CN109086511B - 一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法 - Google Patents

一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法 Download PDF

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Abstract

一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法，以科学合理地设计高速铁路或磁悬浮粗颗粒盐渍土路堤结构，且能够适应实际工程需要。包括以下步骤：①确定路堤顶面的允许隆起量；②初步确定粗颗粒盐渍土路堤结构；③确定粗颗粒盐渍土路堤的盐胀大气影响深度l0，计算确定路堤中粗颗粒盐渍土隆起计算厚度h0；④确定冬季降温前第i层土的温度Ti1、冬季降温期间第i层土出现的最低温度Ti2；⑤确定第i层土的盐胀指数Csi；确定温度Ti1降至Ti2后第i层土的盐胀力σTi、温度Ti1下第i层土的初始孔隙比e0i、第i层土的有效自重应力σy0i；⑥计算确定路堤顶面隆起量
Figure DDA0001741470050000011
⑦判定
Figure DDA0001741470050000012
是否满足
Figure DDA0001741470050000013
若
Figure DDA0001741470050000014
满足
Figure DDA0001741470050000015
则路堤按步骤②初步确定的粗颗粒盐渍土路堤结构进行设计，若
Figure DDA0001741470050000016
不满足
Figure DDA0001741470050000017
则重复步骤②至步骤⑥，直至
Figure DDA0001741470050000018
满足
Figure DDA0001741470050000019
以设计合理的粗颗粒盐渍土路堤。

Description

一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法。
技术背景
隆起变形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，甚至危及高速列车的行车安全。盐渍土在冬季降温条件下具有盐胀特性，采用粗颗粒盐渍土填筑高速铁路或磁悬浮路堤时，路堤顶面易发生隆起变形。
CN206800076U的中国实用新型专利公开了盐渍土地区高速铁路路堤加固构造，其特征是路堤基床表层采用不含可溶盐的级配碎石填筑；基床底层上结构层，设置于基床表层以下，厚1.0m，采用可溶盐粗颗粒土填筑；基床底层下结构层，设置于基床底层上结构层以下，厚1.3m，采用可溶盐粗颗粒土填筑；路基本体，在基床底层下结构层以下填筑于盐渍土地基上，采用可溶盐粗颗粒土填筑。然而，该专利并未给出路堤顶面隆起变形的确定方法，基床底层上结构层及基床底层下结构层的厚度确定也具有随意性，缺乏相应的理论依据，目前也无相关规范、文献或专利予以提及。可见，極需提出一种以隆起变形为控制目标的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法，以科学合理地设计高速铁路或磁悬浮粗颗粒盐渍土路堤结构，且能够适应实际工程需要。
本发明解决上述技术所采用的技术方案如下：
本发明提出一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法，包括以下步骤：
(1)根据高速铁路或磁悬浮变形控制要求，确定路堤顶面的允许隆起量
Figure BDA0001741470030000025
单位mm；
(2)初步确定粗颗粒盐渍土路堤结构，基床表层厚度ha，单位m，采用粗颗粒非盐渍土填筑；基床底层上结构层厚度hd1，单位m，采用粗颗粒非盐渍土填筑；基床底层下结构层厚度hd2，单位m，采用粗颗粒盐渍土填筑；路堤本体厚度hb，单位m，采用粗颗粒盐渍土填筑；
(3)通过现场调查或资料查询，确定粗颗粒盐渍土路堤的盐胀大气影响深度l0，单位m；通过以下公式确定路堤中粗颗粒盐渍土隆起计算厚度h0：
Figure BDA0001741470030000021
式中，h0为粗颗粒盐渍土隆起计算厚度，单位m；ha为基床表层厚度，单位m；hd1为基床底层上结构层厚度，单位m；
(4)通过现场调查或资料查询，确定冬季降温前第i层土的温度Ti1，单位℃；确定冬季降温期间第i层土出现的最低温度Ti2，单位℃；
