一种获取颗粒破碎条件下桩承式路基桩土应力比的方法转让专利
申请号 : CN201910086202.5
文献号 : CN109918721B
文献日 : 2019-10-29
发明人 : 吴丽君 , 胡安华 , 刘刚
申请人 : 成都理工大学
摘要 :
本发明提供了一种获取颗粒破碎条件下桩承式路基桩土应力比的方法，所述方法包括：确定颗粒破损指标Br；根据所述颗粒破损指标Br确定土体颗粒尺寸系数nd；根据所述土体颗粒尺寸系数n确定土拱的拱高hc和拱角αh；根据土拱的所述拱高hc和拱角αh确定桩承路基的桩土应力比η。本发明的获取颗粒破碎条件下桩承式路基桩土应力比的方法能够确定颗粒破碎条件下桩承式路基桩‑土‑网的荷载分担情况，可用于准确的计算桩承式路基工后沉降，减小土拱损伤产生的路基病害，节约线路运营维护成本。
权利要求 :
1.一种获取颗粒破碎条件下桩承式路基桩土应力比的方法，所述方法包括：确定颗粒破损指标Br；
根据所述颗粒破损指标Br确定土体颗粒尺寸系数nd；
根据所述土体颗粒尺寸系数nd确定土拱的拱高hc和拱角αh；
根据所述土拱的拱高hc和拱角αh确定桩承路基的桩土应力比η；
其中，
根据以下参数确定所述颗粒破损指标：当前颗粒级配曲线与初始颗粒级配曲线对应的面积差、极限颗粒级配曲线和初始颗粒级配曲线对应的面积差；
根据以下公式确定所述颗粒破损指标Br：式中：
F0(D)为以颗粒质量表示的初始颗粒级配曲线；
Fc(D)为以颗粒质量表示的当前颗粒级配曲线；
Fu(D)为以颗粒质量表示的极限颗粒级配曲线；
S0，Sc和Su分别为初始、当前和极限颗粒级配曲线对应的面积；
△Sc0为当前颗粒级配曲线与初始颗粒级配曲线对应的面积差；
△Su0为极限颗粒级配曲线和初始颗粒级配曲线对应的面积差；
D为颗粒直径；
Dm为试样最小颗粒粒径；
DM为试样最大颗粒粒径；
所述根据所述颗粒破损指标Br确定所述土体颗粒尺寸系数nd具体为：式中：
S0为初始颗粒级配曲线对应的面积，Su为极限颗粒级配曲线对应的面积，D为所述颗粒直径；
Dm为所述试样最小颗粒粒径；
DM为所述试样最大颗粒粒径；
路基填料的初始颗粒尺寸系数n0取0.95～1.0，极限级配nL值取0.1～0.15。
2.根据权利要求1所述的方法，根据以下公式确定所述拱角αh：式中：
s和sn分别为桩间距和桩间净距；
nd为所述土体颗粒尺寸系数；
hc为所述土拱的拱高，其中：当H≥s/2时，
当H
H为路基高度；
ψ为土拱变形系数，
γ为路基填料重度；
Pdp为路基底面处作用在桩顶的动应力。
3.根据权利要求2所述的方法，根据以下公式确定所述桩土应力比η：其中，
式中：
d为桩径；
H为所述路基高度；
Pdp和Pds分别为路基底面处作用在桩顶的动应力和桩间土顶部的动应力；
γ为所述路基填料重度；
dtp为路基底面处桩的应力扩散直径；dtp＝d+2H/tanαh；
dts为路基底面处桩和桩间的应力扩散直径；dts＝s-2H/tanαh；
sn为所述桩间净距；
s为所述桩间距。
4.根据权利要求3所述的方法，分别根据以下公式确定路基底面处作用在桩顶的动应力Pdp和桩间土顶部的动应力Pds：式中：
Pd为作用在路基顶面的动应力；
Amp和Ams分别为路基面以下深度3m处桩和桩间的动应力扩散面积；
Abp和Abs分别为路基底面处在桩和桩间的动应力扩散面积；
dmp和dms分别为路基面以下3m处桩和桩间动应力扩散直径。
说明书 :
一种获取颗粒破碎条件下桩承式路基桩土应力比的方法
技术领域
[0001] 本发明属于铁路轨道技术领域，特别涉及一种获取颗粒破碎条件下桩承式路基桩土应力比的方法。
背景技术
[0002] 现役桩承式铁路路基在高路基荷载、列车动荷载以及气候环境所致干湿循环作用下，路基与地基衔接部位的路基填料和地基土颗粒容易产生崩解和破碎，强度降低，同时引起土拱力链形态和性状发生改变，造成桩承式路基中的土拱损伤，导致线路运营后路基工后沉降难以控制，轨道平顺度降低且运营期内土拱修复非常困难。因此，对路基桩土应力的准确计算对轨道的铺设起到至关重要的作用。
[0003] 现有的桩承式路基桩土应力比确定方法主要有三种：一是采用现场全比例模型试验或室内缩尺模型试验的方法确定；二是采用有限元或离散元数值模拟的方法确定；三是采用解析解的方法确定。相比前两种方法，桩承式路基设计采用解析解的方法进行计算和设计更加简便。
