風積沙地區重載鐵路地基沉降觀測與預測分析

李金寶

摘要 文章針對位于內蒙古地區的實際項目，利用有限元軟件ANSYS對風積沙高地下水位重載鐵路基進行數值模擬分析，并對該鐵路專用線風積沙地基以單點沉降計的方式進行了沉降觀測，對沉降數據進行統計并完成分析，進而總結出風積沙地基沉降發展規律，創新性地引入隨機森林的機器學習方法對風積沙地基的最終沉降量進行預測，為將來相似工程的設計施工提供可參考的依據。并對采用風積沙為地基填筑材料的重載鐵路，研究其地基的沉降預測方法和沉降規律。通過研究得出，通過與指數法、泊松曲線法相對比，隨機森林法預測精度最高，預測結果更貼合實測值。

關鍵詞 重載鐵路;風積沙地基;沉降預測;隨機森林法

中圖分類號 U416.16 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0152-05

0 引言

風積沙是由風吹拂、沉積而產生的沙層。在我國西北沙漠地區，由于資源的極度匱乏以及缺少運輸資源的交通條件，從性價比方面考慮，風積沙是不錯的路堤填筑材料[1]。風積沙具有整體性好的優點是其能夠成為地基填筑的必要條件，并且其還具有沉降量小的特點，并且風積沙分布十分廣泛，使其成為西北沙漠地區重載鐵路地基填筑材料的不二之選。但是風積沙在天然條件下呈松散狀態，內聚力幾乎為零，抗剪性能極差等缺點又給施工造成極大的困難。

目前，眾學者的目光更多的是聚焦于進一步對風積沙的施工工藝的改進，以及風積沙工程特性方面的應用等方面，風積沙地基的沉降問題方面上的研究存在著空白。風積沙自身的工程特性結合著當地嚴峻的地理條件，使得風積沙在作為重載鐵路路基的地基時，所表現出來的性能較差，而如何控制地基沉降成為一個重要的課題。

在我國重載鐵路飛速發展的同時，路基工程的沉降控制也需要以更嚴厲的標準來要求，在體現我國鐵路建設先進性的同時，更加注重安全、可靠、舒適的基本原則。路基沉降觀測能夠用來指導現場路基施工填筑速率，以及用來推算路基工后沉降，而路基工程工后沉降的控制又是控制線路軌道變形的關鍵。

1 工程概況

準鄂鐵路穿越毛烏素沙漠東部邊緣區，該地區多為固定、半固定沙地及沙丘，局部為零星流動沙丘，地形較為平坦，植被較發育。沿線地下水類型主要為第四系孔隙潛水，主要賦存于沖洪積砂層中，補給來源多為大氣降水及地表水，水量可觀，地下水位埋深1.3～5.1 m。根據野外調查及鉆孔揭示，沿線出露地層主要有雜填土、素填土、粉砂、細砂等。

該項目控制工程和重難點工程為全線高水位地下水風沙路基施工。路基工程施工制約后續軌道、四電等工程施工，為該項目的控制性工程。風沙路基填筑壓實難度大，邊坡防護工程量和施工難度大，且易受地下水影響造成邊坡不穩定，因此也作為該項目的重難點工程。

2 風積沙地區路基沉降控制技術

2.1 沉降計算分析

首先需要通過數值模擬分析風積沙路基在重力、線路及列車荷載作用下的應力分布及變形特性，從而了解風積沙路基荷載傳遞規律及路基變形特性，可為以后沙漠地區重載鐵路路基填料的選取、路基本體的變形及受力方式提供參考[2]。下面將采用ANSYS有限元分析軟件對準鄂鐵路橋涵過渡段一種典型斷面的沉降變形進行分析計算。

2.1.1 ANSYS有限元模型的建立

（1）依托工程概況。模型依托位于內蒙古毛烏素沙漠地區內的準鄂鐵路風積沙路基，根據現場實際選取，橋涵過渡段（DK195+115）典型斷面進行沉降計算分析，如圖1所示。

（2）模型建立及參數確定?？紤]填料、降雨、加筋及邊坡防護、坡率等因素，利用有限元軟件ANSYS對風積沙高地下水位重載鐵路基進行數值模擬分析，研究多種影響因素情況下的路基在自重、線路及列車荷載共同作用下的應力分布及變形特性，對比分析填料狀態對路基工作特性的影響及不同加筋參數下的加固效果。數值模擬過程中填料參數參考地質勘察報告和試驗段土工室內試驗結果，下面以橋涵過渡段斷面作為例子，對三維模型構建過程進行敘述。

結合工程實際，計算模型的幾何參數依據試驗段設計圖紙及規范進行選取，風積沙路基有限元模型為：基床表層采用0.6 m厚的圓礫土，基床底層采用1.9 m厚的風積沙，基床以下部位采用4.6 m厚的風積沙，地基為10 m厚的粉細砂，模型沿線路縱向長度取為30 m，為三維有限元模型，模型圖如圖2所示。

數值模擬計算的材料參數如表1。

（3）路基荷載及邊界條件。該文所選用的是ANSYS

軟件的面—面接觸單元，由于筋材和土體都是柔性材料，因此筋土的接觸屬于柔性—柔體接觸。

準鄂鐵路設計軸重為25 t，該例計算模型的重載等級系數z值取1.3。由計算結果可知，將軌道荷載簡化成作用于模型頂面一定寬度范圍內的均布荷載，荷載大小為72 kPa，分布寬度為3.8 m，計算高度為3.6 m。

