新的高速鐵路路基沉降預(yù)測(cè)方法探討

曹 霧 徐衛(wèi)平 趙松琴

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

新的高速鐵路路基沉降預(yù)測(cè)方法探討

曹 霧 徐衛(wèi)平 趙松琴

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

以滬昆客專湖南段路基沉降監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，提出基于指數(shù)函數(shù)的一種新的沉降預(yù)測(cè)方法：修正BiDoesResop模型，然后運(yùn)用兩類曲線進(jìn)行曲線擬合分析，結(jié)果表明，修正BiDoesResop模型具有擬合精度高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)高速鐵路路基工后沉降預(yù)測(cè)具有很好的指導(dǎo)作用。

高速鐵路，路基，沉降，預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)系統(tǒng)

1 概述

1999年以來，我國高速鐵路的建設(shè)已全面展開。到目前為止，我國已建成通車的高鐵線路有京滬高鐵、京廣高鐵、京津城際、武廣高鐵、滬寧、滬杭、鄭西等，經(jīng)過十多年的高速鐵路建設(shè)和對(duì)既有鐵路的高速化改造，中國目前擁有全世界最大規(guī)模以及最高運(yùn)營速度的高速鐵路網(wǎng)，高鐵總里程達(dá)到10 463 km，居世界高鐵里程榜首[1，2]。

鑒于我國客運(yùn)專線建設(shè)由于地質(zhì)條件復(fù)雜，面臨的問題較多，尤其是如何有效預(yù)測(cè)工后沉降長期困擾著工程界。因此，科學(xué)、有效地分析和預(yù)測(cè)線下工程工后沉降量是無碴軌道鋪設(shè)條件的關(guān)鍵技術(shù)和研究方向[3-5]。

2 預(yù)測(cè)模型的建立與分析

2.1 修正BiDoesResop預(yù)測(cè)模型的建立

修正BiDoesResop模型的表達(dá)式為：

(1)

其中，t為時(shí)間;St為沉降預(yù)測(cè)值;A1，A2,b1,b2,h1,h2,p均為待定參數(shù)。

A1，A2和h1，h2的含義示意圖見圖1。

2.2 模型的特點(diǎn)

修正BiDoesResop預(yù)測(cè)模型具有以下5個(gè)特點(diǎn)，分別為：

(1-p)h2(A2-A1)[1+e(b2-t)h2]-2e(b2-t)h2>0

(2)

2)有界性。隨著時(shí)間t的增大，St趨近于A2，即:

(3)

3)呈“S”形。隨著時(shí)間t變化，曲線呈“S”形發(fā)展趨勢(shì)，即：

(4)

4)良好的適應(yīng)性。確定參數(shù)A1，A2之后，調(diào)節(jié)參數(shù)b1，b2，h1，h2，p可以使曲線在較大范圍內(nèi)變化，如圖2所示。

5)滿足固結(jié)度條件。根據(jù)固結(jié)度的定義，有：

(5)

當(dāng)t=0時(shí)，U=0；當(dāng)t→∞時(shí)，U=1。

2.3 求解

修正BiDoesResop預(yù)測(cè)模型含有7個(gè)未知參數(shù)A1，A2，b1，b2，h1，h2，p，通過高斯—牛頓迭代算法可獲得修正BiDoesResop預(yù)測(cè)模型參數(shù)的最小二乘無偏估計(jì)。

3 工程研究

3.1 工程概況

滬昆鐵路客運(yùn)專線湖南段設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，路基工點(diǎn)共524處，正線路基全長69.737 km，占線路總長的16.85%。

表1 第Ⅰ類沉降曲線擬合結(jié)果匯總表

本文選擇修正BiDoesResop模型、指數(shù)曲線兩種方法對(duì)上述四類沉降曲線進(jìn)行綜合分析，這兩種方法都是基于指數(shù)函數(shù)，有固結(jié)理論作為這兩種方法的支撐，具有可對(duì)比性。

3.2 第Ⅰ類沉降曲線預(yù)測(cè)分析

選擇滬昆鐵路客運(yùn)專線湖南段某路基斷面的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，路基填土高度為5 m，在2個(gè)月內(nèi)填筑完成，填筑過程為近似線性加載，有效觀測(cè)時(shí)間為9個(gè)月。