[0004] 但是，解析解方法是在假定桩承式路基中土拱形状的基础上，确定桩-土-网三者的荷载分担比例和应力分布。而现有的土拱形态主要针对均质土进行假设，没有涉及颗粒特征变化引起的拱形变异。桩承式路基在实际工作过程中，颗粒破碎往往导致粒径细化和粒组分布不均，引起土拱拱脚出现较大的接触力链密度变化角和拱高，桩间土分担的上部路基荷载增大，致使桩体和土工格栅受荷效率被动下降，桩承式路基加固失效风险显著增加。
[0005] 现有的桩承式路基桩土应力比确定方法没有充分考虑颗粒破碎条件，对桩承式路基工后沉降计算的准确性较低，这对导致土拱损伤产生的路基病害，增加线路运营维护成本。
发明内容
[0006] 针对上述技术问题，本发明提供一种获取颗粒破碎条件下桩承式路基桩土应力比的方法。
[0007] 一种获取颗粒破碎条件下桩承式路基桩土应力比的方法，所述方法包括：
[0008] 确定颗粒破损指标Br；
[0009] 根据所述颗粒破损指标Br确定土体颗粒尺寸系数nd；
[0010] 根据所述土体颗粒尺寸系数n确定土拱的拱高hc和拱角αh；
[0011] 根据土拱的所述拱高hc和拱角αh确定桩承路基的桩土应力比η。
[0012] 进一步地根据以下参数确定所述颗粒破损指标：
[0013] 当前颗粒级配曲线与初始颗粒级配曲线对应的面积差、极限颗粒级配曲线和初始颗粒级配曲线对应的面积差。
[0014] 进一步地根据以下公式确定所述颗粒破损指标Br：
[0015]
[0016] 式中：
[0017] F0(D)为以颗粒质量表示的初始颗粒级配曲线；
[0018] Fc(D)为以颗粒质量表示的当前颗粒级配曲线；
[0019] Fu(D)为以颗粒质量表示的极限颗粒级配曲线；
[0020] S0，Sc和Su分别为初始、当前和极限颗粒级配曲线对应的面积；
[0021] △Sc0为当前颗粒级配曲线与初始颗粒级配曲线对应的面积差；
[0022] △Su0为极限颗粒级配曲线和初始颗粒级配曲线对应的面积差；
[0023] D为颗粒直径；
[0024] Dm为试样最小颗粒粒径；
[0025] DM为试样最大颗粒粒径。
[0026] 进一步地所述根据所述颗粒破损指标Br确定土体颗粒尺寸系数nd具体为：
[0027]
[0028] 式中：
[0029] S0为初始限颗粒级配曲线对应的面积，
[0030] Su为初始限颗粒级配曲线对应的面积，
[0031] D为颗粒直径；
[0032] Dm为试样最小颗粒粒径；
[0033] DM为试样最大颗粒粒径；
[0034] 路基填料的初始颗粒尺寸系数n0取0.95～1.0，极限级配nL值取0.1～0.15。
[0035] 进一步地根据以下公式确定所述拱角αh：
[0036]
[0037] 式中：
[0038] s和sn分别为桩间距和桩间净距；
[0039] n为当前级配的颗粒尺寸系数；
[0040] nd为运营期内路基填料颗粒尺寸系数；
[0041] hc为土拱的高度，其中：
[0042] 当H≥s/2时，
[0043] 当H
[0044] H为路基高度；
[0045] ψ为土拱变形系数，
[0046] γ为路基填料重度；
[0047] Pdp为路基底面处作用在桩顶的动应力。
[0048] 进一步地根据以下公式确定所述桩土应力比η：
[0049] 其中，
[0050]
[0051]
[0052] 式中：
[0053] d为桩径；
[0054] H为路基高度；
[0055] Pdp和Pds分别为路基底面处作用在桩顶的动应力和桩间土顶部的动应力；
[0056] γ为路基填料重度；
[0057] dtp为为路基底面处桩的应力扩散直径；dtp＝d+2H/tanαh；
[0058] dts为路基底面处桩和桩间的应力扩散直径；dts＝s-2H/tanαh；
[0059] sn为桩间净距；
[0060] s为桩间距。
[0061] 进一步地分别根据以下公式确定路基底面处作用在桩顶的动应力Pdp和桩间土顶部的动应力Pds：
[0062]
[0063]
[0064] 式中：
[0065] Pd为作用在路基顶面的动应力；
[0066] Amp和Ams分别为路基面以下深度3m处桩和桩间的动应力扩散面积；
