趙 萌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

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高速鐵路沉降預(yù)測方法分析研究

趙 萌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

以某客運(yùn)專線沉降評估為背景，選取較有代表性的監(jiān)測斷面，研究和對比各沉降預(yù)測分析方法的適用性。可以看出，雙曲線法更適合于沉降前期與后期速率相差不大的實(shí)例；指數(shù)曲線法在一次性加載完成且沉降明顯的情況下表現(xiàn)優(yōu)越；Asaoka法適用于預(yù)測小波動(dòng)的沉降曲線；三點(diǎn)法在沉降處于基本收斂的情況可靠性較高。各個(gè)沉降預(yù)測方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在不同的案例中計(jì)算結(jié)果各有差異，實(shí)際工作中應(yīng)充分考慮地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)理念等，結(jié)合各種預(yù)測方法對比分析，以保證客運(yùn)專線運(yùn)營的平順性。

沉降觀測 預(yù)測方法 沉降評估 雙曲線法 指數(shù)曲線法 三點(diǎn)法

在高速鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評估中，沉降預(yù)測方法一般有三大類：第一類是根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范推薦或分層總和法計(jì)算最終沉降，并通過計(jì)算固結(jié)度預(yù)測沉降，確定其發(fā)展規(guī)律，這是理論公式的方法。第二類也是基于固結(jié)理論，使用不同的本構(gòu)模型，通過有限差分和有限元邊界元法計(jì)算沉降，確定其發(fā)展規(guī)律，此為數(shù)值計(jì)算方法。第三類是觀測數(shù)據(jù)回歸分析方法，該方法是基于測量數(shù)據(jù)，通過回歸分析預(yù)測沉降。由于各種各樣的土壤和復(fù)雜的工程性質(zhì)，隨著外部環(huán)境的變化，其狀態(tài)隨時(shí)發(fā)生著重大變化，難以準(zhǔn)確確定其中許多參數(shù)。因此，利用實(shí)測沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行沉降變形預(yù)測顯得尤為重要，這類方法主要有遺傳算法、曲線擬合法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色系統(tǒng)法等。對目前使用較為廣泛的雙曲線法、指數(shù)曲線法、Asaoka法、三點(diǎn)法等預(yù)測方法進(jìn)行對比分析，研究各沉降預(yù)測方法的適用性。

1 沉降預(yù)測方法數(shù)學(xué)模型

1.1 雙曲線法

雙曲線法方程表達(dá)式為

(1)

(2)

式中St——時(shí)間t時(shí)的沉降量；

S0——初始沉降量(t=0)；

S∞——最終沉降量(t=∞)；

a、b——荷載穩(wěn)定后的實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)過回歸求得的系數(shù)。

雙曲線法是假定沉降平均速率以雙曲線式減少的經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)，要求恒載開始后的沉降實(shí)測時(shí)間至少6個(gè)月以上。

1.2 指數(shù)曲線法

指數(shù)曲線法方程表達(dá)式為

(3)

式中St——時(shí)間t時(shí)的沉降量；

Sm——最終沉降量；

A、B——荷載穩(wěn)定后的實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)過回歸求得的系數(shù)。

指數(shù)曲線法和雙曲線法簡單實(shí)用，其前提是假定荷載是一次施加或?qū)嵢皇┘拥摹?/p>

1.3 Asaoka算法

Asaoka算法方程表達(dá)式為

(4)

式中Sj——時(shí)間j時(shí)的沉降量；

Sj-1——時(shí)間j-1時(shí)的沉降量；

β0、β1——時(shí)間j、j-1時(shí)的參數(shù)。

Asaoka法由于選取的時(shí)間段不同，對應(yīng)沉降差值不同，計(jì)算結(jié)果存在差異，因此該方法在沉降波動(dòng)小的情況較為適用。

1.4 三點(diǎn)法

三點(diǎn)法方程表達(dá)式為

(5)

