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Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 19327 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Zur Lösung des Problems des „Brückenkopfstoßens“ im Übergangsabschnitt zwischen Straße und Brücke einer Schnellstraße in einem abbaubaren Lössgebiet wird erstmals eine Kalk-Boden-Verdichtungspfahl-Verbundgründung im Übergangsabschnitt zwischen Straße und Brücke eingesetzt einer Schnellstraße in China; Der Lössuntergrund wird durch Zugabe von Kalk verbessert und der Unterbau wird in einem mehrschichtigen Geogitter zur gemeinsamen Behandlung verschiedener Ingenieurmaßnahmen angeordnet. Gleichzeitig wird ein neuartiger Präzisions-Differenzdruck-Setzungsmesser eingesetzt, um die langfristige Setzung eines Brücke-Untergrund-Übergangsabschnitts mit geringem Setzungsausmaß nach der Fugenbehandlung sowie die Verteilungscharakteristik und Variationsgesetze der Setzung zu überwachen entlang der Längsrichtung der Linie werden erhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass der Effekt besser ist und die unterschiedliche Setzung geringer ist, wenn eine Verbundgründung aus Kalk-Boden-Verdichtungspfählen verwendet wird; Kalk verbessert die Lössuntergrundverfüllung und das mehrschichtige Geogitter adressiert den Brücken-Untergrundübergang im kollabierbaren Lössbereich. Die unterschiedliche Setzung und die Setzungsrate des Untergrunds und des Widerlagers nehmen mit zunehmender Überwachungszeit zu, und die unterschiedliche Setzung nimmt allmählich zu, während die Wachstumsrate allmählich abnimmt und schließlich tendenziell stabil bleibt. Die differenzielle Abwicklung des Übergangsabschnitts wird mithilfe einer Hyperbelkurve, einer Exponentialkurve und deren Kombination in einem Vorhersagemodell vorhergesagt und analysiert. Die Vorhersageanalyse zeigt, dass das kombinierte Vorhersagemodell den besten Vorhersageeffekt hat. Diese Forschungsergebnisse können als Leitfaden und Referenz für die Planung und den Bau von Unterbaukonstruktionen dienen, die dem nassen Übergangsabschnitt zwischen Straßen und Brücken ähneln.

Der Übergangsbereich Brücke–Untergrund ist der Verbindungsbereich zwischen einer Brücke und ihrem Untergrund. Wenn der Behandlungsprozess und die Bauüberwachung des Übergangsabschnitts Brücke–Untergrund im Projekt nicht effektiv sind, kann es leicht zu unterschiedlichen Setzungen des Brückenkopfs und der Dehnungsfuge (Brückenkopfansatz) kommen, was zu Stufen in der Längsneigung der Fahrbahn führen und Fahrzeuge verursachen kann beim Überqueren des Gelenks zu springen, ein Phänomen, das als „Brückenkopfstoß“ bekannt ist.

Wissenschaftler im In- und Ausland haben umfangreiche Untersuchungen zur unterschiedlichen Besiedlung von Übergangsabschnitten zwischen Brückenzufahrten durchgeführt. True1 stellte fest, dass die ungleichmäßige Änderung der Längssteifigkeit des Übergangsabschnitts entlang der Strecke zu schwerwiegenden Verformungen und Schäden am Übergangsabschnitt führen kann und dass der Steifigkeitsunterschied und die geometrische Unregelmäßigkeit von Straße und Brücke unweigerlich die Betriebsqualität der Schnellstraße beeinträchtigen können . Li et al.2 untersuchten die Faktoren, die die Verformung und Beschädigung eines Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitts beeinflussen, und schlugen eine Qualitätsbewertungsmethode für den Übergangsabschnitt und Behandlungsmaßnahmen zur Reduzierung des Schadens vor. Martin et al.3 verwendeten Software, um die Setzungsverformungseigenschaften eines Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitts unter zyklischer Fahrzeugbelastung zu untersuchen. Sorasak et al.4 fanden durch die Langzeitüberwachung eines Brückenübergangsabschnitts in der Nähe von Bangkok heraus, dass der Hauptgrund für die unterschiedliche Setzung eines Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitts darin liegt, dass sich das Fundament der Brücke und ihre Zufahrtskonstruktion auf unterschiedlichen Bodenschichten befinden . Gleichzeitig haben Langzeitbeobachtungen gezeigt, dass unterschiedliche Setzungen zu plötzlichen Änderungen der Längsneigung und zu Unannehmlichkeiten für den Fahrer führen können. Wissenschaftler wie Jens5 haben herausgefunden, dass langfristige zyklische Verkehrsbelastungen zu einer plastischen kumulativen Verformung des Gleises führen können, was zu einer unregelmäßigen Gleisgeometrie führt, Gleisunregelmäßigkeiten verschlimmert und den normalen Betrieb des Schienenverkehrs beeinträchtigt. Um die ungleichmäßige Setzung eines Übergangsabschnitts zwischen der Straße und der Brücke einer Hochgeschwindigkeitsbahn zu beheben, haben Yang et al.6 umfassend eine Füllmethode eingeführt, bei der im Übergangsabschnitt sortierter Bruchstein mit Flugasche, Zement und walzenverdichtetem Beton gemischt wird und gute Ergebnisse erzielt. Liu et al.7 fanden heraus, dass die kumulative Setzung eines Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitts erheblich reduziert werden kann, indem der Betonübergangsabschnitt mit Gummi gefüllt wird. Zhang et al.8 fanden heraus, dass die ungleichmäßige Setzung eines Straßen-Brücke-Übergangsabschnitts Schäden an der Fahrbahnstruktur des Übergangsabschnitts verursachen kann, was den Betrieb und die Instandhaltung einer Schnellstraße ernsthaft beeinträchtigen kann. Dieses Phänomen kann durch die Festlegung des starr-flexiblen Übergangsabschnitts gemildert werden. Leng et al.9 untersuchten die äquivalente Steifigkeit von Strukturen auf beiden Seiten eines Übergangsabschnitts zwischen Brücke und Unterbau und stellten fest, dass der Wert der äquivalenten Steifigkeit auf der Seite mit einer geringeren Steifigkeit des Übergangsabschnitts nicht nur mit seinen eigenen Materialeigenschaften zusammenhängt sondern hängt auch mit den Materialeigenschaften auf der Seite mit größerer Steifigkeit zusammen. Jia et al.10 untersuchten den Einfluss der Anfahrtsplatte, der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und der Untergrundsteifigkeit auf das Fahrverhalten einer Fahrzeugkarosserie durch eine Analyse der dynamischen Eigenschaften eines Übergangsabschnitts zwischen Brücke und Untergrund. Hu et al.11 schlugen zwei Methoden vor, um die Setzung von Brückenkopfdämmen zu reduzieren, nämlich das Mischen von Löss mit Sand und die Verstärkung mit einem Geogitter. Shen et al.12 analysierten den Einfluss der Geogitterverstärkung auf die Setzung von Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitten in Lössgebieten durch numerische Simulationen.

