CN106065549A - 一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法，包括以下步骤：获取基床土容许承载力；获得路基面动应力和轨道结构自重在路基面的静应力；选取土工格室的尺寸，获得选定土工格室的高度和动应力衰减系数；根据动应力衰减速率将下卧砂垫层划分为第一下卧砂垫子层和第二下卧砂垫子层；根据换填厚度关系式得到轨枕底距离土工格室‑砂垫层换填层底面的换填厚度。与现有技术相比，本发明通过对土工格室整治基床下沉病害工程中换填厚度的计算，确保了经土工格室‑砂垫层衰减后的动应力与由轨道结构、换填层自重产生的自重附加应力之和满足基床土的容许承载力要求；同时可避免采用过大的换填厚度导致工程成本的增加。

Description

一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法

技术领域

本发明涉及铁路路基工程领域，尤其是涉及一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法。

背景技术

随着我国铁路的高速重载化，对路基的要求也相应提高，路基基床必须具有足够的强度和稳定性。路基基床下沉，是较为常见的病害，它的产生增加了养护工作量，病害严重时甚至威胁行车安全。所以必须对路基基床进行加固。

土工格室具有材质轻、耐磨损、强度高的特点，能有效地改善基床的动应力，缩短施工周期，减少对运营的干扰，与其他整治方式相比具有明显的优点。但在推广利用土工格室强化路基基床的工程中，目前对不同换填厚度的效果差异认识不够，设计时多参考相近工程或者试验结果。这导致换填厚度的取值缺乏理论依据，换填厚度过小，基床所受的动应力与静应力之和不满足基床土容许承载力要求；换填厚度过大，无谓地增加了工程成本。

因此有必要提出一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法，在利用土工格室强化路基基床的工程中，使设计人员可以简单方便地进行换填厚度的设计。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法，通过对土工格室整治基床下沉病害工程中换填厚度的计算，确保了经土工格室-砂垫层衰减后的动应力与由轨道结构、换填层自重产生的自重附加应力之和满足基床土的容许承载力要求；同时可避免采用过大的换填厚度导致工程成本的增加。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法，土工格室加固路基基床方案是指在道床下方路基内设置土工格室-砂垫层换填层，所述土工格室-砂垫层换填层包括由上至下依次设置的土工格室填砂组合体和下卧砂垫层，所述道床的厚度为H₁，该方法包括以下步骤：

S1：获取基床土容许承载力[f₀]；

S2：根据列车轴重、速度以及铁路线路等级，获得路基面动应力σ_d，并根据轨道结构获得轨道结构自重在路基面的静应力σ_cm；

S3：选取土工格室的尺寸，获得选定土工格室的高度h和动应力衰减系数η；

S4：根据动应力衰减速率，将下卧砂垫层划分为第一下卧砂垫子层和第二下卧砂垫子层，并获得第一下卧砂垫子层的单位厚度动应力衰减值ξ₁和第二下卧砂垫子层的单位厚度动应力衰减值ξ₂，ξ₁＞ξ₂；

S5：根据换填厚度关系式得到轨枕底距离土工格室-砂垫层换填层底面的换填厚度H，所述换填厚度关系式如下：

$\left\{\begin{array}{c}H=({\mathrm{\&eta;\&sigma;}}_d/R_{cr}+{\mathrm{\&sigma;}}_{cm}+\mathrm{\&gamma;}h-\&lsqb;f_0\&rsqb;)/({\mathrm{\&xi;}}_1/R_{cr}-\mathrm{\&gamma;})\\ \begin{array}{cc}+H_1+h& 0.4m<H\&le;0.65m\end{array}\\ H=({\mathrm{\&eta;\&sigma;}}_d/R_{cr}+{\mathrm{\&sigma;}}_{cm}+\mathrm{\&gamma;}(0.65-H_1)-(0.65-H_1-h){\mathrm{\&xi;}}_1/R_{cr}-\&lsqb;f_0\&rsqb;)/({\mathrm{\&xi;}}_2/R_{cr}-\mathrm{\&gamma;})\\ \begin{array}{cc}+0.65& 0.65m<H\&le;1.2m\end{array}\end{array}\right.$

