涂 浩，杜海若，修志杰

（西南交通大學 機械工程學院，1.碩士研究生，2.副教授，四川 成都 610031）

高速鐵路具有快速、高舒適度和高密度連續(xù)運營等特點，要求軌道線路具有較高的平順性。橋梁在整個線路中占的比重往往很大，且橋梁基礎的工后沉降直接影響軌面高程變化，危害鐵路線路平順性。因此，控制橋梁基礎的沉降，已成為高速鐵路橋梁建造的關鍵問題之一。

高速鐵路橋梁基礎工后沉降研究的關鍵問題，主要包括沉降變形觀測方法、工后沉降計算方法、預測模型的研究以及列車動載荷的影響。從目前研究資料來看，對這4個關鍵問題的研究并不多，且研究內容不全面、計算理論不成熟，均滯后于工程實踐需要。面對方興未艾的高速鐵路建設，保障工后沉降在容許范圍內以保證線路高平順性，對工后沉降關鍵問題還有待進一步深入研究的必要性。

1 觀測方法

在施工階段，通過準確可靠的觀測方法可以得到沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)。這對后期預測工后沉降準確性和驗證工后沉降理論計算方法可行性相當重要，獲取準確的觀測數(shù)據(jù)，需要靠科學有效的監(jiān)測及數(shù)據(jù)管理方法作為保障。因此，開展高速鐵路樁基沉降變形觀測方法的研究，以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度和有效性，對研究控制工后沉降具有重要作用。

1.1 行業(yè)規(guī)范制定高速鐵路橋梁工程沉降觀測方案，進行工程測量時，應符合國家行業(yè)標準。對橋梁沉降變形觀測點布置、觀測精度、觀測頻次所涉及的標準有《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南》；對橋梁獨立平面坐標系統(tǒng)、GPS平面控制測量作業(yè)技術要求、導線測量應符合《客運專線無砟軌道鐵路工程測量技術暫行規(guī)定》中對橋梁測量的規(guī)定。

1.2 監(jiān)測方法高速鐵路橋梁基礎工后沉降監(jiān)測對精度要求較高，整個監(jiān)測周期長達數(shù)年甚至更久，對監(jiān)測方法和技術提出了較高的要求。線路不同決定了觀測方案的不同?，F(xiàn)研究主要涉及結合具體某段高鐵線路，制定沉降變形觀測具體實施技術，包括基點（水準基點和工作基點）布設方法、基點復測、觀測點布設、水準路線圖、橋墩基礎觀測系統(tǒng)整體布置方法以及所要滿足的技術標準和觀測作業(yè)要求等方面。

觀測儀器的選用，在一定程度上決定了觀測精度和數(shù)據(jù)質量。高速鐵路橋梁沉降主要采用精密水準觀測方法，儀器多為精密水準器，配合銦鋼尺。但這種監(jiān)測方法在一定程度上不能滿足工后沉降監(jiān)測要求：一是沉降觀測點和基準點很容易受到外界擾動影響，穩(wěn)定性較差；二是觀測方式、氣候條件的略微差異對觀測精度影響較大；三是觀測工作量大且精度達不到要求。

選用穩(wěn)定性更好、精度更高的儀器，或者多種儀器配合驗證補充以提高觀測精度值得我們進一步研究。已有研究者將靜力水準監(jiān)測方法引入到橋梁基礎沉降監(jiān)測中，與精密水準聯(lián)合監(jiān)測樁基沉降〔1〕，工程實踐也證明這種方法提高了觀測精度，可以為其他研究者所借鑒。

1.3 數(shù)據(jù)管理高速鐵路沉降觀測是一個工序嚴格的過程。沉降觀測數(shù)據(jù)是復雜的、海量的，且數(shù)據(jù)的有效性、準確性直接關系著對工后沉降的計算及預測，關系到合理的鋪軌時間。沒有一套對數(shù)據(jù)進行合理的質量控制和管理就難以確保數(shù)據(jù)的有效性，難以保障高速鐵路的順利建設。

建立完備的高速鐵路沉降監(jiān)測體系，需要多個領域的技術知識和多方單位的協(xié)調配合。涉及到觀測前期工作管理、觀測輔助資料管理、外業(yè)監(jiān)督管理、沉降數(shù)據(jù)質量審查、外業(yè)抽檢控制以及數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)質量管理方法〔2〕等多個方面。在多方單位的配合中，要職責分明、反饋及時，嚴格按照沉降觀測方案實施觀測。

2 工后沉降計算

鋪軌工程施工后基礎設施產生的沉降量〔3〕稱為工后沉降。據(jù)此橋梁基礎工后沉降等于基礎設施的最終沉降量與至鋪軌完成時的沉降量之差。隨著高速鐵路的發(fā)展，對工后沉降的要求越來越高。研究和探討工后沉降計算方法、計算因素，對行車安全、舒適度以及工程造價和日后的維修養(yǎng)護具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

