CN108867200B - 一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构及设计方法 - Google Patents

一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构及设计方法 Download PDF

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Abstract

一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构及设计方法，以大幅度提高岩石路堑结构对上拱变形的适应力，避免较大的膨胀岩上拱变形、深挖方软质岩蠕变变形、以及季节性冻土变形等对无砟轨道高速铁路造成影响。包括：预应力锚索，成排间隔设置在岩石地基中，其锚固段位于膨胀岩石大气影响深度以下、深挖方软质岩卸压影响区以下或者季节性冻土影响深度以下；竖向锚杆，与预应力锚索交叉设置在岩石地基中一定深度；支撑梁，沿线路纵向间隔设置在预应力锚索、竖向锚杆顶部，掏槽进入岩石地基一定深度，其顶部高出岩石地基顶面；防水层，设置在相邻支撑梁之间的地基岩石顶部；支撑板，设置在支撑梁顶部，且与之形成刚性连接，其底面与地基岩石顶面留有足够空间距离；路基填筑体，分层填筑在支撑板顶部；排水侧沟，设置在路堑结构两侧。

Description

一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构及设计方法
技术领域
本发明涉及岩土工程，特别涉及一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构及设计方法。
背景技术
高速铁路特别是无砟轨道铁路对路基的变形控制非常严格，通常情况下高速铁路路基是解决沉降变形为主，但当其以路堑形式通过膨胀岩石地基、深挖方软质岩地基以及季节性冻土地区时，会出现以下技术问题：膨胀岩石地基在水分增加时，会产生很大的向上的膨胀力；深挖方软质岩在很大的卸荷作用下，岩体会产生向上的蠕变或流变变形，且持续时间很长；季节性冻土地区冻深影响范围内岩土体发生循环冻胀变形。当上述出现的膨胀岩上拱变形、深挖方软质岩蠕变、流变变形以及冻胀变形，通常在有限变形条件下，上拱力会很大，这将严重影响高速铁路的运营安全，并且上拱变形目前技术条件下难以修复和采取有效措施解决。
在申请号201710603423.6的发明专利申请公开说明书中，本申请人公开了一种无砟轨道铁路膨胀岩石路堑结构及施工方法，该方法提出了一种由预应力锚索+锚拉板+卸压孔组合的抗上拱结构，但此种结构由于锚拉板与膨胀岩土的接触面积较大，需要较大的上拱抵抗力，卸压孔的卸压空间较为有限，故该结构对于上拱变形量非常大的情况适应性较差或需要大大增加预应力锚索的设置数量，其投资大幅增加。
在申请号201710609816.8的发明专利申请公开说明书中，本申请人公开一种无砟轨道铁路膨胀土路堑结构及施工方法，该方法主要应用于膨胀土地基，同样释放的变形空间有限，如要完全抵抗较大上拱力，需加大CFG桩的设置深度和密度，其工程投资增加，同时膨胀土变形产生的上拱力也明显小于膨胀岩石地基条件。
在申请号201720880882.4的发明专利申请公开说明书中，本申请人公开了一种无砟轨道高速铁路膨胀土路堑加固结构。在申请号201610029615.6的发明专利申请公开说明书中，本申请人公开了一种富水地基抗冻胀无砟轨道路基结构，这两种结构实质是通过桩基和承载板来承担列车及上部荷载，通过设置缓冲层来释放部分上拱力，这种结构缓冲层设置厚度及变形模量选择较为复杂，其提供的上拱变形空间不易控制，另外使用了桩基结构，其工程投资较大。
为此，本申请人提出了一种新的抗隆起高速铁路岩石路堑结构及设计方法，解决了上述专利申请中存在的不足，并且具有更好的抗上拱变形能力、更好的经济性，设计方法及结构施工简单、易操作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构，以大幅度提高岩石路堑结构对上拱变形的适应力，避免较大的膨胀岩上拱变形、深挖方软质岩蠕变变形、以及季节性冻土变形等对无砟轨道高速铁路造成影响。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
