新的高速鐵路路基沉降預測方法探討

曹 霧 徐衛平 趙松琴

(三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

新的高速鐵路路基沉降預測方法探討

曹 霧 徐衛平 趙松琴

(三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

以滬昆客專湖南段路基沉降監測資料為基礎，提出基于指數函數的一種新的沉降預測方法：修正BiDoesResop模型，然后運用兩類曲線進行曲線擬合分析，結果表明，修正BiDoesResop模型具有擬合精度高、適應性強等特點，對高速鐵路路基工后沉降預測具有很好的指導作用。

高速鐵路，路基，沉降，預測方法，預測系統

1 概述

1999年以來，我國高速鐵路的建設已全面展開。到目前為止，我國已建成通車的高鐵線路有京滬高鐵、京廣高鐵、京津城際、武廣高鐵、滬寧、滬杭、鄭西等，經過十多年的高速鐵路建設和對既有鐵路的高速化改造，中國目前擁有全世界最大規模以及最高運營速度的高速鐵路網，高鐵總里程達到10 463 km，居世界高鐵里程榜首[1，2]。

鑒于我國客運專線建設由于地質條件復雜，面臨的問題較多，尤其是如何有效預測工后沉降長期困擾著工程界。因此，科學、有效地分析和預測線下工程工后沉降量是無碴軌道鋪設條件的關鍵技術和研究方向[3-5]。

2 預測模型的建立與分析

2.1 修正BiDoesResop預測模型的建立

修正BiDoesResop模型的表達式為：

(1)

其中，t為時間;St為沉降預測值;A1，A2,b1,b2,h1,h2,p均為待定參數。

A1，A2和h1，h2的含義示意圖見圖1。

2.2 模型的特點

修正BiDoesResop預測模型具有以下5個特點，分別為：

(1-p)h2(A2-A1)[1+e(b2-t)h2]-2e(b2-t)h2>0

(2)

2)有界性。隨著時間t的增大，St趨近于A2，即:

(3)

3)呈“S”形。隨著時間t變化，曲線呈“S”形發展趨勢，即：

(4)

4)良好的適應性。確定參數A1，A2之后，調節參數b1，b2，h1，h2，p可以使曲線在較大范圍內變化，如圖2所示。

5)滿足固結度條件。根據固結度的定義，有：

(5)

當t=0時，U=0；當t→∞時，U=1。

2.3 求解

修正BiDoesResop預測模型含有7個未知參數A1，A2，b1，b2，h1，h2，p，通過高斯—牛頓迭代算法可獲得修正BiDoesResop預測模型參數的最小二乘無偏估計。

3 工程研究

3.1 工程概況

滬昆鐵路客運專線湖南段設計時速350 km/h，路基工點共524處，正線路基全長69.737 km，占線路總長的16.85%。

表1 第Ⅰ類沉降曲線擬合結果匯總表

本文選擇修正BiDoesResop模型、指數曲線兩種方法對上述四類沉降曲線進行綜合分析，這兩種方法都是基于指數函數，有固結理論作為這兩種方法的支撐，具有可對比性。

3.2 第Ⅰ類沉降曲線預測分析

選擇滬昆鐵路客運專線湖南段某路基斷面的沉降觀測數據為研究對象，路基填土高度為5 m，在2個月內填筑完成，填筑過程為近似線性加載，有效觀測時間為9個月。

修正BiDoesResop模型預測時算得的參數分別是A1=-6.789，A2=0.689，b1=79.515，b2=95.212，h1=-0.024，h2=-0.038，p=0.084。圖3和表1含修正BiDoesResop模型預測結果。指數曲線預測時算得的參數分別是S∞=-9.512，α=1.090，β=0.006。圖3和表1含指數曲線預測結果。從圖3和表1中可以看出，修正BiDoesResop模型對一級近似線性加載條件下的沉降曲線具有良好的適應性和更好的擬合效果。

3.3 第Ⅱ類沉降曲線預測分析

選擇滬昆鐵路客運專線湖南段某路基斷面的沉降觀測數據

為研究對象，路基填土高度為4.5 m，在4個月內填筑完成，填筑過程為二級加載，有效觀測時間為9個月。

修正BiDoesResop模型預測時算得的參數分別是A1=-5.014，A2=0.370，b1=23.594，b2=160.167，h1=-0.057，h2=-0.084，p=0.438。圖4和表2含修正BiDoesResop模型預測結果。指數曲線預測時算得的參數分別是S∞=-6.607，α=1.012，β=0.005。圖4和表2含指數曲線預測結果。從圖4和表2中可以看出，修正BiDoesResop模型對第Ⅱ類沉降曲線具有良好的適應性。修正DoesResop模型、指數曲線的擬合曲線與原始沉降曲線誤差較大。而從第Ⅱ類曲線擬合結果對比分析來看，修正BiDoesResop模型對二級加載方式下的沉降觀測數據擬合效果更好。

4 結語

通過對新的高速鐵路路基沉降預測方法的理論特點和實際工程運用進行研究，結果表明，修正BiDoesResop模型對高速鐵路路基工后沉降預測具有較好的指導作用。

表2 第Ⅱ類沉降曲線擬合結果匯總表

首先，修正BiDoesResop模型是基于指數函數的沉降預測模型，具有一定的理論基礎，不僅對工后沉降預測具有指導性，對沉降過程也具有一定的適應性。

其次，從上述運用修正BiDoesResop模型、指數曲線分別對第Ⅰ，Ⅱ類曲線進行曲線擬合的結果可以看出，修正BiDoesResop模型對一級近似線性加載條件下的沉降曲線以及二級加載方式下的沉降曲線均具有較好的適應性，曲線擬合的精度較高，對工后沉降預測時具更強的可靠性。

[1] 金辰虎,甄 靜.21世紀的中國鐵路旅客運輸[J].中國鐵路,2000(1):7-9.

[2] 崔 巍,ALEX.鐵路起飛[J].經營管理者,2007(4):58-62.

[3] 秦亞瓊.基于實測數據的路基沉降預測方法研究及工程應用[D].長沙：中南大學,2008.

[4] 侯福國,曾樹谷.無碴軌道路基沉降觀測數據的評估分析及應用[J].鐵道建筑,2006(11):87-90.

[5] 盧乃寬.世界高速鐵路建設發展趨勢[J].中國鐵路,2000(3):19-24.

Discussion on the method of new high-speed rail subgrade settlement prediction

CAO Wu XU Wei-ping ZHAO Song-qin

(CollegeofCivilandBuilding,SanxiaUniversity,Yichang443002,China)

As the foundation of the monitoring data of settlement of Shanghai-Kunming passenger dedicated line Hunan section of subgrade, proposed modified BiDoesResop model as a new settlement prediction method based on exponential function. Then use these two kind of curve for curve fitting analysis, results show that the modified BiDoesResop model, has certain theoretical basis, high precision, strong adaptability, to play a direct role in settlement of high-speed rail subgrade.

high-speed rail, subgrade, settlement, prediction method, prediction system

1009-6825(2014)28-0158-03

2014-07-19

曹 霧(1989- )，男，在讀碩士； 徐衛平(1987- )，男，在讀碩士； 趙松琴(1987- )，女，在讀碩士

U213.1

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