高速鐵路橋梁基礎(chǔ)工后沉降問題研究

涂 浩，杜海若，修志杰

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，1.碩士研究生，2.副教授，四川 成都 610031）

高速鐵路具有快速、高舒適度和高密度連續(xù)運(yùn)營等特點(diǎn)，要求軌道線路具有較高的平順性。橋梁在整個(gè)線路中占的比重往往很大，且橋梁基礎(chǔ)的工后沉降直接影響軌面高程變化，危害鐵路線路平順性。因此，控制橋梁基礎(chǔ)的沉降，已成為高速鐵路橋梁建造的關(guān)鍵問題之一。

高速鐵路橋梁基礎(chǔ)工后沉降研究的關(guān)鍵問題，主要包括沉降變形觀測(cè)方法、工后沉降計(jì)算方法、預(yù)測(cè)模型的研究以及列車動(dòng)載荷的影響。從目前研究資料來看，對(duì)這4個(gè)關(guān)鍵問題的研究并不多，且研究內(nèi)容不全面、計(jì)算理論不成熟，均滯后于工程實(shí)踐需要。面對(duì)方興未艾的高速鐵路建設(shè)，保障工后沉降在容許范圍內(nèi)以保證線路高平順性，對(duì)工后沉降關(guān)鍵問題還有待進(jìn)一步深入研究的必要性。

1 觀測(cè)方法

在施工階段，通過準(zhǔn)確可靠的觀測(cè)方法可以得到沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這對(duì)后期預(yù)測(cè)工后沉降準(zhǔn)確性和驗(yàn)證工后沉降理論計(jì)算方法可行性相當(dāng)重要，獲取準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)，需要靠科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)管理方法作為保障。因此，開展高速鐵路樁基沉降變形觀測(cè)方法的研究，以提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度和有效性，對(duì)研究控制工后沉降具有重要作用。

1.1 行業(yè)規(guī)范制定高速鐵路橋梁工程沉降觀測(cè)方案，進(jìn)行工程測(cè)量時(shí)，應(yīng)符合國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)橋梁沉降變形觀測(cè)點(diǎn)布置、觀測(cè)精度、觀測(cè)頻次所涉及的標(biāo)準(zhǔn)有《客運(yùn)專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南》；對(duì)橋梁獨(dú)立平面坐標(biāo)系統(tǒng)、GPS平面控制測(cè)量作業(yè)技術(shù)要求、導(dǎo)線測(cè)量應(yīng)符合《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測(cè)量技術(shù)暫行規(guī)定》中對(duì)橋梁測(cè)量的規(guī)定。

1.2 監(jiān)測(cè)方法高速鐵路橋梁基礎(chǔ)工后沉降監(jiān)測(cè)對(duì)精度要求較高，整個(gè)監(jiān)測(cè)周期長達(dá)數(shù)年甚至更久，對(duì)監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)提出了較高的要求。線路不同決定了觀測(cè)方案的不同。現(xiàn)研究主要涉及結(jié)合具體某段高鐵線路，制定沉降變形觀測(cè)具體實(shí)施技術(shù)，包括基點(diǎn)（水準(zhǔn)基點(diǎn)和工作基點(diǎn)）布設(shè)方法、基點(diǎn)復(fù)測(cè)、觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)、水準(zhǔn)路線圖、橋墩基礎(chǔ)觀測(cè)系統(tǒng)整體布置方法以及所要滿足的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和觀測(cè)作業(yè)要求等方面。

觀測(cè)儀器的選用，在一定程度上決定了觀測(cè)精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量。高速鐵路橋梁沉降主要采用精密水準(zhǔn)觀測(cè)方法，儀器多為精密水準(zhǔn)器，配合銦鋼尺。但這種監(jiān)測(cè)方法在一定程度上不能滿足工后沉降監(jiān)測(cè)要求：一是沉降觀測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)很容易受到外界擾動(dòng)影響，穩(wěn)定性較差；二是觀測(cè)方式、氣候條件的略微差異對(duì)觀測(cè)精度影響較大；三是觀測(cè)工作量大且精度達(dá)不到要求。

選用穩(wěn)定性更好、精度更高的儀器，或者多種儀器配合驗(yàn)證補(bǔ)充以提高觀測(cè)精度值得我們進(jìn)一步研究。已有研究者將靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)方法引入到橋梁基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)中，與精密水準(zhǔn)聯(lián)合監(jiān)測(cè)樁基沉降〔1〕，工程實(shí)踐也證明這種方法提高了觀測(cè)精度，可以為其他研究者所借鑒。

