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Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 19327 (2022) Citar este artículo

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Para resolver el problema del "golpe de cabeza de puente" en el tramo de transición entre la carretera y el puente de una autopista en una zona de loess colapsable, se utiliza por primera vez una cimentación compuesta por pilotes de compactación de tierra y cal en el tramo de transición entre la carretera y el puente. de una autopista en China; la subrasante de loess se mejora añadiendo cal, y la subrasante se dispone en una geomalla multicapa para el tratamiento conjunto de diversas medidas de ingeniería. Al mismo tiempo, se utiliza un nuevo tipo de medidor de asentamiento de presión diferencial de precisión para monitorear el asentamiento a largo plazo de una sección de transición puente-subrasante con una pequeña magnitud de asentamiento después del tratamiento de la junta, y las características de distribución y leyes de variación del asentamiento. a lo largo de la dirección longitudinal de la línea. Los resultados muestran que el efecto es mejor y el asentamiento diferencial es menor cuando se utiliza una cimentación compuesta por pilotes de compactación de cal y suelo; la cal mejora el relleno de la subrasante de loess y la geomalla multicapa aborda la transición entre el puente y la subrasante en el área de loess colapsable. El asentamiento diferencial y la tasa de asentamiento de la subrasante y el pilar aumentan con el aumento del tiempo de monitoreo, y el asentamiento diferencial aumenta gradualmente, mientras que la tasa de crecimiento disminuye gradualmente y finalmente tiende a ser estable. El asentamiento diferencial de la sección de transición se predice y analiza utilizando una curva hiperbólica, una curva exponencial y su combinación en un modelo de predicción, y el análisis de predicción muestra que el modelo de predicción combinado tiene el mejor efecto de predicción. Los resultados de esta investigación pueden proporcionar orientación y referencia para el diseño y construcción de estructuras de subrasante similares a la sección de transición húmeda entre carreteras y puentes.

La sección de transición puente-subrasante es el área de conexión entre un puente y su subrasante. Si el proceso de tratamiento y control de construcción de la sección de transición puente-subrasante no son efectivos en el proyecto, fácilmente puede ocurrir asentamiento diferencial de la cabeza de puente y la junta de expansión (aproximación de cabeza de puente), lo que puede crear escalones en la pendiente longitudinal del pavimento y causar que los vehículos saltar cuando pasan sobre la articulación, fenómeno conocido como "golpe de cabeza de puente".

Académicos nacionales y extranjeros han llevado a cabo extensas investigaciones sobre el asentamiento diferencial de las secciones de transición de acceso a puentes. True1 señaló que el cambio desigual en la rigidez longitudinal de la sección de transición a lo largo de la línea puede provocar graves deformaciones y daños en la sección de transición, y la diferencia de rigidez y la irregularidad geométrica de la carretera y el puente pueden afectar inevitablemente la calidad operativa de la autopista. . Li et al.2 estudiaron los factores que afectan la deformación y el daño de una sección de transición puente-subrasante y propusieron un método de evaluación de calidad para la sección de transición y medidas de tratamiento para reducir el daño. Martin et al.3 utilizaron software para estudiar las características de deformación por asentamiento de una sección de transición puente-subrasante bajo carga cíclica de vehículos. Sorasak et al.4 encontraron a través del monitoreo a largo plazo de una sección de transición de un puente cerca de Bangkok que la razón principal para el asentamiento diferencial de una sección de transición puente-subrasante es que los cimientos del puente y su estructura de acceso se encuentran en diferentes capas de suelo. . Al mismo tiempo, observaciones a largo plazo han demostrado que el asentamiento diferencial puede provocar cambios repentinos en la pendiente longitudinal y malestar para el conductor. Académicos como Jens5 han descubierto que las cargas de tráfico cíclico a largo plazo pueden causar deformación plástica acumulativa de la vía, lo que conduce a una geometría irregular de la vía, agrava las irregularidades de la vía y afecta el funcionamiento normal del tránsito ferroviario. Yang et al.6, para abordar el asentamiento desigual de una sección de transición entre la carretera y el puente de un ferrocarril de alta velocidad, adoptaron de manera integral un método de relleno que consiste en mezclar piedra triturada clasificada con cenizas volantes, cemento y concreto compactado con rodillos en la sección de transición. y obtuvo buenos resultados. Liu et al.7 descubrieron que el asentamiento acumulativo de una sección de transición puente-subrasante se puede reducir significativamente llenando la sección de transición de hormigón con caucho. Zhang et al.8 encontraron que el asentamiento desigual de una sección de transición carretera-puente puede causar daños a la estructura del pavimento de la sección de transición, lo que puede afectar seriamente la operación y el mantenimiento de una autopista. Este fenómeno se puede aliviar estableciendo la sección de transición rígida-flexible. Leng et al.9 estudiaron la rigidez equivalente de estructuras en ambos lados de una sección de transición puente-subrasante y observaron que el valor de la rigidez equivalente en el lado con una rigidez menor de la sección de transición no solo está relacionado con las propiedades del propio material. pero también está relacionado con las propiedades del material en el lado con mayor rigidez. Jia et al.10 estudiaron la influencia de la losa de acceso, la velocidad de circulación del vehículo y la rigidez de la subrasante en la rodadura de la carrocería de un vehículo mediante un análisis de las características dinámicas de una sección de transición puente-subrasante. Hu et al.11 propusieron dos métodos para reducir el asentamiento de los terraplenes de cabezas de puente, a saber, mezclar loess con arena y reforzar con una geomalla. Shen et al.12 analizaron la influencia del refuerzo de geomalla en el asentamiento de secciones de transición puente-subrasante en áreas de loess mediante simulaciones numéricas.

