淺談高速鐵路幾種路基沉降預(yù)測(cè)分析方法

黃 明

(中鐵二十四局集團(tuán)南昌鐵路工程有限公司)

1 引言

高速鐵路路基沉降變形的過(guò)程具有復(fù)雜性、不確定性,需要運(yùn)用科學(xué)的預(yù)測(cè)方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,才有助于準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)沉降,從而使后期施工組織達(dá)到最優(yōu)化,并具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。在目前工程中通過(guò)獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),利用曲線回歸法反算地基最終沉降的方法有很多,常用的有規(guī)范雙曲線、修正雙曲線、固結(jié)度對(duì)數(shù)配合法、指數(shù)曲線法、遺傳算法雙曲線法、Asaoka法、灰色系統(tǒng)GM法等。本文針對(duì)前三種方法進(jìn)行對(duì)比,闡述各自的優(yōu)缺點(diǎn)及注意事項(xiàng),并將其用于工程實(shí)例,取得了較為理想的效果。

2 計(jì)算公式探討

2.1 規(guī)范雙曲線法

規(guī)范雙曲線法是假定下沉平均速率以雙曲線形式減少的經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)法,要求恒載開(kāi)始后的沉降實(shí)測(cè)時(shí)間至少6個(gè)月以上。其推算模式見(jiàn)圖1、圖2,公式如下：

(1)

Sf=S0+1/b

(2)

式中,S0為初始沉降量(t=0)；St為t時(shí)刻發(fā)生的沉降量；Sf為最終沉降量(t=∞)；a、b為荷載恒定后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)回歸求得的系數(shù)。

圖1 下沉模式圖

圖2 求a、b方法

2.2 修正雙曲線法

修正雙曲線法在規(guī)范雙曲線法的基礎(chǔ)上引入了荷載系數(shù)的概念,在假定荷載增量加載速率變化不大的情況下,沉降變形的增量與荷載增量成正比。該方法與傳統(tǒng)方法的最大差別在于其將填筑期觀測(cè)數(shù)據(jù)納入分析時(shí)間段內(nèi),而傳統(tǒng)方法一般要求利用恒載期以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。公式如下：

(3)

ξ=σ/σmax

(4)

σ=h*γ

(5)

式中,St為t時(shí)刻路基發(fā)生的沉降量(mm)；t為自土方工程開(kāi)工以來(lái)的時(shí)間(d)；σ為t時(shí)刻的荷載(kpa)；σmax為設(shè)計(jì)最大荷載(kpa)；h為填方高度；y為填方材料重度(kg?m3)

2.3 固結(jié)度對(duì)數(shù)配合法

本法要求實(shí)測(cè)曲線已基本處于收斂階段,并在其上選取三個(gè)間隔相等的點(diǎn)進(jìn)行分析,公式如下：

St=Sdαe-βt+S∞(1-αe-βt)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中,St為t時(shí)刻路基發(fā)生的沉降量(mm)；Sd為瞬時(shí)沉降量；S∞為最終沉降量；S1、S2、S3為t1、t2、t3時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)的累計(jì)沉降量。

以上三種方法須滿足如下要求：

(1)路基填筑完成后不少于3個(gè)月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)做多種曲線回歸分析,確定沉降變形趨勢(shì),曲線回歸的相關(guān)系數(shù)不低于0.92。

(2)采用間隔不少于3～6個(gè)月的兩次預(yù)測(cè)最終沉降的差值不大于8mm。

(3)從路基填筑完成以后,評(píng)估時(shí)實(shí)際發(fā)生的沉降與預(yù)測(cè)的總沉降值的比例≥75%。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

廈深鐵路設(shè)計(jì)速度為250km/h,其中XSFJ-I標(biāo)位于我國(guó)東南沿海福建省境內(nèi),為濱海平原與丘陵復(fù)合地貌,軟土分布較為廣泛,厚度自數(shù)米至數(shù)十米不等。施工期間必須對(duì)軟土路段進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)和綜合分析及評(píng)估,使其達(dá)到規(guī)定的變形控制要求,為后續(xù)軌道的鋪設(shè)創(chuàng)造條件。

D2K16+374～D2K16+675段路基長(zhǎng)301米,處在軟土地基填方段,基底為下伏淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土5～16m,其下為凝灰?guī)r。采用直徑φ50cm攪拌樁進(jìn)行加固處理,填方邊坡最大高度7m,填筑起訖時(shí)間2010年10月12日至2011年8月24日,觀測(cè)結(jié)束時(shí)間2012年2月28日,路基左右側(cè)設(shè)置基底沉降觀測(cè)板,路基頂面左、中、右設(shè)置沉降觀測(cè)樁。

3.2 各預(yù)測(cè)方法分析

對(duì)于路基的沉降觀測(cè)按照二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求進(jìn)行,水平位移樁的檢查采用全站儀測(cè)量其線間距的方法進(jìn)行測(cè)量。

由于數(shù)據(jù)量較大,本文僅以D2K16+400斷面左側(cè)為例。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)該斷面用曲線回歸法進(jìn)行工后沉降的預(yù)測(cè)分析,以下為該斷面的沉降曲線圖、表：

⑴規(guī)范雙曲線法

①D2K16+400路基左側(cè)沉降板

(觀測(cè)期為2010-10-12至2012-2-28)