Fasst man die aktuellen Forschungsergebnisse zusammen, lässt sich feststellen, dass die „Brückenkopfbeule“ durch die übermäßige Differenzsetzung des Übergangsabschnitts zwischen Untergrund und Brücke und Durchlass verursacht wird. Die Hauptgründe dafür sind folgende: (1) Die strukturelle Steifigkeit des Untergrunds und der Brücken- und Durchlassstruktur ist im Übergangsbereich sehr unterschiedlich, was zu unterschiedlichen Verformungen der Straßenbrücke und der Brücke-Düker-Struktur unter langen Bedingungen führt -dauerhafte Belastung, was zu ungleichmäßiger Setzung führt. (2) Nachdem im Übergangsabschnitt eine ungleichmäßige Setzung aufgetreten ist, erzeugt das Fahren der Fahrzeuge eine offensichtliche dynamische Wirkung, und die erhöhte dynamische Wirkung verstärkt die ungleichmäßige Setzung weiter. (3) In einigen besonderen Bodengebieten (z. B. Lössgebieten) ist die Verfestigungssetzung des Bodens selbst aufgrund der schlechten Füllung des Untergrunds und der Schwierigkeit der Verdichtung groß. (4) In einigen besonderen Bodengebieten (z. B. weichen Böden und Lössgebieten) ist kein System zur Behandlung des Fundaments vorhanden, was zu einer schlechten Stabilität des Fundaments und großen Verformungen in späteren Perioden führt.

Zu den wichtigsten Setzungskontrollmethoden für Straßen-Brücken-Übergangsabschnitte in kollabierbaren Lössgebieten gehören derzeit Methoden zur Behandlung von Verbundfundamenten, wie z. B. Mischpfähle, Kalk-Boden-Verdichtungspfähle und der Austausch weicher Fundamente. Zur Setzungskontrolle von Untergrundfüllungen können hochwertige Füllungen (z. B. Kies, sortierter Sand und Stein) oder Kalk und Zement verwendet werden, um schlechte Füllungen (z. B. Löss, Schluff usw.) zu verbessern und die Kompaktheit und Stabilität zu kontrollieren Untergrundfüllung. Gleichzeitig können der Untergrundfüllung Polymere, Geotextilien und Geogitter hinzugefügt werden, um die unterschiedliche Setzungsverformung des Übergangsabschnitts zu reduzieren13,14,15,16,17,18. Diese Methoden können einen erheblichen Einfluss auf die unterschiedliche Setzungskontrolle von Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitten in kollabierbaren Lössgebieten haben.

Diese Probleme des Fahrzeugstoßes am Brückenkopf sind letztlich auf die Setzung von Gestein und Boden zurückzuführen. Es gibt viele Forschungsmethoden und viele theoretische Forschungs- und numerische Analyseergebnisse zu den Auswirkungen von Gesteins- und Bodensetzungen und -verformungen auf den Bau einiger Autobahnbrückeninfrastrukturen. Beispielsweise führten Sun et al.19,20 die einheitliche Festigkeitstheorie ein und nutzten die elastische Dehnung der Erweichungszone und der Restzone, um die Auswirkungen von Gesteins- und Bodenverschiebungen auf die Tunnelinfrastruktur zu analysieren. Gleichzeitig untersuchten sie auch das Versagensverhalten der Tunnelwand, das durch die Verformung von Gestein und Boden verursacht wird, und untersuchten die Einflussfaktoren auf die Stabilität der Tunnelwand durch Parameterforschung. Allerdings gibt es auch relevante theoretische und numerische Simulationsanalysen und Untersuchungen zur spezifischen Untersuchung von Fahrzeugstößen am Brückenkopf einer Schnellstraße, aber die Forschung zu einigen relevanten technischen Beispielen reicht nicht aus, insbesondere die Forschung zur Setzungskontrolle von Fahrzeugstößen am Brückenkopf zusammenklappbarer Lössbereich. Es gibt relativ wenige relevante Studien und Daten zur Langzeitüberwachung der unterschiedlichen Setzungen des Brückenuntergrundübergangsabschnitts in der Lössregion, und die Langzeitüberwachung der unterschiedlichen Setzungen des Brückenuntergrundübergangsabschnitts in der Lössregion, die durch technische Maßnahmen behandelt wurden, wurde nicht untersucht. Der Mangel an Überwachungsdaten von Langzeit-Engineering-Fällen führt dazu, dass es an langfristigen experimentellen Daten zur Prüfung relevanter Forschungstheorien mangelt. Dies behindert die Weiterentwicklung relevanter theoretischer Forschung und technischer Anwendung.