1.3 數(shù)據(jù)管理高速鐵路沉降觀測(cè)是一個(gè)工序嚴(yán)格的過程。沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)是復(fù)雜的、海量的，且數(shù)據(jù)的有效性、準(zhǔn)確性直接關(guān)系著對(duì)工后沉降的計(jì)算及預(yù)測(cè)，關(guān)系到合理的鋪軌時(shí)間。沒有一套對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的質(zhì)量控制和管理就難以確保數(shù)據(jù)的有效性，難以保障高速鐵路的順利建設(shè)。

建立完備的高速鐵路沉降監(jiān)測(cè)體系，需要多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)知識(shí)和多方單位的協(xié)調(diào)配合。涉及到觀測(cè)前期工作管理、觀測(cè)輔助資料管理、外業(yè)監(jiān)督管理、沉降數(shù)據(jù)質(zhì)量審查、外業(yè)抽檢控制以及數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量管理方法〔2〕等多個(gè)方面。在多方單位的配合中，要職責(zé)分明、反饋及時(shí)，嚴(yán)格按照沉降觀測(cè)方案實(shí)施觀測(cè)。

2 工后沉降計(jì)算

鋪軌工程施工后基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生的沉降量〔3〕稱為工后沉降。據(jù)此橋梁基礎(chǔ)工后沉降等于基礎(chǔ)設(shè)施的最終沉降量與至鋪軌完成時(shí)的沉降量之差。隨著高速鐵路的發(fā)展，對(duì)工后沉降的要求越來越高。研究和探討工后沉降計(jì)算方法、計(jì)算因素，對(duì)行車安全、舒適度以及工程造價(jià)和日后的維修養(yǎng)護(hù)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 計(jì)算方法在恒定載荷作用下，橋梁基礎(chǔ)工后沉降主要構(gòu)成部分是蠕變變形。對(duì)現(xiàn)有研究資料分析，沉降計(jì)算研究的思路和方法，大致概括為以下3種：

1）選用蠕變模型描述地基土的蠕變行為，應(yīng)用解析和數(shù)值分析方法計(jì)算樁基礎(chǔ)的工后沉降；

2）采用彈性理論、修正載荷傳遞法和剪切位移法計(jì)算樁基總沉降，結(jié)合實(shí)際加載情況對(duì)固結(jié)公式進(jìn)行推導(dǎo)，計(jì)算出樁端土層在任意時(shí)刻的固結(jié)度和沉降；

3）在考慮飽和軟土的循環(huán)累計(jì)塑性變形和循環(huán)累計(jì)孔壓模型基礎(chǔ)上，建立靜載和循環(huán)載荷在復(fù)合樁基工后沉降的計(jì)算方法。

這些研究資料也分別通過工程實(shí)踐進(jìn)行了比較，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)沉降-時(shí)間曲線總體上吻合，驗(yàn)證了計(jì)算方法具有一定可行性與合理性，但這些研究只是考慮了某種主要沉降特性，未考慮地基土物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及施工過程橋梁基礎(chǔ)的成形工藝和布置方式的差異性等因素，有必要結(jié)合實(shí)際加載情況、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算方法加以修正，才更為合乎實(shí)際沉降過程。

2.2 計(jì)算因素計(jì)算樁基工后沉降的一個(gè)關(guān)鍵因素是選取地基土體參數(shù)，但由于土體物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際工況條件下，受載荷、地下水等動(dòng)態(tài)因素的影響，土體參數(shù)處于動(dòng)態(tài)演化中。在計(jì)算工后沉降時(shí)，目前的一些研究也多未考慮土體參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，只是以室內(nèi)試驗(yàn)獲取參數(shù)來計(jì)算，這在一定程度上影響了工后沉降計(jì)算的準(zhǔn)確性。探討研究確定合理的地基土體參數(shù)，對(duì)于提高樁基工后沉降計(jì)算準(zhǔn)確性及計(jì)算精度相當(dāng)重要。

利用直接位移反分析法來反演參數(shù)是一種可行的方法，已有研究者根據(jù)軌道鋪設(shè)前觀測(cè)的樁基沉降值和理論模型，計(jì)算樁基沉降誤差建立目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用坐標(biāo)輪換法分組迭代反演土層的彈性變形模量、蠕變階段變形模量和粘性系數(shù)、滲透系數(shù)這幾個(gè)主要參數(shù)，并對(duì)基于反演參數(shù)的計(jì)算沉降、基于室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)的計(jì)算沉降與現(xiàn)場觀測(cè)沉降進(jìn)行了比較，結(jié)果基于反演參數(shù)的計(jì)算沉降與現(xiàn)場觀測(cè)沉降更為吻合〔1〕。