式中 St——時(shí)間t時(shí)的沉降量；

Sd——瞬時(shí)沉降量；

S∞——最終沉降量；

α、β——實(shí)測計(jì)算值或理論值。

為減少推算誤差提高預(yù)測的精度，要求選取三點(diǎn)的時(shí)間間隔相等并且盡可能大，一般要求數(shù)據(jù)觀測時(shí)間較長，取最后幾個(gè)時(shí)間段的平均沉降值作為最終沉降值。

2 路基沉降預(yù)測實(shí)例分析

2.1 管樁基礎(chǔ)路基

選取某客運(yùn)專線DK105+840路基沉降板觀測數(shù)據(jù)實(shí)例。本段為松軟土地區(qū)，采用管樁加固，路基分層填筑，至2015年10月10日填筑完成；從2015年8月7日開始沉降觀測，至2016年3月6日，共計(jì)213天。其沉降板沉降見圖1，采用雙曲線法、指數(shù)曲線法、Asaoka法、三點(diǎn)法四種預(yù)測方法進(jìn)行計(jì)算，其對比結(jié)果見表1。

表1 DK105+840預(yù)測沉降結(jié)果對比

由圖1及表1可以看出，測量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，沉降暫未出現(xiàn)收斂狀態(tài)，仍表現(xiàn)為下沉趨勢，且前期與后期沉降速率相差不大，這較為符合雙曲線法的特征。從計(jì)算結(jié)果來看，雙曲線的各項(xiàng)數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于其他三種方法，其相關(guān)系數(shù)、沉降發(fā)生量等均滿足規(guī)范要求，且預(yù)測工后沉降量與實(shí)測曲線趨勢相符，結(jié)果可靠性較強(qiáng)。

2.2 CFG樁基礎(chǔ)路基

選取某客運(yùn)專線DK319+825路基沉降監(jiān)測板觀測數(shù)據(jù)實(shí)例。本段為軟土地基，采用CFG樁加固，路基分層填筑，至2015-10-15填筑完成；從2015年8月10日開始沉降觀測，至2016年2月14日，共計(jì)188天。其沉降板沉降見圖2，采用雙曲線法、指數(shù)曲線法、Asaoka法、三點(diǎn)法四種預(yù)測方法進(jìn)行計(jì)算，其對比結(jié)果見表2。

圖2 DK319+825路基沉降板沉降

由圖2及表2可以看出，測量數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，沉降明顯趨于緩和狀態(tài)，前期與后期沉降速率有較大差異。從數(shù)據(jù)上分析，雙曲線法、Asaoka法均能滿足相關(guān)系數(shù)、沉降發(fā)生量等指標(biāo)要求，但Asaoka法在對比預(yù)測中差值較小，說明通過計(jì)算不同時(shí)期的沉降量得到的結(jié)果相差不大，結(jié)果可靠性較高，本例中優(yōu)先選用Asaoka法。

表2 DK319+825預(yù)測沉降結(jié)果對比

在路基的沉降預(yù)測分析中，由于路基填筑是分階段完成的，前期沉降較大，且隨著分階段的填筑，沉降也隨之變化，這與指數(shù)曲線適用于一次性加載完成的理論不符，也與三點(diǎn)法需要基本收斂的沉降趨勢要求有較大出入。從以上路基實(shí)例也可以看出，兩種方法得出的結(jié)果欠佳，可靠性較差。

3 橋梁沉降預(yù)測實(shí)例分析

3.1 摩擦樁基礎(chǔ)橋墩

選取某客運(yùn)專線DK328+229墩身沉降監(jiān)測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)。本段為松軟土地基，采用摩擦樁設(shè)計(jì)，至2014年10月8日架梁完成；從2014年8月17日開始沉降觀測，至2015年9月13日，共計(jì)393天。其墩身監(jiān)測點(diǎn)沉降見圖3，采用雙曲線法、指數(shù)曲線法、Asaoka法、三點(diǎn)法四種預(yù)測方法進(jìn)行計(jì)算，其對比結(jié)果見表3。