在模型邊界條件中，路基和地基的前后對X和Y方向進行約束，地基底部對X、Y、Z三個方向均進行約束，路基頂面和邊坡為自由邊界。

2.1.2 試驗方案設計

根據各影響因素，擬定下面的方案設計作為數值計算的方案，可控變量共有3個，分別是：降水情況、邊坡坡率、填料改良情況。每種可控變量分為兩種水平，由于變量水平數較少故設計為3因素2水平的直接試驗，根據排列組合每種工況共有8次試驗，具體的試驗情況見表2。并根據下述試驗設計對項目進行模型編號，橋涵過渡段（DK195+115）命名為WC1。

2.1.3 沉降計算分析

根據表3所列正交試驗方案，對橋涵過渡段（DK195+115）斷面的8種工況進行數值模擬分析。選取風積沙路基表層最大位移作為統計參數，同時采用極差分析法對風積沙路基影響因素敏感度進行計算排序，找出最顯著影響因素，為現場施工提供理論依據。正交試驗結果如表3所示。極差分析如表4所示。

由計算結果可以看出，每種因素所對應的極差均不一致，其中坡率極差為0.635，取值為1/1.75時影響最小;降雨（含水率）極差為0.455，取值為最優含水率時影響最小;填料改良極差則為0.925，取值為改良土時影響最小。根據極差分析法的原理，極差越大則說明該影響因素所造成的影響程度越大[3]。經過對比不難得出，在風積沙路基施工過程中，填料改良對路基表層沉降的影響最大，其次為坡率變化，而在這三個因素中降雨（含水率）影響最小。分析原因認為，當風積沙在降雨條件下，含水率從最優達到飽和時，其力學性能變化幅度不大，同時其對路基造成的部分影響也被已有的加固措施所抵消，因此降雨（含水率）影響幅度較坡率變化、填料改良這兩種因素更小。

2.2 風積沙地基沉降預測分析

2.2.1 沉降預測方法及原理

目前，沉降預測方法種類繁多，該研究將創新性地引入隨機森林的機器學習方法對地基沉降進行預測。

隨機森林是一種組成式的有監督學習方法。在隨機森林的模擬過程中，將會同時生成多個預測模型，同時將所得到的多個模型的結果進行匯總，來以此提升預測模型的準確率。憑借著前期沉降觀測所得到的數據，來擬合出一條能反映未來沉降趨勢的函數曲線，最后通過計算來獲得曲線的回歸系數，并通過數學表達式對其進行準確表達[4]，以此對未來將繼續發展的沉降以及最終的沉降進行預測，其數學表達式如式（1）及式（2）所示。

（1）

（2）

上式中：t—觀測時間（d）;

—時間t時的沉降量（mm）;

—最終沉降量（mm）;

—初期沉降量（mm）;

a、b—根據前期實測沉降數據經過線性回歸求得的系數;

—修正的時間零點，對于一次性填筑加載的工況，時間零點取路基填筑施工期時長的一半。

將式（1）變換形式得到式（3）：

（3）

上式中建立了關于的一次函數，通過代入數據可以計算出待定系數a和b，進而得到數學表達式。

2.2.2 風積沙地基沉降預測方法研究

沉降預測的方法需要依照地區、土質、地基形式等條件來進行選擇。此次研究對準鄂鐵路內風積沙地基進行沉降觀測，采用隨機森林法、指數法及泊松曲線法進行了沉降預測，通過對試驗段數據進行處理，可以得到各個預測方法的數學表達式如下[5-7]：

隨機森林法：

（mm）

指數法：

泊松曲線法：

通過上述三種預測方法對路基沉降進行預測，其預測曲線如圖3所示。

為了對比三種方法對路基沉降預測的準確性，將通過相對誤差、方差之和等參數對其進行評判，各項指標計算結果如表5所示。

通過表5各項參數可以看出，采用隨機森林法進行預測時，精度最為準確，與時間沉降更為貼合。

2.2.3 橋涵過渡段沉降預測

先對橋涵過渡段（DK195+115）斷面的沉降進行觀測，再利用隨機森林法對斷面進行回歸分析，將沉降觀測值與沉降預測值繪成曲線如圖4所示：

對沉降預測的可靠度進行評估，評估結果如表6所示：

評估結果顯示，預測值與觀測值吻合度高，預測效果好。

圖5展示了構成訓練模型各個特征的權重，其中負號代表負向影響，正號代表正向影響，由圖可知，X位置所占權重最大。

3 總結

（1）該研究基于準鄂鐵路，通過使用ANSYS有限元分析軟件對橋涵過渡段沉降變形進行分析計算。通過設計的正交試驗方案，對橋涵過渡段（DK195+115）斷面的8種工況進行數值模擬分析，由計算結果可以得出在風積沙路基施工過程中，填料改良對路基表層沉降的影響最大，其次為坡率變化，而在這三個因素中降雨（含水率）影響最小。

（2）該研究采用了指數法、泊松曲線法，并創新的引入隨機森林法對風積沙地基進行沉降預測。通過預測的結果表明，三種方法中，隨機森林法能夠提供最為精確的預測，與時間沉降更為貼合，指數法次之，而泊松曲線法預測值相關系數小于0.92，且預測結果偏差較大，效果較差。

參考文獻

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