2.1 計算方法在恒定載荷作用下，橋梁基礎工后沉降主要構成部分是蠕變變形。對現(xiàn)有研究資料分析，沉降計算研究的思路和方法，大致概括為以下3種：

1）選用蠕變模型描述地基土的蠕變行為，應用解析和數(shù)值分析方法計算樁基礎的工后沉降；

2）采用彈性理論、修正載荷傳遞法和剪切位移法計算樁基總沉降，結合實際加載情況對固結公式進行推導，計算出樁端土層在任意時刻的固結度和沉降；

3）在考慮飽和軟土的循環(huán)累計塑性變形和循環(huán)累計孔壓模型基礎上，建立靜載和循環(huán)載荷在復合樁基工后沉降的計算方法。

這些研究資料也分別通過工程實踐進行了比較，理論計算結果與實測沉降-時間曲線總體上吻合，驗證了計算方法具有一定可行性與合理性，但這些研究只是考慮了某種主要沉降特性，未考慮地基土物質組成、結構復雜，以及施工過程橋梁基礎的成形工藝和布置方式的差異性等因素，有必要結合實際加載情況、實測數(shù)據(jù)對計算方法加以修正，才更為合乎實際沉降過程。

2.2 計算因素計算樁基工后沉降的一個關鍵因素是選取地基土體參數(shù)，但由于土體物質組成、結構復雜，在實際工況條件下，受載荷、地下水等動態(tài)因素的影響，土體參數(shù)處于動態(tài)演化中。在計算工后沉降時，目前的一些研究也多未考慮土體參數(shù)的動態(tài)變化，只是以室內試驗獲取參數(shù)來計算，這在一定程度上影響了工后沉降計算的準確性。探討研究確定合理的地基土體參數(shù)，對于提高樁基工后沉降計算準確性及計算精度相當重要。

利用直接位移反分析法來反演參數(shù)是一種可行的方法，已有研究者根據(jù)軌道鋪設前觀測的樁基沉降值和理論模型，計算樁基沉降誤差建立目標函數(shù)，運用坐標輪換法分組迭代反演土層的彈性變形模量、蠕變階段變形模量和粘性系數(shù)、滲透系數(shù)這幾個主要參數(shù)，并對基于反演參數(shù)的計算沉降、基于室內試驗參數(shù)的計算沉降與現(xiàn)場觀測沉降進行了比較，結果基于反演參數(shù)的計算沉降與現(xiàn)場觀測沉降更為吻合〔1〕。

土體參數(shù)很多，反演的土體參數(shù)多，會使計算工作量成倍增加，反分析解的精度降低，甚至唯一性難以保證。因此，從實際出發(fā)，確定以哪些土體參數(shù)來作為反演參數(shù)至關重要。這還有待我們進一步通過試驗計算來確定。

3 預測模型

橋梁基礎沉降過程是一個承臺與樁、樁與地基土之間相互影響的過程。不同鐵路線路地基土的性質不同，所承受的荷載水平也存在差異，以及具體的橋梁基礎的成型工藝和布置方式的多樣性，使得現(xiàn)有分析方法所計算的沉降結果與實測值存在明顯差異，計算精度不能滿足沉降控制要求，難以應用到工程實踐中。在工程應用中往往采用根據(jù)沉降-時間（S-t）實測數(shù)據(jù)來預測工后沉降。

根據(jù)不同時間測得的實際沉降值形成數(shù)列，對沉降與時間數(shù)據(jù)的內在動態(tài)規(guī)律進行研究，選取能描述內在規(guī)律的預測模型和模型參數(shù)，從而預測未來沉降量。沉降預測方法的關鍵是建立合理的預測模型。預測模型分為單項預測模型和組合預測模型，其中單項預測模型研究集中在GM（1，1）模型和全過程預測模型。

3.1 單項預測模型

3.1.1 GM（1，1）模型 灰色模型簡稱GM模型，提供了在信息部分不清楚或不確定情況下求解系統(tǒng)問題的新方法。在巖土工程有關變形問題中廣泛應用的是GM（1，1）模型，其計算量小、原理清晰。采用經典GM（1，1）模型進行預測，隨著時間推移，預測精度會越來越低，這主要是由于橋梁基礎沉降觀測是一個時間長、觀測周期非等距、土層參數(shù)動態(tài)變化的過程。經典GM（1，1）模型只能作為短期預測方法，開始預測階段吻合較好，隨著時間的推移發(fā)散較快，不能適用中后期預測精度需求。為滿足長期預測的精度要求，發(fā)展了非等步長變系數(shù)GM（1，1）模型〔1〕、新陳代謝GM（1，1）模型〔4〕。這些改進的GM（1，1）模型與實際沉降更為吻合，預測的準確性更好，具有較好的實用性，能有效縮短工期、降低造價和提高工程質量。