Daher ist dieser Artikel der erste, der Verbundfundamente aus Kalk-Boden-Verdichtungspfählen in einem Straßen-Brücken-Übergangsabschnitt der Tianyong-Schnellstraße in der Provinz Gansu, China, verwendet. Der Planum wird mit verbessertem Löss mit Kalk vermischt verfüllt und gleichzeitig werden mehrschichtige Geogitter zur gemeinsamen Behandlung verschiedener Ingenieurmaßnahmen angeordnet. Diese Studie ist die erste, die die unterschiedliche Setzung eines Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitts mithilfe eines neuen Typs eines präzisen Differenzdruck-Mehrpunktprofil-Setzungsinstruments sowie der Verteilungseigenschaften und Variationsgesetze der differenziellen Setzung entlang der Längsrichtung der Brücke überwacht. Untergrundübergangsabschnitt erhalten. Die Forschungsergebnisse liefern grundlegende Daten für eine weiterführende eingehende Untersuchung der unterschiedlichen Setzungseigenschaften eines Übergangsabschnitts zwischen Brücke und Untergrund. Dies kann auch als Leitfaden und Referenz für die Planung und den Bau ähnlicher Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitte dienen.

Der Überwachungsstandort des Übergangsabschnitts der Tianyong-Schnellstraße befindet sich im Kreis Ningxian in der Provinz Gansu. Bei der Baustelle handelt es sich um den Übergangsabschnitt zwischen Planum und Brücke. Bei der Brücke handelt es sich um die Chengbei-Flussbrücke, die etwa 500 m nördlich des Kreises Ningxian liegt. Die Gesamtlänge der Brücke beträgt 920 m, die maximale Höhe der Brücke beträgt ca. 81 m und die maximale Pfeilerhöhe beträgt 73 m. Es handelt sich um eine zweispurige, vierspurige Schnellstraße mit einer Entwurfsgeschwindigkeit von 80 km/h und einer Fahrzeuglast der Autobahnstufe 1. Die Überwachungsstelle ist der Übergangsbereich des Widerlagers Nr. 21, bei dem es sich um ein Rippenplattenwiderlager handelt. Die Höhe des Widerlagers beträgt ca. 7 m, die Länge der Widerlagerplatte 8 m. Die Dicke der Fahrbahnstruktur des Übergangsabschnitts beträgt ca. 0,78 m. Das Planumsgefälle beträgt 7 m und die Neigung beträgt 1:1,5. Bei dem Fundament handelt es sich um eine unter Eigengewicht zusammenklappbare Stelle, und der Zusammenklappbarkeitsgrad liegt bei III–IV (schwerwiegend bis sehr schwerwiegend).

Angesichts des Mangels an hochwertigen Füllmaterialien in verstopften Lössbereichen werden in diesem Versuch erstmals Kalk-Erde-Verdichtungspfähle zur Behandlung des Verbundfundaments des Widerlager-Übergangsabschnitts eingesetzt, um die unterschiedliche Setzung des Übergangsabschnitts zu verringern. Zur Verfüllung des Untergrundes wird mit Kalk veredelter Löss verwendet. Um dieser Herausforderung zu begegnen, werden verschiedene technische Maßnahmen eingesetzt, indem ein mehrschichtiges Geogitter verlegt wird, um die unterschiedliche Setzung des Übergangsabschnitts zu minimieren.

Für die Behandlung des Fundaments des Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitts wird eine Kalk-Boden-Verdichtungspfahl-Verbundgründung verwendet. Dies ist ein sehr praktisches Fundamentbehandlungsschema in kollabierbaren Lössgebieten und seine Setzungskontrollwirkung ist ebenfalls offensichtlich. Der Kalk-Erde-Pfahl ist 8 m lang, der Pfahlabstand beträgt 1 m und die Anordnung ist quadratisch.