本发明的一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构，其特征是它包括：预应力锚索，成排间隔设置在岩石地基中，其锚固段位于膨胀岩石大气影响深度以下、深挖方软质岩卸压影响区以下或者季节性冻土影响深度以下；竖向锚杆，与预应力锚索交叉设置在岩石地基中一定深度；支撑梁，沿线路纵向间隔设置在预应力锚索、竖向锚杆顶部，掏槽进入岩石地基一定深度，其顶部高出岩石地基顶面；防水层，设置在相邻支撑梁之间的地基岩石顶部；支撑板，设置在支撑梁顶部，且与之形成刚性连接，其底面与地基岩石顶面留有足够空间距离；路基填筑体，分层填筑在支撑板顶部；排水侧沟，设置在路堑结构两侧。
本发明所要解决的另一技术问题是提供一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构的设计方法，该方法包括如下步骤：
①测试膨胀岩石的膨胀力fp、深挖方软质岩石卸荷作用下的回弹力fh以及岩土地基的冻胀力fd；
②计算支撑梁与岩石地基A的接触面积：
SL＝L×W；
③分别计算支撑梁、支撑板、路基填筑体的自重
WL＝VL×γL
WB＝VB×γB
WT＝VT×γT
式中，WL、WB、WT分别为支撑梁、支撑板、路基填筑体自重，VL、VB、VT分别为支撑梁、支撑板、路基填筑体的体积，γL、γB、γT分别为支撑梁、支撑板、路基填筑体的容重；
④计算支撑梁所受的上拱力：
FP＝fp×SL×N×Kc
Fh＝fh×SL×N×Kc
Fd＝fd×SL×N×Kc
式中FP、Fh、Fd分别为支撑梁3所受的上拱膨胀力、回弹力、冻胀力，N为设置支撑梁3的数量，Kc抗上拱安全系数取值；
⑤计算预应力锚索所需提供的抗拔力FM：
FM＝FP-(WL+WB+WT)
或FM＝Fh-(WL+WB+WT)
或FM＝Fd-(WL+WB+WT)；
⑥计算预应力锚索设置孔数：
每孔4束钢绞线，NM＝FM/600
每孔5束钢绞线，NM＝FM/750
每孔6束钢绞线，NM＝FM/900；
⑦计算预应力锚索锚固段长度，锚固段长度LM取下面的大值：
式中，K为抗拔安全系数，Nt为预应力锚索轴向拉力值，fmg为锚固段注浆体与地层间的粘结强度，fms为锚固段注浆体与钢绞线间的粘结强度，D为钻孔直径，d为钢绞线直径，ξ为强度降低系数，ψ为锚固段粘结强度影响系数，n钢绞线根数。
本发明的有益效果是，利用支撑梁与岩石地基较小的接触面积大大减小上拱力对上部铁路路基结构的影响，支撑板与岩石地基留有岩石地基的上拱变形空间，因此可大幅度提高岩石路堑结构对上拱变形的适应力，避免较大的膨胀岩上拱变形、深挖方软质岩蠕变变形、以及季节性冻土变形等对无砟轨道高速铁路造成影响，提出的设计方法可用于指导工程设计和施工；施工简单，工程投资低，设计简单易行，具有推广应用前景，且符合环保的要求。
附图说明
本说明书包括如下三幅附图：
图1是本发明一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构的横断面示意图；
图2是本发明一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构的纵断面示意图；
图3是本发明一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构的基础平面示意图。
图中示出构件名称及所对应的标记：预应力锚索1、竖向锚杆2、支撑梁3、防水层4、支撑板5、路基填筑体6、排水侧沟7、岩石地基A、非上拱变形影响区B。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
参照图1、图2和图3，本发明一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构包括：预应力锚索1，成排间隔设置在岩石地基A中，其锚固段位于膨胀岩石大气影响深度以下、深挖方软质岩卸压影响区以下或者季节性冻土影响深度以下；竖向锚杆2，与预应力锚索1交叉设置在岩石地基A中一定深度；支撑梁3，沿线路纵向间隔设置在预应力锚索1、竖向锚杆2顶部，掏槽进入岩石地基A一定深度，其顶部高出岩石地基A顶面；防水层4，设置在相邻支撑梁3之间的地基岩石A顶部；支撑板5，设置在支撑梁3顶部，且与之形成刚性连接，其底面与地基岩石A顶面留有足够空间距离；路基填筑体6，分层填筑在支撑板5顶部；排水侧沟7，设置在路堑结构两侧。
