浅谈高速铁路几种路基沉降预测分析方法

黄 明

(中铁二十四局集团南昌铁路工程有限公司)

1 引言

高速铁路路基沉降变形的过程具有复杂性、不确定性,需要运用科学的预测方法对实测数据进行分析,才有助于准确地预测沉降,从而使后期施工组织达到最优化,并具有一定的经济效益。在目前工程中通过获得实测数据,利用曲线回归法反算地基最终沉降的方法有很多,常用的有规范双曲线、修正双曲线、固结度对数配合法、指数曲线法、遗传算法双曲线法、Asaoka法、灰色系统GM法等。本文针对前三种方法进行对比,阐述各自的优缺点及注意事项,并将其用于工程实例,取得了较为理想的效果。

2 计算公式探讨

2.1 规范双曲线法

规范双曲线法是假定下沉平均速率以双曲线形式减少的经验推导法,要求恒载开始后的沉降实测时间至少6个月以上。其推算模式见图1、图2,公式如下：

(1)

Sf=S0+1/b

(2)

式中,S0为初始沉降量(t=0)；St为t时刻发生的沉降量；Sf为最终沉降量(t=∞)；a、b为荷载恒定后的实测数据经回归求得的系数。

图1 下沉模式图

图2 求a、b方法

2.2 修正双曲线法

修正双曲线法在规范双曲线法的基础上引入了荷载系数的概念,在假定荷载增量加载速率变化不大的情况下,沉降变形的增量与荷载增量成正比。该方法与传统方法的最大差别在于其将填筑期观测数据纳入分析时间段内,而传统方法一般要求利用恒载期以后的数据进行预测。公式如下：

(3)

ξ=σ/σmax

(4)

σ=h*γ

(5)

式中,St为t时刻路基发生的沉降量(mm)；t为自土方工程开工以来的时间(d)；σ为t时刻的荷载(kpa)；σmax为设计最大荷载(kpa)；h为填方高度；y为填方材料重度(kg•m3)

2.3 固结度对数配合法

本法要求实测曲线已基本处于收敛阶段,并在其上选取三个间隔相等的点进行分析,公式如下：

St=Sdαe-βt+S∞(1-αe-βt)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中,St为t时刻路基发生的沉降量(mm)；Sd为瞬时沉降量；S∞为最终沉降量；S1、S2、S3为t1、t2、t3时刻分别对应的累计沉降量。

以上三种方法须满足如下要求：

(1)路基填筑完成后不少于3个月的实测数据做多种曲线回归分析,确定沉降变形趋势,曲线回归的相关系数不低于0.92。

(2)采用间隔不少于3～6个月的两次预测最终沉降的差值不大于8mm。

(3)从路基填筑完成以后,评估时实际发生的沉降与预测的总沉降值的比例≥75%。

3 工程实例

3.1 工程概况

厦深铁路设计速度为250km/h,其中XSFJ-I标位于我国东南沿海福建省境内,为滨海平原与丘陵复合地貌,软土分布较为广泛,厚度自数米至数十米不等。施工期间必须对软土路段进行系统观测和综合分析及评估,使其达到规定的变形控制要求,为后续轨道的铺设创造条件。

D2K16+374～D2K16+675段路基长301米,处在软土地基填方段,基底为下伏淤泥质粉质黏土5～16m,其下为凝灰岩。采用直径φ50cm搅拌桩进行加固处理,填方边坡最大高度7m,填筑起讫时间2010年10月12日至2011年8月24日,观测结束时间2012年2月28日,路基左右侧设置基底沉降观测板,路基顶面左、中、右设置沉降观测桩。

3.2 各预测方法分析

对于路基的沉降观测按照二等水准测量的精度要求进行,水平位移桩的检查采用全站仪测量其线间距的方法进行测量。

由于数据量较大,本文仅以D2K16+400断面左侧为例。根据现场实测数据,对该断面用曲线回归法进行工后沉降的预测分析,以下为该断面的沉降曲线图、表：

⑴规范双曲线法

①D2K16+400路基左侧沉降板

(观测期为2010-10-12至2012-2-28)

②D2K16+400路基左侧路基面观测桩

(观测期为2011-8-24至2012-2-28)

a、第一次回归分析

(观测期为2011-8-24至2011-11-22共90天)

b、第二次回归分析(观测期为2011-8-24至2012-2-28共188天)

③D2K16+400路基左侧沉降评估及预测

回归预测分析表

(2)修正双曲线法

①D2K16+400路基左侧

(观测期为2010-10-12至2012-2-28)

a、第一次回归分析

(观测期为2010-10-12至2011-11-22共406天)

b、第二次回归分析

(观测期为2010-10-12至2012-2-28共504天)

②D2K16+400左侧沉降评估及预测

回归预测分析表

(3)固结度对数配合法

①D2K16+400路基左侧

(观测期为2011-8-24至2012-2-28)

第一次预测分析第二次预测分析选取的时间点累计时间累计沉降选取的时间点累计时间累计沉降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预测填筑完成后产生的总沉降值S∞=S3(S2-S1)-S2(S3-S2)(S2-S1)-(S3-S2)=6.0571预测填筑完成后产生的总沉降值S∞=S3(S2-S1)-S2(S3-S2)(S2-S1)-(S3-S2)=5.9225预测188天后沉降值St=S∞(1-αe-βt)=4.1369实测值与预测值对比差3.67-4.14=-0.47mm沉降板沉降量31.60预测总沉降37.66沉降比89.76%沉降板沉降量31.60预测总沉降37.52沉降比例94%本观测点所有R值均大于0.92,均属可分析曲线,第1,2次预测最终沉降S值差为0.13,小于规定值8mm,第1次预测与第2次实测值相近,且最终沉降比例大于75%,故本观测点为可靠分析点。

3.3 分析成果对比

序号方法相关系数RSt/S∞≥75%第一次分析最终沉降第二次分析最终沉降评估时沉降量(mm)1规范双曲线法0.995184.95%42.2442.5235.272修正双曲线法0.997698.05%35.3435.9735.273固结度对数配合法0.992994%37.6637.5235.27

4 结论

高速铁路路基沉降过程受到填筑高度、填筑材料、加载方式、路基排水等诸多因素影响,其变形若不有效控制,将降低列车运行速度、影响运行平稳,给高速铁路带来较为严重的后果。通过以上三种方法的对比,可以得出如下结论：

(1)三种评估方法的相关系数均大于0.92,且三种方法所得值接近。

(2)从预测结果与实测沉降量相比较结果来看,修正双曲线法的预测值与实测值为三种方法中最接近,而规范双曲线则相差较大。

(3)修正双曲线法将施工期间纳入预测分析当中,引入了荷载系数,更全面、客观地反映了填土施工及自然沉降期不同时期的路基沉降情况。

(4)固结度对数配合法,选取了能够反映沉降趋势的3个沉降点,计算较为简单,前期预测数据与实测相差较大,后期却能够与实测曲线吻合程度很高。另外,固结度对数配合法对于三个时间点的选择要求很高。

以上三种预测方法均建立在实测数据之上,数据的真实性和精确性都会对各种方法的分析预测产生影响,因此在实际工作中,不能只选取某一种方法而排除其他,应根据具体情况,采用多种方法进行分析、比较,使之尽可能的预测工后沉降。

[1]周水兴、何兆益、邹毅松等编著.路桥施工计算手册．

[2]中华人民共和国交通部.JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范北京：人民交通出版社．

[3]施工技术规范 北京：人民交通出版社.