Al resumir los resultados de la investigación actual, se puede encontrar que el "golpe de cabeza de puente" es causado por el asentamiento diferencial excesivo de la sección de transición entre la subrasante y el puente y la alcantarilla. Las razones principales son las siguientes: (1) La rigidez estructural de la subrasante y la estructura del puente y la alcantarilla es bastante diferente en el área de la sección de transición, lo que conduce a diferencias en la deformación del puente de la carretera y la estructura del puente-alcantarilla en condiciones largas. -Plazo de carga, lo que da lugar a una liquidación desigual. (2) Después de que se produce un asentamiento desigual en la sección de transición, la conducción de vehículos produce una acción dinámica obvia y el aumento de la acción dinámica aumenta aún más el asentamiento desigual. (3) En algunas áreas de suelo especiales (como áreas de loess), el asentamiento de consolidación del suelo en sí es grande debido al llenado deficiente de la subrasante y la dificultad de compactación. (4) En algunas áreas de suelo especiales (como suelo blando y áreas de loess), no existe un plan de tratamiento de cimientos, lo que resulta en una estabilidad deficiente de los cimientos y grandes deformaciones en períodos posteriores.

En la actualidad, los principales métodos de control de asentamientos en las secciones de transición de carreteras y puentes en áreas de loess colapsables incluyen métodos de tratamiento de cimientos compuestos, como pilotes de mezcla, pilotes de compactación de cal y suelo y reemplazo de cimientos blandos. Para el control del asentamiento del relleno de subrasante, se puede utilizar relleno de alta calidad (como grava, arena clasificada y piedra) o cal y cemento para mejorar el relleno deficiente (como loess, limo, etc.) para controlar la compacidad y estabilidad de relleno de subrasante. Al mismo tiempo, se pueden agregar polímeros, geotextiles y geomallas al relleno de subrasante para reducir la deformación diferencial por asentamiento de la sección de transición13,14,15,16,17,18. Estos métodos pueden tener un efecto significativo en el control diferencial del asentamiento de las secciones de transición puente-subrasante en áreas de loess colapsables.

Estos problemas de golpes de vehículos en la cabecera del puente son, en última instancia, el asentamiento de rocas y suelo. Existen muchos métodos de investigación y muchas investigaciones teóricas y resultados de análisis numéricos sobre el impacto del asentamiento y la deformación de rocas y suelos en la construcción de algunas infraestructuras de puentes de carreteras. Por ejemplo, Sun et al.19,20 introdujeron la teoría de la resistencia unificada y utilizaron la deformación elástica de la zona de ablandamiento y la zona residual para analizar el impacto del desplazamiento de rocas y suelos en la infraestructura del túnel. Al mismo tiempo, también estudiaron el comportamiento de falla del frente del túnel causado por la deformación de la roca y el suelo, y estudiaron los factores que influyen en la estabilidad del frente del túnel mediante investigación paramétrica. Sin embargo, también existen investigaciones y análisis de simulación teórica y numérica relevantes sobre el estudio específico de los golpes de vehículos en las cabezas de puente de las autopistas, pero la investigación sobre algunos ejemplos de ingeniería relevantes no es suficiente, especialmente la investigación sobre el control de asentamiento de los golpes de vehículos en las cabezas de puente de Área de loess plegable. Hay relativamente pocos estudios y datos relevantes sobre el monitoreo a largo plazo del asentamiento diferencial de la sección de transición de la subrasante del puente en la región de loess, y no se ha estudiado el monitoreo a largo plazo del asentamiento diferencial de la sección de transición de la subrasante del puente en la región de loess tratada mediante medidas de ingeniería. La falta de datos de seguimiento de casos de ingeniería a largo plazo conduce a la falta de pruebas de datos experimentales a largo plazo de teorías de investigación relevantes. Esto obstaculiza el desarrollo posterior de investigaciones teóricas y aplicaciones técnicas relevantes.

