CN110952388B - 一种高速铁路宽路基挤密桩结合桩网地基结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速铁路宽路基挤密桩结合桩网地基结构的设计方法，其中，挤密桩结合桩网地基结构包括加固区和非加固区，加固区以路基的正线中心线为中线，非加固区对称地位于加固区的两侧，非加固区的一侧与加固区相邻接，非加固区的另一侧与路基的边缘侧位于同一垂直线，加固区内的桩网结构内布置有挤密桩。与现有技术相比，本发明将路基下方的桩间土分为加固区和非加固区、在桩网结构中布置挤密桩、根据横向排水坡坡度要求在加固区设置过渡加固区，通过加速桩间土的排水固结，能够有效增强桩间土承载力，从而解决桩间土与上部加筋垫层脱空的问题，且能减小正线区沉降，既保证了路基正线的沉降控制效果，同时兼顾宽大路基工程的经济性。

Description

一种高速铁路宽路基挤密桩结合桩网地基结构的设计方法

技术领域

本发明涉及土地地基加固技术领域，尤其是涉及一种高速铁路宽路基挤密桩结合桩网地基结构的设计方法。

背景技术

随着高速铁路在我国的蓬勃发展，地基处理方式也随之变得多种多样，由于工期短、成本较低，且能发挥部分桩间土的承载力，采用钢筋混凝土桩网结构的复合地基在铁路地基中得到了大量应用。但对于高速铁路宽大的路基来说，在实际应用过程中，桩间土会持续发生固结沉降，而上部路基土的沉降则受到加筋垫层和桩的承载力的限制，长此以往会导致桩间土的沉降远大于上部路基土的沉降而产生桩网结构“脱空”现象，导致桩间土无法发挥承载力，桩身受荷更多，同时还会对桩产生更多的负摩阻力，从而导致桩身承载力下降、工后沉降增大。另外，桩间土脱空后也会导致加筋垫层受力和变形增大，可能导致加筋体破坏和路基沉降增大。

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高速铁路宽路基挤密桩结合桩网地基结构的设计方法，基于现有的桩网结构，通过设置加固区，利用加固区内的挤密桩来保证高速铁路宽大路基的沉降，从而解决桩网结构的“脱空”问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高速铁路宽路基挤密桩结合桩网地基结构，包括加固区和非加固区，所述加固区以路基的正线中心线为中线，所述加固区的宽度不超过路基的两侧到发线中心线之间的宽度，所述非加固区对称地位于加固区的两侧，所述非加固区的一侧与加固区相邻接，所述非加固区的另一侧与路基的边缘侧位于同一垂直线，所述加固区内的桩网结构内布置有挤密桩。

进一步地，所述加固区包括正线加固区和过渡加固区，所述过渡加固区对称地位于正线加固区的两侧，所述正线加固区的范围为正线上部轨道结构地面边线按扩散角向外扩散至路基底面所涵盖的范围。

进一步地，所述正线加固区内各挤密桩的长度一致，所述正线加固区内的挤密桩加固深度大于或等于桩网结构中混凝土桩的中性点位置深度。

进一步地，所述过渡加固区内挤密桩从过渡加固区往非加固区方向上，各挤密桩的长度依次递减。

进一步地，所述加固区为等腰梯形加固区，所述正线加固区为矩形加固区，所述过渡加固区包括两个直角三角形加固区。

进一步地，所述挤密桩位于桩网结构中混凝土桩的布桩中心。

一种高速铁路宽路基挤密桩结合桩网地基结构设计方法，包括以下步骤：

S1、获取高速铁路路基的宽度、路基的高度、正线中心线位置、到发线中心线位置、路基填料和地基土物理力学性质指标，以将路基下方的桩间土划分为加固区和非加固区；

S2、根据路基填料和地基土物理力学性质指标，计算路基的压缩模量比值，以确定正线上部轨道结构地面边线向外的扩散角，结合路基的高度和正线上部轨道结构地面边线间宽度，从而确定加固区内的正线加固区范围；

S3、获取现有桩网结构中混凝土桩的中性点位置深度，以确定正线加固区内的挤密桩加固深度，其中，正线加固区内的挤密桩加固深度大于或等于桩网结构中混凝土桩的中性点位置深度；

S4、结合正线加固区范围数据及正线加固区内挤密桩的长度，计算正线加固区与非加固区之间的差异沉降，若该差异沉降满足预设的横向排水坡坡度要求，执行步骤S5，否则执行步骤S6；

S5、根据正线加固区内的挤密桩加固深度，在正线加固区内混凝土桩的各布桩中心点安装挤密桩，完成挤密桩结合桩网结构的设计；

S6、在加固区内正线加固区的两侧设置过渡加固区，从过渡加固区往非加固区的方向，在过渡加固区内混凝土桩的各布桩中心安装长度依次递减的挤密桩，并在正线加固区内混凝土桩的各布桩中心点安装等长度的挤密桩，完成挤密桩结合桩网结构的设计。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、计算路基的压缩模量比值E_S1/E_s2，其中，E_S1为路基本体不同填料层压缩模量的加权平均值，E_s2为路基面以下至桩端持力层各土层压缩模量的加权平均值；