参照图1，支撑梁3与岩石地基A接触面积较小，使上部的铁路路基结构抵抗较小的上拱力。支撑板5与岩石地基A间预留有足够的空间距离，使岩石地基A的上拱变形具有足够的变形空间，并且不会对支撑板5直接作用。利用支撑板5、支撑梁3、路基填筑体6的自重可以抵抗岩石地基A传递给支撑梁3的上拱力，当自重力足以抵抗上拱力时，该结构中的预应力锚索1可以不设置，当抵抗力不足时，除自重抵抗力以外的剩余上拱力由预应力锚索1提供。竖向锚杆2的设置可以为支撑梁3提供较大向上支撑力，避免上部列车动应力反复作用下支撑梁3与岩石地基A冲击劣化地基条件。防水层4的设置是为了避免水对岩石地基A的影响，避免或减小上拱力，排水侧沟7则有利于将地表水快速排除路基外。
参照图1，所述预应力锚索1的锚固段完全位于岩石路堑的非上拱变形影响区B内。所述竖向锚杆2采用大孔径钻孔锚杆，钻孔直径一般为150mm，每孔锚杆采用2-3束钢筋，一般设置深度不小于4.0m，采用高压注浆形成锚杆注浆体。
参照图3，所述支撑梁3设置间距一般不大于8m，设置高度不小于0.5m，埋入岩石地基A中的深度不小于0.2m，露出岩石地基A顶面的高度根据变形量确定，一般不小于0.1m。参照图1，所述支撑板5采用钢筋混凝土板，其主筋与支撑梁3顶部出露的预留钢筋连接，一般每隔10-15m设置一道伸缩缝。所述路基填筑体6填筑高度不小于1.0m。
参照图1至图3，本发明一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构的设计方法，包括如下步骤：
①测试膨胀岩石的膨胀力fp、深挖方软质岩石卸荷作用下的回弹力fh以及岩土地基A的冻胀力fd；
②计算支撑梁3与岩石地基A的接触面积：
SL＝L×W；
③分别计算支撑梁3、支撑板5、路基填筑体6的自重：
WL＝VL×γL
WB＝VB×γB
WT＝VT×γT
式中，WL、WB、WT分别为支撑梁(3)、支撑板(5)、路基填筑体(6)自重，VL、VB、VT分别为支撑梁(3)、支撑板(5)、路基填筑体(6)的体积，γL、γB、γT分别为支撑梁(3)、支撑板(5)、路基填筑体(6)的容重；
④计算支撑梁3所受的上拱力：
FP＝fp×SL×N×Kc
Fh＝fh×SL×N×Kc
Fd＝fd×SL×N×Kc
式中FP、Fh、Fd分别为支撑梁3所受的上拱膨胀力、回弹力、冻胀力，N为设置支撑梁3的数量，Kc抗上拱安全系数取值；
⑤计算预应力锚索1所需提供的抗拔力FM：
FM＝FP-(WL+WB+WT)
或FM＝Fh-(WL+WB+WT)
或FM＝Fd-(WL+WB+WT)
⑥计算预应力锚索1设置孔数：
每孔4束钢绞线，NM＝FM/600
每孔5束钢绞线，NM＝FM/750
每孔6束钢绞线，NM＝FM/900；
⑦计算预应力锚索1锚固段长度，锚固段长度LM取下面的大值：
式中，K为抗拔安全系数，Nt为预应力锚索1轴向拉力值，fmg为锚固段注浆体与地层间的粘结强度，fms为锚固段注浆体与钢绞线间的粘结强度，D为钻孔直径，d为钢绞线直径，ξ为强度降低系数，ψ为锚固段粘结强度影响系数，n钢绞线根数。
式中K为抗拔安全系数，Nt为预应力锚索1轴向拉力值(此处等于FM)，fmg为锚固段注浆体与地层间的粘结强度，fms为锚固段注浆体与钢绞线间的粘结强度，D为钻孔直径，d为钢绞线直径，ξ为强度降低系数，ψ为锚固段粘结强度影响系数，n钢绞线根数。
实施例：
某高速铁路强膨胀岩石路堑结构，膨胀力为500kPa，路基面宽度13.6m，放坡坡率1：1.5；堤高2.7m，支撑板厚度1.0m、长度22.7m；支撑梁高0.6m，宽0.8m，纵向8m设置一道，长度22.7m；取8m作为算例计算单元。
①膨胀岩石的膨胀力fp＝500kPa；
②计算支撑梁与岩石地基的接触面积：
SL＝L×W＝22.7×0.8＝18.16m2；
③分别计算支撑梁、支撑板、路基填筑体的自重
WL＝VL×γL＝0.6×0.8×22.7×23＝250.608kN
WB＝VB×γB＝1.0×22.7×8×23＝4176.8kN
WT＝VT×γT＝47.655×8×20＝7624.8kN；
④计算支撑梁所受的上拱力：
FP＝fp×SL×N×Kc＝500×0.8×22.7×1×1.5＝13620kN；
⑤计算预应力锚索所需提供的抗拔力FM：
FM＝FP-(WL+WB+WT)＝13620-(250.608+4176.8+7624.8)
＝1567.792kN；
⑥计算预应力锚索设置孔数：
NM＝FM/600＝1567.792/600＝2.6取3孔锚索(4束钢绞线)
NM＝FM/900＝1567.792/900＝1.74取2孔锚索(6束钢绞线)
⑦计算预应力锚索锚固段长度(取4束钢绞线计算)，锚固段长度LM取下面的大值：
故抗拱设计采用3孔4束钢绞线的预应力锚索进行加固，预应力锚索锚固段长度不小于12.6m。