土體參數(shù)很多，反演的土體參數(shù)多，會(huì)使計(jì)算工作量成倍增加，反分析解的精度降低，甚至唯一性難以保證。因此，從實(shí)際出發(fā)，確定以哪些土體參數(shù)來作為反演參數(shù)至關(guān)重要。這還有待我們進(jìn)一步通過試驗(yàn)計(jì)算來確定。

3 預(yù)測(cè)模型

橋梁基礎(chǔ)沉降過程是一個(gè)承臺(tái)與樁、樁與地基土之間相互影響的過程。不同鐵路線路地基土的性質(zhì)不同，所承受的荷載水平也存在差異，以及具體的橋梁基礎(chǔ)的成型工藝和布置方式的多樣性，使得現(xiàn)有分析方法所計(jì)算的沉降結(jié)果與實(shí)測(cè)值存在明顯差異，計(jì)算精度不能滿足沉降控制要求，難以應(yīng)用到工程實(shí)踐中。在工程應(yīng)用中往往采用根據(jù)沉降-時(shí)間（S-t）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)工后沉降。

根據(jù)不同時(shí)間測(cè)得的實(shí)際沉降值形成數(shù)列，對(duì)沉降與時(shí)間數(shù)據(jù)的內(nèi)在動(dòng)態(tài)規(guī)律進(jìn)行研究，選取能描述內(nèi)在規(guī)律的預(yù)測(cè)模型和模型參數(shù)，從而預(yù)測(cè)未來沉降量。沉降預(yù)測(cè)方法的關(guān)鍵是建立合理的預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)模型分為單項(xiàng)預(yù)測(cè)模型和組合預(yù)測(cè)模型，其中單項(xiàng)預(yù)測(cè)模型研究集中在GM（1，1）模型和全過程預(yù)測(cè)模型。

3.1 單項(xiàng)預(yù)測(cè)模型

3.1.1 GM（1，1）模型 灰色模型簡稱GM模型，提供了在信息部分不清楚或不確定情況下求解系統(tǒng)問題的新方法。在巖土工程有關(guān)變形問題中廣泛應(yīng)用的是GM（1，1）模型，其計(jì)算量小、原理清晰。采用經(jīng)典GM（1，1）模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，隨著時(shí)間推移，預(yù)測(cè)精度會(huì)越來越低，這主要是由于橋梁基礎(chǔ)沉降觀測(cè)是一個(gè)時(shí)間長、觀測(cè)周期非等距、土層參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的過程。經(jīng)典GM（1，1）模型只能作為短期預(yù)測(cè)方法，開始預(yù)測(cè)階段吻合較好，隨著時(shí)間的推移發(fā)散較快，不能適用中后期預(yù)測(cè)精度需求。為滿足長期預(yù)測(cè)的精度要求，發(fā)展了非等步長變系數(shù)GM（1，1）模型〔1〕、新陳代謝GM（1，1）模型〔4〕。這些改進(jìn)的GM（1，1）模型與實(shí)際沉降更為吻合，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性更好，具有較好的實(shí)用性，能有效縮短工期、降低造價(jià)和提高工程質(zhì)量。

3.1.2 全過程預(yù)測(cè)模型 在工程實(shí)踐中，為了盡可能地反映整個(gè)過程中沉降量與時(shí)間關(guān)系，廣泛采用全過程預(yù)測(cè)模型。但全過程預(yù)測(cè)模型中的Logistic、Von Bertalanffy和Gompertz模型只能描述一種特定形狀的S曲線，有著固定的拐點(diǎn)，結(jié)構(gòu)上存在不足〔1〕。為改善這些問題，引入Richars模型到樁基沉降預(yù)測(cè)，它不僅能演變?yōu)樯厦?種模型，預(yù)測(cè)在載荷穩(wěn)定條件下主固結(jié)期間的沉降，也能描述沉降從發(fā)生、發(fā)展、成熟到穩(wěn)定整個(gè)呈S型變化規(guī)律過程，具有較好的擬合性和預(yù)測(cè)精度。