Die Hinterfüllung des Übergangsabschnittsplanums basiert auf einer Reihe geotechnischer Tests, Datenanalysen und Berechnungen im Innenbereich und folgt schließlich dem Schema einer lokalen Lössmischung mit 5 % Kalk. Der Boden stammt aus dem Aufnahmebereich des Brückenkopfdamms der Chengbei-Flussbrücke im TY15-Vertragsabschnitt der Tianyong-Schnellstraße in der Provinz Gansu. Den Feldbohrdaten zufolge handelt es sich bei dem Löss im Projektabschnitt hauptsächlich um neu angesammelten Löss (\({\mathrm{Q}}_{4}^{2}\)), neuen Löss aus der oberen Pleistozän-Serie (\({\ mathrm{Q}}_{3}^{\mathrm{eol}}\)) und eluviales Paläosol der oberen Pleistozänreihe (\({\mathrm{Q}}_{3}^{\mathrm{el}}\) ). Der für die Untergrundverfüllung verwendete Löss ist der neu angesammelte Löss (\({\mathrm{Q}}_{4}^{2}\)), und seine physikalischen Eigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Kornabstufung des erhaltenen Lösses Die durch den Screening-Test ermittelte Menge an gelöschtem Kalk der Güteklasse II, der den Anforderungen der Technischen Regeln für den Bau von Straßenfahrbahnuntergründen (JTG/T F20-2015) entspricht, wird ausgewählt.

Unterdessen werden jeweils 3 Lagen bzw. 4 Lagen Geogitter auf der Unter- und Oberseite des Untergrunds des Übergangsabschnitts verlegt, wobei der Abstand zwischen den Geogittern 20 cm beträgt.

Um die unterschiedliche Setzung des Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitts zu überwachen, verwendet dieser Artikel einen neuen Typ eines hochpräzisen Differenzdruck-Messsensors für die vertikale Verschiebung in Kombination mit einer Solarstromversorgung und der Internet-of-Things-Technologie, um einen kompletten Satz automatischer Überwachungssysteme für zu bilden Unterbausetzung, die die Online-Fernüberwachung der Setzung des Übergangsabschnitts der Schnellstraße während des Betriebs in Echtzeit realisiert.

Das System besteht aus einem drahtlosen Fernüberwachungs- und Sicherheitsbewertungssystem für Untergrundsetzungen, einem Differenzdruckprofil-Setzungsmessgerät JMYC-8110AD (Größe: Ø 52 mm × 225 mm; Gewicht: 0,36 kg; Reichweite: 500 mm; Empfindlichkeit: 0,01 mm; Genauigkeit: 0,1 % FS; Arbeitstemperatur: − 30 °C ~ 85 °C; Ansprechfrequenz: 0,5 Hz), PVC-Schutzrohr (Durchmesser: Ø75 mm), ein JMJK-II-Buserfassungsmodul V1.0 (Genauigkeit: 0,1 % FS; Auflösung : 0,01 % FS) Abtastfrequenz: 1 Hz; Gewicht: 0,5 kg; Arbeitstemperatur: − 40 °C ~ 85 °C; Mechanische Größe: 180 mm × 145 mm × 70 mm), ein drahtloses Datenübertragungsmodul (DTU649: mobiles Internetmodul, drahtlose GPRS-Datenübertragung), ein Solarpanel (Leistung: 100 W; Bestrahlungsintensität: 1000 W/m2), a Batterie (Kapazität: 36 AH; Nennspannung: 12 V), ein Remote-Computer (PC-Computer).

Das Differenzdruck-Profilsetzungstestsystem besteht aus einer Vielzahl von Differenzdruck-Profilsetzungsmessgeräten, die an verschiedenen Positionen installiert sind. Einer von ihnen wird als Referenzpunkt verwendet und die vertikale Verschiebungsänderung des Messpunkts relativ zum Referenzpunkt wird durch Messung der Druckdifferenz zwischen dem Messpunkt und dem Referenzpunkt ermittelt. Das Profil-Setzungsmessgerät ist über ein Flüssigkeitsrohr, ein Luftrohr, einen Draht und ein Zugseil verbunden, das Luftrohr und das Flüssigkeitsrohr sind mit einer bestimmten Position eines Flüssigkeitstanks verbunden, der Flüssigkeitstank sorgt für die Stabilität des Flüssigkeitsspiegels und Luftdruck, und der Draht ist zur automatischen Erfassung mit einem Erfassungssystem verbunden.

Das Differenzdruckprofil-Setzungsmessgerät lässt sich einfach vor Ort installieren. Auf der zu vermessenden Fundamentebene wird entsprechend der Lage des Grundrisses ein durchgehender Installationsgraben ausgehoben. Im Graben wird ein flexibles Schutzrohr mit einem Durchmesser von ca. 60–70 mm verlegt. Im Rohr ist ein Haltedraht vorgesehen. Anschließend wird der Installationsgraben verfüllt und verdichtet, um den Bau des Schutzrohres abzuschließen. Wenn die baulichen Bedingungen den Prüfanforderungen entsprechen, können die zusammengebauten, in Reihe geschalteten Differenzdruckprofil-Abrechnungsmesser über Drähte in die Schutzrohrleitung gezogen werden. Das automatische System ist am Ende der Schutzleitung angeordnet und der Abrechnungszähler wird an das Kabel angeschlossen, um die automatische Erfassung abzuschließen.

Die Behandlungsmethode des Übergangsabschnitts Straße–Brücke und die Anordnung des Setzungsmaßes sind in den Abbildungen dargestellt. 1 und 2 unten.

Längsschnitt des Übergangsabschnitts.

Querschnitt des Untergrunds.