Por lo tanto, este artículo es el primero en utilizar cimientos compuestos de pilotes de compactación de cal y suelo en una sección de transición entre carretera y puente de la autopista Tianyong en la provincia de Gansu, China. La subrasante se rellena con loess mejorado mezclado con cal, y al mismo tiempo se disponen geomallas multicapa para el tratamiento conjunto de diversas medidas de ingeniería. Este estudio es el primero en monitorear el asentamiento diferencial de una sección de transición puente-subrasante mediante el uso de un nuevo tipo de instrumento preciso de asentamiento de perfil multipunto de presión diferencial, y las características de distribución y leyes de variación del asentamiento diferencial a lo largo de la dirección longitudinal del puente. Se obtienen las secciones de transición de subrasante. Los resultados de la investigación proporcionan datos básicos para un estudio en profundidad de seguimiento de las características diferenciales de asentamiento de una sección de transición puente-subrasante. Esto también puede proporcionar orientación y referencia para el diseño y construcción de secciones similares de transición puente-subrasante.

El sitio de monitoreo de la sección de transición de la autopista Tianyong se encuentra en el condado de Ningxian, provincia de Gansu. El sitio de construcción es la sección de transición de una subrasante y un puente. El puente es el puente del río Chengbei, ubicado aproximadamente a 500 m al norte del condado de Ningxian. La longitud total del puente es de 920 m, la altura máxima del puente es de aproximadamente 81 m y la altura máxima del muelle es de 73 m. Es una autovía de doble sentido y cuatro carriles con una velocidad de diseño de 80 km/H y una carga vehicular de nivel 1. El lugar de trabajo de seguimiento es el tramo de transición del estribo N° 21, el cual es un estribo de losa nervada. La altura del estribo es de aproximadamente 7 m y la longitud de la losa del estribo es de 8 m. El espesor de la estructura del pavimento del tramo de transición es de aproximadamente 0,78 m. La pendiente de la subrasante tiene una altura de 7 m y la pendiente está fijada en 1:1,5. La base es un sitio plegable de peso propio y el grado de colapsabilidad es III-IV (grave ~ muy grave).

Considerando la falta de materiales de relleno de alta calidad en áreas de loess colapsables, para reducir el asentamiento diferencial de la sección de transición, en esta prueba se utilizan por primera vez pilotes de compactación de cal-suelo para tratar la cimentación compuesta de la sección de transición del pilar. Se utiliza loess mejorado con cal para rellenar el suelo de subrasante, y se utilizan una variedad de medidas de ingeniería para abordar el desafío mediante la colocación de una geomalla multicapa para minimizar el asentamiento diferencial de la sección de transición.

Se utiliza una base compuesta de pilotes de compactación de cal y suelo para tratar la base de la sección de transición puente-subrasante, que es un esquema de tratamiento de base muy práctico en áreas de loess colapsables, y su efecto de control de asentamiento también es obvio. El pilote de tierra caliza tiene 8 m de largo, el espaciamiento entre pilotes es de 1 m y la disposición es cuadrada.

El relleno de la subrasante de la sección de transición se basa en una serie de pruebas geotécnicas interiores, análisis de datos y cálculos y finalmente adopta el esquema de loess local mezclado con un 5% de cal. El suelo se tomó del área de préstamo del terraplén de cabeza de puente del puente del río Chengbei en la sección del contrato TY15 de la autopista Tianyong en la provincia de Gansu. Según los datos de perforación de campo, el loess en la sección del proyecto es principalmente loess recién acumulado (\({\mathrm{Q}}_{4}^{2}\)), loess nuevo de la serie del Pleistoceno superior (\({\ mathrm{Q}}_{3}^{\mathrm{eol}}\)) y paleosuelo eluvial de la serie del Pleistoceno superior (\({\mathrm{Q}}_{3}^{\mathrm{el}}\) ). El loess utilizado para el relleno de subrasante es el loess recién acumulado (\({\mathrm{Q}}_{4}^{2}\)), y sus propiedades físicas se muestran en la Tabla 1. La gradación de grano del loess obtenido mediante la prueba de cribado se muestra en la Tabla 2. Se selecciona cal apagada grado II que cumpla con los requisitos de las Normas Técnicas para la Construcción de Base de Pavimento de Carreteras (JTG/T F20-2015).