修正BiDoesResop模型預(yù)測(cè)時(shí)算得的參數(shù)分別是A1=-6.789，A2=0.689，b1=79.515，b2=95.212，h1=-0.024，h2=-0.038，p=0.084。圖3和表1含修正BiDoesResop模型預(yù)測(cè)結(jié)果。指數(shù)曲線預(yù)測(cè)時(shí)算得的參數(shù)分別是S∞=-9.512，α=1.090，β=0.006。圖3和表1含指數(shù)曲線預(yù)測(cè)結(jié)果。從圖3和表1中可以看出，修正BiDoesResop模型對(duì)一級(jí)近似線性加載條件下的沉降曲線具有良好的適應(yīng)性和更好的擬合效果。

3.3 第Ⅱ類沉降曲線預(yù)測(cè)分析

選擇滬昆鐵路客運(yùn)專線湖南段某路基斷面的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)

為研究對(duì)象，路基填土高度為4.5 m，在4個(gè)月內(nèi)填筑完成，填筑過程為二級(jí)加載，有效觀測(cè)時(shí)間為9個(gè)月。

修正BiDoesResop模型預(yù)測(cè)時(shí)算得的參數(shù)分別是A1=-5.014，A2=0.370，b1=23.594，b2=160.167，h1=-0.057，h2=-0.084，p=0.438。圖4和表2含修正BiDoesResop模型預(yù)測(cè)結(jié)果。指數(shù)曲線預(yù)測(cè)時(shí)算得的參數(shù)分別是S∞=-6.607，α=1.012，β=0.005。圖4和表2含指數(shù)曲線預(yù)測(cè)結(jié)果。從圖4和表2中可以看出，修正BiDoesResop模型對(duì)第Ⅱ類沉降曲線具有良好的適應(yīng)性。修正DoesResop模型、指數(shù)曲線的擬合曲線與原始沉降曲線誤差較大。而從第Ⅱ類曲線擬合結(jié)果對(duì)比分析來看，修正BiDoesResop模型對(duì)二級(jí)加載方式下的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合效果更好。

4 結(jié)語

通過對(duì)新的高速鐵路路基沉降預(yù)測(cè)方法的理論特點(diǎn)和實(shí)際工程運(yùn)用進(jìn)行研究，結(jié)果表明，修正BiDoesResop模型對(duì)高速鐵路路基工后沉降預(yù)測(cè)具有較好的指導(dǎo)作用。

表2 第Ⅱ類沉降曲線擬合結(jié)果匯總表

首先，修正BiDoesResop模型是基于指數(shù)函數(shù)的沉降預(yù)測(cè)模型，具有一定的理論基礎(chǔ)，不僅對(duì)工后沉降預(yù)測(cè)具有指導(dǎo)性，對(duì)沉降過程也具有一定的適應(yīng)性。

其次，從上述運(yùn)用修正BiDoesResop模型、指數(shù)曲線分別對(duì)第Ⅰ，Ⅱ類曲線進(jìn)行曲線擬合的結(jié)果可以看出，修正BiDoesResop模型對(duì)一級(jí)近似線性加載條件下的沉降曲線以及二級(jí)加載方式下的沉降曲線均具有較好的適應(yīng)性，曲線擬合的精度較高，對(duì)工后沉降預(yù)測(cè)時(shí)具更強(qiáng)的可靠性。

[1] 金辰虎,甄 靜.21世紀(jì)的中國鐵路旅客運(yùn)輸[J].中國鐵路,2000(1):7-9.

[2] 崔 巍,ALEX.鐵路起飛[J].經(jīng)營管理者,2007(4):58-62.

[3] 秦亞瓊.基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的路基沉降預(yù)測(cè)方法研究及工程應(yīng)用[D].長沙：中南大學(xué),2008.

[4] 侯福國,曾樹谷.無碴軌道路基沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)估分析及應(yīng)用[J].鐵道建筑,2006(11):87-90.

[5] 盧乃寬.世界高速鐵路建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)[J].中國鐵路,2000(3):19-24.

Discussion on the method of new high-speed rail subgrade settlement prediction

CAO Wu XU Wei-ping ZHAO Song-qin

(CollegeofCivilandBuilding,SanxiaUniversity,Yichang443002,China)

As the foundation of the monitoring data of settlement of Shanghai-Kunming passenger dedicated line Hunan section of subgrade, proposed modified BiDoesResop model as a new settlement prediction method based on exponential function. Then use these two kind of curve for curve fitting analysis, results show that the modified BiDoesResop model, has certain theoretical basis, high precision, strong adaptability, to play a direct role in settlement of high-speed rail subgrade.

high-speed rail, subgrade, settlement, prediction method, prediction system

1009-6825(2014)28-0158-03

2014-07-19

曹 霧(1989- )，男，在讀碩士； 徐衛(wèi)平(1987- )，男，在讀碩士； 趙松琴(1987- )，女，在讀碩士

U213.1

A