CN111395061A - 下穿运营桥梁轻质路基结构、设计与施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了下穿运营桥梁轻质路基结构、设计与施工方法，结构包括双排长桩、短桩、轻质本体、U型轻质槽和排水沟，路基的两端分别设有双排长桩，双排长桩沿线路纵向间隔设置并相对于短桩靠近桥梁基础，短桩设置在长桩内侧的路基底部，轻质本体设置在长桩和短桩的桩顶上，U型轻质槽设置在轻质本体的顶部，U型轻质槽内填筑有土质填料，长桩和短桩上部锚入连接钢筋，长桩与短桩桩顶设有钢筋层，钢筋层呈网状结构，钢筋层与连接钢筋固定连接。轻质土材料密度低、抗压能力强且直立美观，该方法能实现下穿桥梁建造路基的目的，可保证桥梁结构的正常使用功能，确保桥上各种交通工具的安全运营，不仅可为地方经济建设节约用地，还能减少生态环境破坏。

Description

下穿运营桥梁轻质路基结构、设计与施工方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别是下穿运营桥梁轻质路基结构、设计与施工方法。

背景技术

近年来，随着轨道交通迅速发展，新建(构)筑物与既有建(构)筑物难免交叉影响，二者相互关系包括紧邻、上跨、下穿等。在新建(构)筑物附加荷载作用下，既有建(构)筑物可能产生不均匀沉降、倾斜失稳、压溃压裂等病害，甚至引发重大安全事故。

目前，在轨道交通建设过程中，难免需在下穿运营桥梁修建路基工程，新建工程可能对运营桥梁产生工程扰动影响，若新建路基结构荷载过大，极易引发运营桥梁发生不均变形或侧向位移，影响桥梁正常使用功能，特别是对于毫米级变形控制高速铁路桥梁，变形超限将会影响高速列车运营舒适性，甚至可能导致列车脱轨。另一方面，为了达到承载与变形控制要求，路基基底常采用大量的桩基予以加固，此类桩基置换了原状岩土，且大部分桩基重度高于原状岩土重度，即设置桩基在一定程度上也增加了运营桥梁的附加荷载。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的上述问题，提供下穿运营桥梁轻质路基结构、设计与施工方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

下穿运营桥梁轻质路基结构，包括双排长桩、短桩、轻质本体、U型轻质槽和排水沟；

路基的两端分别设有双排长桩，双排长桩沿线路纵向间隔设置并相对于短桩靠近桥梁基础，短桩设置在长桩内侧的路基底部；

轻质本体设置在长桩和短桩的桩顶上，U型轻质槽设置在轻质本体的顶部，U型轻质槽内填筑有土质填料；

长桩和短桩上部锚入连接钢筋，长桩和短桩桩顶设置有一层钢筋层，钢筋层呈网状结构，钢筋层与连接钢筋固定连接。

通过上述结构，轻质土材料密度低、抗压能力强且直立美观，土质填料能消散列车动应力，防止频繁列车荷载作用导致U型轻质槽出现裂化，双排长桩不仅能够隔离桥墩与短桩，还能防止因长桩尺寸过大导致的置换率高和工程不合理，长桩与短桩结合的加固方法能够实现下穿桥梁建造路基的目的，长桩和短桩与连接钢筋锚固能够提高结构的整体性，让上部结构荷载顺利传递至下部的复合轻质桩，避免上部结构产生偏心力，路基工程在运营桥梁的附加荷载小，可保证桥梁结构的正常使用功能，还能确保桥上各种交通工具的安全运营。长桩和短桩有等载置换作用，降低桩基下方的附加应力，避免路基结构对运营桥梁产生附加应力，从而导致运营桥梁发生竖向或侧向位移；双排长桩还可起到隔离作用，避免结构荷载、施工设备及施工扰动等对运营桥梁造成不利影响。从用地角度而言，该结构大幅节省了建设用地，特别是直接削减了传统路基结构的边坡用地，不仅可为地方经济建设节约用地，还能减少生态环境破坏，满足了节能低碳的设计理念，社会、经济、环境效益显著。

