風(fēng)積沙地區(qū)重載鐵路地基沉降觀測與預(yù)測分析

李金寶

摘要 文章針對位于內(nèi)蒙古地區(qū)的實際項目，利用有限元軟件ANSYS對風(fēng)積沙高地下水位重載鐵路基進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對該鐵路專用線風(fēng)積沙地基以單點沉降計的方式進(jìn)行了沉降觀測，對沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計并完成分析，進(jìn)而總結(jié)出風(fēng)積沙地基沉降發(fā)展規(guī)律，創(chuàng)新性地引入隨機森林的機器學(xué)習(xí)方法對風(fēng)積沙地基的最終沉降量進(jìn)行預(yù)測，為將來相似工程的設(shè)計施工提供可參考的依據(jù)。并對采用風(fēng)積沙為地基填筑材料的重載鐵路，研究其地基的沉降預(yù)測方法和沉降規(guī)律。通過研究得出，通過與指數(shù)法、泊松曲線法相對比，隨機森林法預(yù)測精度最高，預(yù)測結(jié)果更貼合實測值。

關(guān)鍵詞 重載鐵路;風(fēng)積沙地基;沉降預(yù)測;隨機森林法

中圖分類號 U416.16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0152-05

0 引言

風(fēng)積沙是由風(fēng)吹拂、沉積而產(chǎn)生的沙層。在我國西北沙漠地區(qū)，由于資源的極度匱乏以及缺少運輸資源的交通條件，從性價比方面考慮，風(fēng)積沙是不錯的路堤填筑材料[1]。風(fēng)積沙具有整體性好的優(yōu)點是其能夠成為地基填筑的必要條件，并且其還具有沉降量小的特點，并且風(fēng)積沙分布十分廣泛，使其成為西北沙漠地區(qū)重載鐵路地基填筑材料的不二之選。但是風(fēng)積沙在天然條件下呈松散狀態(tài)，內(nèi)聚力幾乎為零，抗剪性能極差等缺點又給施工造成極大的困難。

目前，眾學(xué)者的目光更多的是聚焦于進(jìn)一步對風(fēng)積沙的施工工藝的改進(jìn)，以及風(fēng)積沙工程特性方面的應(yīng)用等方面，風(fēng)積沙地基的沉降問題方面上的研究存在著空白。風(fēng)積沙自身的工程特性結(jié)合著當(dāng)?shù)貒?yán)峻的地理條件，使得風(fēng)積沙在作為重載鐵路路基的地基時，所表現(xiàn)出來的性能較差，而如何控制地基沉降成為一個重要的課題。

在我國重載鐵路飛速發(fā)展的同時，路基工程的沉降控制也需要以更嚴(yán)厲的標(biāo)準(zhǔn)來要求，在體現(xiàn)我國鐵路建設(shè)先進(jìn)性的同時，更加注重安全、可靠、舒適的基本原則。路基沉降觀測能夠用來指導(dǎo)現(xiàn)場路基施工填筑速率，以及用來推算路基工后沉降，而路基工程工后沉降的控制又是控制線路軌道變形的關(guān)鍵。

1 工程概況

準(zhǔn)鄂鐵路穿越毛烏素沙漠東部邊緣區(qū)，該地區(qū)多為固定、半固定沙地及沙丘，局部為零星流動沙丘，地形較為平坦，植被較發(fā)育。沿線地下水類型主要為第四系孔隙潛水，主要賦存于沖洪積砂層中，補給來源多為大氣降水及地表水，水量可觀，地下水位埋深1.3～5.1 m。根據(jù)野外調(diào)查及鉆孔揭示，沿線出露地層主要有雜填土、素填土、粉砂、細(xì)砂等。

該項目控制工程和重難點工程為全線高水位地下水風(fēng)沙路基施工。路基工程施工制約后續(xù)軌道、四電等工程施工，為該項目的控制性工程。風(fēng)沙路基填筑壓實難度大，邊坡防護(hù)工程量和施工難度大，且易受地下水影響造成邊坡不穩(wěn)定，因此也作為該項目的重難點工程。

2 風(fēng)積沙地區(qū)路基沉降控制技術(shù)

2.1 沉降計算分析

首先需要通過數(shù)值模擬分析風(fēng)積沙路基在重力、線路及列車荷載作用下的應(yīng)力分布及變形特性，從而了解風(fēng)積沙路基荷載傳遞規(guī)律及路基變形特性，可為以后沙漠地區(qū)重載鐵路路基填料的選取、路基本體的變形及受力方式提供參考[2]。下面將采用ANSYS有限元分析軟件對準(zhǔn)鄂鐵路橋涵過渡段一種典型斷面的沉降變形進(jìn)行分析計算。