Im Oktober 2020 erfolgte die Installation von Setzungsüberwachungsgeräten vor Ort. Bei der Installation wurde der Setzungsüberwachungsfestpunkt (Setzungslehre Nr. 1) unter der Halterung hinter der Widerlagerkappe ausgewählt (wie in Abb. 1 oben gezeigt) und durch die eingebettete Verstärkung der Widerlagerstruktur fest mit dem Widerlager verbunden, um dies sicherzustellen Der Fixpunkt (Setzungsmaß Nr. 1) wurde fixiert. Anschließend wurden 6 Sätze Setzungsmessgeräte in 5 m, 10 m, 15 m, 20 m, 25 m und 30 m Entfernung von der Rückseite des Widerlagers installiert. Der Installationsprozess vor Ort ist in der folgenden Abb. 3 dargestellt.

Installation des Profilabrechnungsmessers.

Seit November 2020 wird das automatische Fernüberwachungssystem 600 Tage lang zur Echtzeitüberwachung des Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitts der Überwachungsstelle eingesetzt. Zu Beginn der Überwachung wurde die Probenahmehäufigkeit auf 1 Mal/2 Stunden eingestellt, und dann wurden die Daten jeden zweiten Tag erfasst, wobei insgesamt 11.130 Datenpunkte erfasst wurden. Um die Auswirkungen von Vibrationen auf die Testergebnisse zu reduzieren, die durch viele tagsüber vorbeifahrende Fahrzeuge verursacht werden, und angesichts der verlassenen Gegend des Überwachungsstandorts ist das Datensignal der drahtlosen Übertragung nachts von 21:00 bis 5:00 Uhr schwach und die Daten können nicht übertragen werden Um die Integrität der Daten sicherzustellen, wurden in dieser Studie nur die Daten zwischen 18:00 und 21:00 Uhr nachts für die Analyse ausgewählt.

Den Überwachungsergebnissen zufolge ist es sehr effektiv, die Behandlungsmethode dieses Projekts zu übernehmen: eine Kalk-Boden-Verdichtungspfahl-Verbundfundamentbehandlung, kombiniert mit einer Kalklöss-Dammhinterfüllung und einem mehrschichtigen Geogitter, um den Übergangsabschnitt des Widerlagers in kollabierbaren Lössgebieten zu behandeln . Die Gesamtsetzung des Abutment-Übergangsabschnitts ist relativ gering und die maximale Setzung beträgt weniger als 5 mm. Nach Untersuchungen einschlägiger Wissenschaftler zum Setzungskontrollindex von Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitten sollte die maximale Setzung von Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitten von Schnellstraßen unter Berücksichtigung des dynamischen Fahrzeuglastkoeffizienten aufgrund von Simulationsrechnungen weniger als 3 cm21,22 betragen . Daher kann der Siedlungskontrolleffekt des Behandlungsschemas in diesem Projekt die Erwartungen erfüllen.

Den statistischen Daten zufolge erhält man die Verteilungskurve der Differenzsetzung für den Übergangsabschnitt entlang der Längsrichtung der Leitung, wie in Abb. 4 dargestellt.

Kumulierte Differenzabrechnung von Überwachungspunkten.

Abbildung 4 zeigt, dass die unterschiedliche Setzung des Brückenübergangsabschnitts mit zunehmender Entfernung vom Widerlager allmählich zunimmt und mit zunehmender Zeit kontinuierlich zunimmt. Im Überwachungszeitraum beträgt die maximale Setzung des Übergangsabschnitts ca. 4,8 mm und die minimale Setzung 1,9 mm. Der Änderungstrend der unterschiedlichen Setzung an jedem Messpunkt entlang der Längsrichtung der Linie im Übergangsabschnitt ist relativ konsistent; Der Bereich mit der deutlichsten Veränderung konzentriert sich hauptsächlich 15 m bis 20 m vom Widerlager entfernt und es besteht ein Setzungsunterschied von fast 0,5 mm zwischen den beiden entsprechenden Messpunkten. Es kann vorläufig festgestellt werden, dass die Untergrundstruktur innerhalb von 15 m bis 20 m vom Widerlager den Bereich mit der stärksten Setzung im Übergangsabschnitt darstellt.

In Abb. 5 ist auch zu sehen, dass die unterschiedliche Setzung jedes Überwachungspunkts relativ zum Fixpunkt des Widerlagers im Bereich von 2,0 mm bis 4,8 mm weiter zunimmt und je weiter vom Widerlager entfernt ist, desto größer ist die Differenz Siedlung und ihre Änderungsamplitude. Gleichzeitig wurde in der Anfangsphase der Überwachung der Brückenübergangsabschnitt noch nicht für den Verkehr freigegeben; Nur einen Monat später gibt es eine unterschiedliche Setzung von 2,0 mm bis 2,2 mm zwischen jedem Überwachungspunkt und dem festen Punkt des Widerlagers, und es handelt sich um eine unterschiedliche Setzung zwischen dem gesamten Übergangsabschnitt und dem festen Punkt, was darauf hinweist, dass der Übergangsabschnitt eine hat sofortige Abwicklung zu Beginn. Im August 2021, nachdem die gesamte Schnellstraße offiziell für den Verkehr freigegeben wurde, nahm die Setzung an jedem Überwachungspunkt innerhalb eines Monats deutlich zu, und die Gesamtsetzung stieg um fast 1,0 mm bis 1,5 mm. Unter dem Einfluss der Fahrzeuglasten kam es im Übergangsabschnitt zu den wesentlichen Konsolidierungssetzungen. Danach nimmt die unterschiedliche Setzung des Übergangsabschnitts allmählich zu, und die Wachstumsrate ist zu Beginn des Betriebs oder in der frühen Phase größer und nimmt dann in der späteren Phase deutlich ab, was darauf hindeutet, dass das Fahrzeug unter der langfristigen zyklischen Wirkung steht Belastungen weist der Untergrund des Übergangsabschnitts eine gewisse kumulative Verformung auf und die Setzungstendenz wird langsamer.