Claims (7)

1.一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构，其特征是它包括：预应力锚索(1)，成排间隔设置在岩石地基(A)中，其锚固段位于膨胀岩石大气影响深度以下、深挖方软质岩卸压影响区以下或者季节性冻土影响深度以下；竖向锚杆(2)，与预应力锚索(1)交叉设置在岩石地基(A)中一定深度；支撑梁(3)，沿线路纵向间隔设置在预应力锚索(1)、竖向锚杆(2)顶部，掏槽进入岩石地基(A)一定深度，其顶部高出岩石地基(A)顶面；防水层(4)，设置在相邻支撑梁(3)之间的地基岩石(A)顶部；支撑板(5)，设置在支撑梁(3)顶部，且与之形成刚性连接，其底面与地基岩石(A)顶面留有足够空间距离；路基填筑体(6)，分层填筑在支撑板(5)顶部；排水侧沟(7)，设置在路堑结构两侧。
2.如权利要求1所述的一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构，其特征是：所述预应力锚索(1)的锚固段完全位于岩石路堑的非上拱变形影响区(B)内。
3.如权利要求1所述的一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构，其特征是：所述竖向锚杆(2)采用大孔径钻孔锚杆，钻孔直径为150mm，每孔锚杆采用2-3束钢筋，设置深度不小于4.0m，采用高压注浆形成锚杆注浆体。
4.如权利要求1所述的一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构，其特征是：所述支撑梁(3)设置间距不大于8m，设置高度不小于0.5m，埋入岩石地基(A)中的深度不小于0.2m，露出岩石地基(A)顶面的高度不小于0.1m。
5.如权利要求1所述的一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构，其特征是：所述支撑板(5)采用钢筋混凝土板，其主筋与支撑梁(3)顶部出露的预留钢筋连接，每隔10-15m设置一道伸缩缝。
6.如权利要求1所述的一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构，其特征是：所述路基填筑体(6)填筑高度不小于1.0m。
7.如权利要求1至6任意一项所述一种抗隆起高速铁路岩石路堑结构的设计方法，包括如下步骤：
①测试膨胀岩石的膨胀力fp、深挖方软质岩石卸荷作用下的回弹力fh以及岩土地基(A)的冻胀力fd；
②计算支撑梁(3)与岩石地基(A)的接触面积：
SL＝L×W
式中SL、L、W分别为支撑梁(3)与岩石地基(A)的接触面积、支撑梁(3)长度、支撑梁(3)宽度；
③分别计算支撑梁(3)、支撑板(5)、路基填筑体(6)的自重：
WL＝VL×γL
WB＝VB×γB
WT＝VT×γT
式中，WL、WB、WT分别为支撑梁(3)、支撑板(5)、路基填筑体(6)自重，VL、VB、VT分别为支撑梁(3)、支撑板(5)、路基填筑体(6)的体积，γL、γB、γT分别为支撑梁(3)、支撑板(5)、路基填筑体(6)的容重；
④计算支撑梁(3)所受的上拱力：
FP＝fp×SL×N×Kc
Fh＝fh×SL×N×Kc
Fd＝fd×SL×N×Kc
式中FP、Fh、Fd分别为支撑梁(3)所受的上拱膨胀力、回弹力、冻胀力，N为设置支撑梁(3)的数量，Kc抗上拱安全系数取值；
⑤计算预应力锚索(1)所需提供的抗拔力FM：
FM＝FP-(WL+WB+WT)
或FM＝Fh-(WL+WB+WT)
或FM＝Fd-(WL+WB+WT)
⑥计算预应力锚索(1)设置孔数：
每孔4束钢绞线，NM＝FM/600
每孔5束钢绞线，NM＝FM/750
每孔6束钢绞线，NM＝FM/900；
⑦计算预应力锚索(1)锚固段长度，锚固段长度LM取下面的大值：
式中，K为抗拔安全系数，Nt为预应力锚索(1)轴向拉力值，fmg为锚固段注浆体与地层间的粘结强度，fms为锚固段注浆体与钢绞线间的粘结强度，D为钻孔直径，d为钢绞线直径，ξ为强度降低系数，ψ为锚固段粘结强度影响系数，n钢绞线根数。
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