2.1.1 ANSYS有限元模型的建立

（1）依托工程概況。模型依托位于內(nèi)蒙古毛烏素沙漠地區(qū)內(nèi)的準(zhǔn)鄂鐵路風(fēng)積沙路基，根據(jù)現(xiàn)場實際選取，橋涵過渡段（DK195+115）典型斷面進(jìn)行沉降計算分析，如圖1所示。

（2）模型建立及參數(shù)確定?？紤]填料、降雨、加筋及邊坡防護(hù)、坡率等因素，利用有限元軟件ANSYS對風(fēng)積沙高地下水位重載鐵路基進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究多種影響因素情況下的路基在自重、線路及列車荷載共同作用下的應(yīng)力分布及變形特性，對比分析填料狀態(tài)對路基工作特性的影響及不同加筋參數(shù)下的加固效果。數(shù)值模擬過程中填料參數(shù)參考地質(zhì)勘察報告和試驗段土工室內(nèi)試驗結(jié)果，下面以橋涵過渡段斷面作為例子，對三維模型構(gòu)建過程進(jìn)行敘述。

結(jié)合工程實際，計算模型的幾何參數(shù)依據(jù)試驗段設(shè)計圖紙及規(guī)范進(jìn)行選取，風(fēng)積沙路基有限元模型為：基床表層采用0.6 m厚的圓礫土，基床底層采用1.9 m厚的風(fēng)積沙，基床以下部位采用4.6 m厚的風(fēng)積沙，地基為10 m厚的粉細(xì)砂，模型沿線路縱向長度取為30 m，為三維有限元模型，模型圖如圖2所示。

數(shù)值模擬計算的材料參數(shù)如表1。

（3）路基荷載及邊界條件。該文所選用的是ANSYS

軟件的面—面接觸單元，由于筋材和土體都是柔性材料，因此筋土的接觸屬于柔性—柔體接觸。

準(zhǔn)鄂鐵路設(shè)計軸重為25 t，該例計算模型的重載等級系數(shù)z值取1.3。由計算結(jié)果可知，將軌道荷載簡化成作用于模型頂面一定寬度范圍內(nèi)的均布荷載，荷載大小為72 kPa，分布寬度為3.8 m，計算高度為3.6 m。

在模型邊界條件中，路基和地基的前后對X和Y方向進(jìn)行約束，地基底部對X、Y、Z三個方向均進(jìn)行約束，路基頂面和邊坡為自由邊界。

2.1.2 試驗方案設(shè)計

根據(jù)各影響因素，擬定下面的方案設(shè)計作為數(shù)值計算的方案，可控變量共有3個，分別是：降水情況、邊坡坡率、填料改良情況。每種可控變量分為兩種水平，由于變量水平數(shù)較少故設(shè)計為3因素2水平的直接試驗，根據(jù)排列組合每種工況共有8次試驗，具體的試驗情況見表2。并根據(jù)下述試驗設(shè)計對項目進(jìn)行模型編號，橋涵過渡段（DK195+115）命名為WC1。

2.1.3 沉降計算分析

根據(jù)表3所列正交試驗方案，對橋涵過渡段（DK195+115）斷面的8種工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。選取風(fēng)積沙路基表層最大位移作為統(tǒng)計參數(shù)，同時采用極差分析法對風(fēng)積沙路基影響因素敏感度進(jìn)行計算排序，找出最顯著影響因素，為現(xiàn)場施工提供理論依據(jù)。正交試驗結(jié)果如表3所示。極差分析如表4所示。

由計算結(jié)果可以看出，每種因素所對應(yīng)的極差均不一致，其中坡率極差為0.635，取值為1/1.75時影響最小;降雨（含水率）極差為0.455，取值為最優(yōu)含水率時影響最小;填料改良極差則為0.925，取值為改良土?xí)r影響最小。根據(jù)極差分析法的原理，極差越大則說明該影響因素所造成的影響程度越大[3]。經(jīng)過對比不難得出，在風(fēng)積沙路基施工過程中，填料改良對路基表層沉降的影響最大，其次為坡率變化，而在這三個因素中降雨（含水率）影響最小。分析原因認(rèn)為，當(dāng)風(fēng)積沙在降雨條件下，含水率從最優(yōu)達(dá)到飽和時，其力學(xué)性能變化幅度不大，同時其對路基造成的部分影響也被已有的加固措施所抵消，因此降雨（含水率）影響幅度較坡率變化、填料改良這兩種因素更小。

