，2)，利用Matlab软件中的命令函数1inprog()可以得到最优解：’．，=[三：：；；】，即=[三】，l，=【。．三7。】。c3，w2【o．521J’即2【oJ，l’2【1．070J。(3)由此可以得到基于双曲线法和灰色模型法的组合预测模型：|s。=0．4795l。+0．52l|s2。，(4)式中，sn为双曲线法t时刻的预测值；s：。为灰色模型法f时刻的预测值。组合模型预测的最终沉降量为22．62cm。利用组合预测模型，对2005年6月5日一11月30日的地表沉降趋势进行对比，并对2005年11月30日—2006年8月1日的沉降值进行预测分析，计算结果如图10所示。E芒世蛙时间，d500600700800900l000图10沉降实测曲线与预测曲线对比图l嘻10C仙t阳sIcIu-v鹤of卵ttIemeIItsobtainedfhmfieldmeasurementandfore隐st由图10可知，组合预测模型与实测数据的误差为0，36％～2．58％，基本上消除r单项预测模型带来的系统误差，预测精度较高。借助组合预测模型，不但可以预测出融9+830断面某一时刻的沉降量，还能方便地预测其工后沉降量，即工后沉降量仅为3．63cm，远远小于邢临高速对于软土段工后沉降鼍的限值。经上述分析可知，该断面的沉降变形已经趋于稳定，故于2005年11月30日停止继续监测。经过3a多的通车运营，l(39+830断面附近路面平整，未发现由工后沉降过大或不均匀沉降引起的不良现象发生，这进一步证实了预测模犁在工程应用中的可靠性。3．4指导施工根据数据常规分析和动态变形预测的结果，l(39+830断疽f在路堤填筑阶段一致处于稳定状态，且工后沉降量预测值未超过允许限值，说明该断面采用的路堤填筑速率在保证工程质量的同时，仍存在着一定量的安全储备。发挥这种安全储备的内在潜力，可以加快施工进度，节省工程造价。以l(39+830典型断面监控结果为参照值，发挥以点代面的作用，对具有相似地质条件的K39+800～l(39+990区段适当提高了路堤填筑速率。实践证明，该区段的施工质量完全达标，未出现异常情况。可见，采用改进的信息化施工流程为加快施工进度提供了有利的技术支撑。4结语(1)将数值模拟技术和预测理论与信息化施工相结合，能够充分挖掘已知工程地质信息和实际监测数据的潜在价值，增强仪器布设、数据处理等环节的科学性、合理性，对目前的信息化监控流程是一种有益补充。(2)FLAc30具备后处理功能强大、收敛速度快以及计算结果可靠性高等特点，在路基变形特征分析方面具有明显优势。但对于较为复杂的三维路堤工程建模而言，笔者建议可以首先利用其他软件进行几何建模和网格划分，再利用数据转换得到FLAc30计算模型。这样可以简化FLAC30前处理的难度，提高整体计算效率。(3)基于双曲线和灰色预测模型，采用误差绝对值加权和最小准则构建的加权组合预测模型具有预测精度高的特点，可以为路基沉降预测提供可靠的理论依据。同时，利用该模型对工后沉降的计算，还能起到工程质量预判、确定监测周期长短的作用。参考文献：Refe咖c酷：[1]杨广庆，吕鹏．高速公路路基稳定性及变形控制研究报告[R]．石家庄：河北省交通厅，2007．YANGGllaIlgq吨，LnPeIlg．ne№earchReP矾0f3456789Ol2彤出彤舶加郴棚珊圳抛 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