圖3 DK328+229墩身監(jiān)測點(diǎn)沉降

表3 DK328+229預(yù)測沉降結(jié)果對比

由圖3和表3可以看出，架梁的荷載為一次性完成，摩擦樁實(shí)例中可以很好的反應(yīng)出這一特征：沉降在加載的作用下突然變化，隨后沉降趨于緩和。在本例中指數(shù)曲線法顯現(xiàn)出較大的優(yōu)越性，相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)高于其他三種預(yù)測方法；Asaoka法并不適用于此類波動(dòng)較大的實(shí)例，可以看出其計(jì)算結(jié)果指標(biāo)較低；雙曲線法、三點(diǎn)法雖然相關(guān)系數(shù)指標(biāo)等同樣滿足規(guī)范要求，但就可靠性而言，應(yīng)優(yōu)先選用指數(shù)曲線法。

3.2 嵌巖柱樁基礎(chǔ)橋墩

選取某客運(yùn)專線DK359+421墩身沉降監(jiān)測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)。本段為溶巖地區(qū)，采用嵌巖柱樁設(shè)計(jì)，至2015年6月29日架梁完成；從2015年1月3日開始沉降觀測，至2016年3月13日，共計(jì)436天。其墩身監(jiān)測點(diǎn)沉降見圖4，采用雙曲線法、指數(shù)曲線法、

圖4 DK359+421墩身監(jiān)測點(diǎn)沉降

Asaoka法、三點(diǎn)法四種預(yù)測方法進(jìn)行計(jì)算，其對比結(jié)果見表4。

表4 DK359+421預(yù)測沉降結(jié)果對比

由圖4、表4可以看出，嵌巖柱樁設(shè)計(jì)的墩身基礎(chǔ)，附加荷載時(shí)對沉降的影響不明顯，整體表現(xiàn)為收斂狀態(tài)，且沉降曲線波動(dòng)和沉降總量較小。在沉降預(yù)測計(jì)算中，各種方法計(jì)算結(jié)果均能滿足規(guī)范要求，但經(jīng)過細(xì)致比較，三點(diǎn)法在各項(xiàng)指標(biāo)中略有優(yōu)勢。

[1] 鐵建設(shè)函[2006]158號客運(yùn)專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南[S]

[2] 工管技[2009]77號客運(yùn)專線鐵路變形觀測評估技術(shù)手冊[S]

[3] TB10601—2009高速鐵路工程測量規(guī)范[S]

[4] GB50026—2007工程測量規(guī)范[S]

[5] 王登浩.武廣鐵路客運(yùn)專線沉降觀測與預(yù)測技術(shù)[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，5(3)：60-64

[6] 李明領(lǐng).客運(yùn)專線無砟軌道鐵路線下結(jié)構(gòu)沉降變形觀測與評估技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2009(2)：48-59

[7] 張獻(xiàn)州，等.高速鐵路沉降觀測評估預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].鐵道勘察，2010(5)：1-4

[8] 周興華，管宏業(yè)，黃長軍.雙曲線模型在高速鐵路路基沉降預(yù)測中的應(yīng)用研究[J].浙江水利科技，2014，42(4)：73-75

[9] 張欣.沉降預(yù)測的方法和適用性研究[J].交通建設(shè)與管理月刊，2015(10)：81-84

[10]王星運(yùn).鐵路客運(yùn)專線路基沉降預(yù)測方法研究[D].武漢：中國科學(xué)院研究生院(武漢巖土力學(xué)研究所)，2009

Analysis of Settlement Prediction in High-speed Railway

ZHAO Meng

2016-06-08

趙 萌(1984—)，男，2007年畢業(yè)于解放軍信息工程大學(xué)測繪工程專業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)05-0068-03

TU433

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