一种循环列车荷载作用下高铁路基长期沉降预测方法

摘要

一种循环列车荷载作用下高铁路基长期沉降预测方法，步骤如下：（1）观测得到路基已有沉降数据及路基基床表层荷载，得出路基土体的压缩模量；（2）根据观测数据拟合成对数函数，得到计算中所需的参数值；（3）将前两步中得到的参数值代入本构方程中；（4）采用有限差分法对本构方程进行离散，并代入路基基床表层荷载；（5）通过迭代法对有限差分法所得的方程进行求解，计算出路基在长期高铁列车荷载作用下的沉降；（6）根据实时观测数据不断验证并修正参数值，进而使得路基沉降预测值更加准确。本发明首次采用状态演化本构模型对高铁路基受长期列车荷载作用的沉降变形进行预测，本方法简单易行且精确，具有很好的推广应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种循环列车荷载作用下高铁路基长期沉降预测方法，属高铁路基技术领域。

背景技术

随着中国社会经济的发展和人民生活水平的提高，中国高铁技术也在不断发展并已达到世界前沿水平。为保证高铁列车高速运行的安全性及稳定性，高铁路基沉降控制的要求十分严格，而长期的高铁列车循环动荷载对高铁路基沉降产生的影响较大，不然忽视，因此工程中十分重视高铁路基长期的沉降变形。目前，针对高铁路基长期沉降预测的研究中，常规的方法局限于数值模拟的方法，该方法所花的时间和精力投入较大，需要耗费巨大的计算机资源，且预测结果过于依赖模型参数取值。此外在高铁路基工程现场定点定期的观测，仅能反映路基当时的沉降情况，无法对长期列车荷载作用下路基的沉降进行有效的预测。

因此，提出一种循环列车荷载作用下高铁路基长期沉降预测方法，通过已有的高铁路基沉降观测数据对路基未来即将发生的沉降量进行预测预警，进而防范工程风险发生的可能性，是非常具有工程应用价值的技术问题。

发明内容

本发明的目的是，为了解决现有技术无法对长期列车荷载作用下路基的沉降进行有效的预测的问题，提出一种循环列车荷载作用下高铁路基长期沉降预测方法。

本发明实现的技术方案如下，一种循环列车荷载作用下高铁路基长期沉降预测方法，所述方法步骤如下：

(1)观测得到路基已有沉降数据及路基基床表层荷载，并进行基本土工试验得出路基土体的压缩模量。

(2)根据观测数据拟合成对数函数，得到计算中所需的参数值。

(3)将上一步中得到的参数值代入本构方程。

(4)采用有限差分法对本构方程进行离散，并代入观测所得的路基基床表层荷载。

(5)通过迭代法对有限差分法所得的方程进行求解，最终预测出路基在长期高铁列车荷载作用下的沉降。

(6)根据现场实时观测数据，不断验证并修正第(2)步中所得的参数值，进而修正本发明方法的计算结果，使得路基沉降预测值更加准确。

所述拟合成对数函数为：

w＝C

式中：w为高铁路基的沉降值；t为时间；C

所述本构方程为：

式中：σ为路基表层受到的动应力；

根据拟合所得C

式中：σ

所述采用有限差分法对本构方程进行离散过程如下：

对路基应变对时间的一阶导数

式中：

将上式代入

式中：D

所述迭代法对上述方程进行求解的过程为：

(1)在其他参数通过拟合或土工试验均已知的情况下，将拟合得到的流化参数初始值D

(2)然后依次迭代计算得到D

(3)根据路基初始应变γ

(4)根据路基沉降w＝H·γ的关系，得出路基在长期列车循环荷载作用下随时间变化的沉降值，其中H为路基高度。

本发明的有益效果是，本发明首次采用状态演化本构模型对高铁路基受长期列车荷载作用的沉降变形进行预测，采用有限差分法对本构方程进行离散，并进行迭代求解得到路基沉降值，同时可以根据现场实时观测数据对参数进行修正以得到更加准确的预测值，本方法简单易行且精确，具有很好的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明循环列车荷载作用下高铁路基长期沉降预测方法的流程图；

图2为本发明方法的计算模型图；

图3为本实施例中土体在1200秒循环荷载作用下得到的实测应变数据；

图4为本实施例中土体在1200秒循环荷载作用下，采用本发明方法计算得到的应变数据；

图5为本实施例中土体在循环荷载作用2400秒后，采用本发明方法计算得到的应变曲线；

图中：1为高铁路基；2为路基高度；3为路基基床表层受到的动荷载。

具体实施方式

本实施例一种循环列车荷载作用下高铁路基长期沉降预测方法的计算流程如图1所示，本实施例以试验数据进行描述，具体步骤如下：

第一步、观测得到路基已有沉降数据及路基基床表层荷载，并进行基本土工试验得出路基土体的压缩模量：

图3为观测得到路基在1200秒循环荷载作用下得到的应变数据，路基基床表层所受荷载为

第二步、根据观测数据拟合成对数函数，得到计算中所需的参数值：

根据观测数据拟合得到对数函数曲线为：y＝1.52×10

其中C

式中：σ

第三步、基于状态演化本构模型，将前两步中得到的参数值代入本构方程式(3)、(4)中：

第四步、采用有限差分法对本构方程进行离散，得到式(5)、(6)，并代入路基基床表层荷载

本实例中，计算步长Δt取0.0005秒，实际预测可根据所需计算精度与速度选择合适的补充。

第五步、通过迭代法对有限差分法所得的方程进行求解，计算出路基在长期高铁列车荷载作用下的沉降。

将拟合得到的流化参数初始值D

第六步、根据实时观测数据不断验证并修正参数值，进而使得路基沉降预测值更加准确。

将计算所得路基应变数据与实时观测到的应变数据对比，根据路基沉降数值大小以及随时间变化的速率(即曲线的斜率)对γ

对比图3与图4可知计算值与实测值十分吻合，此时根据修正后的参数对路基沉降进行预测，图5为本方法预测计算路基在循环荷载作用2400秒后产生的沉降变形的应变曲线，可知在2400秒是路基产生的应变为0.0026，根据路基填筑高度2700mm，路基沉降值为w＝H·γ＝2700×0.0026＝7.02mm。在观测得到路基在循环荷载作用2400秒后的实际沉降数据后，可以对参数进一步的修正，再继续预测。

以上所述实施例仅代表本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。