式中，γ为设定的土工格室-砂垫层换填层的平均容重，R_cr为设定的动静比。

所述路基面动应力σ_d满足以下公式：

σ_d＝0.26P_s(1+αV)

式中，P_s为列车轴重，α为动力冲击系数，V为列车速度。

动静比R_cr取值为0.5～0.7。

土工格室-砂垫层换填层的平均容重γ取值为19kN/m³。

所述第一下卧砂垫子层距轨枕底的深度范围为0.4～0.65m，第一下卧砂垫子层的单位厚度动应力衰减值ξ₁取值为140kPa，所述第二下卧砂垫子层距轨枕底的深度范围为0.65～1.2m，第二下卧砂垫子层的单位厚度动应力衰减值ξ₁取值为100kPa。

所述步骤S5之后还包括步骤S6：建立在不同土工格室的尺寸和不同基床土容许承载力下的换填厚度取值表格，供方案设计人员快速查找。

所述土工格室的尺寸包括焊距和高度，土工格室的焊距取340mm或400mm，土工格室的高度取100mm、150mm或200mm。

所述换填厚度取值表格中基床土容许承载力以10kPa为间隔取值，当基床土容许承载力的实际取值不在换填厚度取值表格中时，按线性插值的方式获得基床土容许承载力的实际取值对应的换填厚度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明方法针对利用土工格室强化路基基床的工程，提出了计算换填厚度的方法，通过对土工格室整治基床下沉病害工程中换填厚度的计算，确保了经土工格室-砂垫层衰减后的动应力与由轨道结构、换填层自重产生的自重附加应力之和满足基床土的容许承载力要求，同时可避免采用过大的换填厚度导致工程成本的增加。

2、本发明方法对土工格室加固路基基床方案的换填厚度合理设计，可衰减上部列车荷载传递到路基基床中的动应力，进而控制路基的不均匀沉降。

3、本发明方法应用于土工格室强化路基基床的工程中，为换填厚度的确定提供依据，使设计人员可以简单方便地进行换填厚度的设计，以保障路基基床的强度和稳定性。

4、本发明将不同土工格室尺寸情况下，换填厚度随基床土容许承载力变化情况列成表格，方便设计人员查询，同时采用线性插值方式可获得表格中没有的数据，提供表格的实用性，且表格的通用性强，很容易为广大设计人员所掌握。

附图说明

图1为土工格室加固路基基床方案的结构示意图。

图中：1、轨枕，2、道床，3、土工格室填砂组合体，4、下卧砂垫层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，土工格室加固路基基床方案是指在道床2下方路基内设置土工格室-砂垫层换填层，土工格室-砂垫层换填层包括由上至下依次设置的土工格室填砂组合体3和下卧砂垫层4，土工格室填砂组合体3由土工格室内填砂后筑成，具有衰减路基面受力、加固路基基床的作用，土工格室填砂组合体3中m表示顶面，n表示底面，f表示土工格室-砂垫层换填层底面，道床2的厚度为H₁。

为了保证基床的稳定性，在土工格室-砂垫层换填层底部f点，经衰减后的动应力与由轨道结构、换填层自重产生的自重附加应力之和不超过该深度基床土的容许承载力要求，则f点处满足的条件：

σ_f/R_cr+σ_cf≤[f₀] (1)式中：

σ_f为f点处的动应力值(kPa)，又称为路基面动应力经过换填层衰减后的动应力幅值；

σ_cf为f点处的静应力值(kPa)，又称为在换填层底面由上部轨道结构、换填层产生的自重附加应力，上部轨道结构包括钢轨、轨枕1和道床2；

R_cr为动静比，一般取0.5～0.7，例如：0.6，本实施例中，取值为0.5；

[f₀]为f点的基床土容许承载力(kPa)；

σ_f/R_cr表示动应力通过动静比折算成静应力，σ_f/R_cr+σ_cf表示动应力通过动静比折算成静应力之后与自重附加应力的两者之和，即为换填层底面的总应力，应小于等于[f₀]。

f点的静应力为：

σ_cf＝σ_cm+γ(h+∑h_i) (2)式中：

γ为土工格室-砂垫层换填层的平均容重，取平均值19kN/m³；

σ_cm为轨道结构自重在路基面的静应力(kPa)；

h为土工格室的高度(m)；

h_i为根据动应力衰减速率将下卧砂垫层4划分的第i层砂垫子层，其中，h₁为第一下卧砂垫子层的厚度，第一下卧砂垫子层距轨枕1底深度0.40～0.65m，h₂为第二下卧砂垫子层的厚度，第二下卧砂垫子层距轨枕1底深度0.65～1.20m；