Kumulierte Differenzabrechnung von Überwachungspunkten.

Um das Variationsgesetz des differenziellen Siedlungswachstums mit der Zeit zu untersuchen, werden die statistischen Daten der monatlichen differenziellen Siedlung vom Anfang bis zum Ende verglichen und die Siedlung der Übergangsabschnittsstruktur wird durch die Siedlungsmenge in einem Monat widergespiegelt. Die Abrechnungsrate jedes Überwachungspunkts in den 13 Testmonaten ist in Abb. 6 unten dargestellt.

Diagramm der kumulativen Differenzabrechnung und der Änderung der Abrechnungsrate der Überwachungspunkte.

Abbildung 6 zeigt, dass die Setzungsrate stark mit der Entfernung vom Widerlager variiert, was der Längsverteilung der Setzung entlang der Linie ähnelt. Gleichzeitig steigt die Abrechnungsrate nach August 2020 mit der Zunahme der Fahrzeuglast auf der Schnellstraße rasch an, nimmt dann allmählich ab und bleibt schließlich tendenziell stabil. Im November 2021, wenn die Fahrzeuge 4 Monate im Einsatz sind, erreicht der Differenzausgleichssatz einen stabilen Zustand. Mit dem kontinuierlichen Anstieg der kumulierten Belastung stabilisierte sich die Setzungsgeschwindigkeit jedes Messpunkts schließlich im Bereich von 0,06 mm/Monat.

Bei einem Lössuntergrund ist der Verformungsprozess komplex und es ist schwierig, die Entwicklung einer solchen Setzung mit analytischen Methoden genau zu berechnen. Es ist schneller und zuverlässiger, das Entwicklungsgesetz der Setzung mit der Zeit zu berechnen, indem man die gemessenen Daten der Feldsetzung anpasst. In- und ausländische Wissenschaftler haben umfangreiche Untersuchungen zur Anpassung von Vorhersagemodellen für Bodensetzungen durchgeführt. Zu ihren Anpassungsvorhersagemethoden gehören hauptsächlich die Exponentialkurvenmethode, die Hyperbolikmethode, die Asaoka-Methode und die Poisson-Kurvenmethode. Unter diesen sind die Exponentialkurvenmethode und die Hyperbolikmethode einfacher als andere Vorhersagemethoden. Da sie für Ingenieure bequem anzuwenden sind und sich an die Anpassung der meisten Untergrundsetzungskurven anpassen lassen, werden sie häufig bei der Setzungsvorhersage von Autobahnuntergründen verwendet und die Methoden sind relativ ausgereift und zuverlässig23,24. In den letzten Jahren hat sich die Kriechsetzungsvorhersagemethode zu einer vorherrschenden Vorhersagemethode entwickelt, da sie sich gut für neu aufgefüllte Böden eignet. Die GM-Methode und die auf neuronalen Netzen basierende BP-Vorhersagemethode für neuronale Netze25,26 sind selbstanpassend und für Situationen mit weniger gemessenen Siedlungsdaten geeignet.

Derzeit ist die Setzungsvorhersagemethode der entsprechenden Forschung im Allgemeinen nur dann geeignet, wenn die Gesamtgröße der Setzung von gewöhnlichem Boden, neuem Füllboden, neuem Untergrund oder weichem Bodengrund relativ groß ist. Bei einem kollabierbaren Lössgebiet, insbesondere einem Straßenbett-Brücke-Übergangsabschnitt nach einer besseren Untergrundbehandlung, gefüllt mit kalkverbessertem Löss und einem geschichteten Geogitter zur Reduzierung der Siedlungsverformung, ist das Ausmaß der späteren Siedlungsveränderung jedoch gering, was sich von dem unterscheidet Die Setzungsgesetze des Untergrundes im Allgemeinen sind begrenzt, sodass die Forschung zu einem anwendbaren Vorhersagemodell in diesem Fall begrenzt ist.

Betrachtet man daher den Siedlungsmechanismus der Unterbaustruktur des Tianyong Expressway und die anwendbaren Bedingungen verschiedener Vorhersagemodelle, die auf den weit verbreiteten Siedlungsanpassungsmethoden von Exponentialkurven und Hyperbeln21,22,23,24,25,26,27 basieren Derzeit wird es in der Branche ausgereift verwendet und entsprechend den Anforderungen der optimalen Zielanpassung der Siedlungsanpassung wird in diesem Artikel ein neues kombiniertes Vorhersagemodell vorgeschlagen, das an die Siedlung des Übergangsabschnitts der Tianyong-Schnellstraße angepasst ist.

Der Ausdruck für das hyperbolische Modell lautet:

Der Ausdruck für das Exponentialmodell lautet:

Der Ausdruck des nach der Kombination gebildeten neuen Kombinationsmodells lautet:

wobei \({a}_{1}\), \({a}_{2}\), \({b}_{1}\), \({b}_{2}\), \ ({c}_{1}\), \({c}_{2}\), \({d}_{1}\) und \({n}_{1}\), \({ n}_{2}\) sind die entsprechenden Anpassungsparameter und \(t\) ist die Anzahl der Überwachungstage.