2.2 風(fēng)積沙地基沉降預(yù)測分析

2.2.1 沉降預(yù)測方法及原理

目前，沉降預(yù)測方法種類繁多，該研究將創(chuàng)新性地引入隨機森林的機器學(xué)習(xí)方法對地基沉降進(jìn)行預(yù)測。

隨機森林是一種組成式的有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法。在隨機森林的模擬過程中，將會同時生成多個預(yù)測模型，同時將所得到的多個模型的結(jié)果進(jìn)行匯總，來以此提升預(yù)測模型的準(zhǔn)確率。憑借著前期沉降觀測所得到的數(shù)據(jù)，來擬合出一條能反映未來沉降趨勢的函數(shù)曲線，最后通過計算來獲得曲線的回歸系數(shù)，并通過數(shù)學(xué)表達(dá)式對其進(jìn)行準(zhǔn)確表達(dá)[4]，以此對未來將繼續(xù)發(fā)展的沉降以及最終的沉降進(jìn)行預(yù)測，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）及式（2）所示。

（1）

（2）

上式中：t—觀測時間（d）;

—時間t時的沉降量（mm）;

—最終沉降量（mm）;

—初期沉降量（mm）;

a、b—根據(jù)前期實測沉降數(shù)據(jù)經(jīng)過線性回歸求得的系數(shù);

—修正的時間零點，對于一次性填筑加載的工況，時間零點取路基填筑施工期時長的一半。

將式（1）變換形式得到式（3）：

（3）

上式中建立了關(guān)于的一次函數(shù)，通過代入數(shù)據(jù)可以計算出待定系數(shù)a和b，進(jìn)而得到數(shù)學(xué)表達(dá)式。

2.2.2 風(fēng)積沙地基沉降預(yù)測方法研究

沉降預(yù)測的方法需要依照地區(qū)、土質(zhì)、地基形式等條件來進(jìn)行選擇。此次研究對準(zhǔn)鄂鐵路內(nèi)風(fēng)積沙地基進(jìn)行沉降觀測，采用隨機森林法、指數(shù)法及泊松曲線法進(jìn)行了沉降預(yù)測，通過對試驗段數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到各個預(yù)測方法的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[5-7]：

隨機森林法：

（mm）

指數(shù)法：

泊松曲線法：

通過上述三種預(yù)測方法對路基沉降進(jìn)行預(yù)測，其預(yù)測曲線如圖3所示。

為了對比三種方法對路基沉降預(yù)測的準(zhǔn)確性，將通過相對誤差、方差之和等參數(shù)對其進(jìn)行評判，各項指標(biāo)計算結(jié)果如表5所示。

通過表5各項參數(shù)可以看出，采用隨機森林法進(jìn)行預(yù)測時，精度最為準(zhǔn)確，與時間沉降更為貼合。

2.2.3 橋涵過渡段沉降預(yù)測

先對橋涵過渡段（DK195+115）斷面的沉降進(jìn)行觀測，再利用隨機森林法對斷面進(jìn)行回歸分析，將沉降觀測值與沉降預(yù)測值繪成曲線如圖4所示：

對沉降預(yù)測的可靠度進(jìn)行評估，評估結(jié)果如表6所示：

評估結(jié)果顯示，預(yù)測值與觀測值吻合度高，預(yù)測效果好。

圖5展示了構(gòu)成訓(xùn)練模型各個特征的權(quán)重，其中負(fù)號代表負(fù)向影響，正號代表正向影響，由圖可知，X位置所占權(quán)重最大。

3 總結(jié)

（1）該研究基于準(zhǔn)鄂鐵路，通過使用ANSYS有限元分析軟件對橋涵過渡段沉降變形進(jìn)行分析計算。通過設(shè)計的正交試驗方案，對橋涵過渡段（DK195+115）斷面的8種工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，由計算結(jié)果可以得出在風(fēng)積沙路基施工過程中，填料改良對路基表層沉降的影響最大，其次為坡率變化，而在這三個因素中降雨（含水率）影響最小。

（2）該研究采用了指數(shù)法、泊松曲線法，并創(chuàng)新的引入隨機森林法對風(fēng)積沙地基進(jìn)行沉降預(yù)測。通過預(yù)測的結(jié)果表明，三種方法中，隨機森林法能夠提供最為精確的預(yù)測，與時間沉降更為貼合，指數(shù)法次之，而泊松曲線法預(yù)測值相關(guān)系數(shù)小于0.92，且預(yù)測結(jié)果偏差較大，效果較差。

參考文獻(xiàn)

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