淺談高速鐵路幾種路基沉降預測分析方法

黃 明

(中鐵二十四局集團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程具有復雜性、不確定性,需要運用科學的預測方法對實測數據進行分析,才有助于準確地預測沉降,從而使后期施工組織達到最優(yōu)化,并具有一定的經濟效益。在目前工程中通過獲得實測數據,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、固結度對數配合法、指數曲線法、遺傳算法雙曲線法、Asaoka法、灰色系統(tǒng)GM法等。本文針對前三種方法進行對比,闡述各自的優(yōu)缺點及注意事項,并將其用于工程實例,取得了較為理想的效果。

2 計算公式探討

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驗推導法,要求恒載開始后的沉降實測時間至少6個月以上。其推算模式見圖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為荷載恒定后的實測數據經回歸求得的系數。

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)范雙曲線法的基礎上引入了荷載系數的概念,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數據納入分析時間段內,而傳統(tǒng)方法一般要求利用恒載期以后的數據進行預測。公式如下：

(3)

ξ=σ/σmax

(4)

σ=h*γ

(5)

式中,St為t時刻路基發(fā)生的沉降量(mm)；t為自土方工程開工以來的時間(d)；σ為t時刻的荷載(kpa)；σmax為設計最大荷載(kpa)；h為填方高度；y為填方材料重度(kg?m3)

2.3 固結度對數配合法

本法要求實測曲線已基本處于收斂階段,并在其上選取三個間隔相等的點進行分析,公式如下：

St=Sdαe-βt+S∞(1-αe-βt)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中,St為t時刻路基發(fā)生的沉降量(mm)；Sd為瞬時沉降量；S∞為最終沉降量；S1、S2、S3為t1、t2、t3時刻分別對應的累計沉降量。

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個月的實測數據做多種曲線回歸分析,確定沉降變形趨勢,曲線回歸的相關系數不低于0.92。

(2)采用間隔不少于3～6個月的兩次預測最終沉降的差值不大于8mm。

(3)從路基填筑完成以后,評估時實際發(fā)生的沉降與預測的總沉降值的比例≥75%。

3 工程實例

3.1 工程概況

廈深鐵路設計速度為250km/h,其中XSFJ-I標位于我國東南沿海福建省境內,為濱海平原與丘陵復合地貌,軟土分布較為廣泛,厚度自數米至數十米不等。施工期間必須對軟土路段進行系統(tǒng)觀測和綜合分析及評估,使其達到規(guī)定的變形控制要求,為后續(xù)軌道的鋪設創(chuàng)造條件。

D2K16+374～D2K16+675段路基長301米,處在軟土地基填方段,基底為下伏淤泥質粉質黏土5～16m,其下為凝灰?guī)r。采用直徑φ50cm攪拌樁進行加固處理,填方邊坡最大高度7m,填筑起訖時間2010年10月12日至2011年8月24日,觀測結束時間2012年2月28日,路基左右側設置基底沉降觀測板,路基頂面左、中、右設置沉降觀測樁。

3.2 各預測方法分析

對于路基的沉降觀測按照二等水準測量的精度要求進行,水平位移樁的檢查采用全站儀測量其線間距的方法進行測量。

由于數據量較大,本文僅以D2K16+400斷面左側為例。根據現(xiàn)場實測數據,對該斷面用曲線回歸法進行工后沉降的預測分析,以下為該斷面的沉降曲線圖、表：

⑴規(guī)范雙曲線法

①D2K16+400路基左側沉降板

(觀測期為2010-10-12至2012-2-28)

②D2K16+400路基左側路基面觀測樁

(觀測期為2011-8-24至2012-2-28)

a、第一次回歸分析

(觀測期為2011-8-24至2011-11-22共90天)

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

③D2K16+400路基左側沉降評估及預測

回歸預測分析表

(2)修正雙曲線法

①D2K16+400路基左側

(觀測期為2010-10-12至2012-2-28)

a、第一次回歸分析

(觀測期為2010-10-12至2011-11-22共406天)

b、第二次回歸分析

(觀測期為2010-10-12至2012-2-28共504天)

②D2K16+400左側沉降評估及預測

回歸預測分析表

(3)固結度對數配合法

①D2K16+400路基左側

(觀測期為2011-8-24至2012-2-28)

第一次預測分析第二次預測分析選取的時間點累計時間累計沉降選取的時間點累計時間累計沉降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預測填筑完成后產生的總沉降值S∞=S3(S2-S1)-S2(S3-S2)(S2-S1)-(S3-S2)=6.0571預測填筑完成后產生的總沉降值S∞=S3(S2-S1)-S2(S3-S2)(S2-S1)-(S3-S2)=5.9225預測188天后沉降值St=S∞(1-αe-βt)=4.1369實測值與預測值對比差3.67-4.14=-0.47mm沉降板沉降量31.60預測總沉降37.66沉降比89.76%沉降板沉降量31.60預測總沉降37.52沉降比例94%本觀測點所有R值均大于0.92,均屬可分析曲線,第1,2次預測最終沉降S值差為0.13,小于規(guī)定值8mm,第1次預測與第2次實測值相近,且最終沉降比例大于75%,故本觀測點為可靠分析點。

3.3 分析成果對比

序號方法相關系數RSt/S∞≥75%第一次分析最終沉降第二次分析最終沉降評估時沉降量(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固結度對數配合法0.992994%37.6637.5235.27

4 結論

高速鐵路路基沉降過程受到填筑高度、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,將降低列車運行速度、影響運行平穩(wěn),給高速鐵路帶來較為嚴重的后果。通過以上三種方法的對比,可以得出如下結論：

(1)三種評估方法的相關系數均大于0.92,且三種方法所得值接近。

(2)從預測結果與實測沉降量相比較結果來看,修正雙曲線法的預測值與實測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測分析當中,引入了荷載系數,更全面、客觀地反映了填土施工及自然沉降期不同時期的路基沉降情況。

(4)固結度對數配合法,選取了能夠反映沉降趨勢的3個沉降點,計算較為簡單,前期預測數據與實測相差較大,后期卻能夠與實測曲線吻合程度很高。另外,固結度對數配合法對于三個時間點的選擇要求很高。

以上三種預測方法均建立在實測數據之上,數據的真實性和精確性都會對各種方法的分析預測產生影響,因此在實際工作中,不能只選取某一種方法而排除其他,應根據具體情況,采用多種方法進行分析、比較,使之盡可能的預測工后沉降。

[1]周水興、何兆益、鄒毅松等編著.路橋施工計算手冊．

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

[3]施工技術規(guī)范 北京：人民交通出版社.