路基沉降预测分析

路基沉降预测分析（精选9篇）

路基沉降预测分析 篇1

摘要：在许多工程实践中, 路基沉降值的测定是关键的施工步序, 但是路基沉降的理论计算值与实际测量值之间存在一定的误差。影响路基沉降的因素很多, 本文对这些因素进行了详细分析, 同时针对这些影响因素对理论计算公式进行改进, 提出了根据路基的初始沉降对其沉降规律进行预测的技术, 系统介绍了路基沉降的预测方法, 结合工程实例重点介绍了曲线拟合方法在路基沉降预测中的应用。

关键词：路基沉降,沉降监测,曲线拟合,沉降预测

0 引言

路基沉降的理论计算方法很多, 每种方法的计算结果不同, 同时影响路基沉降实际值的因素较多, 这就使得理论值与实际值之间偏差较大。本文在详细论述路基沉降理论计算方法、影响因素和实际测量的基础上, 采用国际上三大统计分析软件之一的SPSS11.5进行数据统计分析与拟合, 来对路基最终沉降量进行预测[1]。

1 路基沉降计算影响因素分析

影响路基沉降的不确定性因素较多, 这就严重影响了路基沉降理论计算的精确度。主要体现在计算模型的不确定性, 荷载取值的不确定性, 力学参数的不确定性, 几何尺寸的不确定性, 初始状态和边界条件的不确定性等。

1.1 计算模型的不确定性

很多文献[2]都详细分析了计算模型的问题, 由于各种模型的侧重点不同, 所以任何一个模型都不能完全反映实际情况。针对不同的填土, 根据其通常的力学参数已经提出了许多本构模型和屈服准则。不同本构模型的计算结果差异很大。

同时, 计算机计算与实际状况之间存在矛盾的地方, 比如, 当为了得到更准确的计算结果而将模型设置的更能全面的反应土的性质, 此时本构关系可能会相当复杂, 这对计算机的性能要求就更高, 数值计算就非常繁琐, 在实际工程中很难应用。计算模型的不确定性与土粒粒度、成分和土体结构有关, 同时也和它所受外力的种类和方向、周围环境、地下水的变化等因素有关[3]。

1.2 作用荷载的不确定性

对于高速公路来说, 荷载主要包括施工荷载、土体结构自重和车辆荷载。路基的沉降规律与荷载的施加方式及荷载大小有很大关系, 加载方式不同、荷载大小不同、加载速率不同, 路基的沉降规律就不同。

路基的初期沉降主要受加载速率的影响。当路基填筑速率较小时, 土体中的孔隙水压力有足够的时间进行消散和降低, 此时路基的沉降会随着逐渐增大的填土荷载而逐渐增大。反之, 当施工填筑速率过快, 土中孔隙水压力不能完全消散, 土体不能完全固结, 这种情况下后期沉降将会很大。

对由于车辆荷载引起的路基沉降, 一般将其转换为静载。路基在车辆荷载作用下引起的累积变形可以分为两部分:在可变荷载作用下土体中的残余应变引起的变形和土体中由于可变荷载引起的孔压消散产生的固结变形。正确估算道路构筑物在可变荷载作用下的沉降, 对实际工程具有重要的现实意义[4]。

1.3 路基填料参数的不确定性

不同的施工地点, 不同的施工环境, 不同的施工方法下路基填料的参数都不同。数值计算的参数确定只能依靠大量的数据统计结合现状土的实验室测试结果。路基沉降数值计算的精度很大一部分取决于土体参数统计分析的精度。这些参数包括容重, 弹性模量, 泊松比以及强度, 内摩擦角等。Cambo通过研究发现, 泊松比的变化对数值计算的结果影响不大, 且泊松比统计分析的变异性很小。但弹性模量与强度系数的变化范围较大, 对数值计算的影响是显著的。

与此同时, 路基沉降呈现一定的整体性, 受一定范围内路基填土整体的特性影响, 但是填土的特性在整体范围内又呈现出明显的空间差异, 不同位置处的土体的特性各不相同。因此, 土体材料参数通常需采用随机场模型加以模拟。但在地基沉降未能全面实现概率分析以前, 基于参数的反演分析方法亦是解决参数不确定性问题的较好途径。

1.4 路基几何尺寸的不确定性

数值计算不能对整个施工环境进行模拟, 只能取关键部位及相应的扩大范围进行计算, 这就涉及到模型几何尺寸的问题。目前对这一方面的研究较少, 主要侧重于路基范围内各土层厚度的影响。

1.5 初始条件和边界条件的不确定性

模型大小限制了对土体边界的正常模拟, 只能根据数值计算的要求、结果输出的要求、土体的力学参数进行近似模拟。需要考虑的因素主要包括:土体力学参数、数值计算的模型要求等。

2 路基沉降预测方法

由此可见, 影响路基沉降的因素很多, 如何在施工过程中正确的对路基沉降进行预测显得尤为重要。目前主要采用以路基沉降监测为主, 辅以在监测数据上的沉降预测。

采用科学合理的路基沉降预测方法, 有助于准确地预测路基最终沉降, 为施工过程的安全保证提供数据支持。根据实测资料来推测最终沉降量, 目前归纳起来, 主要有4类方法:曲线拟合法、灰色系统法、BP神经网络法和遗传算法。

2.1 曲线拟合法

该方法是基于原始测量数据, 根据各个数据的大小对数据曲线进行近似的拟合。

2.2 灰色系统法

该方法的基本理论是对一组有序的数据进行累计, 重新得到一组数据, 通过对这组数据采取适当的方式进行逼近, 得到一条预测曲线。

2.3 人工神经网络法

该方法主要针对不能用传统的数学表达式进行函数表达的一些数据, 将其用高维的非线性映射来表达。

2.4 遗传算法

遗传算法是全新计算方法。它处理的不是数据, 而是编码。它将模型参数进行编码, 基于遗传理论对编码进行统计分析。同样对高度非线性数据的处理有明显的优势。

在实际工程中, 对路基沉降预测而言。鉴于曲线拟合方法的原理简单, 容易掌握, 结果直观等优点而被广泛采用。

3 曲线拟合法预测工后沉降

3.1 观测断面的设置

某公路路基为填方路堤。填土材料为粘性土。填土高度达到5m。路堤边坡为双坡, 分别为1:1.5、1:1.75.路面横坡坡度为2.0%。为保证填方路堤和坡面稳定, 在路中线和两侧路肩打入沉降板, 在两侧坡脚部位打边桩, 沉降板和边桩的材料均为钢筋混凝土材料。如图1所示。