(5)通过现场采集粗颗粒盐渍土土样并在室内开展盐胀试验、含水率试验、土粒比重试验及重度试验，确定第i层土的盐胀指数Csi；确定温度Ti1降至Ti2后第i层土的盐胀力σTi，单位kPa；确定温度Ti1下第i层土的初始孔隙比e0i；确定第i层土的有效自重应力σy0i，单位kPa；
(6)通过以下公式确定路堤顶面隆起量
Figure BDA0001741470030000022
Figure BDA0001741470030000023
式中，
Figure BDA0001741470030000024
为路堤顶面隆起量，单位mm；n为隆起计算厚度范围内划分的土层数；κ为粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的消能系数；Δsei为第i层土的盐胀量，单位mm；Csi为第i层土的盐胀指数；Δzi为第i层土的分层厚度，单位mm；e0i为温度Ti1下第i层土的初始孔隙比；σy0i为第i层土的有效自重应力，单位kPa；Δσyi为上覆轨道荷载及粗颗粒非盐渍土作用下第i层土产生的有效应力变化，单位kPa；σTi为温度Ti1降至Ti2后第i层土的盐胀力σTi，单位kPa；
(7)根据路堤顶面隆起量计算结果，判定
Figure BDA0001741470030000031
是否满足
Figure BDA0001741470030000032
若
Figure BDA0001741470030000033
满足
Figure BDA0001741470030000034
则路堤按步骤(2)初步确定的粗颗粒盐渍土路堤结构进行设计，若
Figure BDA0001741470030000035
不满足
Figure BDA0001741470030000036
则重复步骤(2)至步骤(6)，直至
Figure BDA0001741470030000037
满足
Figure BDA0001741470030000038
以设计合理的粗颗粒盐渍土路堤。
本发明的有益效果是。在考虑上覆附加荷载及填土消能影响的基础上，结合路堤不同填土层的降温区别及盐胀差异性特征，通过以路堤顶面隆起量为设计控制目标，提出了一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法，该方法能够科学合理的设计粗颗粒盐渍土路堤结构，避免盲目地确定粗颗粒盐渍土路堤结构，为高速铁路或磁悬浮粗颗粒盐渍土路堤的合理设计提供了理论依据，弥补了规范存在的空白，适应实际工程需要。
本发明适用于高速铁路及磁悬浮粗颗粒盐渍土路堤结构设计。
附图说明
图1是粗颗粒盐渍土路堤结构横断面示意图。
图中示出构件和对应的标记：基床表层1，基床底层上结构层2，基床底层下结构层3，路堤本体4，基床表层厚度ha，基床底层上结构层厚度hd1，基床底层下结构层厚度hd2，路堤本体厚度hb，盐胀大气影响深度l0，盐渍土地基D。
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。
本发明的一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法，包括以下步骤：
一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法，包括以下步骤：
(1)根据高速铁路或磁悬浮变形控制要求，确定路堤顶面的允许隆起量
Figure BDA0001741470030000041
单位mm；
(2)初步确定粗颗粒盐渍土路堤结构，基床表层厚度ha，单位m，采用粗颗粒非盐渍土填筑；基床底层上结构层厚度hd1，单位m，采用粗颗粒非盐渍土填筑；基床底层下结构层厚度hd2，单位m，采用粗颗粒盐渍土填筑；路堤本体厚度hb，单位m，采用粗颗粒盐渍土填筑；
(3)通过现场调查或资料查询，确定粗颗粒盐渍土路堤的盐胀大气影响深度l0，单位m；通过以下公式确定路堤中粗颗粒盐渍土隆起计算厚度h0：
Figure BDA0001741470030000042
式中，h0为粗颗粒盐渍土隆起计算厚度，单位m；ha为基床表层厚度，单位m；hd1为基床底层上结构层厚度，单位m；
(4)通过现场调查或资料查询，确定冬季降温前第i层土的温度Ti1，单位℃；确定冬季降温期间第i层土出现的最低温度Ti2，单位℃；
(5)通过现场采集粗颗粒盐渍土土样并在室内开展盐胀试验、含水率试验、土粒比重试验及重度试验，确定第i层土的盐胀指数Csi；确定温度Ti1降至Ti2后第i层土的盐胀力σTi，单位kPa；确定温度Ti1下第i层土的初始孔隙比e0i；确定第i层土的有效自重应力σy0i，单位kPa；
