CN106934145A - 无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度的确定方法 - Google Patents

Abstract

无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度的确定方法，以合理确定无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度，为膨胀岩土区域基底挖出换填提供理论计算支撑。包括以下步骤：根据高速铁路无砟轨道变形控制要求，确定膨胀岩土路堑及低路堤基床表层顶面的允许隆起变形量以路堑及低路堤基床表层顶面的隆起变形量为控制目标，通过以下公式计算不同厚度H基底换填体上基床表层顶面的隆起变形量 根据隆起变形量计算结果，结合的条件，确定无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度H_min。

Description

无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度的确定 方法

技术领域

本发明涉及高速铁路路基，特别涉及一种无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底换填厚度确定。

技术背景

高速铁路无砟轨道对变形控制要求严格，隆起或下沉变形均会造成线路不平顺性加剧，危及高速列车正常运营，甚至可能引发重大安全事故。在工程建设中，膨胀岩土大都属于非饱和土范畴，在大气降雨或外界渗水条件下，非饱和膨胀岩土吸水产生膨胀变形。路堑或低路堤基底膨胀岩土隆起变形可能引发无砟轨道板开裂，造成重大无砟轨道病害。

目前，国内外高速铁路膨胀土区域路堑及低路堤基底膨胀岩土处理措施主要采用换填优质填料，但挖出换填厚度标准不统一，也缺乏相应的计算理论作为支撑。另一方面，随着“一带一路”战略实施，中国高速铁路走出海外势在必行，膨胀土将是海外高速铁路建设中遇到的特殊岩土之一，在国外高速铁路工程技术方案审核中，膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度亟需设计人员提供理论计算依据。

因此，针对上述面临的难题，有必要提出一种无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度的确定方法，为膨胀岩土区域常用的换填处理措施提供理论计算支撑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度的确定方法，以合理确定无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度，为膨胀岩土区域基底挖出换填提供理论计算支撑。

本发明解决上述技术所采用的的技术方案如下：

本发明的无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度计算方法，包括以下步骤：

①根据高速铁路无砟轨道变形控制要求，确定膨胀岩土路堑及低路堤基床表层顶面的允许隆起变形量单位mm；

②以路堑及低路堤基床表层顶面的隆起变形量为控制目标，通过以下公式计算不同厚度H(单位m)基底换填体上基床表层顶面的隆起变形量

式中，为路堑及低路堤基床表层顶面的隆起变形量，单位mm；m_e为隆起变形计算修正系数；α为衰减系数，单位1/m；h为换填底面上覆填土厚度，单位m；C_si为换填底面下第i层土的回弹指数；H_i为换填底面下第i层土的分层厚度；e_Ni为换填底面下第i层土干旱季节的初始孔隙比；σ_sN为干旱季节膨胀岩土层的膨胀力，单位kPa；σ_sP为雨季过后膨胀岩土层的剩余膨胀力，单位kPa；Δσ_yP为路堑开挖或低路堤填土产生的总应力变化，单位kPa。

③根据步骤②隆起变形量计算结果，结合的条件，确定无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度H_min，单位m。

本发明方法是基于土体应力路径分析，并通过现场大型湿干试验结果进行比对验证，从而得到膨胀岩土路堑及低路堤基床表层顶面的隆起变形计算公式，适用于确定无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度。

本发明的有益效果是，在考虑了换填底面上覆填土的“消能效应”、路堑开挖或低路堤填土产生的总应力变化及雨季前后膨胀岩土层的膨胀力变化三大因素的基础上，结合现场大型湿干试验结果，采用土体应力路径分析，推导得到膨胀岩土路堑及低路堤基床表层顶面的隆起变形计算公式，能合理确定无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度，为膨胀岩土区域基底挖出换填提供理论计算支撑，且该方法计算简便，适应国内外高铁工程需要。

附图说明

图1是无砟轨道膨胀岩土路堑横断面图；

图2是无砟轨道膨胀岩土路堑中膨胀力沿深度分布图；

图3是无砟轨道膨胀岩土路堑中初始孔隙比沿深度分布图；

图4是无砟轨道膨胀岩土路堑中回弹指数沿深度分布图；

图5是无砟轨道膨胀岩土低路堤横断面图；

图6是无砟轨道膨胀岩土低路堤中膨胀力沿深度分布图；

图7是无砟轨道膨胀岩土低路堤中初始孔隙比沿深度分布图；

图8是无砟轨道膨胀岩土低路堤中回弹指数沿深度分布图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图进一步说明本发明。