3.2 典型断面沉降曲线拟合与预测

本论文仅对该断面的某一个监测点进行分析预测。目前可以采用多种软件和工具对数据进行曲线拟合, 而被广泛应用且经证明具有很高的实用价值和准确程度的是SPSS。图2便是利用此软件对数据进行曲线拟合的结果。

从图2可以看出, 四条拟合曲线都基本能够反映实际曲线的变化趋势。对数、二次多项式、三次多项式的拟合曲线更接近于实际曲线, 根据数据显示, 对数、二次多项式、三次多项式的相关系数均大于0.95, 相关程度已经非常接近于1, 说明采用该曲线拟合是比较合理的。

将根据拟合的多项式方程对后期沉降的预测值与后期实际沉降值进行对比, 差值在误差允许范围内。说明预测结果具有一定参考价值。

4 结语

路基沉降是道路工程中的重点监测对象, 如何做好路基沉降的预测, 及时采取措施对路基沉降进行处理, 对加快施工进度, 保证施工质量, 确保施工安全具有重要的意义。本论文介绍了几种预测方法, 并针对具体工程采用曲线拟合方法进行了预测。结果显示曲线拟合的预测误差在允许范围之内, 预测结果具有一定的参考价值。

参考文献

[1]冯胜洋, 魏丽敏, 郭志广.基于最小二乘支持向量机的高速铁路路基沉降预测[J].中国铁道科学, 2012, 33 (6) :6-10.

[2]张建明, 刘端, 齐吉琳.青藏铁路冻土路基沉降变形预测[J].中国铁道科学, 2007, 28 (3) :12-17.

[3]单珂.高速公路路基沉降影响因素的研究[J].内蒙古民族大学学报, 2012, 27 (1) :37-40.

[4]王光勇.武广客运专线路基沉降监测系统与沉降预测[J].铁道工程学报, 2009, 128:5-7.

路基沉降预测分析 篇2

路基施工期沉降计算分析

施工过程中路基的沉降是由于土体的压缩变形、塑性变形以及固结沉降等引起的.,针对不同的土质条件和施工条件,应采用不同的分析方法.现行基于弹性理论的计算方法用于施工期沉降的计算不尽合理,而尝试采用数值模拟的方法来计算施工期沉降,得到的结果与实测值较为吻合.

作 者：刘钢 杨有海 熊宁 LIU Gang YANG You-hai XIONG Ning 作者单位：兰州交通大学土木工程学院,甘肃,兰州,730070刊 名：交通标准化英文刊名：COMMUNICATIONS STANDARDIZATION年，卷(期)：“”(5)分类号：U213.157关键词：路基施工期沉降 瞬时沉降 数值模拟

路基沉降预测分析 篇3

高速铁路对平顺性和稳定性要求非常高,因而对路基工后沉降变形提出了严格的要求[1,2],即路基的工后沉降量<15mm。因此,有效预测高速铁路工程沉降量是高速铁路无砟轨道铺设的关键[3]。

目前,预测路基沉降量的方法主要有3类,即:经典的分层总和法(或规范推荐的方法)、数值计算法和曲线拟合法。经典的分层总和法或规范推荐的方法没有考虑土体的侧向变形,数值计算法计算量大,这两类方法需要用到的计算参数必须通过室内单向固结试验和三轴试验获得,而取样过程中产生的土体扰动可能会导致计算参数难以准确测定。曲线拟合法由于充分利用现场实测数据,操作简单易行,往往能得到比较满意的效果[4]。

用于路基沉降预测的曲线拟合法有很多种,其中指数曲线法是沉降评估回归计算与预测[5]最常用的方法之一,很多人对此种曲线模型展开研究[6~9]并推广应用[10,11]但是通过理论和实测数据分析发现,常规指数曲线法不能直接适应高速铁路路基沉降量级小,实测数据存在起伏波动的特点。本文利用泰勒展开式修正常规指数曲线法,建立泰勒展开式修正指数曲线模型,并分析其特性,进而利用现场实测数据验证其适用性,对时间点和实测数据的选择给出合理建议。

2 修正常规指数曲线法的原因

2.1 常规指数曲线法

指数曲线法的基本方程为

式中,S0为t0时刻的沉降量;St为t时刻的沉降量;S∞为最终沉降量;η为待定常数。

对式(1)进行变换可得,

取xt=tm,由实测的和tm的拟合直线,求得截距和斜率-η1,联立解得和最终沉降量S∞,并可利用式(1)求得任意时间的沉降量。

2.2 修正原因

对于高速铁路客运专线沉降观测数据而言,整体变形量小,观测数据不可避免的存在起伏波动的情况,即可能出现后一个时间点的沉降观测值小于或者等于前一个时间点的沉降观测值,也即可能出现式(2)中ΔS≤0的情况,式(2)将无法进行计算。因此,常规指数曲线法不能直接适应铁路客运专线沉降小,实测数据存在起伏波动的特点。因此,有必要对常规指数曲线法进行修正,以适应观测数据起伏波动的情况。常见的修正方法是三点修正法,这种方法只取观测数据的三个点,大量的现场观测数据会得不到利用,而且选点也会受人为因素的影响。

3 泰勒展开式修正指数曲线法

3.1 修正模型建立

在指数曲线法的基本方程,即式(1)中取t1、t2时刻的沉降量S1、S2,即

式(3)中的上下两式相减得,

根据ex的泰勒展开式

在式(4)中,取泰勒展开式的前三项得,

将式(6)代入式(4),则式(4)变为

由实测的的拟合直线,利用线性回归函数求得截距α和斜率β,联立解得η和最终沉降量S∞。

将式(9)代入式(1),即可求得任意时刻的沉降量。

3.2 修正模型理论分析

对于泰勒展开式修正指数曲线法,当出现观测数据起伏波动的情况,即式(7)中ΔS≤0的情况时,式(7)将仍然能够继续进行计算,而且模型可采用沉降趋于稳定后的几乎所有观测据,从而可以反映全过程沉降量与时间的关系。