3.2 組合預(yù)測(cè)模型在某一階段或全過程中橋梁基礎(chǔ)沉降過程比較復(fù)雜，地基土層性質(zhì)動(dòng)態(tài)變化、施工工序多樣。這些因素使得在某階段可能不僅發(fā)生線彈性沉降，也含有主固結(jié)沉降和蠕變沉降，如果采用單項(xiàng)預(yù)測(cè)模型，只考慮其中某種沉降特性，顯然難以描述這個(gè)階段或全過程的沉降變化規(guī)律，難以保證沉降預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。選取能反映不同沉降規(guī)律的單項(xiàng)預(yù)測(cè)模型，研究如何將這些單項(xiàng)預(yù)測(cè)模型有效組合，改善預(yù)測(cè)精度和適用性十分必要。

組合預(yù)測(cè)方法提出以來，由于其提高預(yù)測(cè)精度、改善預(yù)測(cè)模型擬合能力，在土木工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用發(fā)展，但在高速鐵路橋梁樁基工后沉降預(yù)測(cè)上研究應(yīng)用還較少。組合預(yù)測(cè)方法關(guān)鍵是各個(gè)單項(xiàng)預(yù)測(cè)的權(quán)重。確定權(quán)重的方法較多，有基于相關(guān)系數(shù)的最優(yōu)權(quán)重法、基于相關(guān)系數(shù)確定權(quán)重法、方差倒數(shù)法、最小二乘準(zhǔn)則下最優(yōu)組合預(yù)測(cè)法〔5〕等，其中最小二乘準(zhǔn)則下最優(yōu)組合預(yù)測(cè)法效果較好，可作為首選預(yù)測(cè)模型，基于相關(guān)系數(shù)的最優(yōu)權(quán)重法為次選模型。其他研究者在應(yīng)用組合預(yù)測(cè)方法時(shí)，也要遵循相應(yīng)的原則步驟〔5〕。高速鐵路橋梁基礎(chǔ)沉降預(yù)測(cè)對(duì)精度要求越來越高，發(fā)展組合預(yù)測(cè)模型，提高預(yù)測(cè)擬合度，具有現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。

4 動(dòng)載影響

高速鐵路橋梁在運(yùn)營期間，長期承受來自列車的循環(huán)動(dòng)力載荷，且高速列車軸重較小，運(yùn)營速度快。當(dāng)高速列車經(jīng)過橋梁時(shí)，列車動(dòng)力載荷通過梁、支座、墩或臺(tái)傳遞到基礎(chǔ)上，其衰減顯著；由列車動(dòng)力載荷引起的加速度、動(dòng)位移值較小，不足以引起動(dòng)力累計(jì)沉降。在樁端持力層較好的情況下，軟土地基橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略由于高速列車運(yùn)營的反復(fù)荷載作用對(duì)樁基工后沉降和豎向承載力的影響〔6〕。

5 結(jié)束語

高速鐵路飛速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)線路的平順性要求越來越高。線路的平順性關(guān)系到運(yùn)輸安全和旅客舒適度。橋梁基礎(chǔ)工后沉降的研究滯后于工程實(shí)踐需要，在一定程度上也影響高速鐵路發(fā)展大局。高速鐵路橋梁基礎(chǔ)工后沉降觀測(cè)方法、工后沉降計(jì)算方法、預(yù)測(cè)模型這些關(guān)鍵問題的研究是控制工后沉降的理論實(shí)踐基礎(chǔ)，有待進(jìn)一步深入研究，不斷提高計(jì)算精度和預(yù)測(cè)精度，從而控制工后沉降，提高線路的高平順性，滿足高速鐵路發(fā)展需求。

〔1〕楊奇.高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)變形性狀試驗(yàn)與工后沉降研究〔D〕.長沙，中南大學(xué)，2011.

〔2〕陳超，張獻(xiàn)州，尚金光.高速鐵路沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程質(zhì)量控制與管理〔J〕.高速鐵路技術(shù)2011.2（5）：25-29.

〔3〕TB10621-2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范〔S〕.北京：中國鐵道出版社，2009

〔4〕蔡君君，王星華.高速鐵路橋梁群樁基礎(chǔ)工后沉降的計(jì)算與預(yù)測(cè)〔J〕.鐵道勘察與設(shè)計(jì)2008.6：29-34

〔5〕冷伍明，楊奇，聶如松，岳健.高速鐵路橋梁樁基工后沉降組合預(yù)測(cè)研究〔J〕.巖土力學(xué)2011.32（11）：3341-3348.

〔6〕蔡華炳，文望青，薛照鈞，冷伍明，楊龍才.軟土地基橋梁樁基礎(chǔ)單樁豎向動(dòng)靜載試驗(yàn)研究〔J〕.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)2005（11）：34-37.