3.1.2 全過程預測模型 在工程實踐中，為了盡可能地反映整個過程中沉降量與時間關系，廣泛采用全過程預測模型。但全過程預測模型中的Logistic、Von Bertalanffy和Gompertz模型只能描述一種特定形狀的S曲線，有著固定的拐點，結構上存在不足〔1〕。為改善這些問題，引入Richars模型到樁基沉降預測，它不僅能演變?yōu)樯厦?種模型，預測在載荷穩(wěn)定條件下主固結期間的沉降，也能描述沉降從發(fā)生、發(fā)展、成熟到穩(wěn)定整個呈S型變化規(guī)律過程，具有較好的擬合性和預測精度。

3.2 組合預測模型在某一階段或全過程中橋梁基礎沉降過程比較復雜，地基土層性質動態(tài)變化、施工工序多樣。這些因素使得在某階段可能不僅發(fā)生線彈性沉降，也含有主固結沉降和蠕變沉降，如果采用單項預測模型，只考慮其中某種沉降特性，顯然難以描述這個階段或全過程的沉降變化規(guī)律，難以保證沉降預測準確性。選取能反映不同沉降規(guī)律的單項預測模型，研究如何將這些單項預測模型有效組合，改善預測精度和適用性十分必要。

組合預測方法提出以來，由于其提高預測精度、改善預測模型擬合能力，在土木工程領域得到廣泛應用發(fā)展，但在高速鐵路橋梁樁基工后沉降預測上研究應用還較少。組合預測方法關鍵是各個單項預測的權重。確定權重的方法較多，有基于相關系數(shù)的最優(yōu)權重法、基于相關系數(shù)確定權重法、方差倒數(shù)法、最小二乘準則下最優(yōu)組合預測法〔5〕等，其中最小二乘準則下最優(yōu)組合預測法效果較好，可作為首選預測模型，基于相關系數(shù)的最優(yōu)權重法為次選模型。其他研究者在應用組合預測方法時，也要遵循相應的原則步驟〔5〕。高速鐵路橋梁基礎沉降預測對精度要求越來越高，發(fā)展組合預測模型，提高預測擬合度，具有現(xiàn)實意義和理論意義。

4 動載影響

高速鐵路橋梁在運營期間，長期承受來自列車的循環(huán)動力載荷，且高速列車軸重較小，運營速度快。當高速列車經過橋梁時，列車動力載荷通過梁、支座、墩或臺傳遞到基礎上，其衰減顯著；由列車動力載荷引起的加速度、動位移值較小，不足以引起動力累計沉降。在樁端持力層較好的情況下，軟土地基橋梁樁基礎設計時可以忽略由于高速列車運營的反復荷載作用對樁基工后沉降和豎向承載力的影響〔6〕。

5 結束語

高速鐵路飛速發(fā)展的同時，對線路的平順性要求越來越高。線路的平順性關系到運輸安全和旅客舒適度。橋梁基礎工后沉降的研究滯后于工程實踐需要，在一定程度上也影響高速鐵路發(fā)展大局。高速鐵路橋梁基礎工后沉降觀測方法、工后沉降計算方法、預測模型這些關鍵問題的研究是控制工后沉降的理論實踐基礎，有待進一步深入研究，不斷提高計算精度和預測精度，從而控制工后沉降，提高線路的高平順性，滿足高速鐵路發(fā)展需求。

〔1〕楊奇.高速鐵路橋梁樁基礎變形性狀試驗與工后沉降研究〔D〕.長沙，中南大學，2011.

〔2〕陳超，張獻州，尚金光.高速鐵路沉降觀測數(shù)據(jù)生產過程質量控制與管理〔J〕.高速鐵路技術2011.2（5）：25-29.

〔3〕TB10621-2009 高速鐵路設計規(guī)范〔S〕.北京：中國鐵道出版社，2009

〔4〕蔡君君，王星華.高速鐵路橋梁群樁基礎工后沉降的計算與預測〔J〕.鐵道勘察與設計2008.6：29-34

〔5〕冷伍明，楊奇，聶如松，岳健.高速鐵路橋梁樁基工后沉降組合預測研究〔J〕.巖土力學2011.32（11）：3341-3348.

〔6〕蔡華炳，文望青，薛照鈞，冷伍明，楊龍才.軟土地基橋梁樁基礎單樁豎向動靜載試驗研究〔J〕.鐵道標準設計2005（11）：34-37.