4 模型误差分析

在模型推导的过程中,即由式(4)到式(7)的过程中只取了泰勒展开式的前三项,这种近似处理不可避免地会带来误差。取t/η为变量,泰勒展开式的精确值为,前三项的和为近似值,相对误差(见表1)。

由表1可知,要使相对误差越小,则要求t/η越小,而当t过小时,选取的数据组数又太少。因此,在实际计算中,使用数据量从多到少,做多次回归分析,选择t/η最小的作为拟合输出的结果,这样就能保证拟合的精度。

5 模型验证

5.1 高速铁路沉降量级小,数据起伏波动的情况

以某高速铁路路基断面观测数据为例进行计算分析。选择路基填筑完成时间2009年8月30日为拟合时间起点,初期沉降量S0=10.83mm,沉降拟合结果见表2,其拟合曲线见图1。

由表2、图1可知:

1)常规指数曲线法不能直接进行预测,而泰勒展开式修正指数曲线法可以进行预测。

2)泰勒展开式修正指数曲线法拟合预报曲线与实测曲线基本吻合,沉降比>75%,相关系数>0.92,误差平方和较小,满足《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南》关于路基沉降预测采用曲线回归法的要求。

5.2 拟合关键点

1)时间起点的选择。路基沉降一般会经历发生、发展、稳定和极限四个阶段,在沉降与时间曲线上发展和稳定阶段之间存在一个拐点,即工后沉降起点。因此,时间起点应选择拐点以后的数据,取填土完成时的日期作为时间起点,也可根据沉降与时间曲线做一些适当的调整。

2)避免沉降与时间曲线上的跳跃点。虽然,对于高速铁路路基来说,沉降观测数据不可避免地会存在起伏波动的情况,但是沉降曲线上下波动应该控制在一定的范围[11],对于超出范围的大幅度跳跃的观测数据属不正常数据,进行数据处理时一定要舍掉,不能作为曲线拟合的参考点。

6 结语

1)常规指数曲线法不能考虑数据向小的方向波动情况,即后面的时间点沉降不能低于前面相邻时间点的沉降,所以无法直接适用于高速铁路路基沉降量级小、观测数据存在起伏波动的情形;而泰勒展开式修正指数曲线法由于避免了对数的运算,不存在以上问题,能用于预测高速铁路路基沉降。

高速公路软基沉降预测误差分析 篇4

高速公路软基沉降预测误差分析

简要介绍了当前高速公路软土地基沉降预测不准确而产生的危害,分析了软基沉降预测误差产生的`原因,并提出了减少软基沉降预测误差的方法.

作 者：汪卫东  作者单位：安徽省公路桥梁工程公司,安徽,合肥,230031 刊 名：淮北职业技术学院学报 英文刊名：JOURNAL OF HUAIBEI PROFESSIONAL AND TECHNICAL COLLEGE 年，卷(期)：2010 09(3) 分类号：U412 关键词：软土地基沉降   预测误差分析   高速公路  

软土路基沉降预测与加固技术研究 篇5

关键词：软土路基,沉降预测,路基加固,路基施工

0 引言

我国软土多数分布在沿海地区、河流和湖泊两岸等地势低洼处, 根据软土强度特征可以分为软粘土、淤泥质土、淤泥、泥炭土和泥炭等几种类型。解决软土路基问题是公路工程长期以来的工程难题, 目前主要采用软土路基处理方法主要有两种, 一种是在软土物理力学特性上建立本构模型, 是理论方法;另一种则是根据实际观测的沉降数据, 经过统计数学分析得到沉降与时间的关系。软土路基加固方法有路基换填、排水固结、桩土复合地基、加筋格栅等, 当前应用的新技术有碎石桩加固技术、CFG桩技术、反压护道技术、软土路堤稳定性分析技术等。

1 软土路基施工及沉降检测技术

1.1 软土路基施工过程

碎石桩施工, 依据设计图纸测量控制桩点, 定出桩的位置, 按照标记定位打桩机, 桩机底部要保持水平稳定, 保证导向架垂直度, 施工偏差控制在1%以内, 过程中要不断采用重球检查垂直度, 作好记录。调整套管与地面的垂直度, 振动套管沉入土中后要保证不会倾斜和错位, 在坚硬土层上要放慢挖孔进度, 套管沉入后将投料斗插入桩管, 向管内灌入已经计算确定的碎石, 将套管提升到规定高度, 再重新沉入土中, 进行振动, 将排出的碎石挤密, 对周围土也有挤压作用。当碎石料和套管的投料后平齐时开动电机, 套管原地振动10秒后边振动边拔管, 拔管速度要均匀, 在淤泥质土层中, 拔管速度要放慢。

路基施工, 碎石桩经过隐蔽检测完毕后即可进行路基施工, 采用水稳定好的路堤填筑材料, 保证较好的强度, 填料的选择要考虑料源和经济性, 保证填料的各项性质满足要求。提前对基底进行处理, 例如路基在地下水影响的范围内时要采取拦截和排除措施, 将地下水引向基础范围外, 然后进行填方压实。路堤填筑时要考虑土质的不同逐层填筑, 并分层压实, 填筑方法有水平分层方式和纵坡封层方式两种, 碾压时要确定压实密实度, 首先采用标准击实试验确定最大干密度和相应的最佳含水率。土工格栅铺设时要充分发挥加筋效果, 铺筑平整, 保证联结牢靠。

1.2 沉降检测技术

监测断面分为典型监测断面和标准监测断面两种, 标准监测断面为在路基软土层较薄、软土性状较好的路段布置的监测点, 主要设施为位移边桩和沉降板。典型监测断面是在软土层较厚、软土性状差等路基沉降较大的典型部位设置的监测点, 典型监测断面监测内容较为齐全, 使用的仪器设施有测斜仪、沉降板、地下水位计、孔隙水压力计和土压力盒等。

软土路基路段的路堤施工过程要对地基变形进行观测, 通过对地表沉降量的观测来调整填土施工速率, 预测后期沉降趋势, 确定合理的预压卸载时间以及路面施工时间, 地表水平位移量和隆起量的观测能够应用于路基稳定管理, 保证路堤施工安全, 地下土体分层水平位移量应用于路堤稳定管理和研究, 推算出土体发生剪切破坏的部位。

