一种抗隆起U型路基结构及其设计方法转让专利
申请号 : CN202010220253.5
文献号 : CN111395064B
文献日 : 2021-04-27
发明人 : 陈伟志 , 蒋关鲁 , 姚裕春 , 叶世斌 , 孙晓
申请人 : 中铁二院工程集团有限责任公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种抗隆起U型路基结构的设计方法,其特征在于:抗隆起U型路基结构包括顶部敞口设置的U型槽体(4),所述U型槽体(4)底部设置有若干根用于支撑所述U型槽体(4)的支撑梁(2),所有所述支撑梁(2)沿所述U型槽体(4)长度方向间隔布置,所述支撑梁(2)底部连接有加固桩组件(1),所述加固桩组件(1)包括若干根加固桩(11),同一所述加固桩组件(1)中的所有所述加固桩(11)沿所述支撑梁(2)长度方向间隔布置,所述加固桩(11)伸入地基(8),所述U型槽体(4)内从上至下依次设置有第一填充层(6)和第二填充层(5),所述第一填充层(6)由土质材料填充而成,所述第二填充层(5)由轻质土填充而成,相邻所述支撑梁(2)之间的U型槽体(4)与所述地基(8)之间具有间隙,所述加固桩(11)设置于所述地基(8)内,所述支撑梁(2)设置于所述地基(8)上,该设计方法包含以下步骤:
S1:引入所述第二填充层(5)的设计参数,并基于所述第二填充层(5)的设计参数建立桩组件上部结构模型,其中,所述桩组件上部结构模型包括所述U型槽体(4)、所述支撑梁(2)、所述第一填充层(6)和所述第二填充层(5);
S2:根据所述桩组件上部结构模型拟定加固桩组件(1)的尺寸参数,并计算出所述加固桩组件(1)的上部承载重量Wn,所述加固桩组件(1)给予所述支撑梁(2)的锚固力Fk,以及所述支撑梁(2)与所述地基(8)接触面的隆起作用力Fs;
S3:根据所述加固桩组件(1)的上部承载重量Wn,所述加固桩组件(1)给予所述支撑梁(2)的锚固力Fk,以及所述支撑梁(2)与所述地基(8)接触面的隆起作用力Fs确定所述路基结构的安全系数K;
S4:根据所述安全系数K调整所述桩组件上部结构模型,直至计算得到的安全系数K满足抗隆起要求,得到最终的所述第二填充层(5)的设计参数和加固桩组件(1)的尺寸参数,即获得了所述抗隆起U型路基结构的设计参数。
2.根据权利要求1所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法,所述支撑梁(2)与对应每个所述加固桩(11)之间均连接有连接钢筋(3)。
3.根据权利要求1所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法,所述支撑梁(2)两端均伸出所述U型槽体(4)的侧壁外。
4.根据权利要求1所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法,其特征在于,步骤S2包含以下步骤:
S21:根据所述U型槽体(4)、支撑梁(2)、第一填充层(6)和第二填充层(5)的尺寸参数,确定所述加固桩组件(1)的上部承载重量Wn;
S22:根据所述加固桩(11)的尺寸和所述上部承载重量Wn拟定所述加固桩组件(1)的尺寸参数;
S23:根据所述加固桩组件(1)的尺寸参数和所述支撑梁(2)的尺寸确定所述支撑梁(2)与所述地基(8)接触面的隆起作用力Fs;
S24:根据所述加固桩组件(1)的尺寸参数确定所述加固桩组件(1)给予所述支撑梁(2)的锚固力Fk。
5.根据权利要求1所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法,其特征在于,步骤S4具体为:
当1.1≤K≤1.2时,所述安全系数K满足抗隆起要求,得到并输出最终的桩组件上部结构模型的设计参数和加固桩组件(1)的尺寸参数;