σ_cf为f点处的静应力(kPa)。

路基面动应力依据基于既有铁路路基动应力测试结果形成的经验公式计算，本实施例中按中高速无缝线路动应力计算公式，设计值为：

σ_d＝0.26P_s(1+αV) (3)式中：

V为列车速度(km/h)，若V>300km/h时，仍按300km/h计；

P_s为列车轴重(kN)；

σ_d为路基面动应力(kPa)；

α为动力冲击系数，对高速无缝线路对应的动力冲击系数α₁＝0.003，对中速无缝线路对应的动力冲击系数α₂＝0.004；

路基面动应力的大小由列车速度、轴重和动力冲击系数三个参数决定。

动应力衰减包括经过土工格室填砂组合体3的衰减和经过下卧砂垫层4的动应力衰减，路基面动应力衰减至计算点f处的动应力σ_f大小为：

σ_f＝ησ_d-∑h_iξ_i (4)

式中：η为土工格室底面与顶面的动应力之比；

ξ_i为不同深度砂垫层的单位动应力衰减值(kPa/m)，其中，ξ₁为第一下卧砂垫子层的单位厚度动应力衰减值，ξ₂为第二下卧砂垫子层的单位厚度动应力衰减值，ξ₁＞ξ₂；

∑h_iξ_i为土工格室底面到换填层底面的动应力衰减值(kPa)。

土工格室填砂组合体3动应力衰减系数见表1，土工格室填砂组合体3的尺寸包括焊距和高度，焊距常采用340mm和400mm，高度常采用100mm、150mm和200mm，砂垫层的动应力衰减规律见表2。

表1 土工格室填砂组合体动应力衰减系数

格室焊炬(mm)	格室高度(mm)	衰减系数η
			340	200	0.5089
340	150	0.6222
			340	100	0.7370
400	200	0.5674
			400	150	0.6630
400	100	0.7367

表2 砂垫层动应力衰减规律

距轨枕深度(m)	单位厚度动应力衰减值(kPa)
		0.40～0.65	ξ1＝140
0.65～1.20	ξ2＝100

将式(2)、(4)代入式(1)，可将式(1)表达为另一种形式：

(ησ_d-∑h_iξ_i)/R_cr+σ_cm+γ(h+∑h_i)≤[f₀] (5)

进一步可写成：

(ησ_d-h₁ξ₁)/R_cr+σ_cm+γ(h+h₁)≤[f₀] 0.40m<H≤0.65m (6a)

(ησ_d-h₁ξ₁-h₂ξ₂)/R_cr+σ_cm+γ(h+h₁+h₂)≤[f₀] 0.65m<H≤1.20m (6b)

结合图1中的尺寸关系，可得H＝H₁+h+∑h_i，则换填厚度H的具体表达式如下：

H＝H₁+h+(ησ_d/R_cr+σ_cm+γh-[f₀])/(ξ₁/R_cr-γ)

0.40m<H≤0.65m (7a)

H＝0.65+(ησ_d/R_cr+σ_cm+γ(0.65-H₁)-(0.65-H₁-h)ξ₁/R_cr-[f₀])/(ξ₂/R_cr-γ)

0.65m<H≤1.20m (7b)