测点埋设方法与要求, 位移观测边桩要根据需要在路堤两侧埋设, 要埋在观测断面的同一横断面上, 埋置深度为地表下1.4m, 桩顶漏出地面不大于0.1m。沉降板的底板尺寸要满足规范要求, 直径为4cm为宜, 底槽保持平整。另外分层沉降标、深层沉降标、土压力计、工作基点桩、土体测斜管等都要根据规范和标准来埋设, 保证监测数据的准确性。

观测项目的观测时间间隔不能超过3天, 路基填筑时每天都要观测至少一次, 路基变形超过相关标准时要加大观测密度, 对观测数据及时整理, 绘制出变形与时间的曲线关系, 预测变形发展趋势。

2 路基预沉降预测分析

2.1 分层总和法

软土路基沉降是随着填土高度和静载预压而增加的, 由瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分组成, 分层总和法是路基沉降中使用最为普遍的一种方法, 假定路基基底的附加应力是作用在表面的局部柔性荷载, 地基土是弹性半无限体, 地基土应力分布服从弹性理论中的单独应力集中情况, 地基应力分布与土型无关, 外部荷载作用只会影响土体一定厚度范围的变形, 只极端竖向附加应力对土层的影响, 不计算土体的侧向变形。另外应力路径法、流变模型法和有限元法也是计算主固结沉降的常用理论。

2.2 曲线拟合法

由于土的类型较多, 所以其工程性质也是复杂多变, 土体压缩规律不能用简单的规律来描述, 所以通过沉降监测数据资料来进行土体沉降推算是有很大意义的, 目前根据实测数据进行沉降预测方法有曲线拟合法、灰色理论法、反演分析法、神经网络法和遗传算法等几种。曲线拟合法进行短期沉降预测能够得到较为准确的结果, 但分析时具有很大的随意性, 最终的预测结果必然存在差异性, 受到人为因素影响较大。

2.3 灰色系统法

灰色系统法是在时间和数据为坐标轴的平面上, 将连续的曲线与时间坐标轴围合成一定范围, 其基本思路为将随时间变化的数据列进行累加, 并将其变成非负的递增数据列, 以此曲线作为预测模型, 来对系统进行预测。

这种方法非常适用于动态预测, 能够不断将新的监测数据补充到基础数据中去, 形成新的模型, 预测结果更为准确, 决定灰色模型准确性的关键是信息参数, 灰色模型具有的性质有微分兼容性, 结构灵活能够发生变化, 参数可不断调整。基本特点为所需的数据信息较好, 不需要清除原始数据的分布特性, 能够保证较高的精度。

3 路基加固技术分析

3.1 路基稳定性分析和评价

路堤变形外在因素主要是水的浸泡, 内在因素则是高压缩性土, 不排水固结强度低, 容易发生剪切破坏。填土路基在通常状况下较容易发生圆弧形滑动, 在持续暴雨作用下, 如果任其发展, 最终会导致路堤的失稳, 所以为了确保路堤稳定, 可以采用抗滑桩支挡, 在抗滑段进行堆载反压, 素填土部分采用旋挖桩加固, 加速软土的排水固结。

以碎石桩加固和反压护道为例, 碎石桩能够形成刚性或半刚性复合地基, 能够分担较大的荷载作用, 其松散结构还能作为土体内水的渗透途径, 提高固结作用, 适用于深厚软土地基。当路堤地层内淤泥土从道路两侧隆起时, 可以在一定宽度和高度内填筑土层作为反压护道, 增强稳定性。

3.2 土工格栅加筋路堤

土拱格栅作为一种常用的加固土体材料, 具有非常好的工程性能, 抗拉强度均匀、延展性好, 具有较好的耐腐蚀性和抗疲劳性, 施工方便, 其作用机理为具有一定刚度, 能够使上部荷载扩散, 提高软土地基的承载能力, 抗拉强度大能够布置在软土地基和路基之间, 作为加筋路基来增强稳定性, 将土工格栅和砂垫层作为一层, 既能作为柔性基础, 又能加强软土的排水能力, 地基变形均匀, 沉降差异小。格栅的网格能够限制颗粒的横向移动, 土体之间衔接作用好, 土体整体抗剪能力强。

3.3 碎石桩改善软土层分析

碎石桩对软土层的受力和变形具有较好的改善作用, 施工时桩周土体会因受到振冲置换作用产生挤压, 施工完成后软土结构强度会随着时间慢慢增大, 土中空隙水会向桩体扩散, 有效应力随之增加, 路基土体强度恢复提高较快。

在碎石桩中增加砂垫层可以产生拱效应, 拱以下的桩间土应力将小于碎石桩顶部土体。砂垫层能够产生桩土应力比, 避免应力集中于土体, 造成剪切破坏。固结作用, 能够提高良好的排水通道, 加速复合地基的固结过程。

参考文献

[1]经绯, 刘松玉, 邵光辉.软土地基上路堤沉降变形特征分析[J].岩土工程学报, 2001, 23 (6) :728-730.

[2]杨涛.柔性基础下复合地基下卧层沉降特性的数值分析[J].岩土力学, 2003, 24 (1) :53-56.

[3]李军伟.考虑侧向变形的地基沉降计算及沉降预测[D].长安大学:地质工程, 2003.