Mientras tanto, se colocan 3 capas y 4 capas de geomallas en la base y la parte superior de la subrasante de la sección de transición, respectivamente, y el espacio entre las geomallas es de 20 cm.

Para monitorear el asentamiento diferencial de la sección de transición puente-subrasante, este documento utiliza un nuevo tipo de sensor de medición de desplazamiento vertical de alta precisión de presión diferencial combinado con un suministro de energía solar y tecnología de Internet de las cosas para formar un conjunto completo de sistemas de monitoreo automático para asentamiento de subrasante, que realiza el monitoreo remoto en línea en tiempo real del asentamiento de la sección de transición de la autopista durante la operación.

El sistema consta de un sistema inalámbrico de evaluación de seguridad y monitoreo remoto del asentamiento de la subrasante, un medidor de asentamiento del perfil de presión diferencial JMYC-8110AD (Tamaño: Ø 52 mm × 225 mm; Peso: 0,36 KG Rango: 500 mm; sensibilidad: 0,01 mm; precisión: 0,1% FS; temperatura de trabajo: − 30 °C ~ 85 °C; frecuencia de respuesta: 0,5 HZ), tubo de protección de PVC (diámetro: Ø75 mm), un módulo de adquisición de bus JMJK-II V1.0 (precisión: 0,1% FS; resolución : 0,01% FS) Frecuencia de muestreo: 1 HZ; Peso: 0,5 kg; Temperatura de trabajo: − 40 °C ~ 85 °C; Tamaño mecánico: 180 mm × 145 mm × 70 mm), un módulo de transmisión de datos inalámbrico (DTU649: módulo de Internet móvil, transmisión de datos inalámbrica GPRS), un panel solar (potencia: 100 W; intensidad de irradiación: 1000 W/m2), un batería (capacidad: 36 AH; voltaje nominal: 12 V), una computadora remota (computadora PC).

El sistema de prueba de asentamiento de perfiles de tipo presión diferencial consta de una pluralidad de medidores de asentamiento de perfiles de tipo presión diferencial que se instalan en diferentes posiciones. Uno de ellos se utiliza como punto de referencia, y el cambio de desplazamiento vertical del punto de medición con respecto al punto de referencia se obtiene midiendo la diferencia de presión entre el punto de medición y el punto de referencia. El medidor de asentamiento del perfil está conectado a través de una tubería de líquido, una tubería de aire, un alambre y una cuerda de tracción, la tubería de aire y la tubería de líquido están conectadas a una posición designada de un tanque de líquido, el tanque de líquido mantiene la estabilidad del nivel de líquido. y presión de aire, y el cable está conectado a un sistema de adquisición para adquisición automática.

El manómetro de asentamiento del perfil de presión diferencial es fácil de instalar en el sitio. En el plano de cimentación a medir se excava una zanja de instalación continua según la posición del trazado. En la zanja se coloca un tubo protector flexible con un diámetro de aproximadamente 60-70 mm. Se reserva un alambre de sujeción en la tubería. Luego, la zanja de instalación se llena y compacta para completar la construcción del tubo protector. Cuando las condiciones de construcción cumplen con los requisitos de la prueba, los múltiples medidores de asentamiento de perfiles de presión diferencial ensamblados en serie pueden arrastrarse hacia la tubería protectora mediante cables. El sistema automático está dispuesto al final de la tubería protectora y el medidor de liquidación está conectado al cable para completar la adquisición automática.

El método de tratamiento de la sección de transición carretera-puente y la disposición del gálibo de asentamiento se muestran en las Figs. 1 y 2 a continuación.

Sección longitudinal del tramo de transición.

Sección transversal de la subrasante.

En octubre de 2020 se llevó a cabo en el lugar la instalación de instrumentos de seguimiento de liquidaciones. Durante la instalación, se seleccionó el punto fijo de monitoreo de asentamiento (medidor de asentamiento n.° 1) debajo del soporte detrás de la tapa del pilar (como se muestra en la Fig. 1 arriba) y se unió firmemente con el pilar a través del refuerzo integrado de la estructura del pilar para garantizar que el punto fijo (medidor de asentamiento #1) fue arreglado. Luego, se instalaron 6 juegos de medidores de asentamiento a 5 m, 10 m, 15 m, 20 m, 25 my 30 m de distancia de la parte posterior del estribo. El proceso de instalación en campo se muestra en la siguiente Fig. 3.