(6)通过以下公式确定路堤顶面隆起量
Figure BDA0001741470030000045
Figure BDA0001741470030000043
式中，
Figure BDA0001741470030000044
为路堤顶面隆起量，单位mm；n为隆起计算厚度范围内划分的土层数；κ为粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的消能系数；Δsei为第i层土的盐胀量，单位mm；Csi为第i层土的盐胀指数；Δzi为第i层土的分层厚度，单位mm；e0i为温度Ti1下第i层土的初始孔隙比；σy0i为第i层土的有效自重应力，单位kPa；Δσyi为上覆轨道荷载及粗颗粒非盐渍土作用下第i层土产生的有效应力变化，单位kPa；σTi为温度Ti1降至Ti2后第i层土的盐胀力σTi，单位kPa；
(7)根据路堤顶面隆起量计算结果，判定
Figure BDA0001741470030000051
是否满足
Figure BDA0001741470030000052
若
Figure BDA0001741470030000053
满足
Figure BDA0001741470030000054
则路堤按步骤(2)初步确定的粗颗粒盐渍土路堤结构进行设计，若
Figure BDA0001741470030000055
不满足
Figure BDA0001741470030000056
则重复步骤(2)至步骤(6)，直至
Figure BDA0001741470030000057
满足
Figure BDA0001741470030000058
以设计合理的粗颗粒盐渍土路堤。
所述步骤(4)至步骤(6)中，第i层土位于隆起计算厚度范围内，且第i层土均达到压实状态，压实指标满足《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)技术要求。
所述步骤(2)中，粗颗粒非盐渍土在降温条件下不发生隆起变形。
所述步骤(5)中，第i层土的盐胀力σTi为温度Ti1降至Ti2土体盐胀曲线中初始孔隙比对应的压力；所述盐胀曲线的横坐标为压力，纵坐标为孔隙比。
所述步骤(5)中，第i层土的盐胀指数Csi为温度Ti1降至Ti2某一压力范围内土体盐胀e-logp曲线的平均斜率，按以下公式确定：
Figure BDA0001741470030000059
式中ej为在第j级压力下土体压缩稳定后温度Ti1降至Ti2产生的孔隙比；pj为第j级压力；ej+1为第j+1级压力下土体压缩稳定后温度Ti1降至Ti2产生的孔隙比；pj+1为第j+1级压力。
所述步骤(5)中，第i层土的有效自重应力σy0i可按分层总和法确定。
所述步骤(6)中，上覆轨道荷载及粗颗粒非盐渍土作用下第i层土产生的有效应力变化Δσyi按Boussinesq理论或应力扩散角法确定。
所述步骤(6)中，粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的消能系数κ按以下公式确定：
Figure BDA00017414700300000510
式中，κ为粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的消能系数；ξ为粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的压缩效应系数，β为粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的压缩效应系数ξ极限值的倒数，可由现场试验或室内模型试验确定；ha为基床表层厚度，单位m；hd1为基床底层上结构层厚度，单位m；λ为常数，单位1/m，λ取值为1；α为粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的初始切线“压缩效应”系数的倒数，可由现场试验或室内模型试验确定。
实施例：
参照图1，某一盐渍土地基D修筑高速铁路路堤，该路堤填高5.3m，顶面宽度为7.8m，边坡比为1:1.5，设计拟采用粗颗粒盐渍土进行填筑。
为避免上述高速铁路路堤发生隆起变形，下面采用本发明方法确定粗颗粒盐渍土路堤结构，具体步骤如下：
(1)根据高速铁路变形控制要求，确定路堤顶面的允许隆起量[se f]为4.0mm。