路基沉降预测分析 篇6

1 软土路基沉降问题分析

路基受到负荷承载而发生内部应力和变形, 将导致地基下沉的现象出现。就目前来看, 路基沉降与土地的压缩性和负荷大小、性质有关。而土体的变形则是由孔隙内水和气体体积变化引起的, 土体变形速度取决于水和气体的移动速度。所以, 可以对软土路基沉降产生影响的因素有很多, 包括土体温度变化、路堤填土高度和地下水变化等等。但在软土路基施工的过程中, 需要根据沉降与稳定监控情况确定施工工期。所以, 需要做好软土路基沉降的预测, 并采取一定的加固技术进行路基加固, 以确保施工的顺利进行。

2 软土路基沉降预测技术的应用

2.1 理论分析法的应用

在实际施工的过程中, 软土路基沉降由初固结沉降、固结沉降和瞬时固结沉降组成。利用理论分析法, 可以通过分析土体本构关系计算主固结沉降, 继而完成软土路基沉降的预测。就目前来看, 常用的理论分析法包含了有限元法、应力路径法和流变模型法等等, 而分层总和法得到了广泛的应用。在应用分层总和法的过程中, 需要假设软土路基基底的附加应力作用在表面, 并且是局部柔性荷载。同时, 地基土要设定为弹性半无限体, 应力分布服从弹性理论, 属于单独应力集中形式。在应用该方法进行软土路基沉降分析时, 地基的应力与土型无关, 并且外部荷载也只会对土体厚度范围变形产生影响。因此, 使用该种理论分析只计算极端竖向附加应力对土层的作用力, 忽略了土体的侧向变形。

2.2 经验分析法的应用

就目前来看, 有效预测软土路基沉降的经验分析法有两种, 即曲线拟合法和灰色系统法。在应用曲线拟合法时, 需要利用沉降监测数据资料完成土体沉降的推算, 可以得到比较准确的短期沉降预测结果。而曲线沉降预测模型的建立, 需要采取软土路基的沉降-时间关系的双曲线形式, 可以根据实际观测的沉降值和观测时间完成路基在未来一段时间内的沉降情况的预测。但是, 采取该种方法分析具有一定的随意性, 受人为因素影响, 长期预测结果将存在较大的差异性。而灰色系统法的应用需要建立以沉降观测时间和数据为坐标轴的平面, 并将随时间变化的数据列进行累加。在将数据列编成非负的递增数据列后, 则可将得到的曲线当做是预测模型。由于可将新的监测数据随时补充进去, 所以应用该方法可以完成软土路基沉降的动态预测。

3 软土路基加固技术的应用

3.1塑料排水板加固技术的应用

在进行软土路基加固时, 可以使用塑料排水板。应用该加固技术时, 需要在插板机就位后利用振动锤驱动套管插板。在这一过程中, 需要使套管对准插孔位, 并且保证端头锚靴和套管内的排水板相连。而根据入土深度, 则可以将排水板插入。在拔起套管后, 锚靴和排水板将同时存于土中。此时, 需将各排水板剪断, 以完成一个排水板的插板作业。然后, 施工人员就可以利用插板机施打不同的排水孔, 以完成排水板加固施工。但需要注意的是, 不能随意剪断排水板, 而是要使板头留有20厘米的高度。同时, 需要将附近的砂土挖起, 并筑成20厘米高的碗状形状。最后, 板头被切去和填平后, 整个施工才算完成。

3.2土工格栅加固技术的应用

在进行软土路基加固时, 常常会使用土工格栅。而作为一种土工复合材料, 其具有韧性好、强度高和软基改善效果好的特点。在软土路基发生变形时, 应用土工格栅可以防止路基出现破坏面, 并防止土体侧向变形, 继而使地基的稳定性得到增加。在具体施工的过程中, 需要完成两层土工布的单向铺设, 并且使两层土工布保持40厘米的距离。完成砂垫层填筑后, 则可以进行塑料排水板的插打, 然后再铺设第一层土工布。在土工布铺设的过程中, 需要沿着路基横向断面一次性完成铺设, 并且从宽度上超出路基宽度。而相邻土工布的搭接宽度需超出50厘米, 并且每隔1米利用扎扣连接土工布的连接部分。需要注意的是, 土工布摊铺需确保拉直平顺, 并且紧贴下承层, 以避免土工布出现褶皱和扭曲。完成第一层土工布铺设后, 需进行吹填施工, 并确保第一层土工布平整。在利用压路机完成第一层土工布静压后, 则可以在检测合格后进行第二层土工布铺设。

3.3 碎石桩加固技术的应用

软土路基孔隙水的渗透性较低, 在碎石桩施工过程中受挤压、振冲作用容易产生孔隙水压力过大的问题, 继而导致路基强度的降低。但在施工完成后, 软土路基中的软土结构强度将慢慢恢复, 土中的孔隙水压力也将向桩体扩散, 继而使路基土体的强度提高。此外, 应用碎石桩加固技术可以进行碎石级配的调整, 然后为软土复合路基提供排水通道。而这样一来, 孔隙水在水平方向的渗透距离将缩短, 继而使路基的排水固结加速, 并使土体的强度得到提高。

4 结束语

路基沉降预测分析 篇7

路基在荷载作用下, 沉降将随时间发展, 其发展规律主要是通过以下两大类方法来加以描述。第一类是以固结理论及各种土的本构模型为基础的计算沉降量的各种有限元法;第二类是根据现场实测资料来推算沉降量与时间关系的预测方法[1]。但是由于固结理论的假设条件以及确定计算指标在试验技术上的一些问题, 因而在一般工程设计中难以采用, 使得实测路基沉降过程数据在某种意义上较理论计算更为重要和实用。

目前常见的沉降预测方法主要有双曲线法、指数曲线法、抛物线法、三点法、沉降速率法、星野法、Asoaka法、泊松曲线法、灰色理论和人工神经网络等。由于每种沉降预测方法都有一定的适用范围, 需要结合具体的工程项目中沉降变形的特点, 选择合适的预测方法进行沉降预测分析。针对这个问题, 本文结合高速铁路路基工程实例, 采用Boltzmann模型, 对路基后期及最终沉降进行预测。实例研究表明该预测模型具有较好的精度和适应性。

2 路基沉降变形的“S”形特征

路基的沉降按其发展可以分为瞬时沉降Sd (t) 、固结沉降Sc (t) 和次固结沉降Ss (t) 三部分。合理的沉降监测数据曲线应表现为“S”形[2], 即随着加载过程路基沉降可分为四个阶段:

1) 发生阶段:路基刚填筑时, 土体尚处于弹性状态, 路基沉降量随荷载的增加呈近似线性增减。

2) 发展阶段:随着路基填筑, 荷载的不断加大, 使其逐步进入塑性状态。随着塑性区不断开展, 路基沉降速率也不断增加, 直到荷载不再增加为止。

3) 成熟阶段:当路基填筑完成, 部分尚未完成的固结和土体的流变导致沉降随着时间的推移而继续, 但沉降速率递减。

4) 到达极限:随着时间的不断延长, 沉降速率快速减小并趋于稳定。

3 Boltzmann预测模型的建立与分析

3.1 模型的建立

在时间预测序列中, Boltzmann模型的表达式为:

其中, St为t时刻对应的预测值, 其单位为长度单位;t为时间;B为待定参数且为正;A1为最小值;A2为最大值;t0为当St= (A1+A2) /2时所对应的时间, B为无量纲, A1, A2单位为长度单位 (见图1) 。

3.2 模型的特点

Boltzmann预测模型具有以下3个特点, 分别为:

1) 单调递增性, 随着时间t的增长, St也不断增长, 即:

2) 有界性, 当时间t趋于无穷大时, St趋近于A2, 即:

3) 呈“S”形, 存在拐点, 该曲线对时间t呈“S”形, 即:

显然t=t0时, ;当t<t0时, , 曲线开口凹向上方;当t>t0时, , 曲线开口凹向下方, 所以呈“S”形。

4) 良好的适应性, 确定参数A1, A2之后, 通过调节t0和B的值可以模拟相当大范围的曲线, 如图2所示。

3.3 模型参数的求解

Boltzmann预测模型含有3个未知参数A1, A2, B, t0可以通过A1和A2求得。本文采用高斯—牛顿迭代算法求得各参数的最优估计, 通过此方法获得Boltzmann预测模型参数的最小二乘无偏估计[6]。

4 工程实例

4.1 实例介绍

时速350 km/h的沪昆客运专线杭长湖南段线路通过的地区多为岩溶地基、黄土地基、软土地基等不良地层和特殊地层。全段路基工程15.33 km, 占线路总长度的16%, 线路均为无砟轨道, 地基的处理方式有换填、打入桩和CFG桩等。由于高速行车要求路基提供一个高度平顺和稳定的轨下基础, 所以控制路基的沉降变形成为路基设计的关键。因此在路基线下工程施工过程中, 必须加强现场沉降观测和实验分析, 掌握工程特性的变化规律, 及时验证并修正理论计算结果, 确保线下工程沉降变形满足无砟轨道铺设条件[7]。

4.2 预测分析

选取DK876+301断面处的沉降观测值, 以2011年10月~2012年2月的沉降实测数据为基础, 采用高斯—牛顿迭代算法, 利用MATLAB编写程序, 对Boltzmann预测模型各参数进行最优估计, 然后再对指定时间点沉降及最终沉降进行预测[3]。参数的计算结果为:A1=-0.52, A2=6.06, t0=37, B=15.94, 代入式 (1) 得:

应用式 (2) 拟合预测各时间点的沉降量, 路基沉降实测值与时间关系见表1, 路基沉降预测值与实测值对比如表2, 图3所示。

预测稳定后的250 d, 500 d的沉降量分别为6.06 mm, 6.08 mm, 说明该路基沉降已经稳定。预测数据的绝对误差小于0.5 mm, 相关系数达到0.98, 说明Boltzmann预测模型具有较高的精度。

5 结语

1) Boltzmann预测模型所预测的路基沉降量与时间的关系曲线和路基实测沉降变化规律相一致, 都呈“S”形, 符合全过程的沉降量与时间的关系, 说明该模型能够反映路基沉降量与时间的关系[4]。2) 实测沉降值与预测沉降值较吻合, 表明Boltzmann预测模型能够较准确地对路基最终沉降进行预测, 能够满足工程精度要求, 可以为高速铁路路基沉降预测提供有效地参考[8]。

摘要：通过研究高速铁路路基沉降量与时间的关系, 并结合目前工程实际中常用的沉降预测方法, 建立了Boltzmann预测模型, 将该模型应用于具体的工程, 证明了该模型应用于高速铁路路基沉降预测的合理性。

关键词：Boltzmann模型,高速铁路,沉降预测

参考文献

[1]宰金珉, 梅国雄.全过程的沉降量方法研究[J].岩土力学, 2000, 21 (4) :322-325.

[2]梅国雄, 宰金珉, 殷宗泽, 等.沉降时间曲线呈S形的证明——从一维固结理论角度[J].岩土力学, 2004, 25 (1) :20-22.

[3]潘林有, 谢新宇.用曲线拟合的方法预测软土地基沉降[J].岩土力学, 2004, 25 (7) :1053-1058.

[4]余闯, 刘松玉.路堤沉降预测的Gompertz模型应用研究[J].岩土力学, 2005, 26 (1) :82-86.

[5]雷长顺, 肖世伟.高速铁路预应力管桩地基沉降理论分析与计算[J].山西建筑, 2012, 38 (3) :146-147.

[6]夏元友, 刘鹏, 莫介臻.高速公路软基沉降预测系统及其应用研究[J].公路, 2005 (8) :275-279.

[7]王炳龙.高速铁路软土路基工后沉降的预测与控制[D].上海:同济大学博士学位论文, 2003.

路基沉降预测分析 篇8

1988年10月沪嘉高速公路建成通车,实现了我国大陆高速公路零的突破。随后,我国高速公路建设突飞猛进。2004年,交通部制定了《国家高速公路网规划》。国家高速公路网具体的设想是高速公路网采用放射线与纵横网格相结合布局方案,由7条首都放射线、9条南北纵线和18条东西横线组成,简称为“7918”网,总规模约8.5万km。2009年,高速公路已达6.5万km。2020年,高速公路里程达到10万km以上。近年来高速公路的建设进入了一个新的发展阶段。高速公路路基的稳定和沉降是高速公路建设的突出问题,沉降问题可造成施工期间易出现路堤滑塌等事故,影响施工进度和工期,给工程质量留下隐患;在公路运营过程中,由于沉降,路面易出现沉陷,桥头发生跳车现象,影响正常使用或美观,甚至会引发安全事故。路基的沉降预测问题已成为高速公路建设施工和运营的技术难题。关于软土路基沉降预测已形成多种计算法,大致可分三大类:第一类是传统的分层总和法;第二类是基于Biot固结理论结合土体本构模型的数值方法;第三类是基于实测的沉降—时间数据的各种经验公式推算法。这几种方法各有利弊但可相互补充,已成为当前计算沉降的主要方法。由于固结理论的假设条件和确定计算参数试验方面技术上的问题,使计算理论值和实测值有较大的出入。本文根据路基沉降的实测资料,利用偏最小二乘法预测路基沉降量的方法进行了研究。