S22、计算路基高度H与正线上部轨道结构地面边线间宽度B的比值H/B；

S23、根据E_S1/E_s2和H/B，确定正线上部轨道结构地面边线向外的扩散角θ，当H/B＜0.25时，扩散角θ取为0°；

当0.25＜H/B＜0.5时，扩散角θ内插取值，具体为：

当E_S1/E_s2＝1时，若H/B＝0.25，则扩散角θ取为4°，若H/B≥0.5，则扩散角θ取为12°；

当E_S1/E_s2＝3时，若H/B＝0.25，则扩散角θ取为6°，若H/B≥0.5，则扩散角θ取为23°；

当E_S1/E_s2＝5时，若H/B＝0.25，则扩散角θ取为10°，若H/B≥0.5，则扩散角θ取为25°；

当E_S1/E_s2＝10时，若H/B＝0.25，则扩散角θ取为20°，若H/B≥0.5，则扩散角θ取为30°；

S24、将两条正线上部轨道结构地面边线按扩散角θ分别向外扩散，得到两条扩散线，两条扩散线分别与路基顶面产生交点，两个交点之间的区域即为正线加固区范围。

进一步地，所述步骤S3中获取现有桩网结构中混凝土桩的中性点位置深度的具体过程包括：

S31、确定持力层土的性质以及桩周土层厚度l₀，并计算桩周土层固结沉降时间t₁、桩基固结沉降时间t₂和桩周土层沉降量；

S32、当t₁＝t₂，则混凝土桩的中性点位置深度为0；

当持力层土的性质为黏性土和/或粉土，则混凝土桩的中性点位置预测深度为(0.5～0.6)*l₀；

当持力层土的性质为中密以上砂，则混凝土桩的中性点位置预测深度为(0.7～0.8)*l₀；

当持力层土的性质为砾石和/或卵石，则混凝土桩的中性点位置预测深度为0.9*l₀；

当持力层土的性质为基岩，则混凝土桩的中性点位置预测深度为1.0*l₀；

S33、确定混凝土桩是否穿过自重湿陷性黄土层，若为是，且持力层土的性质不是基岩，则混凝土桩的中性点位置深度需要在步骤S32的中性点位置预测深度数值的基础上增大10％；

若为是，且持力层土的性质为基岩，则混凝土桩的中性点位置深度等于步骤S32的中性点位置预测深度；

若为否，则混凝土桩的中性点位置深度等于步骤S32的中性点位置预测深度；

S34、判断桩周土层沉降量是否小于20mm，若判断为是，则混凝土桩的中性点位置深度需要在步骤S32的中性点位置预测深度数值的基础上折减40％～80％。

与现有技术相比，本发明采用在混凝土桩网结构中间隔布置挤密桩的方式，能够挤密桩间土并加速桩间土的排水固结，从而防止桩间土与上部加筋垫层之间“脱空”现象的发生，通过有效提供承载力，从而减小正线区沉降；

本发明通过设置正线加固区和过渡加固区，其中，正线加固区内的挤密桩加固深度大于或等于混凝土桩的中性点位置深度、过渡加固区内的挤密桩长度则依次递减，既能够保证高速铁路宽大路基正线的沉降控制效果，同时兼顾工程的经济性。

附图说明

图1为本发明挤密桩结合桩网结构的横断面示意图；

图2为本发明挤密桩结合桩网结构设计的方法流程示意图；

图3为实施例一桩网结构为矩形布桩时的挤密桩布置平面示意图；

图4为实施例二桩网结构为正三角形布桩时的挤密桩布置平面示意图；

图中标记说明：1、挤密桩，2、混凝土桩，3、桩帽，4、加筋垫层，5、路基，6、正线加固区，7、过渡加固区，8、非加固区，9、正线中心线，10、到发线中心线，11、扩散角，12、正线上部轨道结构地面边线。

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。

如图1所示，一种高速铁路宽路基挤密桩结合桩网地基结构，桩网结构由混凝土桩2组成，桩间土内布置有沿横向不等长的挤密桩1，具体地，挤密桩1位于桩网结构中混凝土桩2的布桩中心；

按照线路位置以及差异沉降，路基5下方桩间土区域被分为加固区和非加固区8，其中，加固区包括正线加固区6和过渡加固区7，正线加固区6包括正线中心线9以下范围，具体为正线上部轨道结构地面边线12按扩散角11向外扩散至路基5底面所涵盖的范围，该范围内挤密桩1的长度一致，挤密桩1的长度根据正线中心线9以下范围内桩网结构中混凝土桩2的中性点位置所决定，挤密桩1的加固深度需大于等于混凝土桩2中性点位置处深度；

