王子昂,王武斌, 2,苏谦,付伟庆,吴浩,肖玉林
新建铁路大临线临沧站站场路基沉降评估分析
王子昂1,王武斌1, 2,苏谦1,付伟庆3,吴浩3,肖玉林3
(1. 西南交通大学 土木工程学院,四川 成都 610031;2. 陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室,四川 成都 611756;3. 中铁二十四局集团 新余工程有限公司,江西 新余 338000)
为探索施工期站场路基沉降规律,以临沧站为例建立现场监测段,采用曲线拟合法对路基沉降值进行预测,确定适合该地区的沉降预测手段;并对施工期高填方路基内部应力特征及路基沉降特征进行总结分析;依据相关国家规范,制定针对施工期站场路基质量的评估体系。研究结果表明:三点法和指数曲线法对该地区沉降预测适应性较好,误差在±1%之内,而采用双曲线法所得计算值普遍偏大;路基内部土压力随着填土高度的增加而增大,填土结束后土压力值逐步趋于稳定;路基累计沉降与施工填土工况直接相关,且最大沉降速率发生在施工填土初期;依据施工期路基质量评估准则,该段铁路路基施工工艺及施工质量符合要求,路基沉降发展安全可控。研究成果对铁路施工期路基沉降预测及路基质量评估具有重要参考意义。
路基沉降监测;曲线拟合;沉降预测;临沧车站站场;新建铁路施工
随着我国列车运行速度的提升,对线路的平顺性要求越来越高[1]。路基作为线路结构的一部分,主要承受上部轨道结构自重及列车行车荷载。在上部荷载的作用下,路基沉降过大势必会影响线路的平顺性,从而降低列车出行的舒适性以及铁路使用年限[2−6]。因此,在施工期间进行路基沉降监测,预测沉降发展趋势,提出合适的沉降计算方法,可有效提高线路建设期的沉降控制水平,从而更好保障运营期线路的平顺性,对铁路交通的安全运营意义重大[7−9]。针对沉降计算方法,国内外众多学者进行了大量研究[8, 10−11]。目前,地基沉降预测主要有2种方法:1) 基于本构模型的理论计算法; 2) 基于分层理论的简化计算方法,即分层总和法。其中,数值理论计算法的求解精度受所选取计算模型、边界条件、初始条件及地质参数的影响较大,而实际工程中上述参数选取的精度有限;分层总和法原理较为简单,但由于其并未考虑土体侧向变形对沉降的影响,因此计算精度往往也较难满足要求[12]。一般而言,在铁路建设工程中大多利用现场监测数据绘制沉降—时间曲线,根据所选取曲线拟合方法的不同,求解出不同的计算参数得出相应预测方程,进而对不同时刻的地基沉降值进行预 测[12]。曲线拟合法作为铁路工程中路基沉降预测的计算方法之一,近年来已经得到了较大发展。例如,针对传统曲线拟合法只能预测恒载条件下路基沉降的弊端,宋绪国等[13]提出修正指数曲线法和修正双曲线法,将沉降预测推广到了逐级加载的工况,较好解决了上述问题。吕秀杰[8]基于对已有沉降预测曲线特性的分析提出沉降速率与沉降半立方非线性关系的预测模型,计算结果基本处于双曲线与指数曲线计算值之间,符合精度更高。考虑到不同算法的侧重点不同,为提高沉降预测结果的准确性,近年来部分学者开始考虑将几种算法结合起来联合使用,并取得了一定进展[7, 14]。例如,陈善雄 等[7]结合三点法和指数曲线法思想,提出了三点修正指数曲线模型,通过规避数据波动的不利影响,从而提高计算结果稳定性。然而,不同地区地基沉降变形特点不同,上述各类曲线拟合法作为经验公式在应用上仍不能摆脱其特定的适用范围[1]。因此针对不同地区,仍然需要根据区域内沉降数据质量特点合理选择相应的预测方法进行分析。针对上述问题,本文建立现场监测试验段,利用曲线拟合法对路基沉降进行预测,通过方程比选及可靠性验证确定了适合该地区的沉降预测手段;依据监测数据对施工期高填方路基内部应力及沉降特征进行总结,并结合制定的施工期路基质量评估体系,对临沧站站场路基进行质量评价。研究成果可为铁路工程建设施工期路基质量评估提供理论参考,并为临沧站工程及将来类似工程的施工提供更好指导。
新建铁路大理至临沧线地处云南省西南部,设计时速160 km/h,为Ⅰ级单线电气化客货共线铁路,横穿哀牢山,跨越澜沧江等诸多山系水系,建成后对连接孟定清水河口岸和中老国际铁路玉磨段将发挥区域干线作用[15],见图1。临沧车站位于大临线工段尾部,地处临翔区忙畔街道文伟村,占地约1 250亩,临沧站工程含高边坡工点4处,累计长度1 310 m,最高边坡达52 m,路基工程挖方、填方数量巨大。