1 偏最小二乘法概述

偏最小二乘法是一种新型的统计数据工具,自1983年由伍德,阿巴诺等人提出后,近年来受到了广泛关注。当自变量集相关时,用偏最小二乘法建立的模型反映的是变量集的整体性,因而比最小二乘模型有效。偏最小二乘法采用信息综合和筛选技术,不是考虑因变量和自变量的集合建模,而是提取能最佳解释的综合变量建模。偏最小二乘方法是回归分析、主成分分析、典型相关分析的结合。它是建立在信息分解、提取的基础上,对自变量再组合,得到对因变量解释最好,同时又能最好概括自变量集的新的综合变量,对因变量建模的方法。

1.1 偏最小二乘回归实现

令F0是因变量Y的标准化变量,为方便起见令Y为单变量,E0是自变量集X的标准化变量。

1)从F0中提取一个主成分u1,u1=F0c1,c1是F0的第一主轴,并且‖c1‖=1;由于F0只是一个变量,所以,c1是个标量,且‖c1‖=1,因此,c1=1,u1=F0。从E0中提取一个成分t1,t1=E0w1,w1是E0的第一主轴,为单位向量,即:‖w1‖=1。按方差最大,有max<E0w1,F0>且w1Tw1=1。即在‖w1‖=1的约束条件下,去求w1TE0TF0的最大值。

采用拉格朗日算法,得:

求得w1后,即可得到成分t1=E0w1,则E0,F0在t1上应用最小二乘回归,即:

其中,E1,F1分别为两个回归方程的残差矩阵;p1,r1均为回归系数。

2)用残差矩阵E1和F1取代E0和F0,重复第1)步的过程,得到h个主成分th,h用交叉有效性原则进行确定。

3)得到F0关于t1,t2,…,tm的最小二乘回归方程为:

通过标准化的逆过程,可得y关于xj的回归方程为:

其中,βi(i=1,2,…,k)为y关于xj的回归系数。

1.2 主成分个数h的确定

记yi为原始数据,t1,t2,…,tm是在偏最小二乘回归过程中提取的成分。∧yhi是使用全部样本点并取h个成分回归建模后,第i个样本点拟合值。∧yh(-i)是在建模时删去样本点i,取h个成分回归建模后,再用此模型计算得yi的拟合值。记:

当Qh2≥0.097 5时,加入新的成分th,会对模型的预测能力有明显的改善作用。

2 应用实例

本文以某高速公路K131+610处的路基沉降观测为例来进行分析验证。观测开始时间1987.05.10,观测结束时间1991.05.22。部分观测数据如表1所示。

通过分析,选取“当前累计时间对数”“当前累计时间对数的平方”“相邻两次观测时间间隔的对数”“相邻两次观测的平均沉降速率”“前一次观测的累积沉降量”为自变量。表2是所选自变量相关系数情况。

从表2可以看出,各个自变量有较强的相关性。因此,建立最小二乘准则的预测模型,将存在多重共线问题。为此采用偏最小二乘回归方法建模。通过计算Q52=-0.253 4<0.097 5,即用4个偏最小二乘成分t1,t2,t3,t4就能够较好解释自变量。根据1990.03.18前的数据得偏最小二乘拟合的模型关系式为:

常规的最小二乘拟合模型为:

由建立的模型对剩余样本进行检验,其结果见表3。

3结语

当各个自变量因子之间存在较强的相关性时,如果用普通的最小二乘回归建立模型,会遇到多重共线性的问题,而偏最小二乘法能解决多重共线性。通过和常规的最小二乘拟合模型的比较发现,用偏最小二乘法建立的模型,具有较好的预测效果。

摘要：阐述了偏最小二乘的建模方法,以软土路基沉降预测为例,选取了5个相关性很强的自变量,用偏最小二乘方法和最小二乘法各自建立预测模型,从预测结果看,偏最小二乘预测模型具有更好的预测效果,在处理共线问题上具有一定的优势。

关键词：偏最小二乘,软土路基,沉降预测

参考文献

[1]http\www.gov.cn.

[2]李波.基于偏最小二乘回归的大坝安全监控模型研究[D].西安:西安理工大学硕士学位论文,2007.

[3]王惠文.偏最小二乘回归方法及其应用[M].北京:国防工业出版社,1999.

[4]邓念武,徐晖.单因变量的偏最小二乘回归模型及其应用[J].武汉大学学报(工学版),2001,34(2):14-16.

[5]高庆丰.软土地基路堤工后沉降计算与预测[D].杭州:浙江大学建筑工程学院,2003.

哈西客站路基段沉降观测分析 篇9

为了满足日益增长的客货运输需求, 我国已掀起建设高速铁路的浪潮, 而高速铁路对工后沉降要求极为严格。高平顺性、高稳定性的路基是确保轨道高平顺性的前提条件。严格控制路基工后沉降, 控制路基的不均匀沉降, 才能保证客运专线铁路轨道高平顺性。这就要求路基设计和施工必须满足路基的工后沉降小、不均匀沉降小, 在动力作用下的变形小、稳定性高的特点。本文以新建哈尔滨西客运站施工II标Dk919+149~Dk919+690段路基工点为背景, 对该段路基沉降观测方案和观测结果进行分析。

2 观测概况

2.1 工程概况

哈尔滨西客站是新建铁路哈大客运专线的重要组成部分, 建成后将作为哈尔滨市两个重要的综合客运交通枢纽中心之一, 汇集铁路、轨道交通、城市公共交通、社会交通等多种交通方式, 实现多种交通方式的有机衔接, 确保人流、车流的快速集散。Dk919+149~Dk919+690段路基中心填筑高度为7.25m, 地基处理方式为冲击压实、CFG桩以及PHC桩。路基本体均采用B组填料, 基床底层采用B组填料, 基床表层采用级配碎石填筑。

2.2 测点布置

根据《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》及相关规定对哈尔滨西客运站Ⅱ标Dk919+149~Dk919+690段路基进行测点布置。该工点长度为541m, 共布设3个观测断面、基底沉降板布置10块, 路基面沉降板布置10块, 观测桩布置6根。