当K<1.1或K>1.2时,进行所述桩组件上部结构模型和/或所述加固桩组件(1)的尺寸参数调整,并重复步骤S2‑S4,直至计算得到的安全系数K满足:1.1≤K≤1.2,得到并输出最终的桩组件上部结构模型的设计参数和加固桩组件(1)的尺寸参数。
6.根据权利要求5所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法,其特征在于,所述路基结构的安全系数K:
式中,Wn为所述加固桩组件(1)的上部承载重量;Fk为所述加固桩组件(1)给予所述支撑梁(2)的锚固力;Fs为所述支撑梁(2)与所述地基(8)接触面的隆起作用力。
7.根据权利要求5所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法,其特征在于,所述加固桩组件(1)的尺寸参数包括所述加固桩(11)桩径d、桩长l和同一所述支撑梁(2)底部所述加固桩(11)的数量n,其中同一所述支撑梁(2)底部所述加固桩(11)的数量n为:式中,Wn为所述加固桩组件(1)的上部承载重量,单位kN;d为加固桩(11)桩径,单位m;l为加固桩(11)桩长,单位m;qsa为桩侧阻力特征值,单位kPa;qpa为桩端土端阻力特征值,单位kPa;
其中,桩侧阻力特征值qsa和桩端土端阻力特征值qpa通过现场单桩载荷试验确定或根据地区经验确定。
8.根据权利要求1‑7任意一项所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法,其特征在于,所述加固桩组件(1)的上部承载重量Wn:式中,B为支撑梁(2)宽度,单位m;L为支撑梁(2)长度,单位m;H为支撑梁(2)高度,单位3
m;γc为钢筋混凝土重度,单位kN/m ;b为U型槽体(4)宽度,单位m;h1为U型槽体(4)底板厚度,单位m;h为U型槽体(4)高度,单位m;h2为U型槽体(4)悬臂厚度,单位m;S为相邻支撑梁3
(2)间距,单位m;hn1为轻质土填筑高度,单位m;γn1为轻质土重度,单位kN/m ;hn2为土质填3
料填筑高度,单位m;γn2为土质填料重度,单位kN/m ;b1为轨道分布宽度,单位m;q1为轨道自
2 2
重,单位kN/m;s1为线间距,单位m;q0为线间荷载,单位kN/m;
其中,钢筋混凝土重度γc、轻质土重度γn1、土质填料重度γn2通过室内土工试验确定;
所述支撑梁(2)与所述地基(8)接触面的隆起作用力Fs:式中,Fs,单位kN;n为同一所述支撑梁(2)底部所述加固桩(11)的数量,B为支撑梁(2)宽度,单位m;L为支撑梁(2)长度,单位m;d为加固桩(11)桩径,单位m;ps为地基的隆起应力,单位kPa;
其中,所述地基(8)的隆起应力ps通过现场原位试验或室内土工试验确定;
所述加固桩组件(1)给予所述支撑梁(2)的锚固力Fk:Fk=πdnfala
式中,Fk,单位kN;n同一所述支撑梁(2)底部所述加固桩(11)的数量,d为加固桩(11)桩径,单位m;fa为加固桩(11)桩侧锚固力,单位kPa;la为加固桩(11)进入大气急剧影响层以下或非隆起性土层中的长度;
其中,加固桩(11)桩侧锚固力fa通过现场单桩隆起试验确定。
说明书 :
一种抗隆起U型路基结构及其设计方法
技术领域
背景技术
盐渍土(岩)盐胀以及其他因素造成地基上拱均是铁路建设者面临的新型难题,这与高速无
砟铁路变形控制要求极其严格有关。地基隆起变形超限极易引发高速铁路无砟轨道板开
裂,造成重大的无砟轨道病害,影响列车运行的平稳舒适性,甚至可能危及高速行车安全。
面,其存在各种不足,其具体为:
板,从而导致工程投资急剧增大;
路堤边坡明显增加用地量,难以适应高铁工程设计和经济建设需求。
发明内容
量的问题,提供一种抗隆起U型路基结构及其设计方法,不仅能有效控制路基隆起变形,还
能有效承受结构整体荷载并控制沉降变形;节省了建设用地,减少生态环境破坏。
置,所述支撑梁底部连接有加固桩组件,所述加固桩组件包括若干根加固桩,同一所述加固
桩组件中的所有所述加固桩沿所述支撑梁长度方向间隔布置,所述加固桩入地基,所述U型