Instalación del medidor de asentamiento de perfiles.

Desde noviembre de 2020, el sistema de monitoreo remoto automático se ha utilizado para el monitoreo en tiempo real de la sección de transición puente-subrasante del sitio de monitoreo durante 600 días. Al comienzo del monitoreo, la frecuencia de muestreo se estableció en 1 vez/2 h, y luego los datos se recolectaron cada dos días, con un total de 11,130 puntos de datos recolectados. Para reducir el impacto de la vibración en los resultados de las pruebas causado por muchos vehículos que pasan durante el día, y considerando el área desolada del sitio de monitoreo, la señal de datos de transmisión inalámbrica es débil de 21:00 a 5:00 de la noche y los datos no pueden transmitirse a la computadora de forma remota, por lo que para garantizar la integridad de los datos, en este estudio, solo se seleccionaron para el análisis los datos entre las 18:00 y las 21:00 de la noche.

De acuerdo con los resultados del monitoreo, es muy efectivo adoptar el método de tratamiento de este proyecto: un tratamiento de cimentación compuesto por pilotes de compactación de cal y suelo, combinado con un relleno de terraplén de loess con cal y una geomalla multicapa para abordar la sección de transición del estribo en áreas de loess colapsables. . El asentamiento global de la sección de transición del pilar es relativamente pequeño y el asentamiento máximo es inferior a 5 mm. Según una investigación realizada por académicos relevantes sobre el índice de control de asentamiento de las secciones de transición puente-subrasante, considerando el coeficiente de carga dinámica del vehículo, el asentamiento máximo de las secciones de transición puente-subrasante de las autopistas en función de la seguridad debe ser inferior a 3 cm21,22 mediante cálculos de simulación. . Por lo tanto, el efecto de control de asentamientos del esquema de tratamiento en este proyecto puede cumplir con las expectativas.

Según los datos estadísticos, se obtiene la curva de distribución del asentamiento diferencial para el tramo de transición a lo largo de la dirección longitudinal de la línea, como se muestra en la Fig. 4.

Liquidación diferencial acumulada de puntos de seguimiento.

La Figura 4 muestra que el asentamiento diferencial de la sección de transición del puente aumenta gradualmente al aumentar la distancia desde el estribo y aumenta continuamente con el tiempo. Durante el período de monitoreo, el asentamiento máximo de la sección de transición es de aproximadamente 4,8 mm y el asentamiento mínimo es de 1,9 mm. La tendencia de cambio del asentamiento diferencial en cada punto de medición a lo largo de la dirección longitudinal de la línea en la sección de transición es relativamente consistente; el área con el cambio más obvio se concentra principalmente a 15 m ~ 20 m del estribo, y hay una diferencia de asentamiento de casi 0,5 mm entre los dos puntos de medición correspondientes. Se puede determinar preliminarmente que la estructura de subrasante dentro de 15 m ~ 20 m del estribo es el área con el asentamiento más significativo en la sección de transición.

También se puede ver en la Fig. 5 que el asentamiento diferencial de cada punto de monitoreo con respecto al punto fijo del pilar continúa aumentando en el rango de 2,0 mm ~ 4,8 mm, y cuanto más lejos del pilar, mayor es el asentamiento diferencial. asentamiento y su amplitud de cambio. Al mismo tiempo, en la etapa inicial de monitoreo, el tramo de transición del puente aún no ha sido abierto al tráfico; sólo un mes después, hay un asentamiento diferencial de 2,0 mm ~ 2,2 mm entre cada punto de monitoreo y el punto fijo del pilar, y es un asentamiento diferencial entre toda la sección de transición y el punto fijo, lo que indica que la sección de transición tiene un Liquidación instantánea al inicio. En agosto de 2021, después de que toda la autopista se abrió oficialmente al tráfico, el asentamiento de cada punto de monitoreo aumentó significativamente en un mes, y el asentamiento general aumentó en casi 1,0 mm ~ 1,5 mm. Bajo la influencia de las cargas de vehículos, el principal asentamiento de consolidación se produjo en el tramo de transición. Después de eso, el asentamiento diferencial de la sección de transición aumenta gradualmente, y la tasa de crecimiento es mayor al comienzo de la operación o en la etapa inicial y luego disminuye significativamente en la etapa posterior, lo que indica que bajo la acción cíclica a largo plazo del vehículo cargas, la subrasante de la sección de transición tiene una cierta deformación acumulativa y la tendencia de asentamiento se vuelve más lenta.