通过以上分析可得，一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法包括以下步骤：

S1：通过现场的动力触探试验等方法确定基床土容许承载力[f₀]。

S2：根据列车轴重、速度以及铁路线路等级，获得路基面动应力σ_d，并根据轨道结构获得轨道结构自重在路基面的静应力σ_cm。

S3：选取土工格室的尺寸，并获得选定土工格室的高度h和动应力衰减系数η。

S4：根据动应力衰减速率将下卧砂垫层4划分为第一下卧砂垫子层和第二下卧砂垫子层，并获得第一下卧砂垫子层的单位厚度动应力衰减值ξ₁和第二下卧砂垫子层的单位厚度动应力衰减值ξ₂，ξ₁＞ξ₂。

S5：根据换填厚度关系式得到轨枕1底距离土工格室-砂垫层换填层底面的换填厚度H，换填厚度关系式如下：

$\left\{\begin{array}{c}H=({\mathrm{\&eta;\&sigma;}}_d/R_{cr}+{\mathrm{\&sigma;}}_{cm}+\mathrm{\&gamma;}h-\&lsqb;f_0\&rsqb;)/({\mathrm{\&xi;}}_1/R_{cr}-\mathrm{\&gamma;})\\ \begin{array}{cc}+H_1+h& 0.4m<H\&le;0.65m\end{array}\\ H=({\mathrm{\&eta;\&sigma;}}_d/R_{cr}+{\mathrm{\&sigma;}}_{cm}+\mathrm{\&gamma;}(0.65-H_1)-(0.65-H_1-h){\mathrm{\&xi;}}_1/R_{cr}-\&lsqb;f_0\&rsqb;)/({\mathrm{\&xi;}}_2/R_{cr}-\mathrm{\&gamma;})\\ \begin{array}{cc}+0.65& 0.65m<H\&le;1.2m\end{array}\end{array}\right..$

S6：建立在不同土工格室的尺寸和不同基床土容许承载力下的换填厚度取值表格，供方案设计人员快速查找，其中：换填厚度取值表格中基床土容许承载力以10kPa为间隔取值，当基床土容许承载力的实际取值不在换填厚度取值表格中时，按线性插值的方式获得基床土容许承载力的实际取值对应的换填厚度。

为了方便设计人员使用本方法，按照相关规范，土工格室填砂组合体3顶与轨枕1底的距离(即道床2的厚度H₁)取0.4m，列车轴重取23t，列车速度取200km/h，动力冲击系数取0.004，计算不同土工格室尺寸情况下，换填厚度H随基床土容许承载力[f₀]的变化情况，列入表3。

表3 换填厚度H随基床土容许承载力[f₀]变化情况

实际工程使用时，某铁路无缝线路，运营列车的机车静轴重为23t，运行速度为200km/h，道床厚度0.4m，路基为高约3m的路堤，最近几年基床下沉加剧，轨道几何状态变化频繁，有少量基床土挤出。经现场动力触探试验发现，基床土的承载能力普遍较低，约为64kPa。拟采用土工格室加固路基的基床部分。

采用焊距340mm、高度100mm的土工格室时。查询表3可得[f₀]为60kPa时，对应的H为1.04m；[f₀]为70kPa时，对应的H为0.98m。通过线性插值可求得[f₀]为64kPa时，对应的H为1.02m。

采用焊距340mm、高度150mm的土工格室时。查询表3可得[f₀]为60kPa时，对应的H为0.98m；[f₀]为70kPa时，对应的H为0.92m。通过线性插值可求得[f₀]为64kPa时，对应的H为0.96m。

采用焊距340mm、高度200mm的土工格室时。查询表3可得[f₀]为60kPa时，对应的H为0.92m；[f₀]为70kPa时，对应的H为0.87m。通过线性插值可求得[f₀]为64kPa时，对应的H为0.90m。

采用焊距400mm、高度100mm的土工格室时。查询表3可得[f₀]为60kPa时，对应的H为1.04m；[f₀]为70kPa时，对应的H为0.98m。通过线性插值可求得[f₀]为64kPa时，对应的H为1.02m。

采用焊距400mm、高度150mm的土工格室时。查询表3可得[f₀]为60kPa时，对应的H为1.03m；[f₀]为70kPa时，对应的H为0.97m。通过线性插值可求得[f₀]为64kPa时，对应的H为1.01m。