槽体内从上至下依次设置有第一填充层和第二填充层,所述第一填充层由土质材料填充而
成,所述第二填充层由轻质土填充而成,相邻所述支撑梁之间的U型槽体与所述地基之间具
有间隙。
质土填充而成,从而减少了所述加固桩组件上部载荷,避免因所述加固桩组件上部载荷过
大,从而显著增大加固桩桩长的情况发生;而在第二填充层上部的第一填充层填筑土质填
料,用于消散列车动应力,防止频繁列车荷载作用导致下部第二填充层中填筑的轻质土出
现裂化。
有加固桩组件所述加固桩伸入地基,,即可将U型槽体荷载传递至地基及加固桩,当地基产
生隆起作用力时,一方面隆起作用力将作用于支撑梁底部的,传递至加固桩,通过加固桩进
行消耗隆起作用力的能量,另一方面,隆起作用力直接作用在地基,由于支撑梁之间的U型
槽体与地基面处于具有间隙的悬空状态,地基产生形变对可以直接消耗隆起作用力,从而
避免了地基隆起作用力直接作用在U型槽。其相比较现有的桩板结构:整个结构变形容易控
制,而且工程投资小。
桩置换了部分隆起性岩土地基,即加固桩发挥了置换作用;而且作用在加固桩侧壁的隆起
作用力可通过桩体锚固作用传递至下部地基,即加固桩发挥了锚固作用。
作用力可通过桩体锚固作用回传递至下部地基,使其不仅能有效控制路基隆起变形,还能
有效承受结构整体荷载并控制沉降变形;而且大幅节省了建设用地,特别是直接削减了传
统路基结构的边坡用地,不仅可为节约用地,而且减少了生态环境破坏。
U型槽体与所述地基之间具有间隙,从而避免了相邻所述支撑梁之间的地基隆起作用力直
接作用在U型槽。
一填充层和所述第二填充层;
与所述地基接触面的隆起作用力Fs;
得了所述抗隆起U型路基结构的设计参数。
的尺寸参数,其加固桩布置的合理性大大提高,之后利用所述加固桩组件的上部承载重量
Wn,所述加固桩组件给予所述支撑梁的锚固力Fk,以及所述支撑梁与所述地基接触面的隆起
作用力Fs确定所述路基结构的安全系数K,以安全系数K衡量路基变形标准,确保路基面不
发生隆起变形,同时也满足压缩变形控制要求,来进行桩组件上部结构模型的调试,最终确
定最合理的所述第二填充层的设计参数和加固桩组件的尺寸参数,以获得了所述抗隆起U
型路基结构的设计参数。
受结构整体荷载并控制沉降变形;而且大幅节省了建设用地,特别是直接削减了传统路基
结构的边坡用地,不仅可为节约用地,而且减少了生态环境破坏,满足了高速铁路节能低碳
的设计理念,社会、经济、环境效益显著。
终的桩组件上部结构模型的设计参数和加固桩组件的尺寸参数。
为钢筋混凝土重度,单位kN/m ;b为U型槽体宽度,单位m;h1为U型槽体底板厚度,单位m;h为U
型槽体高度,单位m;h2为U型槽体悬臂厚度,单位m;S为相邻支撑梁间距,单位m;hn1为轻质土
3
填筑高度,单位m;γn1为轻质土重度,单位kN/m ;hn2为土质填料填筑高度,单位m;γn2为土
3 2
质填料重度,单位kN/m ;b1为轨道分布宽度,单位m;q1为轨道自重,单位kN/m ;s1为线间距,
2
单位m;q0为线间荷载,单位kN/m;
中的长度;
通过桩体锚固作用回传递至下部地基,使其不仅能有效控制路基隆起变形,还能有效承受
结构整体荷载并控制沉降变形;而且大幅节省了建设用地,特别是直接削减了传统路基结
构的边坡用地,不仅可为节约用地,而且减少了生态环境破坏,满足了高速铁路节能低碳的
设计理念,社会、经济、环境效益显著。
相邻所述支撑梁之间的U型槽体与所述地基之间具有间隙,从而避免了地基隆起作用力直
接作用在U型槽底部。
固桩布置的合理性大大提高,之后利用所述加固桩组件的上部承载重量Wn、所述加固桩组
件给予所述支撑梁的锚固力Fk和所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力Fs确定所述路
基结构的安全系数K,以安全系数K衡量路基变形标准,确保路基面不发生隆起变形,同时也
满足压缩变形控制要求,来进行桩组件上部结构模型的调试,最终确定最合理的所述第二
填充层的设计参数和加固桩组件的尺寸参数。
附图说明
具体实施方式
