浅谈高速铁路桥梁桩基工后沉降组合预测研究

俞舒杰

摘要：高速铁路桥梁施工过程中，桩基础施工是一个十分重要的部分，桩基础施工质量对整个工程的稳定性和牢固性都有影响，在桩基础施工之后有可能会遇到沉降问题，本文对高速铁路桥梁桩基工后沉降的数据进行分析，得到了最优组合预测方法，为高速铁路合理铺设轨道时间的确定、工后沉降计算参考和利用提供一定的理论依据。

关键词：铁路桥梁；桩基施工；沉降组合预测

引言

随着交通事业的不断发展，高速铁路桥梁的建设变得越来越广泛，高速铁路桥梁具有一定的优势，比如快速、高舒适度、高安全性和高密度、连续运营等，因此在当前的交通建设过程中，高速铁路桥梁的建设变得越来越频繁。在高速铁路施工过程中最常见的一个问题就是桩基础施工后的沉降，桩基础沉降性状是桩-承台-地基土之间相互影响的综合结果，由于地基本身是一个复杂多变的系统，地基结构荷载水平、成樁工艺以及布桩方式等都会对桩基础施工后的沉降程度造成影响，针对桩基础施工后的沉降，要进行准确地预测，对工程的应用具有十分重要的预测意义。在某一阶段中，桩基的实际沉降可能是线弹性沉降、主固结沉降、蠕变沉降的耦合等，对于这些沉降的变化，可以采用一定的模型进行反映，从而对高速铁路桥梁的桩基础沉降问题有一定的了解，便于积极应对桩基沉降问题。

一、桩基沉降发展规律及机制分析

基桩以及承台可以组成群桩，群桩在竖向荷载的作用下会导致桩基的沉降，桩基的沉降主要包括三个部分，第一是桩身本身受到弹性压缩而出现变形，这种变形是由桩顶竖向荷载和桩侧摩阻力及桩端阻力共同作用产生的。第二是来自桩端土层的压缩变形，这种变形由桩端应力、桩身剪切应力、承台底反力等作用在桩端的平面上产生。第三是桩端的刺入变形，该变形是一种由桩端应力引起桩端土层明显的塑性形变。由于桩基础沉降主要是来自于这三个方面的原因，因此可以得出高速铁路桥梁桩基沉降发展规律和机制有以下几个方面。

第一，在桥墩的浇筑阶段，其荷载几乎是线性增加模式，这个阶段中的荷载一般比较小，桩基础在这个阶段中主要会出现线弹性沉降，主要是桩身弹性压缩和桩端平面以下地基土的压缩。第二，墩身浇注后至架梁前期间，该段时间内桩基础所受的外荷载作用比较恒定，在这个阶段中会出现主固结沉降。第三，梁体架设或现浇阶段中，如果采用预制梁进行施工，则在落梁后会产生由梁体自重引起的沉降，这种沉降类似于一种瞬时沉降，如果是采用的现浇梁进行施工，则由于荷载类似于线性增加，因此沉降也可近似随荷载增加而增大。这一个阶段中的主要的变形是桩身的压缩弹性变形、装平面以下土壤的整体压缩变形。第四，架梁（现浇）梁后至铺设轨道工程前，桩基础如果有恒定的外荷载，则其主固结沉降程度会不断加深。第五，无碴轨道结构铺设期间，随着工程的各个结构的施工不断深入推进，其荷载会表现出一种线性增加的状态，这个阶段的沉降主要包括弹性沉降、主固结沉降，但是这个阶段的沉降相对较慢一些。第六，当工程施工结束在运营的过程中，其荷载主要是来自于交通运营过程中的荷载，当前的研究结果表明，列车的荷载不会出现累计沉降，主固结的沉降基本在该阶段中结束，不会再次出现主固结沉降，这个阶段中的沉降主要是蠕变沉降。

桥梁桩基荷载-沉降-时间曲线示意图

在沉降的预测过程中常用的方法有以上级中，在进行沉降预测的过程中，需要遵循一定的原则，第一，要对实测的沉降-时间数据进行整理和分析，对一些比较异常的预测值进行剔除。第二，采用双曲线模型、指数模型、非等步长变系数灰色模型等对沉降的预测值进行确定。

二、高速铁路桥梁常用的桩基沉降组合预测模型

（一）数学规划法

组合预测法的预测值序列 与实际观测值序列S （t）的相关系数R是各种单项预测方法加权系数 的函数，可以将其记为 ，则可以得到 其中，

表示第 i 种预测方法预测值对其算术平均数在第t 时刻的离差。

表示实际观测值对其算术平均数在第t时刻所得到的的离差。

和 都是分别对应的算术平均数。

是组合预测加权系数的列向量。

从相关系数角度来说， 的值越大越好，如果越大，则说明组合预测的方法的有效性更高，当组合预测值序列与实际观测值序列完全相同时，其相关系数就是1，也就是达到了最大值。由于权系数 是大于等于0，因此预测的问题就转化为用规划方法求解非负权重组合预测模型，即

根据上述公式可以得到最优权重系数， ，由此可以得到 期的组合预测值为 。

（二）相关系数法

前一种组合模型的最优权重的求解主要是利用数学规划的方法进行求解，其理论性比较强，计算的过程也比较复杂，因此在计算过程中存在一些问题，基于相关系数 的预测方法也是一种重要的权重确定方法，这种方法的基本思想是在预测精度较高的基础上完成权重确定的，即相关系数越大，可以赋予其较大的权重，赋予较大的权重。假设第i 种单项预测方法的预测值序列 与与实际观测值组合的序列 之间的相关系数为 ，则

由此可以得到权重系数为：

（三）方差倒数法

利用方差倒数法进行加权的基本思想是利用预测精度较高，即预测误差平方和较小的方法赋予预测模型较大的权重。这种权重求解的方法概念比较清晰，计算比较简便，单项预测的方法的权重系数 可以由下列公式进行确定，

其中， 为第 i 个预测方法的误差平方和， 。

（四）基于拟合误差的组合预测

基于拟合误差的组合预测方法是以拟合误差为统计量，以常用的最小二乘法的准则、最小一乘法的准确以及极小和极大化准则构成的目标函数，这种目标函数求解的方法的计算比较简便，得到的结果也比较准确。以常用的最小二乘方进行分析。

假设 是第 t 期的实际观测值，其中 是第 i 种预测方法在第 t 期的具体的预测值， 为单项预测方法的加权系数，而且满足下面的关系式： ，其中， 的值大于等于0，由此可以得到变权重组合预测模型： 。该公式中， 表示变权组合预测模型在第 t 期的预测值，因此，将预测的问题转变成为最佳变权重的确定。基于最小二乘法可以得到变权系数 在最佳的状态下可以使得误差平方和J的值达到最小，其中 ， ，

，权系数 是大于等于0的，并且满足条件 ，因此预测问题就可以转化为用规划方法求解非负权重组合预测模型，即

根据 可以得到第 t = N+ 1期各预测模型对应的权重系数 ，由此可以得到第 t = N+ 1期的组合预测值 ，

结语

高速铁路桥梁在建设过程中往往会出现桩基础施工之后的沉降，对于桩基础施工而言，由于其在不同的阶段会出现不同的沉降，因此在分析的过程中要采用不同的模型对沉降进行预测，以便能够采取相应的措施对沉降进行预防。

参考文献

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