新的高速铁路路基沉降预测方法探讨

曹 雾 徐卫平 赵松琴

(三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

新的高速铁路路基沉降预测方法探讨

曹 雾 徐卫平 赵松琴

(三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

以沪昆客专湖南段路基沉降监测资料为基础，提出基于指数函数的一种新的沉降预测方法：修正BiDoesResop模型，然后运用两类曲线进行曲线拟合分析，结果表明，修正BiDoesResop模型具有拟合精度高、适应性强等特点，对高速铁路路基工后沉降预测具有很好的指导作用。

高速铁路，路基，沉降，预测方法，预测系统

1 概述

1999年以来，我国高速铁路的建设已全面展开。到目前为止，我国已建成通车的高铁线路有京沪高铁、京广高铁、京津城际、武广高铁、沪宁、沪杭、郑西等，经过十多年的高速铁路建设和对既有铁路的高速化改造，中国目前拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网，高铁总里程达到10 463 km，居世界高铁里程榜首[1，2]。

鉴于我国客运专线建设由于地质条件复杂，面临的问题较多，尤其是如何有效预测工后沉降长期困扰着工程界。因此，科学、有效地分析和预测线下工程工后沉降量是无碴轨道铺设条件的关键技术和研究方向[3-5]。

2 预测模型的建立与分析

2.1 修正BiDoesResop预测模型的建立

修正BiDoesResop模型的表达式为：

(1)

其中，t为时间;St为沉降预测值;A1，A2,b1,b2,h1,h2,p均为待定参数。

A1，A2和h1，h2的含义示意图见图1。

2.2 模型的特点

修正BiDoesResop预测模型具有以下5个特点，分别为：

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

(2)

2)有界性。随着时间t的增大，St趋近于A2，即:

(3)

3)呈“S”形。随着时间t变化，曲线呈“S”形发展趋势，即：

(4)

4)良好的适应性。确定参数A1，A2之后，调节参数b1，b2，h1，h2，p可以使曲线在较大范围内变化，如图2所示。

5)满足固结度条件。根据固结度的定义，有：

(5)

当t=0时，U=0；当t→∞时，U=1。

2.3 求解

修正BiDoesResop预测模型含有7个未知参数A1，A2，b1，b2，h1，h2，p，通过高斯—牛顿迭代算法可获得修正BiDoesResop预测模型参数的最小二乘无偏估计。

3 工程研究

3.1 工程概况

沪昆铁路客运专线湖南段设计时速350 km/h，路基工点共524处，正线路基全长69.737 km，占线路总长的16.85%。

表1 第Ⅰ类沉降曲线拟合结果汇总表

本文选择修正BiDoesResop模型、指数曲线两种方法对上述四类沉降曲线进行综合分析，这两种方法都是基于指数函数，有固结理论作为这两种方法的支撑，具有可对比性。

3.2 第Ⅰ类沉降曲线预测分析

选择沪昆铁路客运专线湖南段某路基断面的沉降观测数据为研究对象，路基填土高度为5 m，在2个月内填筑完成，填筑过程为近似线性加载，有效观测时间为9个月。

修正BiDoesResop模型预测时算得的参数分别是A1=-6.789，A2=0.689，b1=79.515，b2=95.212，h1=-0.024，h2=-0.038，p=0.084。图3和表1含修正BiDoesResop模型预测结果。指数曲线预测时算得的参数分别是S∞=-9.512，α=1.090，β=0.006。图3和表1含指数曲线预测结果。从图3和表1中可以看出，修正BiDoesResop模型对一级近似线性加载条件下的沉降曲线具有良好的适应性和更好的拟合效果。

3.3 第Ⅱ类沉降曲线预测分析

选择沪昆铁路客运专线湖南段某路基断面的沉降观测数据

为研究对象，路基填土高度为4.5 m，在4个月内填筑完成，填筑过程为二级加载，有效观测时间为9个月。

修正BiDoesResop模型预测时算得的参数分别是A1=-5.014，A2=0.370，b1=23.594，b2=160.167，h1=-0.057，h2=-0.084，p=0.438。图4和表2含修正BiDoesResop模型预测结果。指数曲线预测时算得的参数分别是S∞=-6.607，α=1.012，β=0.005。图4和表2含指数曲线预测结果。从图4和表2中可以看出，修正BiDoesResop模型对第Ⅱ类沉降曲线具有良好的适应性。修正DoesResop模型、指数曲线的拟合曲线与原始沉降曲线误差较大。而从第Ⅱ类曲线拟合结果对比分析来看，修正BiDoesResop模型对二级加载方式下的沉降观测数据拟合效果更好。

4 结语

通过对新的高速铁路路基沉降预测方法的理论特点和实际工程运用进行研究，结果表明，修正BiDoesResop模型对高速铁路路基工后沉降预测具有较好的指导作用。

表2 第Ⅱ类沉降曲线拟合结果汇总表

首先，修正BiDoesResop模型是基于指数函数的沉降预测模型，具有一定的理论基础，不仅对工后沉降预测具有指导性，对沉降过程也具有一定的适应性。

其次，从上述运用修正BiDoesResop模型、指数曲线分别对第Ⅰ，Ⅱ类曲线进行曲线拟合的结果可以看出，修正BiDoesResop模型对一级近似线性加载条件下的沉降曲线以及二级加载方式下的沉降曲线均具有较好的适应性，曲线拟合的精度较高，对工后沉降预测时具更强的可靠性。

[1] 金辰虎,甄 静.21世纪的中国铁路旅客运输[J].中国铁路,2000(1):7-9.

[2] 崔 巍,ALEX.铁路起飞[J].经营管理者,2007(4):58-62.

[3] 秦亚琼.基于实测数据的路基沉降预测方法研究及工程应用[D].长沙：中南大学,2008.

[4] 侯福国,曾树谷.无碴轨道路基沉降观测数据的评估分析及应用[J].铁道建筑,2006(11):87-90.

[5] 卢乃宽.世界高速铁路建设发展趋势[J].中国铁路,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 雾(1989- )，男，在读硕士； 徐卫平(1987- )，男，在读硕士； 赵松琴(1987- )，女，在读硕士

U213.1

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