Um die Genauigkeit des Vorhersagemodells zu testen, können die im Ingenieurwesen üblichen Genauigkeits- und Zuverlässigkeitsindizes übernommen werden: Anpassungsgüte (\({R}^{2}\)), Summe der absoluten Fehlerquadrate (SSE) und Mittelwert absoluter prozentualer Fehler (MAPE). Die spezifische Formel lautet wie folgt:

Güte der Anpassung (\({R}^{2}\))

Wenn die Daten gezählt werden, beträgt die Summe der Quadrate der Residuen: \(ESS=\sum {\left({y}_{t}-\widehat{{y}_{t}}\right)}^{2 }\), Regression Summe der Quadrate \(RSS=\sum {\left({y}_{t}-\overline{{y }_{t}}\right)}^{2}\), \( TSS=RSS+ESS\), Passen Sie den Korrelationskoeffizienten \({R}^{2}=\frac{RSS}{TSS}\) an. Der Korrelationskoeffizient \({R}^{2}\) liegt zwischen 0 und 1.

Summe des quadrierten absoluten Fehlers (SSE):

Mittlerer absoluter prozentualer Fehler (MAPE):

Dabei ist \({S}_{p}\) der vorhergesagte Wert und \({S}_{m}\) der überwachte Wert. Je kleiner der MPAE-Wert ist, desto besser, im Allgemeinen weniger als 10 %, was darauf hinweist, dass die Vorhersagegenauigkeit des Modells höher ist.

Nachdem die Schnellstraße im August 2021 für den Verkehr freigegeben wurde, wurde laut Siedlungsüberwachungsdaten festgestellt, dass es innerhalb eines Monats zu einem deutlichen Anstieg der Siedlungen kam, der dann tendenziell stabil blieb. Daher basieren die Modellanpassungsdaten auf den täglichen Überwachungsdaten von 200 Tagen vom 1. September 2021 bis zum 20. März 2022. Durch die Kurvenanpassung der Überwachungsdaten entsteht ein Vorhersagemodell, das für die unterschiedliche Setzung des Übergangsabschnitts Brücke–Untergrund geeignet ist Eine Schnellstraße in ähnlichen Lössgebieten wird durch Analyse und Forschung ausgewählt.

Die Tabellen 3, 4, 5, 6, 7 und 8 zeigen, dass die drei Kurvenmodelle anhand der Inspektionsindikatoren die Anforderungen für die Anpassung der Beziehung zwischen der Setzung des Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitts des Projekts und der Fahrzeugfahrlast erfüllen können . Gemäß dem Genauigkeitsindex (R2) und dem stabilen Zuverlässigkeitsindex (SEE und MPAE) des Bewertungsvorhersagemodells ist der Anpassungseffekt des Kombinationsvorhersagemodells am besten, das Exponentialmodell der zweitbeste und der Anpassungseffekt des Hyperbolikmodells geringfügig schlechter. Das zeigt, dass das kombinierte Prognosemodell für die ähnliche Situation dieses Projekts besser ist.

Um die Genauigkeit des Vorhersagemodells zu überprüfen, werden die oben genannten drei Vorhersagemodelle verwendet, um die Setzung des Übergangsabschnitts Brücke–Untergrund am 20. Juni 2022 (dem 300. Tag) vorherzusagen, wenn die Schnellstraße seit 10 Monaten für den Verkehr geöffnet ist. Der Vergleich zwischen den Modellvorhersageergebnissen und den tatsächlichen Feldüberwachungswerten ist in Tabelle 9 dargestellt.

Aus Tabelle 9 oben ist ersichtlich, dass der vorhergesagte Wert des hyperbolischen Modells größer ist als der gemessene Wert und der relative Fehlerbereich zwischen ihnen beträgt – 5,54 % bis 11,30 %. Die vorhergesagten Werte des Exponentialkurvenmodells waren kleiner als die gemessenen Werte und ihre relativen Fehler lagen zwischen 10,47 und – 3,61 %. Die vorhergesagten Werte des Kombinationsvorhersagemodells liegen nahe an den gemessenen Werten und ihr relativer Fehler liegt zwischen −4,09 und 5,06 %. Der Gesamtfehler des kombinierten Prognosemodells ist am kleinsten und der Grad der Übereinstimmung mit dem Messwert am höchsten.

In diesem Projekt wird der Untergrund eines Brücken-Unterbau-Übergangsabschnitts durch eine Kalk-Boden-Verdichtungspfahl-Verbundgründung in Kombination mit kalkverbessertem Löss und einem mehrschichtigen Geogitter behandelt; Die Differentialabrechnung ist relativ gering, der Vorhersageeffekt des Kombinationsvorhersagemodells ist am besten und der Vorhersagefehler des Exponentialkurvenmodells und des Hyperbolikmodells ist relativ groß.