采用焊距400mm、高度200mm的土工格室时。查询表3可得[f₀]为60kPa时，对应的H为0.99m；[f₀]为70kPa时，对应的H为0.94m。通过线性插值可求得[f₀]为64kPa时，对应的H为0.97m。

Claims (8)

1.一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法，其特征在于，土工格室加固路基基床方案是指在道床下方路基内设置土工格室-砂垫层换填层，所述土工格室-砂垫层换填层包括由上至下依次设置的土工格室填砂组合体和下卧砂垫层，所述道床的厚度为H₁，该方法包括以下步骤：

S1：获取基床土容许承载力[f₀]；

S2：根据列车轴重、速度以及铁路线路等级，获得路基面动应力σ_d，并根据轨道结构获得轨道结构自重在路基面的静应力σ_cm；

S3：选取土工格室的尺寸，获得选定土工格室的高度h和动应力衰减系数η；

S4：根据动应力衰减速率，将下卧砂垫层划分为第一下卧砂垫子层和第二下卧砂垫子层，并获得第一下卧砂垫子层的单位厚度动应力衰减值ξ₁和第二下卧砂垫子层的单位厚度动应力衰减值ξ₂，ξ₁＞ξ₂；

S5：根据换填厚度关系式得到轨枕底距离土工格室-砂垫层换填层底面的换填厚度H，所述换填厚度关系式如下：

$\left\{\begin{array}{c}H=\left({\mathrm{\&eta;\&sigma;}}_d/R_{cr}+{\mathrm{\&sigma;}}_{cm}+\mathrm{\&gamma;}h-\&lsqb;f_0\&rsqb;\right)/\left({\mathrm{\&xi;}}_1/R_{cr}-\mathrm{\&gamma;}\right)\\ \begin{array}{cc}+H_1+h& 0.4m<H\&le;0.65m\end{array}\\ H=\left({\mathrm{\&eta;\&sigma;}}_d/R_{cr}+{\mathrm{\&sigma;}}_{cm}+\mathrm{\&gamma;}\left(0.65-H_1\right)-\left(0.65-H_1-h\right){\mathrm{\&xi;}}_1/R_{cr}-\&lsqb;f_0\&rsqb;\right)/\left({\mathrm{\&xi;}}_2/R_{cr}-\mathrm{\&gamma;}\right)\\ \begin{array}{cc}+0.65& 0.65m<H\&le;1.2m\end{array}\end{array}\right.$

式中，γ为设定的土工格室-砂垫层换填层的平均容重，R_cr为设定的动静比。

2.根据权利要求1所述的一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法，其特征在于，所述路基面动应力σ_d满足以下公式：

σ_d＝0.26P_s(1+αV)

式中，P_s为列车轴重，α为动力冲击系数，V为列车速度。

3.根据权利要求1所述的一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法，其特征在于，动静比R_cr取值为0.5～0.7。

4.根据权利要求1所述的一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法，其特征在于，土工格室-砂垫层换填层的平均容重γ取值为19kN/m³。

5.根据权利要求1所述的一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法，其特征在于，所述第一下卧砂垫子层距轨枕底的深度范围为0.4～0.65m，第一下卧砂垫子层的单位厚度动应力衰减值ξ₁取值为140kPa，所述第二下卧砂垫子层距轨枕底的深度范围为0.65～1.2m，第二下卧砂垫子层的单位厚度动应力衰减值ξ₁取值为100kPa。

6.根据权利要求1所述的一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法，其特征在于，所述步骤S5之后还包括步骤S6：建立在不同土工格室的尺寸和不同基床土容许承载力下的换填厚度取值表格，供方案设计人员快速查找。

7.根据权利要求1或6所述的一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法，其特征在于，所述土工格室的尺寸包括焊距和高度，土工格室的焊距取340mm或400mm，土工格室的高度取100mm、150mm或200mm。

8.根据权利要求6所述的一种铁路用土工格室加固路基基床方案快速确定的方法，其特征在于，所述换填厚度取值表格中基床土容许承载力以10kPa为间隔取值，当基床土容许承载力的实际取值不在换填厚度取值表格中时，按线性插值的方式获得基床土容许承载力的实际取值对应的换填厚度。