[0067] Abp和Abs分别为路基底面处在桩和桩间的动应力扩散面积；
[0068] dmp和dms分别为路基面以下3m处桩和桩间动应力扩散直径。
[0069] 本发明提供的桩承式路基桩土应力比确定方法，能够确定颗粒破碎条件下桩承式路基桩-土-网(土拱格栅)三者的荷载分担情况，可用于准确的计算桩承式路基工后沉降，减小土拱损伤产生的路基病害，节约线路运营维护成本。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0070] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0071] 图1示出了根据本发明实施例的获取颗粒破碎条件下桩承式路基桩土应力比方法基本流程图；
[0072] 图2示出了根据本发明实施例的破碎指标Br定义示意图；
[0073] 图3示出了根据本发明实施例的从实际级配曲线到等效级配曲线转换的颗粒级配线曲线等效转换图；
[0074] 图4示出了根据本发明实施例的土拱参数示意图；
[0075] 图5示出了根据本发明实施例的土拱受力示意图。
具体实施方式
[0076] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0077] 本发明提供了一种颗粒破碎条件下桩承式路基桩土应力比确定方法。主要利用循环三轴试验分别测试天然状态或浸水条件下地基土的颗粒破碎指标和动模量，初步判定路基中土拱效应的成拱条件，确定关键的土拱形状参数，最后计算土体颗粒破碎后的桩土应力比。如图1所示，所述获取颗粒破碎条件下桩承式路基桩土应力比方法主要包括，确定颗粒破损指标Br，根据所述颗粒破损指标Br确定土体颗粒尺寸系数nd，根据所述土体颗粒尺寸系数n确定土拱的拱高hc和拱角αh，根据土拱的所述拱高hc和拱角αh确定桩承路基的桩土应力比η。
[0078] 本发明实施例的颗粒破碎条件下桩承式路基桩土应力比确定方法的具体计算方法如下：
[0079] 第一步：定义破碎指标Br。
[0080] 如图2所示，采用颗分试验分别测试土样的初始级配曲线和循环三轴试验剪切完成后土样的当前级配曲线，绘制成颗分曲线图，图中阴影部分面积为破碎颗粒，可据此计算出破碎率指标Br，计算公式如下：
[0081]
[0082] 式中：F0(D),Fc(D)和Fu(D)分别是以颗粒质量表示的初始、当前和极限颗粒级配曲线；S0，Sc和Su分别为初始、当前和极限颗粒级配曲线对应的面积；△Sc0是当前颗粒级配曲线与初始颗粒级配曲线对应的面积差；△Su0是极限颗粒级配曲线和初始颗粒级配曲线对应的面积差；D为颗粒直径；Dm和DM分别为试样最小和最大颗粒粒径。
[0083] 第二步：根据颗粒破碎指标Br确定土体颗粒尺寸系数nd
[0084] 路基填料的初始和极限颗粒级配级配按照Talbol幂函数考虑，如下式：
[0085]
[0086] 式中，D为当前粒径，DM为最大粒径；P为路基填料通过筛孔的百分比；n为颗粒尺寸系数。
[0087] 鉴于路基填料受荷或浸水崩解破碎概率有较大随机性，采用颗粒破碎指标(Br)等效原则确定当前级配曲线的颗粒尺寸系数nd。如图3所示，对循环三轴试验剪切后的土样开展颗分试验，绘制路基填料的实际级配曲线，按式(1)计算其对应的颗粒级配破碎指标Br。根据颗粒级配曲线对应面积等效原则(即Br＝Br＇)，实际颗粒级配曲线对应的等效Talbol幂函数颗粒尺寸系数nd按下式计算：
[0088]
[0089] 式中，S0为初始限颗粒级配曲线对应的面积， Su为初始限颗粒级配曲线对应的面积， 通常路基填料的初始颗粒尺寸系数n0取
0.95～1.0，极限级配nL值取0.1～0.15。
0.95～1.0，极限级配nL值取0.1～0.15。
[0090] 第三步：确定土拱的形状参数(拱高和拱角)
[0091] 桩承式路基在高路基荷载或长期列车循环荷载作用下，土颗粒破碎引起的土拱变形或损伤往往导致其工后沉降变大或承载能力降低。在工程实际设计和施工中，桩承式路基的土拱形态改变不仅从肉眼上难以判定，直接量测也比较难度。本发明从考虑列车动荷载和填料颗粒级配出发，确定土拱的形状，具体步骤如下：
[0092] (1)判定成拱情况
