CN111062068A - 紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构帮宽计算方法 - Google Patents

Abstract

紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构帮宽计算方法，以合理确定桩基托盘结构控制断面的内力及桩长，为既有无砟轨道路基帮宽设计提供依据，能够适应工程实际需要，保证高速铁路长期运营的安全性，同时也可规避不必要的工程投资。该方法包括以下步骤：①托盘内轻质材料顶面作用力计算；②托盘结构最大控制弯矩及剪力计算；③两侧桩顶竖向力N₁、N₂及水平力Q₁、Q₂计算；④根据N₁、N₂大小，即可确定满足桩基承载力要求下所需的桩长。

Description

紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构帮宽计算方法

技术领域

本发明涉及无砟轨道铁路路基，特别涉及紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构帮计算方法。

技术背景

随着高速铁路的快速发展，在既有高铁路基上接轨或帮填的情况越来越普遍，为减小帮宽部分填料及列车荷载对既有无砟轨道产生附加水平位移和竖向沉降，常采用路基桩基托盘结构解决上述问题，托盘内填筑轻质材料，托盘顶部填料受列车动应力影响剧烈，一般采用级配碎石填筑，但目前尚未有一种成熟的理论方法计算该种路基托盘结构。

因此，针对紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构帮宽措施，有必要提出该种帮宽结构的理论计算方法，为无砟轨道路基桩基托盘结构帮宽设计提供可靠的理论支撑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构帮宽计算方法，以合理确定桩基托盘结构控制断面的内力及桩长，为既有无砟轨道路基帮宽设计提供依据，能够适应工程实际需要，保证高速铁路长期运营的安全性，同时也可规避不必要的工程投资。

本发明解决上述技术问题所采用的的技术方案如下：

本发明紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构帮宽计算方法，包括以下步骤：

①托盘内轻质材料顶面作用力计算

由于新建部分是采用帮填形成的，将级配碎石层单独进行受力分析，其作用面上的竖向力F₂及水平力f分别为：

f＝μF₂

式中：G₁为级配碎石的重力；q为列车等效荷载，B为列车荷载分布宽度；μ为级配碎石与轻质材料接触面上的摩擦系数，β为既有路基对级配碎石的作用力F₁与竖直方向的夹角；

②托盘结构最大控制弯矩及剪力计算

托盘最大控制弯矩及剪力发生在托盘悬臂段根部，通过确定控制弯矩及剪力，确定托盘根据截面高度，将托盘结构和轻质材料单独进行受力分析，最大控制弯矩M及剪力F为：

式中：α为托盘内轻质材料对托盘的作用力F₃与竖直方向的夹角，α＝arctan[μF₂/(F₂+G₃)]；b为托盘结构悬臂段的水平宽度，h为托盘结构悬臂段的竖直高度；G₃为轻质材料的重力；

③两侧桩顶竖向力N₁、N₂及水平力Q₁、Q₂计算：

托盘结构与墙背土作用力为0，构成桩基的双排桩平均分担托盘结构的水平侧向力：

式中：Q₁、Q₂分别为靠内侧、靠外侧桩顶剪力；N₁、N₂分别为靠内侧、靠外侧桩顶竖向力；G₂为轻质材料及托盘结构的重力和，e₂为G₂距托盘结构悬臂与底板交点O的水平距离；L为两桩横向间距，L₁为托盘结构顶面宽度，e₁为N₁距托盘结构悬臂与底板交点O点的水平距离；

④根据N₁、N₂大小，即可确定满足桩基承载力要求下所需的桩长。

本发明的有益效果是，分别将上部级配碎石、托盘及轻质材料分别进行力学平衡分析，合理假定托盘承担全部上部荷载，不考虑托盘墙背与土体的相互作用，得到了托盘结构的控制弯矩及剪力、桩基竖向力，通过确定这两个关键参数，即可得到托盘截面尺寸、下部桩长。将上述方法用于计算紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构，可合理确定结构尺寸，保证高速铁路长期运营的安全性同时也可规避不必要的工程投资。

