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《中南大学》 2011年
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高速铁路桥梁桩基础变形性状试验与工后沉降研究

杨奇  
【摘要】:高速铁路高速度、高舒适度、高安全性和高密度连续运营的特点,要求轨道结构具有持久稳定的高平顺性,因而对工后沉降和差异沉降提出十分严格的要求。桥梁在整个线路中占的比重很大,有的占到线路总长80%以上,且几乎都采用桩基础。因此桩基工后沉降控制成为了高速铁路设计和施工最为关键的技术之一。但是,目前桥梁基础工后沉降的研究较少,积累的资料不多,计算理论还不成熟,研究滞后于工程实践的需要。面对当前方兴未艾高速铁路建设,确定合理的铺轨时间、保障工后沉降在规定限值内是一项十分重要的工作,因而深入开展桥梁基础工后沉降机理和预测方法研究具有重要的理论意义和工程实用价值。 本文针对高速铁路桥梁桩基长期沉降变形观测方法、桩基沉降发展规律、工后沉降产生机理、桩基(长期)工后沉降计算方法、预测理论和满足桥梁基础工后沉降限值的合理辅轨时间等重要问题,应用现场测试、室内试验和理论分析相结合的方法,进行了系统深入地研究。主要的工作和成果如下: (1)编制了武广高速铁路、京沪高速铁路桥梁桩基沉降变形观测方案,通过研究和实践提出了桥梁基础变形沉降监测的具体实施技术,包括基本要求、技术标准、测点布置方法、基点复测、水准路线图、桥墩基础观测系统整体布置方法和保障获得各种可靠监测数据的具体措施。现场试验研究表明变形观测方法行之有效,观测元件和设备可靠,有良好的推广价值。 (2)提出了精密水准联合静力水准监测桥梁桩基沉降的方法,并在武广高速铁路和京沪高速铁路典型试验工点得到成功应用。获得了翔实可靠的高速铁路桥梁桩基长期沉降数据、桩身压缩变形数据。基于此揭示了高速铁路桥梁桩基沉降发展规律,桩身轴力、桩侧摩阻力随工况(荷载)的变化规律,探讨了高速铁路桥梁桩基沉降的机理。 (3)针对京沪高速铁路典型软土区长大桩基特点,提出了沉降计联合应变计监测桥梁桩基桩底压缩层变形的方法,研究了长大桩桩底压缩层沉降计的安装埋设工艺,为测试桩底压缩层变形提供一种可靠的技术方法。在国内外首次于现场获取了大量长大桩桩底土层压缩变形数据,揭示了深厚软土地段长大桩桩底土层压缩变形随荷载、时间的发展规律。 (4)通过室内蠕变试验获取了京沪试验工点长大桩桩底试验土样在各级荷载作用下的应力-应变-时间关系曲线。研制了蠕变参数反演程序(CPIP),对比分析表明Schiffman粘弹性模型能较好地描述桩底土层的变形特性。 (5)基于Schiffman模型,建立了多级加载情况下单面和双面透水边界多层粘弹性地基一维固结方程,推导了桩底压缩层在多级加载作用下的有效应力和沉降的计算公式。 (6)改进了桥梁群桩沉降计算“三维复合分析方法Ⅰ”使其能模拟高速铁路桥梁桩基实际的受荷情况和考虑桩底压缩层的蠕变特性。编写了相应计算程序PG3DSII,对京沪高速铁路桥梁桩基沉降的计算结果与现场实测值的对比分析表明,该方法能提高桩基长期沉降的计算精度。 (7)基于铺轨前桩基沉降观测值与PG3DSII计算程序,运用坐标轮换法分组迭代反演桩基底土层主要参数,编制了桩底土层参数反演计算程序PBAP,提出了基于反演参数的桥梁桩基长期沉降计算方法。对比分析表明,该方法计算的长大桩基沉降误差小,比基于室内土工参数计算的沉降更为“真实”可靠。 (8)提出了计算高速铁路桥梁桩基工后沉降和满足桥梁桩基工后沉降限值所需最短休工时间的计算方法,进而提出了最佳铺轨时间的确定方法,研制了相应的计算程序PTLT。可为满足桥梁基础工后沉降限值的合理辅轨时间的确定提供直接参考。 (9)通过对常用预测模型预测效果的评价指标分析,指出了客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南中评价预测模型合理性仅局限于相关系数指标的不足,建议引入均方误差MSE、平均绝对误差MAE和平均绝对百分表误差MAPE指标进行综合评价,并提出了这些评价指标的参考值。 (10)提出了加权组合预测模型进行高速铁路桥梁工后沉降预测的方法,研制了桥梁桩基沉降加权组合预测程序BriFSCF。通过多个实例验证表明,最小二乘准则下最优组合预测法效果较好,可作为的预测优选模型。研究成果可为客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南的修订、完善提供重要依据。
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