Liquidación diferencial acumulada de puntos de seguimiento.

Para estudiar la ley de variación del crecimiento de la liquidación diferencial con el tiempo, se comparan los datos estadísticos de la liquidación diferencial mensual desde el principio hasta el final, y la liquidación de la estructura de la sección de transición se refleja en la cantidad de liquidación en un mes. La tasa de liquidación de cada punto de monitoreo en los 13 meses de la prueba se muestra en la Fig. 6 a continuación.

Diagrama de liquidación diferencial acumulada y cambio de tasa de liquidación de los puntos de seguimiento.

La Figura 6 muestra que la tasa de asentamiento varía mucho con la distancia desde el estribo, que es similar a la distribución longitudinal del asentamiento a lo largo de la línea. Al mismo tiempo, después de agosto de 2020, con el aumento de la carga de vehículos en circulación en la autopista, la tasa de liquidación aumenta rápidamente, luego disminuye gradualmente y finalmente tiende a estabilizarse. En noviembre de 2021, cuando los vehículos llevan 4 meses en funcionamiento, la tasa de liquidación diferencial entra en un estado estable. Con el aumento continuo de la carga acumulada, la tasa de asentamiento de cada punto de medición finalmente se estabilizó en el rango de 0,06 mm/mes.

Para una subrasante de loess, el proceso de deformación es complejo y es difícil calcular con precisión el desarrollo de este tipo de asentamiento utilizando métodos analíticos. Es más rápido y confiable calcular la ley de desarrollo del asentamiento con el tiempo ajustando los datos medidos del asentamiento en el campo. Académicos nacionales y extranjeros han llevado a cabo investigaciones considerables sobre el ajuste de modelos de predicción para el asentamiento del suelo, y sus métodos de predicción de ajuste incluyen principalmente el método de la curva exponencial, el método hiperbólico, el método de Asaoka y el método de la curva de Poisson. Entre ellos, el método de la curva exponencial y el método hiperbólico son más simples que otros métodos de predicción; debido a que son convenientes para que los ingenieros los apliquen y pueden adaptarse al ajuste de la mayoría de las curvas de asentamiento de subrasante, se usan ampliamente en la predicción de asentamiento de subrasantes de carreteras, y los métodos son relativamente maduros y confiables23,24. En los últimos años, el método de predicción del asentamiento por fluencia se ha convertido en un método de predicción predominante porque tiene buena aplicabilidad en suelos recién rellenados. El método GM y el método de predicción de redes neuronales BP basados ​​en redes neuronales25,26 son autoadaptativos y adecuados para situaciones con menos datos de liquidación medidos.

En la actualidad, el método de predicción de asentamientos de la investigación relacionada generalmente solo es adecuado cuando la magnitud general de asentamiento de suelo ordinario, suelo de relleno nuevo, subrasante nueva o subrasante de suelo blando es relativamente grande. Sin embargo, para un área de loess colapsable, especialmente una sección de transición entre carretera y puente después de un mejor tratamiento de subrasante rellena con loess mejorado con cal y una geomalla en capas para reducir la deformación del asentamiento, la magnitud del cambio de asentamiento posterior es pequeña, lo cual es diferente de la ley de asentamiento de la subrasante en general, por lo que la investigación sobre un modelo de predicción aplicable en este caso es limitada.

Por lo tanto, considerando el mecanismo de asentamiento de la estructura de subrasante de la Autopista Tianyong y las condiciones aplicables de varios modelos de predicción, basados ​​en los métodos de ajuste de asentamiento de curvas exponenciales e hipérbolas21,22,23,24,25,26,27, que son ampliamente y utilizado con madurez en la industria en la actualidad, y de acuerdo con los requisitos del ajuste objetivo óptimo del ajuste de asentamiento, este artículo propone un nuevo modelo de predicción combinado para ajustar el asentamiento de la sección de transición de la autopista Tianyong.

La expresión del modelo hiperbólico es:

La expresión del modelo exponencial es:

La expresión del nuevo modelo de combinación formado después de la combinación es:

donde \({a}_{1}\), \({a}_{2}\), \({b}_{1}\), \({b}_{2}\), \ ({c}_{1}\), \({c}_{2}\), \({d}_{1}\) y \({n}_{1}\), \({ n}_{2}\) son los parámetros de ajuste correspondientes, y \(t\) es el número de días de seguimiento.