图1 大临线线路及研究区位置
临翔境内地势北高南低,地处太平洋与印度洋两大水系的地理分水线上,干湿季节分明,雨量充沛。站场工程范围内,地表上覆第四系全新统坡残积粉质黏土、细角砾土及淤泥质土,下伏基岩为三叠系中统忙怀组上段凝灰岩、板岩夹石英斑岩及硅质岩等;地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水,受地形地貌影响,水文条件较为复杂。
在工程建设过程中,针对路基沉降预测常用曲线拟合法(即双曲线法、三点法和指数曲线法等)进行计算[16]。根据太沙基固结理论可知,孔隙水压力值随时间呈指数曲线形式分布,因此针对线弹性土体的压缩过程,理论上也应符合上述关系;而对于高压缩性软黏土等非线弹性土体,上述方法不再适用,此时便可考虑采取双曲线法进行分析。
双曲线法基本方程如下[16]:
式中:S为时刻时的沉降量;,为回归系数;0为初始沉降量(=0)。
将式(1)进行等效变换,并以为横坐标,以/(S−0)为纵坐标建立坐标平面(记路基填筑完成时刻沉降为0),即可得到一条直线方程,斜率即为。将其代入式(1)即可得到地基沉降预测方程。
三点法基本方程如下[16]:
式中:S为瞬时沉降量;S为最终沉降量;,为系数。
在沉降—时间关系曲线上,取最大恒载段内且满足3−2=2−1的3点(1,1), (2,2), (3,3), 将上述3点代入式(2)中,联立得:
一般可采用理论值或实测资料计算,本文取8/π2,将以上参数代入式(2),即可计算任意时刻的地基沉降量。
在工程沉降指数曲线预测模型中,指数曲线法常用其经验公式表示为[16]:
取0=1,得:
联立式(7)和式(8)得:
将式(9)和式(10)代入式(6),即可计算任意时刻的地基沉降量。
针对施工期间现场路基沉降位移监测,本文在临沧站所用监测仪器主要包括静力水准仪、全站仪、位移观测桩等。其中,静力水准仪主要用于对各种过渡段线形沉降、结构物之间的沉降差异进行监测,沉降监测原理如图2所示。
图2 沉降监测原理示意图
本文在临沧站站场研究区域选定4个工点(DK207+383,DK207+473,DK208+287.4和DK208+ 463)盖板涵,涵洞两侧与涵顶相同高程的路基填方上设土压力盒及沉降自动监测设备(含水塔、连通水管、静力水准仪)。自动沉降观测系统代表性涵洞断面,如图3所示。
图3 自动沉降观测系统代表性涵洞断面
本文于2018年4月20日起利用静力水准仪进行路基沉降自动监测,监测数据截至2019年3月31日,累计观测345 d。下文以监测工点DK208+463处预测方程的求解为例,对施工期路基沉降预测进行说明。
针对S4-1测点,选取0=270,0=48.25 mm, 采用沉降观测第270~345 d内部分监测数据建立拟合方程,详细数据见表1。
表1 相关沉降观测数据
根据表1数据,以(−0)/(S−0)为纵坐标,以(0)为横坐标,绘制关系曲线,如图4所示。
图4 拟合方程参数求解
拟合方程为=0.118 0+ 6.805 3,故可得相应双曲线预测方程为:
计算得345 d路基累计沉降为55.51 mm,相对误差3.9%。采用上述方法,汇总各测点相关信息于表2。
表2 DK208+463工点各测点路基沉降预测值
根据表2可知,计算值与实际观测值相对误差均在5% 左右且计算值相对偏大,即计算结果相对保守。
选取(270, 48.25), (300, 50.91), (330, 52.68)3点,代入式(2)联立得∞=56.22 mm,故可得S4-1测点任意时刻的沉降预测方程为:
预测方程中的−262.83 mm物理意义本为0.81倍的瞬时沉降。在该方程中所得结果为负值,其原因是:在监测初期数据波动较大,该预测方程在此时并不适用。计算得345 d路基累计沉降为53.33 mm,相对误差为−0.21%。采用上述方法,汇总各测点相关信息于表3。
表3 DK208+463工点各测点路基沉降预测值
根据表3可知,利用三点法所得路基沉降计算值通常略小于实测值,且误差范围均在± 0.5%之内。总体而言,预测结果与实际观测结果符合较好。
选取(270, 48.25), (300, 50.91), (330, 52.68)3点代入计算,可得=64.64,∞=55.42 mm,故可得S4-1测点任意时刻的沉降预测方程为:
西方文明方面。新航路开辟之后,大批中世纪的欧洲强国前往世界各地“淘金”,以不同的方式在世界各地开辟殖民地,这其中就包括东南亚地区。当时在东南亚、南亚建立殖民地的西方强国有英国、法国、西班牙和葡萄牙。这些国家把一些生活方式带入了当地,改变了原著居民的生活方式。此外,之后以美国为首的国家也在此进行了大量的活动,对当地也形成了一定的影响。这种西方文明对泛北部湾地区文明的影响不容忽视。
计算得345 d路基累计沉降为53.17 mm,相对误差为−0.50%。汇总各测点相关信息,如表4所示。
表4 DK208+463工点各测点路基沉降预测值
根据表4计算结果可知,利用指数曲线法计算所得沉降值通常略小于实测值,且该法计算所得预测值相较于双曲线法和三点法偏小,但误差均在±1.0%之内。总体而言,预测结果与实际观测结果符合较好。
3.4.1 预测方程比选
以DK208+463工点为例,针对第345 d的观测数据分别利用双曲线法、三点法和指数曲线法进行计算,绘制计算值相对于实测值的误差分析表,如表5所示。
根据表5可知,三点法在临沧站站场路基沉降预测中适应性最好;其次为指数曲线法;最后为双曲线法,其预测值与实测值相比普遍偏大,适合保守型决策。分析上述现象原因,认为由于双曲线法假设沉降速率随时间以双曲线形式减小,而受当地土体性质、水文等影响,假设不一定严格满足。
3.4.2 可靠性验证
本文初步建议采用三点法和指数曲线法进行路基沉降预测。为排除偶然数据因素影响,分别利用三点法及指数曲线法对各测点第270~345 d的路基沉降值进行计算,并绘制对比曲线(限于篇幅,本文仅列出S4-1测点和S4-2测点处的对比曲线),见 图5。
表5 沉降预测误差分析
(a) S4-1测点—三点法;(b) S4-1测点—指数曲线法;(c) S4-2测点—三点法;(d) S4-2测点—指数曲线法
通过计算,路基沉降计算值与实测值相关系数均大于0.98,满足规范要求。结合图5可知,计算值与实测值符合程度较好;实测沉降值大致呈现线性增长趋势,但随着时间的推移沉降速率越来越小,主要原因为该地区每年5月至11月为雨季,导致地下水位升高,在雨季之后随着地下水位的降低及土体孔隙水逐渐排出,路基会产生一定的沉降,因此在第270~320 d(1月份至2月份)沉降速率相对较大,第320~345 d沉降趋于平缓。综上所述,可将三点法和指数曲线法应用于该地区施工期路基沉降预测。
图6 土压力盒工作原理图
以DK207+473涵洞处实测数据为例,绘制路基横断面竖向应力随时间的变化曲线,见图7。
根据图7可知,随着分层填筑的进行路基填土高度逐渐增加,路基内部土压力逐渐增大,填土结束后土压力值趋于稳定。在同一水平高度上,路基内部涵顶中心所受土压力相较于涵洞外侧所受土压力较大。
针对上述情形,分析认为其主要原因是涵洞结构的刚度远大于涵洞上方两侧土体的刚度,由于两者之间的刚度差异使得涵洞上方两侧土体的沉降量大于涵洞上方土体的压缩量,在同一高度平面上产生了差异沉降,导致涵洞外侧土层对涵洞顶处土体有一个向下的拖拽力,相应的涵洞外侧土体同时受到向上的拖拽力。因此,在这种情况下,涵洞外侧竖向应力要小于其上土体的自重应力,而涵洞顶处由于受到额外的附加应力,其竖向应力要大于自重应力[17]。
图7 实测路基横断面竖向应力−时间曲线
在临沧站通过使用电子水准仪、全站仪定位测量沉降板对站场路基进行沉降人工监测,绘制路基累计沉降以及施工填土高度随时间的变化曲线,如图8所示。
根据图8可知,施工期路基累计沉降与施工填土工况(填土高度、速率等)直接相关。在施工填土初期,路基累计沉降直接受到路基填土高度影响,沉降变形趋势与填土工况保持高度一致,且无明显滞后现象;在恒定堆载初期,路基沉降速率基本保持不变;在恒定堆载后期,随着时间发展沉降速率逐步减小,路基累计沉降逐步趋于平缓;在路基分层填土后期,填土荷载的突变对路基累计沉降的影响相对较小,沉降变形平缓发展。
经分析,主要原因为路基填筑初期,路基在填土荷载作用下产生“瞬时沉降”,沉降速率相对较大;该区域地下水类型主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水,随着不断加载,土体内孔隙水被逐渐排出,路基产生固结沉降,土骨架得到进一步压缩,沉降速率逐渐减小;最后,随着时间推移,路基沉降速率进一步降低,路基累计沉降量逐步趋于平稳。
在临沧站通过使用静力水准仪与配套无线智能化采集仪,对涵洞周边高填方路基进行沉降自动监测。以涵洞断面里程DK208+463处监测工点为例,绘制日沉降量随时间的变化曲线,如图9所示。