[0093] 根据路基填高可初步判定土拱的成拱情况：当H≤0.7(s-d)时，未成拱；当0.7(s-d)
[0094] (2)确定不同颗粒级配路基填料的土拱形状参数
[0095] 桩承式路基的土拱拱高和拱角的物理意义如图4所示。以往的桩承式路基设计，按照单一颗粒尺寸假定土拱形状，没有反映路基填料颗粒级配差异对土拱拱高和拱角的影响。本发明结合填料级配特征确定土拱高度和拱角大小，桩间任意一点的拱高按照下式计算：
[0096]
[0097] 式中，y为桩间任意点处的土拱高度；x桩间任意点到桩中心的水平距离；s和sn分别为桩间距和桩间净距；hc为两桩中点的土拱高度，以往的设计中hc按照桩间距的大小计算，当路基填高H≥s/2时，hc＝s/2；当路基填高H
[0098] 当H≥s/2时，
[0099] 当H
[0100] 如图4所示，距离土拱拱脚sb＝0.15sn范围内，拱形基本呈线性变化。拱角αh按照下式计算：
[0101]
[0102] 拱形线性变化的拱高范围hb按照下式计算
[0103]
[0104] (3)确定列车荷载作用下土拱形状参数
[0105] 路基顶面以下3m(米)的路基基床范围(级配碎石厚度0.7m+A、B组路基填料厚度2.3m)刚度较大，列车荷载产生的动应力快速衰减了60％。从路基面以下3m深度到桩顶平面处，剩余40％动应力沿路基深度方向衰减非常缓慢。作用在路基顶面以下3m处的动应力约为列车动荷载的0.4倍。路基顶面3m以下范围内，动应力按照扩散角αh沿着路基深度方向扩散，如图4所示。作用在路基底面处桩顶和桩间土表面作用的动应力按照下式计算：
[0106]
[0107]
[0108] dmp＝d+2(H-3)/tanαh (7-3)
[0109] dms＝sn-2(H-3)/tanαh (7-4)
[0110] 式中，Pdp和Pds分别为路基底面处作用在桩顶和桩间土顶部的动应力，kPa(千帕)；Pd为作用在路基顶面的动应力，kPa；Amp和Ams分别为路基面以下深度3m处桩和桩间的动应力扩散面积，m2(平方米)；Abp和Abs分别为路基底面处在桩和桩间的动应力扩散面积，m2；dmp和dms分别为路基面以下3m处桩和桩间的动应力扩散直径，m。
[0111] 列车动荷载传递至路基底面产生的土拱变形，按照下式计算土拱的新高度hcd：
[0112] 当H≥s/2时，
[0113] 当H
[0114] 式中，nd为运营期内路基填料颗粒尺寸系数，可由循环动三轴试验剪切后土样开展颗分试验获得；ψ为土拱变形系数， γ为路基填料重度。
[0115] 运营期内，考虑列车动荷载作用和填料颗粒破碎的土拱拱角大小可按照下式确定：
[0116]
[0117] 式中，αhd为列车动荷载作用下填料颗粒破碎后形成的土拱的拱角。
[0118] 第四步：根据土拱形状参数确定桩承路基的桩土应力比
[0119] 大多数情况下，桩承式路基在填筑期和放置期内，在路基自重荷载压密作用下已经形成相对稳定的土拱。现有设计规范以此为基础进行桩承式路基的设计和相关计算。但是，列车动荷载在桩顶和桩间土以上路基范围内衰减幅度存在明显差异造成土拱变形，叠加路基基底处土体颗粒破碎，土拱变形程度加剧甚至导致出现损伤破坏。本发明考虑列车长期运行条件下，路基填料颗粒破碎引起的土拱接触力链变化。重新确定土拱形状，计算桩承式路基的桩土应力比。本方法既可解决填料颗粒破碎造成的桩体工作效率降低，土工格栅(土工格栅夹砾石层)拉力被高估等桩承式路基设计缺陷问题，也提供了一种评价桩承式路基服役性能的新方法。
[0120] 根据颗粒级配变化和列车荷载引起的桩承式路基土拱形状变化，如图5所示，作用在桩顶和桩间土表面的土平均应力按照圆台考虑计算桩土应力，按照下式计算：
[0121]
[0122]
[0123] dtp＝d+2H/tanαhd (10-3)
[0124] dts＝s-2H/tanαhd (10-4)
[0125] 式中，η为桩土应力比， γ为路基填料重度，KN/m3(千牛/立方米)；dtp和dts分别为路基底面处桩和桩间的应力扩散直径，m；Pp和Ps分别为桩顶和桩间顶面应力。
[0126] 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。