Para probar la precisión del modelo de predicción, se pueden adoptar los índices de precisión y confiabilidad comunes en el campo de la ingeniería: bondad de ajuste (\({R}^{2}\)), suma de cuadrados de error absoluto (SSE) y media error porcentual absoluto (MAPE). La fórmula específica es la siguiente:

Bondad de ajuste (\({R}^{2}\))

Cuando se cuentan los datos, la suma de los cuadrados de los residuos es: \(ESS=\sum {\left({y}_{t}-\widehat{{y}_{t}}\right)}^{2 }\), Regresión suma de cuadrados \(RSS=\sum {\left({y}_{t}-\overline{{y }_{t}}\right)}^{2}\), \( TSS=RSS+ESS\), Ajustar el coeficiente de correlación \({R}^{2}=\frac{RSS}{TSS}\), El coeficiente de correlación \({R}^{2}\) está entre 0 y 1.

Suma de error absoluto al cuadrado (SSE):

Error porcentual absoluto medio (MAPE):

donde \({S}_{p}\) es el valor predicho y \({S}_{m}\) es el valor monitoreado. Cuanto menor sea el valor de MPAE, mejor, generalmente inferior al 10%, lo que refleja que la precisión de predicción del modelo es mayor.

Después de que la autopista se abrió al tráfico en agosto de 2021, según los datos de seguimiento de los asentamientos, se encontró que hubo un aumento significativo en los asentamientos en un mes, y luego tendió a estabilizarse. Por lo tanto, los datos de ajuste del modelo toman los datos de monitoreo diarios de 200 días desde el 1 de septiembre de 2021 hasta el 20 de marzo de 2022. A través del ajuste de la curva de los datos de monitoreo, se obtiene un modelo de predicción adecuado para el asentamiento diferencial de la sección de transición puente-subrasante. de una autopista en áreas similares de loess se selecciona mediante análisis e investigación.

Las Tablas 3, 4, 5, 6, 7 y 8 muestran que, a partir de los indicadores de inspección, los tres modelos de curvas pueden cumplir con los requisitos para ajustar la relación entre el asentamiento de la sección de transición puente-subrasante del proyecto y la carga de circulación del vehículo. . Según el índice de precisión (R2) y el índice de confiabilidad estable (SEE y MPAE) del modelo de predicción de evaluación, el efecto de ajuste del modelo de predicción combinado es el mejor, el modelo exponencial es el segundo mejor y el modelo hiperbólico es ligeramente peor. Esto muestra que el modelo de pronóstico combinado es mejor para la situación similar de este proyecto.

Para verificar la precisión del modelo de predicción, los tres modelos de predicción anteriores se utilizan para predecir el asentamiento de la sección de transición puente-subrasante el 20 de junio de 2022 (el día 300), cuando la autopista ha estado abierta al tráfico durante 10 meses. La comparación entre los resultados de la predicción del modelo y los valores reales de monitoreo de campo se muestra en la Tabla 9.

Se puede ver en la Tabla 9 anterior que el valor predicho del modelo hiperbólico es mayor que el valor medido y el rango de error relativo entre ellos es de -5,54% a 11,30%. Los valores predichos del modelo de curva exponencial fueron más pequeños que los valores medidos y sus errores relativos oscilaron entre 10,47 y -3,61%. Los valores predichos del modelo de pronóstico combinado están cerca de los valores medidos y su error relativo oscila entre -4,09 y 5,06%. El error general del modelo de pronóstico combinado es el más pequeño y el grado de coincidencia con el valor medido es el más alto.

En este proyecto, la subrasante de una sección de transición entre puente y subrasante se trata mediante una base compuesta de pilotes de compactación de cal y suelo combinada con loess mejorado con cal y una geomalla multicapa; el asentamiento diferencial es relativamente pequeño, el efecto de predicción del modelo de predicción combinado es el mejor y el error de predicción del modelo de curva exponencial y el modelo hiperbólico es relativamente grande.