本发明无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度的确定方法，包括以下步骤：

①根据高速铁路无砟轨道变形控制要求，确定膨胀岩土路堑及低路堤基床表层(1)顶面的允许隆起变形量单位mm；

②以路堑及低路堤基床表层(1)顶面的隆起变形量为控制目标，通过以下公式计算不同厚度H(单位m)基底换填体(2)上基床表层(1)顶面的隆起变形量

式中，为路堑及低路堤基床表层(1)顶面的隆起变形量，单位mm；m_e为隆起变形计算修正系数；α为衰减系数，单位1/m；h为换填底面上覆填土厚度，单位m；C_si为换填底面下第i层土的回弹指数；H_i为换填底面下第i层土的分层厚度；e_Ni为换填底面下第i层土干旱季节的初始孔隙比；σ_sN为干旱季节膨胀岩土层的膨胀力，单位kPa；σ_sP为雨季过后膨胀岩土层的剩余膨胀力，单位kPa；Δσ_yP为路堑开挖或低路堤填土产生的总应力变化，单位kPa。

③根据步骤②隆起变形量计算结果，结合的条件，确定无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度H_min，单位m。

所述步骤②中，所述换填底面下第i层土的回弹指数C_si、第i层土干旱季节的初始孔隙比e_Ni、干旱季节膨胀岩土层的膨胀力σ_sN及雨季过后膨胀岩土层的剩余膨胀力是通过现场地质钻孔及室内土工测试得到的。

所述步骤②中，所述衰减系数α取值与路堤填料有关，由现场试验或室内大型模型试验确定。

有地区经验时，隆起变形计算修正系数m_e根据地区隆起变形观测资料及经验确定；无地区经验时，m_e取0.8。

所述路堑或低路堤基底隆起变形计算深度H_n按浸水影响深度或大气影响深度确定。

本发明适用于高速无砟铁路、高速有咋铁路、高速公路膨胀岩土路堑与低路堤基底最小换填厚度的确定。

实施例一：

参照图1，伊朗德伊(德黑兰-库姆-伊斯法罕)高速铁路某一膨胀岩土路堑开挖深度为6.39m，路堑基床表层顶面宽度为13.4m，路堑边坡比为1:1.25，路堑基底换填体厚度为H。

图1中，标记1为基床表层，标记2为基底换填体。

步骤①，根据高速铁路无砟轨道变形控制要求，膨胀岩土路堑基床表层1顶面的允许隆起变形量取1.0mm。

步骤②，通过现场地质钻孔及室内土工测试，得到干旱季节膨胀岩土层的膨胀力σ_sN及雨季过后膨胀岩土层的剩余膨胀力σ_sP沿深度分布见图2，初始孔隙比e_Ni沿深度分布见图3，回弹指数C_si沿深度分布见图4；衰减系数α取0.118，隆起变形计算修正系数m_e取0.8；路堑基底隆起变形计算深度H_n按浸水影响深度或大气影响深度确定，取H_n＝4.5m，第i土层的分层厚度H_i为0.2m。

进一步地，以路堑基床表层1顶面的隆起变形量为控制目标，通过以下公式计算不同厚度H(单位m)基底换填体2上基床表层1顶面的隆起变形量

式中，为路堑及低路堤基床表层1顶面的隆起变形量，单位mm；m_e为隆起变形计算修正系数；α为衰减系数，单位1/m；h为换填底面上覆填土厚度，单位m；C_si为换填底面下第i层土的回弹指数；H_i为换填底面下第i层土的分层厚度；e_Ni为换填底面下第i层土干旱季节的初始孔隙比；σ_sN为干旱季节膨胀岩土层的膨胀力，单位kPa；σ_sP为雨季过后膨胀岩土层的剩余膨胀力，单位kPa；Δσ_yP为路堑开挖或低路堤填土产生的总应力变化，单位kPa。

计算得到的不同厚度H(单位m)基底换填体2上基床表层1顶面的隆起变形量见下表：

基底膨胀岩土换填厚度/m	路堑基床表层顶面隆起变形量/mm
		0.20	3.4
0.40	2.5
		0.60	1.8
0.80	1.3
		0.95	1.0
1.00	0.9

步骤③，根据步骤②隆起变形量计算结果，当基底膨胀岩土换填厚度H＝0.95m时，满足步骤1控制目标，即可确定无砟轨道膨胀岩土路堑基底最小换填厚度H_min＝0.95m。

实施例二：

参照图5，中国云桂(昆明至南宁)高速铁路某一膨胀岩土上低路堤填筑高度为1.60m，低路堤基床表层顶面宽度为13.4m，低路堤边坡比为1:1.5，低路堤基底换填体厚度为H。

图5中，标记1为基床表层，标记2为基底换填体，标记3为低路堤填筑体。

步骤①，根据高速铁路无砟轨道变形控制要求，膨胀岩土低路堤基床表层1顶面的允许隆起变形量取1.0mm。

步骤②，通过现场地质钻孔及室内土工测试，得到干旱季节膨胀岩土层的膨胀力σ_sN及雨季过后膨胀岩土层的剩余膨胀力σ_sP沿深度分布见图6，初始孔隙比e_Ni沿深度分布见图7，回弹指数C_si沿深度分布见图8；衰减系数α取0.117，隆起变形计算修正系数m_e取0.8；低路堤基底隆起变形计算深度H_n按浸水影响深度或大气影响深度确定，取H_n＝4.5m，第i土层的分层厚度H_i为0.2m。