2.3 沉降变形观测情况

本段路基工程最早填筑时间为2010年9月7日, 2010年11月22日全部填筑到基床表层第一层, 路基基底为级配碎石褥垫层 (冲击压实地段为砂垫层) , 基床表层40cm全部采用级配碎石填筑。路基于2010年12月7日开始堆载预压, 堆载预压123天, 第一层基床表层填筑完成至2011年4月9日对该段路基沉降变形观测进行评估分析, 观测期为5~7个月。

该段路基按设计建立沉降变形监测网, 且按照"五固定"原则对观测点进行沉降变形观测, 对该段的基底沉降板、路基面沉降板以及路肩观测桩均按二等水准要求进行观测, 填筑完成后至沉降变形观测评估分析时已观测4个月, 所提供数据均为实测, 且经监理单位平行观测, 观测数据均合理可靠。

3 评估分析概况

3.1 评估依据

评估依据主要有:《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》 (铁建设[2006]158号) , 《高速铁路工程测量规范》 (TB10601~2009/J962~2009) , 《国家一、二等水准测量规范》 (GB12897-2006) , 《建筑沉降变形测量规程》 (JGJ/T8~2007) , 《铁路客运专线竣工验收暂行办法》 (铁建设[2007]183号) , 《客运专线无碴轨道铁路施工技术指南》 (TZ216~2007) , 《客运专线无碴轨道铁路设计指南》 (铁建设函[2005]754号) , 哈尔滨西客运站铁路工程设计文件、图纸, 铁道部有关规定。

3.2 评估标准

哈西客站路基段沉降观测评估控制指标与判定标准如表1所示。

鉴于各指标对评估影响不同, 在实际评估分析中应区别对待, 对于核心指标, 要求严格满足, 任何一个指标不满足要求, 不能通过评估;对于基本指标, 要求整体满足, 个别指标超限不大时, 可以基本通过评估;对于一般指标, 要求基本满足。

4 观测数据分析及结果

4.1 分析方法

沉降变形评估分析的具体做法是:对实测变形沉降数据进行回归分析, 然后外推工后沉降, 最后通过比较工后沉降与控制标准, 判定是否满足铺设轨道的条件。对哈尔滨西客站的观测数据, 采用拓展双曲线法、指数法和三点法编程进行曲线拟合, 分析推算出最终沉降量和工后沉降, 合理确定轨道的铺设时间。

4.1.1 拓展双曲线法是通过在常规双曲线法基础上引入荷载系数拓展而成的, 它假定荷载增量、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间观测数据纳入分析时间段以内, 可以计算在任意荷载下产生的沉降。

4.1.2 三点法要求实测曲线基本处于收敛阶段方可进行, 对数据段选取的依赖性小, 对异常数据的敏感性强。

4.1.3 指数曲线法简单实用, 但前提是假定荷载是一次施加或者突然施加的, 不能适应沉降量小的特点。

4.2 沉降观测结果

至评估之日, 共开展了5~25次观测, 基本满足《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》对观测频次的要求。依据沉降板和观测桩的测量结果进行分析预测, 典型桩号的沉降分析结果见表2, 典型断面最终沉降和工后沉降计算结果见表3。

注: (1) 工后沉降计算中, 假定预铺轨时间为2011年4月11日; (2) 表中S (t) 为预测时观测沉降量, S (∞) 为不考虑结构层荷载条件下预测的最终沉降量。

4.3 结果分析

4.3.1 本段路基全长541m, 填挖高度为7.25m, 采用CFG桩及PHC桩进行地基处理, 填筑完成于2010年12月7日, 主体工程施工完成至2011年3月25日, 沉降变形观测期近4个月, 由于预测曲线满足第一类沉降曲线, 沉降趋势已基本稳定, 路基沉降观测期放宽至4个月, 满足《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》对观测期的要求。

4.3.2 基底沉降板的当前观测沉降量为23.30~30.10mm, 路基面沉降板的当前观测沉降量为0.87~1.06mm, 观测桩的沉降量为3.26~3.31mm, 后期沉降均已趋于稳定。

4.3.3 路面观测桩反映的沉降变化趋势与路基面沉降板反映的路基沉降变化趋势基本一致, 表明路基本体竖向沉降变形很小。

4.3.4 各观测断面曲线回归相关系数在0.96~1.00之间, 均大于0.92, 满足《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》对相关系数的要求。

4.3.5 路基填筑完成后, 预测时的最终沉降量与预测的最终沉降量 (不包含结构层引起的沉降量) 之比S (t) /S (t=∞) 在0.81~0.99之间, 满足《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》对沉降预测时间的要求。

4.3.6 观测数据具有较好的规律性, 考虑轨道结构层引起的沉降量后, 基底沉降板最终沉降预测值为25.13~36.30mm, 路基面沉降板最终沉降预测值为0.94~1.71mm, 观测桩最终沉降预测值为3.93~4.09mm。

4.3.7 考虑轨道结构层引起的沉降量后, 计算工后沉降量为0.18~8.13mm, 小于有砟轨道工后沉降容许值50mm和无砟轨道工后沉降容许值15mm, 满足《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》对工后沉降的要求。

5 结束语

通过对路基沉降观测数据进行分析, 结果表明基底沉降板实测沉降量、路基面沉降板实测沉降量、根据实测数据进行的沉降预测、计算工后沉降量等均满足《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》的要求, 后期沉降变形趋于稳定, 满足有砟轨道铺设条件。

摘要：路基工后沉降是影响高速铁路平顺性、稳定性的重要因素, 高速铁路对工后沉降要求极为严格。本文以哈西客站Dk919+149Dk919+690段路基沉降观测为背景, 采用拓展双曲线法、指数法和三点法对实测数据进行分析, 结果表明基底沉降板、路基面沉降板的实测沉降量和预测沉降量、计算工后沉降量等均满足《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》的要求, 满足有砟轨道铺设条件。

关键词：客运专线,路基,沉降观测,工后沉降

参考文献

[1]铁建设[2006]158号.客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南.

[2]TB10601~2009/J962~2009.高速铁路工程测量规范