②D2K16+400路基左側(cè)路基面觀測(cè)樁

(觀測(cè)期為2011-8-24至2012-2-28)

a、第一次回歸分析

(觀測(cè)期為2011-8-24至2011-11-22共90天)

b、第二次回歸分析(觀測(cè)期為2011-8-24至2012-2-28共188天)

③D2K16+400路基左側(cè)沉降評(píng)估及預(yù)測(cè)

回歸預(yù)測(cè)分析表

(2)修正雙曲線法

①D2K16+400路基左側(cè)

(觀測(cè)期為2010-10-12至2012-2-28)

a、第一次回歸分析

(觀測(cè)期為2010-10-12至2011-11-22共406天)

b、第二次回歸分析

(觀測(cè)期為2010-10-12至2012-2-28共504天)

②D2K16+400左側(cè)沉降評(píng)估及預(yù)測(cè)

回歸預(yù)測(cè)分析表

(3)固結(jié)度對(duì)數(shù)配合法

①D2K16+400路基左側(cè)

(觀測(cè)期為2011-8-24至2012-2-28)

第一次預(yù)測(cè)分析第二次預(yù)測(cè)分析選取的時(shí)間點(diǎn)累計(jì)時(shí)間累計(jì)沉降選取的時(shí)間點(diǎn)累計(jì)時(shí)間累計(jì)沉降2011/8/30T16S10.192011/9/13T120S10.602011/10/11T248S21.302011/12/6T2104S22.462011/11/22T390S32.202012/2/28T3188S33.67eβ(t1-t2)=s2-s1s3-s2=1.2333R0.979eβ(t1-t2)=s2-s1s3-s2=1.5372R0.9929α=8λ20.8106β=1t2-t11ns2-s1s3-s2=0.0050α=8λ20.8106β=1t2-t11ns2-s1s3-s2=0.0051預(yù)測(cè)填筑完成后產(chǎn)生的總沉降值S∞=S3(S2-S1)-S2(S3-S2)(S2-S1)-(S3-S2)=6.0571預(yù)測(cè)填筑完成后產(chǎn)生的總沉降值S∞=S3(S2-S1)-S2(S3-S2)(S2-S1)-(S3-S2)=5.9225預(yù)測(cè)188天后沉降值St=S∞(1-αe-βt)=4.1369實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比差3.67-4.14=-0.47mm沉降板沉降量31.60預(yù)測(cè)總沉降37.66沉降比89.76%沉降板沉降量31.60預(yù)測(cè)總沉降37.52沉降比例94%本觀測(cè)點(diǎn)所有R值均大于0.92,均屬可分析曲線,第1,2次預(yù)測(cè)最終沉降S值差為0.13,小于規(guī)定值8mm,第1次預(yù)測(cè)與第2次實(shí)測(cè)值相近,且最終沉降比例大于75%,故本觀測(cè)點(diǎn)為可靠分析點(diǎn)。

3.3 分析成果對(duì)比

序號(hào)方法相關(guān)系數(shù)RSt/S∞≥75%第一次分析最終沉降第二次分析最終沉降評(píng)估時(shí)沉降量(mm)1規(guī)范雙曲線法0.995184.95%42.2442.5235.272修正雙曲線法0.997698.05%35.3435.9735.273固結(jié)度對(duì)數(shù)配合法0.992994%37.6637.5235.27

4 結(jié)論

高速鐵路路基沉降過(guò)程受到填筑高度、填筑材料、加載方式、路基排水等諸多因素影響,其變形若不有效控制,將降低列車運(yùn)行速度、影響運(yùn)行平穩(wěn),給高速鐵路帶來(lái)較為嚴(yán)重的后果。通過(guò)以上三種方法的對(duì)比,可以得出如下結(jié)論：

(1)三種評(píng)估方法的相關(guān)系數(shù)均大于0.92,且三種方法所得值接近。

(2)從預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)沉降量相比較結(jié)果來(lái)看,修正雙曲線法的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值為三種方法中最接近,而規(guī)范雙曲線則相差較大。

(3)修正雙曲線法將施工期間納入預(yù)測(cè)分析當(dāng)中,引入了荷載系數(shù),更全面、客觀地反映了填土施工及自然沉降期不同時(shí)期的路基沉降情況。

(4)固結(jié)度對(duì)數(shù)配合法,選取了能夠反映沉降趨勢(shì)的3個(gè)沉降點(diǎn),計(jì)算較為簡(jiǎn)單,前期預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)相差較大,后期卻能夠與實(shí)測(cè)曲線吻合程度很高。另外,固結(jié)度對(duì)數(shù)配合法對(duì)于三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的選擇要求很高。

以上三種預(yù)測(cè)方法均建立在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之上,數(shù)據(jù)的真實(shí)性和精確性都會(huì)對(duì)各種方法的分析預(yù)測(cè)產(chǎn)生影響,因此在實(shí)際工作中,不能只選取某一種方法而排除其他,應(yīng)根據(jù)具體情況,采用多種方法進(jìn)行分析、比較,使之盡可能的預(yù)測(cè)工后沉降。

[1]周水興、何兆益、鄒毅松等編著.路橋施工計(jì)算手冊(cè)．

[2]中華人民共和國(guó)交通部.JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范北京：人民交通出版社．

[3]施工技術(shù)規(guī)范 北京：人民交通出版社.