(2)初步确定粗颗粒盐渍土路堤结构，基床表层厚度ha为0.4m，采用粗颗粒非盐渍土填筑；基床底层上结构层厚度hd1为0.5m，采用粗颗粒非盐渍土填筑；基床底层下结构层厚度hd2为1.8m，采用粗颗粒盐渍土填筑；路堤本体4厚度hb为2.6m，采用粗颗粒盐渍土填筑。
(3)通过现场调查或资料查询，确定粗颗粒盐渍土路堤的盐胀大气影响深度l0为3.0m；通过以下公式确定路堤中粗颗粒盐渍土隆起计算厚度h0：
Figure BDA0001741470030000061
因l0＝3.0m＞ha+hd1＝0.9m，故h0＝l0-ha-hd1＝3.0-0.4-0.5＝2.1(m)
据此，可确定路堤中粗颗粒盐渍土隆起计算厚度h0为2.1m。
(4)通过现场调查，确定冬季降温前第i层土的温度Ti1，单位℃；确定冬季降温期间第i层土出现的最低温度Ti2，单位℃；Ti1和Ti2的确定结果见表1。
(5)通过现场采集粗颗粒盐渍土土样并在室内开展盐胀试验、含水率试验、土粒比重试验及重度试验，确定第i层土的盐胀指数Csi；确定温度Ti1降至Ti2后第i层土的盐胀力σTi，单位kPa；确定温度Ti1下第i层土的初始孔隙比e0i；确定第i层土的有效自重应力σy0i，单位kPa；Csi、σTi、e0i和σy0i的确定结果见表1。
(6)通过以下公式确定路堤(路基中心)顶面隆起量
Figure BDA0001741470030000071
Figure BDA0001741470030000072
路堤隆起计算厚度范围内第i层土盐胀量Δsei的详细计算过程见表1，在表1计算过程中，若Δsei＜0，则Δsei取0。
由表可知，
Figure BDA0001741470030000073
表1路堤隆起计算厚度范围内第i层土盐胀量的计算过程
Figure BDA0001741470030000074
粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的消能系数κ按以下公式确定：
Figure BDA0001741470030000075
在本实施例中，通过现场试验确定α取3.5、β取2.0、λ取1，由此可得
Figure BDA0001741470030000076
因此，可得路堤(路基中心)顶面隆起量
Figure BDA0001741470030000077
Figure BDA0001741470030000078
(7)根据步骤(6)路堤顶面隆起量计算结果，判定
Figure BDA0001741470030000081
是否满足
Figure BDA0001741470030000082
判定结果如下：
因为
Figure BDA0001741470030000083
不满足设计控制目标；为此，调整步骤粗颗粒盐渍土路堤结构，则重复步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)、步骤(6)的工作，重新计算路堤(路基中心)顶面隆起量，结果列于表2中。由表2可以看出，方案M-3满足设计控制目标，
故该粗颗粒盐渍土路堤设计时基床表层1厚度ha为0.4m，基床底层上结构层2厚度hd1不宜小于0.7m，基床底层下结构层3厚度hd2不宜大于1.6m，路堤本体4厚度hb为2.6m。
表2路堤顶面隆起量结果
Figure BDA0001741470030000084
本发明在考虑上覆附加荷载及填土消能影响的基础上，结合路堤不同填土层的降温区别及盐胀差异性特征，通过以路堤顶面隆起量为设计控制目标，提出了一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法，该方法能够科学合理的设计粗颗粒盐渍土路堤结构，避免盲目地确定粗颗粒盐渍土路堤结构，为高速铁路或磁悬浮粗颗粒盐渍土路堤的合理设计提供了理论依据，弥补了规范存在的空白，适应实际工程需要，在盐渍土地区具有广阔的推广应用前景。
以上所述只是采用图解说明本发明一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体方法和适用范围内，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 (4)

1.一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法，包括以下步骤：
(1)根据高速铁路或磁悬浮变形控制要求，确定路堤顶面的允许隆起量
Figure FDA0001741470020000015
单位mm；