Um das Problem der unterschiedlichen Setzung in Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitten von Schnellstraßen in kollabierbaren Lössgebieten zu lösen, werden in dieser Arbeit erstmals Kalk-Boden-Verdichtungspfahl-Verbundgründungen eingesetzt. Durch die Kombination der Lössverbesserung durch Kalkzugabe mit der Anordnung mehrschichtiger Geogitter werden vielfältige bautechnische Maßnahmen eingesetzt, um das Auftreten von Differenzsetzungen zu minimieren. In dieser Arbeit wird die unterschiedliche Setzung eines Brücken-Untergrund-Übergangsabschnitts über einen langen Zeitraum mithilfe eines neuartigen Differenzdruckprofil-Setzungsinstruments überwacht und die Ergebnisse der Setzung, Setzungsrate sowie deren Verteilungsmerkmale und Variation entlang der Längsrichtung überwacht Die Richtung der Linie wird analysiert. Drei Vorhersagemodelle werden verwendet, um die unterschiedliche Setzung des Übergangsabschnitts Brücke–Untergrund vorherzusagen, und es werden folgende Schlussfolgerungen gezogen:

Den Überwachungsergebnissen zufolge ist die Wirkung der Verwendung eines Verbundfundaments aus Kalk-Boden-Verdichtungspfählen in Kombination mit einer mit Kalk vermischten Lössböschungsverfüllung und der Hinzufügung eines mehrschichtigen Geogitters zur Bewältigung des Übergangsabschnitts eines Widerlagers in einem kollabierbaren Lössgebiet sehr offensichtlich; Die Gesamtsetzung und die unterschiedliche Setzung des Übergangsabschnitts des Widerlagers sind relativ gering, und die Wirkung der Kontrolle der Setzung des Behandlungsschemas entspricht den Erwartungen. Die entsprechenden Behandlungsmethoden können in ähnlichen Projekten angewendet werden.

In der Anfangsphase der Baufertigstellung kommt es im Übergangsabschnitt von Straße und Brücke zu einer relativ deutlichen augenblicklichen Setzung, die ca. 2 mm beträgt. In der Anfangsphase nach dem Schnellstraßenbetrieb kommt es unter der Einwirkung von Fahrzeuglasten zu einer relativ deutlichen primären Verfestigungssetzung, die etwa 1,5 mm beträgt.

Während des Überwachungszeitraums beträgt die maximale Setzung des Übergangsabschnitts am Brückenende und des Unterbauwerks 4,87 mm und die minimale Setzung 1,9 mm. Die Planumsstruktur im Umkreis von 15–20 m vom Widerlager ist der bedeutendste Bereich der Übergangsabschnittssetzung.

Die unterschiedliche Setzung des Übergangsabschnitts auf beiden Seiten der Brücke nimmt mit zunehmender Entfernung vom Widerlager und mit zunehmender Betriebszeit (kumulierte Fahrzeuglast) der Schnellstraße allmählich zu.

Während des Überwachungszeitraums schwankt die Setzungsgeschwindigkeit jedes Messpunkts im Übergangsbereich in einem Bereich von 0,06 mm/Monat, wobei die Setzungsgeschwindigkeit und ihre Variationsbreite umso größer sind, je weiter sie vom Widerlager entfernt sind. Mit zunehmender kumulierter Fahrzeuglast nimmt die Abrechnungsrate allmählich ab und tendiert schließlich zu einer Stabilisierung.

Für die Setzung einer Schnellstraßen-Brückenkopfuntergrundstruktur mit relativ geringer Setzung kann das kombinierte Vorhersagemodell deren langfristige Setzungsverformung besser vorhersagen, und die Vorhersagefehler des Exponentialkurvenmodells und des Hyperbolikmodells sind relativ groß.

Darüber hinaus gibt es aufgrund der Komplexität der tatsächlichen Standortbedingungen des Projekts viele Faktoren, die die unterschiedliche Setzung des Übergangsabschnitts beeinflussen, wie z. B. Temperatur, Klima, Verkehrsbelastung und Untergrundhöhe. Dieses Projekt ist durch das technische Niveau der Überwachungsinstrumente, die Bedingungen vor Ort sowie wirtschaftliche und andere Gründe begrenzt, so dass es unmöglich ist, weitere Einflussfaktoren zu untersuchen und zu berücksichtigen. Weitere Studien in diesem Bereich sollten in Zukunft verstärkt werden.

Einige oder alle Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die in diesem Artikel beschriebene Forschung wurde vom Science and Technology Project des Verkehrsministeriums der Provinz Hubei (Nr. 2022-11-2-8), dem China Scholarship Council (CSC Nr. 201906950026) und den Fundamental Research Funds for the finanziell unterstützt Zentrale Universitäten (Nr. 2019-YB-015).

Fakultät für Transport- und Logistiktechnik, Technische Universität Wuhan, Wuhan, 430063, China

Yang Du, Xiongjun He, Chao Wu und Weiwei Wu

Wuhan Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd, Wuhan, 430023, China

Yang Du

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Bei der Einreichung dieses Manuskripts besteht kein Interessenkonflikt und alle Autoren genehmigen die Veröffentlichung des Manuskripts. Im Namen meiner Co-Autoren möchte ich erklären, dass es sich bei der beschriebenen Arbeit um Originalforschung handelt, die noch nicht veröffentlicht wurde und weder ganz noch teilweise für eine Veröffentlichung an anderer Stelle in Betracht gezogen wird. Alle aufgeführten Autoren haben das beiliegende Manuskript genehmigt.

Korrespondenz mit Yang Du.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Du, Y., He, X., Wu, C. et al. Langzeitüberwachung und Analyse der longitudinalen Differentialsetzung eines Schnellstraßenbrücke-Untergrund-Übergangsabschnitts in einem Lössgebiet. Sci Rep 12, 19327 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23829-y

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Eingegangen: 09. Juli 2022

Angenommen: 07. November 2022

Veröffentlicht: 11. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23829-y

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