(a) DK206+376(2018−04−01~2019−03−30);(b) DK206+386(2017−12−26~2019−03−30)
图8 实测沉降−时间曲线
Fig.8 Measured settlement-time curves
(a) K0+080左日沉降速率(2018−04−20~2019−03−31);(b) K0+292日沉降速率(2018−04−20~2019−03−31)
根据图9可知,在本文施工工况下,临沧站高填方路基最大日沉降速率发生在填土初期。随着时间推移,沉降速率逐步趋于平缓(在分层填土过程中,会有些许波动),整体发展趋势与前文分析一致。
路基作为一种结构物处在开放的自然环境之中,不断地与外界进行相互作用,随着时间推移,其物理力学状态与最初设计时往往会发生较大变化。而在施工期间通过路基沉降监测,提升施工质量是降低路基灾害损失的有效途径,因此制定相应评估方法对路基状态作出定性评价,对保证铁路的安全运营意义重大。
图10 DK206+300工点实测位移观测桩位移−时间曲线(2017−04−11~2019−03−30)
在铁路投入运营之前,其受力状态相对较为简单。路基质量状态的优劣程度由路基填筑期间的施工质量直接决定。本文结合相关规范测量要求[18],选取填筑期间路基竖向沉降速率、坡脚水平位移速率及路基沉降状态等级为指标制定评估准则,见表6和表7。
表6 路基沉降状态分级
依据现场监测数据,得知填筑期间路基竖向最大沉降速率为7.60 mm/d,坡脚水平位移最大速率为3.16 mm/d,即上述施工工艺达到了合格的标准。利用三点法预测方程进行相关沉降求解,以上述工点2019年10月份(不影响后续施工进度)的计算值进行分析,汇总相关参数见表8。
表7 施工期路基质量评估准则
注:路基质量等级依上述指标中的最低值划分。
表8 沉降状态分级相关参数
结合上述相关数据及施工期路基质量评估准则,分析认为该段铁路路基施工质量符合要求,路基沉降发展安全可控。
1) 三点法和指数曲线法为适合该地区沉降预测的手段,相对误差均在±1%之内,而双曲线法计算结果普遍偏大,适合保守型决策。
2) 在高填方路基填筑期间,随着填土高度增加路基内部土压力逐渐增大,在同一水平高度上,路基内部涵顶中心所受土压力相较于涵洞外侧所受土压力较大。
3) 由于土体应力状态的改变及地下水条件的影响,施工期路基累计沉降与施工填土工况直接相关,且在路基填筑初期影响最为明显。
4) 选取适当指标,制定了施工期路基质量评估准则。依据评估准则认定路基沉降发展趋势安全,质量合格,为铁路建设及后序施工提供理论参考。
5) 本文提出的路基质量评价体系仅适用于施工期间,对于线路投入运营后的路基质量评估尚未进行研究。为更好地对服役期间路基的维护保养提供理论依据和判识标准,下一步仍需进行更深层次的探索。
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Evaluation and analysis of station subgrade settlement in Lincang station of newly built Dali-Lincang railway
WANG Zi’ang1, WANG Wubin1, 2, SU Qian1, FU Weiqing3, WU Hao3, XIAO Yulin3
(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. National Engineering Laboratory for Technology of Geological Disaster Prevention in Land Transportation, Chengdu 611756, China;3. China Railway 24th Bureau Group Xinyu Engineering Co. Ltd, Xinyu 338000, China)