Para resolver el problema del asentamiento diferencial en las secciones de transición puente-subrasante de autopistas en áreas de loess colapsables, en este artículo se utilizan por primera vez cimentaciones compuestas de pilotes de compactación de suelo-cal. Combinando la mejora del loess mediante la adición de cal con la disposición de geomallas multicapa, se utilizan una variedad de medidas de ingeniería para minimizar la aparición de asentamientos diferenciales. En este artículo, el asentamiento diferencial de una sección de transición puente-subrasante se monitorea durante mucho tiempo mediante el uso de un nuevo tipo de instrumento de asentamiento de perfil de presión diferencial, y los resultados del monitoreo del asentamiento, la tasa de asentamiento y sus características de distribución y variación a lo largo de la longitud longitudinal. Se analiza la dirección de la línea. Se utilizan tres modelos de predicción para predecir el asentamiento diferencial de la sección de transición puente-subrasante, y se extraen las siguientes conclusiones:

Según los resultados del monitoreo, el efecto del uso de una base compuesta de pilotes de compactación de cal y suelo combinado con un relleno de terraplén de loess mezclado con cal y la adición de una geomalla multicapa para tratar la sección de transición de un estribo en un área de loess colapsable es muy obvio; el asentamiento general y el asentamiento diferencial de la sección de transición del pilar son relativamente pequeños y el efecto de controlar el asentamiento del esquema de tratamiento cumple con las expectativas. Los métodos de tratamiento relevantes se pueden aplicar en proyectos similares.

En la etapa inicial de finalización de la construcción, se produce un asentamiento instantáneo relativamente obvio en la sección de transición de la carretera y el puente, y el asentamiento es de aproximadamente 2 mm. En la etapa inicial después de la operación de la autopista, se produce un asentamiento de consolidación primaria relativamente obvio bajo la acción de las cargas de los vehículos, y el asentamiento es de aproximadamente 1,5 mm.

Durante el período de monitoreo, el asentamiento máximo de la sección de transición en el extremo del puente y la estructura de subrasante es de 4,87 mm, y el asentamiento mínimo es de 1,9 mm. La estructura de subrasante dentro de 15 a 20 m del estribo es el área más importante del asentamiento de la sección de transición.

El asentamiento diferencial de la sección de transición a ambos lados del puente aumenta gradualmente al aumentar la distancia desde el estribo y al aumentar el tiempo de operación (carga acumulada de vehículos) de la autopista.

Durante el periodo de seguimiento, la tasa de asentamiento de cada punto de medición en el tramo de transición varía dentro de un rango de 0,06 mm/mes, y cuanto más alejado del pilar, mayor será la tasa de asentamiento y su rango de variación. Con el aumento de la carga vehicular acumulada, la tasa de liquidación disminuye gradualmente y finalmente tiende a estabilizarse.

Para el asentamiento de una estructura de subrasante de cabeza de puente de una autopista con un asentamiento relativamente pequeño, el modelo de predicción combinado puede predecir mejor su deformación del asentamiento a largo plazo, y los errores de predicción del modelo de curva exponencial y el modelo hiperbólico son relativamente grandes.

Además, debido a la complejidad de las condiciones reales del sitio del proyecto, existen muchos factores que afectan el asentamiento diferencial de la sección de transición, como la temperatura, el clima, el nivel de carga de tráfico y la altura de la subrasante. Este proyecto está limitado por el nivel técnico de los instrumentos de monitoreo, las condiciones del sitio del proyecto y razones económicas y de otro tipo, por lo que es imposible estudiar y considerar factores más influyentes. En el futuro deberían reforzarse los estudios adicionales en este ámbito.

Algunos o todos los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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La investigación descrita en este artículo fue apoyada financieramente por el Proyecto de Ciencia y Tecnología del Departamento de Transporte de la Provincia de Hubei (No. 2022-11-2-8), el Consejo de Becas de China (CSC No. 201906950026) y los Fondos de Investigación Fundamental para el Universidades Centrales (N° 2019-YB-015).

Escuela de Ingeniería de Transporte y Logística, Universidad Tecnológica de Wuhan, Wuhan, 430063, China

Yang Du, Xiongjun He, Chao Wu y Weiwei Wu

Instituto Municipal de Investigación y Diseño de Ingeniería de Wuhan Co., Ltd, Wuhan, 430023, China

Yang Du

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No existe ningún conflicto de intereses al enviar este manuscrito y todos los autores aprueban el manuscrito para su publicación. En nombre de mis coautores, me gustaría declarar que el trabajo descrito fue una investigación original que no ha sido publicada previamente y no está bajo consideración para publicación en otro lugar, en su totalidad o en parte. Todos los autores enumerados han aprobado el manuscrito que se adjunta.

Correspondencia a Yang Du.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Du, Y., He, X., Wu, C. et al. Monitoreo y análisis a largo plazo del asentamiento diferencial longitudinal de una sección de transición puente-subrasante de una autopista en un área de loess. Informe científico 12, 19327 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23829-y

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Recibido: 09 de julio de 2022

Aceptado: 07 de noviembre de 2022

Publicado: 11 de noviembre de 2022

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

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