过渡加固区7的宽度由正线加固区6与非加固区8之间的差异沉降仍能满足路基面横坡排水要求所决定，该范围内的挤密桩1的长度在过渡加固区7内沿横向线性递减过渡。

本发明中高速铁路宽大路基的挤密桩结合桩网结构设计方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、获取高速铁路路基的宽度、路基的高度、正线中心线位置、到发线中心线位置、路基填料和地基土物理力学性质指标，以将路基下方的桩间土划分为加固区和非加固区；

S2、根据路基填料和地基土物理力学性质指标，计算路基的压缩模量比值，以确定正线上部轨道结构地面边线向外的扩散角，结合路基的高度和正线上部轨道结构地面边线间宽度，从而确定加固区内的正线加固区范围；

S3、获取现有桩网结构中混凝土桩的中性点位置深度，以确定正线加固区内的挤密桩加固深度，其中，正线加固区内的挤密桩加固深度大于或等于桩网结构中混凝土桩的中性点位置深度；

S4、结合正线加固区范围数据及正线加固区内挤密桩的长度，计算正线加固区与非加固区之间的差异沉降，若该差异沉降满足预设的横向排水坡坡度要求，执行步骤S5，否则执行步骤S6；

S5、根据正线加固区内的挤密桩加固深度，在正线加固区内混凝土桩的各布桩中心点安装挤密桩，完成挤密桩结合桩网结构的设计；

S6、在加固区内正线加固区的两侧设置过渡加固区，从过渡加固区往非加固区的方向，在过渡加固区内混凝土桩的各布桩中心安装长度依次递减的挤密桩，并在正线加固区内混凝土桩的各布桩中心点安装等长度的挤密桩，完成挤密桩结合桩网结构的设计。

在步骤S2中，根据上部轨道结构及线路位置，无砟轨道情况下正线(单线或多线)轨道板底座或支撑层底面两外端部、有砟轨道情况下正线轨枕底面两外端部向下按扩散角扩散至路基顶面得到正线加固区。在必要或有条件的情况下扩散角的取值通过现场试验确定，若无条件则参照《建筑地基基础设计规范》(JGJ94-2008)中相关规定，根据压缩模量的比值E_S1/E_s2以及高宽比H/B，按表1确定扩散角的取值：

表1扩散角的取值

E<sub>S1</sub>/E<sub>s2</sub>	H/B＝0.25	H/B≥0.5
			1	4°	12°
3	6°	23°
			5	10°	25°
10	20°	30°

注：1、E_S1为路基本体不同填料层压缩模量的加权平均值；E_s2为路基面以下至桩端持力层各土层压缩模量的加权平均值；

2、H为路基高度，B为正线(单线或多线)上部轨道结构底面边线间的宽度；

3、当H/B＜0.25时，扩散角θ取为0°；当0.25＜H/B＜0.5时，扩散角θ内插取值；

4、必要或有条件时，扩散角θ宜根据试验确定。

在步骤S3中，正线加固区内混凝土桩中性点深度l_n的计算参照《建筑地基基础设计规范》(JGJ94-2008)中相关规定，根据持力层土的性质和桩网结构中的混泥土桩长按表2确定：

表2中性点深度的取值

持力层性质	黏性土、粉土	中密以上砂	砾石、卵石	基岩
					中性点深度比l<sub>n</sub>/l<sub>0</sub>	0.5～0.6	0.7～0.8	0.9	1.0

注：1、l_n、l₀分别为自桩网结构中桩顶算起的中性点深度和桩周土层厚度；

2、当桩穿过自重湿陷性黄土层时，除持力层为基岩的情况外，l_n可按表列值增大10％；

3、当桩周土层固结与桩基固结沉降同时完成时，取l_n＝0；

4、当桩周土层计算沉降量小于20mm时，l_n应按表列值乘以0.4～0.8折减。

确定正线加固区范围及其内的挤密桩桩长后，结合正线加固区内钢筋混凝土桩、挤密桩的长度、位置、桩径等参数，用Mindlin-Boussinesq联合求解附加应力，采用e-lgp曲线法计算沉降，分别得到正线加固区与非加固区间的沉降后，进行作差计算得到差异沉降，若该差异沉降过大，导致上部路基面横向排水坡坡度受到不良影响而不满足《铁路路基设计规范》(TB10001-2016)及《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)中横向排水坡坡度要求，则设置过渡加固区并使其满足要求，过渡加固区中的挤密桩桩长由正线加固区向非加固区线性过渡；若路基面横向排水坡坡度仍能满足排水坡坡度要求，则无需设置过渡加固区。