In order to explore the subgrade settlement characteristics during construction period of station yard, the subgrade field monitoring section of Lincang was established and the settlement of subgrade was predicted by curve fitting method. The settlement prediction method suitable for the area was determined. The internal stress characteristics and settlement characteristics of high-fill subgrade during construction were summarized. According to the relevant national standards, the method of subgrade quality evaluation during construction was put forward. The results show that the three-point method and exponential curve method have good adaptability tothe prediction of settlement in this area, and the error is within ±1%, while the calculated value obtained by using hyperbolic method is generally larger than the measured value. The soil pressure inside the subgrade keeps agrowth trend with the increase of filling height, and the soil pressure value gradually tends to be stable after the completion of subgrade filling. The accumulated settlement of subgrade is directly related to the construction conditions, and the maximum subgrade settlement rate occurs in the early stage of construction filling. According to the subgrade quality evaluation criteria during the construction period, it is concluded that the construction technology and construction quality of the subgrade meet the requirements, and the subgrade settlement development trend of this section is safe. This study has important reference significance for the prediction of subgrade settlement and the evaluation of subgrade quality during railway construction period.
settlement monitoring of subgrade; curve fitting; settlement prediction; station yard of Lincang Railway Station; newly built railway construction
10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190852
TU413.6+2
A
1672 − 7029(2020)07 − 1688 − 11
2019−09−21
国家自然科学基金资助项目(51578467);中铁二十四局集团新余工程有限公司科研资助项目(2018H01218)
苏谦(1972−),男,山西运城人,教授,博士,从事道路与铁道工程研究工作;E−mail:suqian@126.com
(编辑 涂鹏)