用于限定本发明。
体4长度方向间隔布置,所述支撑梁2底部连接有加固桩组件1,所述加固桩组件1包括若干
根加固桩11,所有所述加固桩11沿所述支撑梁2长度方向间隔布置,所述U型槽体4内从上至
下依次设置有第一填充层5和第二填充层6,所述第一填充层5由土质材料填充而成,所述第
二填充层6由轻质土填充而成。
由轻质土填充而成,从而减少了所述加固桩组件1上部载荷,避免因所述加固桩组件1上部
载荷过大,从而显著增大加固桩11桩长的情况发生;而在第二填充层6上部的第一填充层5
填筑土质填料,用于消散列车动应力,防止频繁列车荷载作用导致下部第二填充层6中填筑
的轻质土出现裂化。
以及将作用于支撑梁2底部的隆起作用力传递至加固桩11,同时使所述支撑梁2之间的U型
槽体4与地基8面处于悬空状态,从而避免了地基8隆起作用力直接作用在U型槽底部。其相
比较现有的桩板结构:整个结构变形容易控制,而且工程投资小;
同时加固桩11置换了部分隆起性岩土地基8,即加固桩11发挥了置换作用;而且作用在加固
桩11侧壁的隆起作用力可通过桩体锚固作用传递至下部地基8,即加固桩11发挥了锚固作
用。
桩11侧壁的隆起作用力可通过桩体锚固作用回传递至下部地基8,使其不仅能有效控制路
基隆起变形,还能有效承受结构整体荷载并控制沉降变形;而且大幅节省了建设用地,特别
是直接削减了传统路基结构的边坡用地,不仅可为节约用地,而且减少了生态环境破坏,满
足了高速铁路节能低碳的设计理念,社会、经济、环境效益显著。
所述支撑梁2之间的U型槽体4与所述地基8之间具有间隙。
11,同时相邻所述支撑梁2之间的U型槽体4与所述地基8之间具有间隙,从而避免了地基8隆
起作用力直接作用在U型槽底部。
位m;H为支撑梁2高度,单位m;γc为钢筋混凝土重度,单位kN/m;
间距,单位m;③通过以下公式确定U型槽体4结构中轻质土、土质填料和上部轨道结构的重
量Wt:
kN;hn1为轻质土填筑高度,单位m;γn1为轻质土重度,单位kN/m ;hn2为土质填料填筑高度,
3
单位m;γn2为土质填料重度,单位kN/m ;b1为轨道分布宽度,单位m;q1为轨道自重,单位kN/
2 2
m;s1为线间距,单位m;q0为线间荷载,单位kN/m;
γn2通过室内土工试验确定;所述地基8的隆起应力ps通过现场原位试验或室内土工试验确
定;,加固桩11桩侧锚固力fa通过现场单桩隆起试验确定。
的上部承载重量Wn,所述加固桩组件1给予所述支撑梁2的锚固力Fk,以及所述支撑梁2与所
述地基8接触面的隆起作用力Fs,将上述三个参数进行综合控制,得到安全系数K,并以安全
系数K为标准来判定桩组件上部结构模型是否满足设计要求,如不满足,则调整桩组件上部
结构模型,直至安全系数K满足抗隆起要求,得到最终的桩组件上部结构模型的设计参数和
加固桩组件1的尺寸参数。
承受结构整体荷载并控制沉降变形;而且大幅节省了建设用地,特别是直接削减了传统路
基结构的边坡用地,不仅可为节约用地,而且减少了生态环境破坏,满足了高速铁路节能低
碳的设计理念,社会、经济、环境效益显著。
胀土,其隆起应力ps为440kPa,大气影响深度5.0m,大气急剧影响层深度为2.5m,在膨胀土
地层中加固桩11桩侧锚固力fa为50kPa、桩端阻力特征值qpa为600kPa、桩侧阻力特征值qsa为
50kPa。为消除地基隆起变形,设计拟采用本发明的抗隆起U型路基结构,在设计过程中,加
固桩11桩径d取0.6m,支撑梁2沿线路纵向间距S为8.0m,支撑梁2截面尺寸宽B为1.4m、长L为
14m、高H为0.8m;U型槽体4宽b为13.6m、高h为1.8m,底板厚h1为1.0m、悬臂厚h2为0.4m,钢筋
3 3
混凝土重度γc取25kN/m ,轻质土重度γn1取5kN/m ,土质填料填筑高度hn2取0.5m、重度γn2
3
取21kN/m,路基顶面铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道。按本发明设计方法开展设计,具体如下: