高速铁路沉降预测方法分析研究

2016-12-06赵萌

铁道勘察 2016年5期

关键词：双曲线实例监测点

赵萌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

高速铁路沉降预测方法分析研究

赵萌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

以某客运专线沉降评估为背景，选取较有代表性的监测断面，研究和对比各沉降预测分析方法的适用性。可以看出，双曲线法更适合于沉降前期与后期速率相差不大的实例；指数曲线法在一次性加载完成且沉降明显的情况下表现优越；Asaoka法适用于预测小波动的沉降曲线；三点法在沉降处于基本收敛的情况可靠性较高。各个沉降预测方法各有其优缺点，在不同的案例中计算结果各有差异，实际工作中应充分考虑地质条件、设计理念等，结合各种预测方法对比分析，以保证客运专线运营的平顺性。

沉降观测预测方法沉降评估双曲线法指数曲线法三点法

在高速铁路无砟轨道铺设条件评估中，沉降预测方法一般有三大类：第一类是根据现有规范推荐或分层总和法计算最终沉降，并通过计算固结度预测沉降，确定其发展规律，这是理论公式的方法。第二类也是基于固结理论，使用不同的本构模型，通过有限差分和有限元边界元法计算沉降，确定其发展规律，此为数值计算方法。第三类是观测数据回归分析方法，该方法是基于测量数据，通过回归分析预测沉降。由于各种各样的土壤和复杂的工程性质，随着外部环境的变化，其状态随时发生着重大变化，难以准确确定其中许多参数。因此，利用实测沉降数据进行沉降变形预测显得尤为重要，这类方法主要有遗传算法、曲线拟合法、神经网络法、灰色系统法等。对目前使用较为广泛的双曲线法、指数曲线法、Asaoka法、三点法等预测方法进行对比分析，研究各沉降预测方法的适用性。

1 沉降预测方法数学模型

1.1 双曲线法

双曲线法方程表达式为

(1)

(2)

式中St——时间t时的沉降量；

S0——初始沉降量(t=0)；

S∞——最终沉降量(t=∞)；

a、b——荷载稳定后的实测数据经过回归求得的系数。

双曲线法是假定沉降平均速率以双曲线式减少的经验推导，要求恒载开始后的沉降实测时间至少6个月以上。

1.2 指数曲线法

指数曲线法方程表达式为

(3)

式中St——时间t时的沉降量；

Sm——最终沉降量；

A、B——荷载稳定后的实测数据经过回归求得的系数。

指数曲线法和双曲线法简单实用，其前提是假定荷载是一次施加或实然施加的。

1.3 Asaoka算法

Asaoka算法方程表达式为

(4)

式中Sj——时间j时的沉降量；

Sj-1——时间j-1时的沉降量；

β0、β1——时间j、j-1时的参数。

Asaoka法由于选取的时间段不同，对应沉降差值不同，计算结果存在差异，因此该方法在沉降波动小的情况较为适用。

1.4 三点法

三点法方程表达式为

(5)

式中 St——时间t时的沉降量；

Sd——瞬时沉降量；

S∞——最终沉降量；

α、β——实测计算值或理论值。

为减少推算误差提高预测的精度，要求选取三点的时间间隔相等并且尽可能大，一般要求数据观测时间较长，取最后几个时间段的平均沉降值作为最终沉降值。

2 路基沉降预测实例分析

2.1 管桩基础路基

选取某客运专线DK105+840路基沉降板观测数据实例。本段为松软土地区，采用管桩加固，路基分层填筑，至2015年10月10日填筑完成；从2015年8月7日开始沉降观测，至2016年3月6日，共计213天。其沉降板沉降见图1，采用双曲线法、指数曲线法、Asaoka法、三点法四种预测方法进行计算，其对比结果见表1。

表1 DK105+840预测沉降结果对比

由图1及表1可以看出，测量数据波动较大，沉降暂未出现收敛状态，仍表现为下沉趋势，且前期与后期沉降速率相差不大，这较为符合双曲线法的特征。从计算结果来看，双曲线的各项数据明显优于其他三种方法，其相关系数、沉降发生量等均满足规范要求，且预测工后沉降量与实测曲线趋势相符，结果可靠性较强。

2.2 CFG桩基础路基

选取某客运专线DK319+825路基沉降监测板观测数据实例。本段为软土地基，采用CFG桩加固，路基分层填筑，至2015-10-15填筑完成；从2015年8月10日开始沉降观测，至2016年2月14日，共计188天。其沉降板沉降见图2，采用双曲线法、指数曲线法、Asaoka法、三点法四种预测方法进行计算，其对比结果见表2。

图2 DK319+825路基沉降板沉降

由图2及表2可以看出，测量数据波动较小，沉降明显趋于缓和状态，前期与后期沉降速率有较大差异。从数据上分析，双曲线法、Asaoka法均能满足相关系数、沉降发生量等指标要求，但Asaoka法在对比预测中差值较小，说明通过计算不同时期的沉降量得到的结果相差不大，结果可靠性较高，本例中优先选用Asaoka法。

表2 DK319+825预测沉降结果对比

在路基的沉降预测分析中，由于路基填筑是分阶段完成的，前期沉降较大，且随着分阶段的填筑，沉降也随之变化，这与指数曲线适用于一次性加载完成的理论不符，也与三点法需要基本收敛的沉降趋势要求有较大出入。从以上路基实例也可以看出，两种方法得出的结果欠佳，可靠性较差。

3 桥梁沉降预测实例分析

3.1 摩擦桩基础桥墩

选取某客运专线DK328+229墩身沉降监测点观测数据。本段为松软土地基，采用摩擦桩设计，至2014年10月8日架梁完成；从2014年8月17日开始沉降观测，至2015年9月13日，共计393天。其墩身监测点沉降见图3，采用双曲线法、指数曲线法、Asaoka法、三点法四种预测方法进行计算，其对比结果见表3。

图3 DK328+229墩身监测点沉降

表3 DK328+229预测沉降结果对比

由图3和表3可以看出，架梁的荷载为一次性完成，摩擦桩实例中可以很好的反应出这一特征：沉降在加载的作用下突然变化，随后沉降趋于缓和。在本例中指数曲线法显现出较大的优越性，相关系数远高于其他三种预测方法；Asaoka法并不适用于此类波动较大的实例，可以看出其计算结果指标较低；双曲线法、三点法虽然相关系数指标等同样满足规范要求，但就可靠性而言，应优先选用指数曲线法。

3.2 嵌岩柱桩基础桥墩

选取某客运专线DK359+421墩身沉降监测点观测数据。本段为溶岩地区，采用嵌岩柱桩设计，至2015年6月29日架梁完成；从2015年1月3日开始沉降观测，至2016年3月13日，共计436天。其墩身监测点沉降见图4，采用双曲线法、指数曲线法、