由此本发明将高速铁路宽大路基下方的桩间土按照线路位置不同以及横坡排水要求，分为加固区和非加固区，加固区再分为正线加固区和过渡加固区两部分。

目前，混凝土桩网结构均是根据《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106-2010)、《铁路路基设计规范》(TB10001-2016)及《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)中的一般要求和相关规定进行设计的，在实施例一中，如图3所示，桩网结构中混凝土桩2为矩形(含正方形)布桩形式，挤密桩1位于矩形(含正方形)中心处，在实施例二中，如图4所示，桩网结构中混凝土桩2为正三角形布桩形式，挤密桩1位于正三角形的重心处。

Claims (3)

1.一种高速铁路宽路基挤密桩结合桩网地基结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取高速铁路路基(5)的宽度、路基(5)的高度、正线中心线(9)位置、到发线中心线(10)位置、路基(5)填料和地基土物理力学性质指标，以将路基(5)下方的桩间土划分为加固区和非加固区(8)，加固区以路基(5)的正线中心线(9)为中线，非加固区(8)对称地位于加固区的两侧，非加固区(8)的一侧与加固区相邻接，非加固区(8)的另一侧与路基(5)的边缘侧位于同一垂直线；

S2、根据路基(5)填料和地基土物理力学性质指标，以确定正线上部轨道结构地面边线(12)向外的扩散角(11)，结合路基(5)的高度和正线上部轨道结构地面边线(12)间宽度，从而确定加固区内的正线加固区(6)范围，具体的，正线加固区(6)的范围为正线上部轨道结构地面边线(12)按扩散角(11)向外扩散至路基(5)底面所涵盖的范围；

S3、获取现有桩网结构中混凝土桩(2)的中性点位置深度，以确定正线加固区(6)内的挤密桩(1)加固深度，其中，正线加固区(6)内的挤密桩(1)加固深度大于或等于桩网结构中混凝土桩(2)的中性点位置深度；

S4、结合正线加固区(6)范围数据及正线加固区(6)内挤密桩(1)的长度，计算正线加固区(6)与非加固区(8)之间的差异沉降，若该差异沉降满足预设的横向排水坡坡度要求，执行步骤S5，否则执行步骤S6；

S5、根据正线加固区(6)内的挤密桩(1)加固深度，在正线加固区(6)内混凝土桩(2)的各布桩中心点安装等长度的挤密桩(1)，完成挤密桩(1)结合桩网结构的设计；

S6、在加固区内正线加固区(6)的两侧对称地设置过渡加固区(7)，从过渡加固区(7)往非加固区(8)的方向，在过渡加固区(7)内混凝土桩(2)的各布桩中心安装长度依次递减的挤密桩(1)，并在正线加固区(6)内混凝土桩(2)的各布桩中心点安装等长度的挤密桩(1)，完成挤密桩(1)结合桩网结构的设计；

其中，步骤S2确定正线加固区(6)范围的具体过程为：

S21、计算路基(5)的压缩模量比值E_S1/E_s2，其中，E_S1为路基(5)本体不同填料层压缩模量的加权平均值，E_s2为路基(5)面以下至桩端持力层各土层压缩模量的加权平均值；

S22、计算路基(5)高度H与正线上部轨道结构地面边线(12)间宽度B的比值H/B；

S23、根据E_S1/E_s2和H/B，确定正线上部轨道结构地面边线(12)向外的扩散角(11)，当H/B＜0.25时，扩散角(11)取为0°；

当0.25＜H/B＜0.5时，扩散角θ内插取值，具体为：

当E_S1/E_s2＝1时，若H/B＝0.25，则扩散角(11)取为4°，若H/B≥0.5，则扩散角(11)取为12°；

当E_S1/E_s2＝3时，若H/B＝0.25，则扩散角(11)取为6°，若H/B≥0.5，则扩散角(11)取为23°；

当E_S1/E_s2＝5时，若H/B＝0.25，则扩散角(11)取为10°，若H/B≥0.5，则扩散角(11)取为25°；

当E_S1/E_s2＝10时，若H/B＝0.25，则扩散角(11)取为20°，若H/B≥0.5，则扩散角(11)取为30°；

S24、将两条正线上部轨道结构地面边线(12)按扩散角(11)分别向外扩散，得到两条扩散线，两条扩散线分别与路基(5)顶面产生交点，两个交点之间的区域即为正线加固区(6)范围。

2.根据权利要求1所述的一种高速铁路宽路基挤密桩结合桩网地基结构的设计方法，其特征在于，所述加固区为等腰梯形加固区，所述正线加固区(6)为矩形加固区，所述过渡加固区(7)包括两个直角三角形加固区。

3.根据权利要求1所述的一种高速铁路宽路基挤密桩结合桩网地基结构的设计方法，其特征在于，所述挤密桩(1)位于桩网结构中混凝土桩(2)的布桩中心。

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