附图说明

本说明书包括如下四幅附图：

图1紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构的横断面图，图中标记：托盘结构1、上部级配碎石2、轻质材料3、桩基4、既有路基A、轨道结构B；

图2为托盘结构内轻质材料顶面作用力计算图示，图中标记：G₁为级配碎石的重力；q为列车等效荷载，B为列车荷载分布宽度，托盘内轻质材料顶面竖向力F2及水平力f，级配碎石与既有路基的作用力F₁；

图3为托盘结构最大控制弯矩及剪力计算图示，图中标记：α为托盘内轻质材料对托盘的作用力F₃与竖直方向的夹角，α＝arctan[μF₂/(F₂+G₃)]；b为托盘悬臂段的水平宽度，h为托盘悬臂段的竖直高度；G₃为轻质材料的重力；

图4为桩顶竖向力及水平力计算图示，图中标记：Q₁、Q₂分别为靠内侧、靠外侧桩顶剪力；N₁、N₂分别为靠内侧、靠外侧桩顶竖向力；G₂为轻质材料及托盘的重力和，e₂为G₂距托盘结构悬臂与底板交点O的水平距离；L为两桩横向间距，L₁为托盘顶面宽度(含轻质材料宽度)，e₁为N₁距托盘悬臂与底板交点O的水平距离。

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。

参照图1，随着高速铁路的快速发展，在既有路基A帮填的情况越来越普遍。为减小帮宽部分填料及列车荷载对轨道结构B产生附加水平位移和竖向沉降，在既有路基A一侧设置托盘结构1，其下地基内纵向、横向间隔设置成排的桩基4。托盘结构内由下而上依次填筑轻质材料3、级配碎石2。目前尚未有一种成熟的理论方法设计计算这种路基托盘结构。

参照图1至图4，本发明紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构帮宽计算方法，包括以下步骤：

①托盘内轻质材料顶面作用力计算

由于新建部分是采用帮填形成的，将级配碎石层单独进行受力分析，其作用面上的竖向力F₂及水平力f分别为：

f＝μF₂

式中：G₁为级配碎石的重力；q为列车等效荷载，B为列车荷载分布宽度；μ为级配碎石与轻质材料接触面上的摩擦系数，β为既有路基对级配碎石的作用力F₁与竖直方向的夹角；

②托盘结构最大控制弯矩及剪力计算

托盘最大控制弯矩及剪力发生在托盘悬臂段根部，通过确定控制弯矩及剪力，确定托盘根据截面高度，将托盘结构和轻质材料单独进行受力分析，最大控制弯矩M及剪力F为：

式中：α为托盘内轻质材料对托盘的作用力F₃与竖直方向的夹角，α＝arctan[μF₂/(F₂+G₃)]；b为托盘结构悬臂段的水平宽度，h为托盘结构悬臂段的竖直高度；G₃为轻质材料的重力；

③两侧桩顶竖向力N₁、N₂及水平力Q₁、Q₂计算：

托盘结构与墙背土作用力为0，构成桩基的双排桩平均分担托盘结构的水平侧向力：

式中：Q₁、Q₂分别为靠内侧、靠外侧桩顶剪力；N₁、N₂分别为靠内侧、靠外侧桩顶竖向力；G₂为轻质材料及托盘结构的重力和，e₂为G₂距托盘结构悬臂与底板交点O的水平距离；L为两桩横向间距，L₁为托盘结构顶面宽度，e₁为N₁距托盘结构悬臂与底板交点O点的水平距离；

④根据N₁、N₂大小，即可确定满足桩基承载力要求下所需的桩长。

所述步骤①中，摩擦系数μ为0.3，为级配碎石与既有路基土体之间的摩擦系数。

所述步骤①中，既有路基对级配碎石的作用力F₁与竖直方向的夹角β＝45°-φ/2，φ为既有路基土体综合内摩擦角，当既有路基土体采用粗颗粒及细颗粒填料时，φ为35°。