进一步地，以低路堤基床表层1顶面的隆起变形量为控制目标，通过以下公式计算不同厚度H(单位m)基底换填体2上基床表层1顶面的隆起变形量

式中，为路堑及低路堤基床表层1顶面的隆起变形量，单位mm；m_e为隆起变形计算修正系数；α为衰减系数，单位1/m；h为换填底面上覆土厚度，单位m；C_si为换填底面下第i层土的回弹指数；H_i为换填底面下第i层土的分层厚度；e_Ni为换填底面下第i层土干旱季节的初始孔隙比；σ_sN为干旱季节膨胀岩土层的膨胀力，单位kPa；σ_sP为雨季过后膨胀岩土层的剩余膨胀力，单位kPa；Δσ_yP为路堑开挖或低路堤填土产生的总应力变化，单位kPa。

计算得到的不同厚度H(单位m)基底换填体2上基床表层1顶面的隆起变形量见下表：

基底膨胀岩土换填厚度/m	路堑基床顶面隆起变形量/mm
		0.20	2.2
0.40	1.5
		0.60	1.0
0.80	0.6

步骤③，根据步骤②隆起变形量计算结果，当基底膨胀岩土换填厚度H＝0.60m时，满足步骤(1)控制目标，即可确定无砟轨道膨胀岩土低路堤基底最小换填厚度H_min＝0.60m。

本发明的优点在于：

(1)本发明综合考虑了换填底面上覆填土的“消能效应”、路堑开挖或低路堤填土产生的总应力变化及雨季前后膨胀岩土层的膨胀力变化3个因素，可用于路堑与低路堤基底最小换填厚度确定。

(2)本发明适用于高速无砟铁路、高速有咋铁路、高速公路膨胀岩土路堑与低路堤基底最小换填厚度的确定。

(3)本发明理论公式严谨，计算思路清晰，设计流程明确，不仅促进了膨胀岩土路堑与低路堤基底处理发展，也可作为海外高速铁路工程技术方案的理论计算依据，有利于“一带一路”战略落地实施。

以上所述只是采用图解说明本发明无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度计算方法的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (5)

1.无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度的确定方法，包括以下步骤：

①根据高速铁路无砟轨道变形控制要求，确定膨胀岩土路堑及低路堤基床表层(1)顶面的允许隆起变形量单位mm；

②以路堑及低路堤基床表层(1)顶面的隆起变形量为控制目标，通过以下公式计算不同厚度H(单位m)基底换填体(2)上基床表层(1)顶面的隆起变形量

$s_e^f=m_e(1-\mathrm{\α}h)\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{C_{si}{H}_i}{1+e_{Ni}}log{\[\frac{{\mathrm{\σ}}_{sP}\±{\mathrm{\Δ\σ}}_{yP}}{{\mathrm{\σ}}_{sN}}\]}_i$

式中，为路堑及低路堤基床表层(1)顶面的隆起变形量，单位mm；m_e为隆起变形计算修正系数；α为衰减系数，单位1/m；h为换填底面上覆填土厚度，单位m；C_si为换填底面下第i层土的回弹指数；H_i为换填底面下第i层土的分层厚度；e_Ni为换填底面下第i层土干旱季节的初始孔隙比；σ_sN为干旱季节膨胀岩土层的膨胀力，单位kPa；σ_sP为雨季过后膨胀岩土层的剩余膨胀力，单位kPa；Δσ_yP为路堑开挖或低路堤填土产生的总应力变化，单位kPa。

③根据步骤②隆起变形量计算结果，结合的条件，确定无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度H_min，单位m。

2.根据权利要求1所述的无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度的确定方法，其特征是：所述步骤②中，所述换填底面下第i层土的回弹指数C_si、第i层土干旱季节的初始孔隙比e_Ni、干旱季节膨胀岩土层的膨胀力σ_sN及雨季过后膨胀岩土层的剩余膨胀力是通过现场地质钻孔及室内土工测试得到的。

3.根据权利要求1所述的无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度的确定方法，其特征是于：所述步骤②中，所述衰减系数α取值与路堤填料有关，由现场试验或室内大型模型试验确定。

4.根据权利要求1所述的无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度的确定方法，其特征是：有地区经验时，隆起变形计算修正系数m_e根据地区隆起变形观测资料及经验确定；当无地区经验时，m_e取0.8。

5.根据权利要求1所述的无砟轨道膨胀岩土路堑及低路堤基底最小换填厚度的确定方法，其特征是：所述路堑或低路堤基底隆起变形计算深度H_n按浸水影响深度或大气影响深度确定。