(2)初步确定粗颗粒盐渍土路堤结构，基床表层厚度ha，单位m，采用粗颗粒非盐渍土填筑；基床底层上结构层厚度hd1，单位m，采用粗颗粒非盐渍土填筑；基床底层下结构层厚度hd2，单位m，采用粗颗粒盐渍土填筑；路堤本体厚度hb，单位m，采用粗颗粒盐渍土填筑；
(3)通过现场调查或资料查询，确定粗颗粒盐渍土路堤的盐胀大气影响深度l0，单位m；通过以下公式确定路堤中粗颗粒盐渍土隆起计算厚度h0：
Figure FDA0001741470020000011
式中，h0为粗颗粒盐渍土隆起计算厚度，单位m；ha为基床表层厚度，单位m；hd1为基床底层上结构层厚度，单位m；
(4)通过现场调查或资料查询，确定冬季降温前第i层土的温度Ti1，单位℃；确定冬季降温期间第i层土出现的最低温度Ti2，单位℃；
(5)通过现场采集粗颗粒盐渍土土样并在室内开展盐胀试验、含水率试验、土粒比重试验及重度试验，确定第i层土的盐胀指数Csi；确定温度Ti1降至Ti2后第i层土的盐胀力σTi，单位kPa；确定温度Ti1下第i层土的初始孔隙比e0i；确定第i层土的有效自重应力σy0i，单位kPa；
(6)通过以下公式确定路堤顶面隆起量
Figure FDA0001741470020000012
Figure FDA0001741470020000013
式中，
Figure FDA0001741470020000014
为路堤顶面隆起量，单位mm；n为隆起计算厚度范围内划分的土层数；κ为粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的消能系数；Δsei为第i层土的盐胀量，单位mm；Csi为第i层土的盐胀指数；Δzi为第i层土的分层厚度，单位mm；e0i为温度Ti1下第i层土的初始孔隙比；σy0i为第i层土的有效自重应力，单位kPa；Δσyi为上覆轨道荷载及粗颗粒非盐渍土作用下第i层土产生的有效应力变化，单位kPa；σTi为温度Ti1降至Ti2后第i层土的盐胀力σTi，单位kPa；
(7)根据路堤顶面隆起量计算结果，判定
Figure FDA0001741470020000021
是否满足
Figure FDA0001741470020000022
若
Figure FDA0001741470020000023
满足
Figure FDA0001741470020000024
则路堤按步骤(2)初步确定的粗颗粒盐渍土路堤结构进行设计，若
Figure FDA0001741470020000025
不满足
Figure FDA0001741470020000026
则重复步骤(2)至步骤(6)，直至
Figure FDA0001741470020000027
满足
Figure FDA0001741470020000028
以设计合理的粗颗粒盐渍土路堤。
2.如权利要求1所述的一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法，其特征是：所述步骤(4)至步骤(6)中，第i层土位于隆起计算厚度范围内，且第i层土均达到压实状态。
3.如权利要求1所述的一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法，其特征是：所述步骤(2)中，粗颗粒非盐渍土在降温条件下不发生隆起变形。
4.如权利要求1所述的一种基于隆起变形控制的粗颗粒盐渍土路堤结构设计方法，其特征在于：所述步骤(7)中，粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的消能系数κ按以下公式确定：
Figure FDA0001741470020000029
式中，κ为粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的消能系数；ξ为粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的压缩效应系数，β为粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的压缩效应系数ξ极限值的倒数，可由现场试验或室内模型试验确定；ha为基床表层厚度，单位m；hd1为基床底层上结构层厚度，单位m；λ为常数，单位1/m，λ取值为1；α为粗颗粒盐渍土顶面以上粗颗粒非盐渍土的初始切线压缩效应系数的倒数，可由现场试验或室内模型试验确定。
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