所述步骤④中，根据桩基所入土层的桩周极限摩阻力、承载力确定桩长及桩径。

实施例：

参照图1、3、4，鲁南高铁某车站左侧为既有高铁，右侧为新帮填路基，托盘结构悬臂段的水平宽度b＝4.4m，托盘结构悬臂段的竖直高度h＝2.9m，帮填总高度为3.9m，桩间距L＝3m，列车等效荷载q＝54kPa，列车荷载分布宽度B＝3.1m，级配碎石重度γ＝21kN/m³，轻质材料重度γ＝8.5kN/m³，钢筋混凝土重度γ＝25kN/m³。根据本发明所提供的方法，进行上述紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构的受力检算，包括以下步骤：

1.托盘结构内轻质材料顶面作用力计算

作用面上的竖向力F2及水平力f分别为：

f＝μF₂

代入公式计算得到：

f＝0.3×176＝53kN/m

2.托盘结构最大控制弯矩M及剪力F计算：

代入公式计算得到：α＝arctan[53/(176+10×8.5)]＝11.3°

3.两侧桩顶竖向力N₁、N₂及水平力Q₁、Q₂计算：

代入公式得到：

N₂＝255+176-296＝135kN/m

假设当纵向桩间距为4m时，桩顶水平剪力Q₁＝Q₂＝104kN，N₁＝1184kN，N₂＝540kN，根据桩顶水平剪力、竖向轴力及地质条件，即可得到所需桩长。

为验证模型理论计算的准确性，现将该结构的理论计算结果与数值模型计算结果进行对比，如下表所示：

综上可见，数值模拟计算结果与理论计算大小差值在10％以内，方法具有可靠性，可用于工程实际分析。

以上所述只是采用图解说明本发明紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构帮宽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 (4)

1.紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构帮宽计算方法，包括以下步骤：

①托盘内轻质材料顶面作用力计算

由于新建部分是采用帮填形成的，将级配碎石层单独进行受力分析，其作用面上的竖向力F₂及水平力f分别为：

f＝μF₂

式中：G₁为级配碎石的重力；q为列车等效荷载，B为列车荷载分布宽度；μ为级配碎石与轻质材料接触面上的摩擦系数，β为既有路基对级配碎石的作用力F₁与竖直方向的夹角；

②托盘最大控制弯矩及剪力计算

托盘最大控制弯矩及剪力发生在托盘悬臂段根部，通过确定控制弯矩及剪力，确定托盘根据截面高度，将托盘结构和轻质材料单独进行受力分析，最大控制弯矩M及剪力F为：

式中：α为托盘内轻质材料对托盘的作用力F₃与竖直方向的夹角，α＝arctan[μF₂/(F₂+G₃)]；b为托盘结构悬臂段的水平宽度，h为托盘结构悬臂段的竖直高度；G₃为轻质材料的重力；

③两侧桩顶竖向力N₁、N₂及水平力Q₁、Q₂计算：

托盘结构与墙背土作用力为0，构成桩基的双排桩平均分担托盘结构的水平侧向力：

式中：Q₁、Q₂分别为靠内侧、靠外侧桩顶剪力；N₁、N₂分别为靠内侧、靠外侧桩顶竖向力；G₂为轻质材料及托盘结构的重力和，e₂为G₂距托盘结构悬臂与底板交点O的水平距离；L为两桩横向间距，L₁为托盘结构顶面宽度，e₁为N₁距托盘结构悬臂与底板交点O的水平距离；

④根据N₁、N₂大小，即可确定满足桩基承载力要求下所需的桩长。

2.如权利要求书1所述紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构帮宽；计算方法，其特征是：所述步骤①中，摩擦系数μ为0.3，为级配碎石与既有路基土体之间的摩擦系数。

3.如权利要求书1所述紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构帮宽计算方法，其特征是：所述步骤①中，既有路基对级配碎石的作用力F₁与竖直方向的夹角β＝45°-φ/2，φ为既有路基土体综合内摩擦角，当既有路基土体采用粗颗粒及细颗粒填料时，φ为35°。

4.如权利要求书1所述紧邻既有无砟轨道路基桩基托盘结构帮宽计算方法，其特征是：所述步骤④中，根据桩基所入土层的桩周极限摩阻力、承载力确定桩长及桩径。

Images