作为本发明的优选方案，长桩与短桩的桩径和桩间距相同，长桩和短桩均采用复合轻质桩，复合轻质桩包括成桩轻质体和复合加筋笼，复合加筋笼埋设在成桩轻质体内。通过上述结构，复合加筋笼具有环箍效应，复合加筋笼与轻质土结合构成了轻型化的路基结构，能够减小运营桥梁的附加荷载。

作为本发明的优选方案，复合加筋笼包括沿周向间隔设置的竖向土工格栅和沿竖向间隔设置的环形土工格栅，竖向土工格栅与环形土工格栅交汇连接为一体，相邻两条竖向土工格栅与相邻两条环形土工格栅之间形成四边形网孔，复合加筋笼与地基钻孔孔壁之间设有保护层。通过上述结构，土工格栅具有加筋作用，长桩和短桩充分利用了土工格栅的抗拉能力，在桩顶荷载作用下环形土工格栅起到箍筋作用，保证桩体能够提供足够的抗压能力，避免溃桩或断桩发生。

作为本发明的优选方案，排水沟设置在轻质本体的两侧地基上。通过上述结构，用于排出地基表面的水。

作为本发明的优选方案，轻质本体包括普通轻质土，U型轻质槽包括高强轻质土，轻质本体和U型轻质槽两侧边坡坡率一致，且边坡坡率不小于0.2，轻质本体沿路基高度方向间隔拉通设有横向土工格栅。

作为本发明的优选方案，土质填料厚度不小于路基基床表层厚度。

下穿运营桥梁轻质路基结构的设计方法，包括以下步骤：

S1：确定下穿运营桥梁地基岩土重度，轻质土重度，土质填料重度；

S2：设定桩径、桩间距、短桩桩长、长桩桩长和轻质本体置入地基深度；

S3：确定轻质本体、U型轻质槽、土质填料和上部轨道结构的重量；

S4：确定路基横向复合轻质桩数量；

S5：确定安全系数；

S6：判断步骤S5得到的安全系数是否处于安全系数的预设范围之内，若不是，则调整步骤S2的参数，再重复步骤S3到步骤S5，直到安全系数处于预设范围之内。

上述设计方法具有结构新颖、安全可靠、节约投资、施工简单等特点，设计流程与施工方法明确，而且该结构还能大幅节省建设用地，减少生态环境破坏，满足高速铁路节能低碳的设计理念。

作为本发明的优选方案，轻质本体、U型轻质槽、土质填料及上部轨道结构的重量确定公式为：

W_z＝(B+mh)shγ_n1+(B-2b)(γ_n2-γ_n1)h_n2s+

(B+2mh)(γ_n1-γ)Δhs+2sb₁q₁+(s₁-b₁)sq₀

式中W_z为轻质本体、U型轻质槽、土质填料及上部轨道结构的重量；B为轻质路基顶面宽度；m为轻质路基边坡坡率；h为轻质路基高度；b为U型轻质槽的悬臂厚度；h_n2为土质填料填筑厚度；b₁为轨道分布宽度；q₁为轨道自重；s₁为线间距；q₀为线间荷载，γ_n2为土质填料的重度；γ_n1为轻质土重度；s为桩间距；γ为下穿运营桥梁地基岩土重度；Δh为轻质本体置入地基深度；

其中，下穿运营桥梁地基岩土重度γ、轻质土重度γ_n1、土质填料的重度γ_n2通过室内土工试验确定，边坡率m为三角形边坡长度与高度的比值；

路基横向复合轻质桩数量n确定公式为：

安全系数K的确定公式为：

式中d为长桩的桩径；L为长桩桩长,l为短桩的桩长，若1.05≤K≤1.15，则处于预设范围之内。

作为本发明的优选方案，步骤S3中，轻质本体采用的普通轻质土与U型轻质槽采用的高强轻质土的重度值相同。

下穿运营桥梁轻质路基结构的施工方法，包括以下步骤：

A1：挖除轻质本体基底地基土，施工地基钻孔，并清除孔底残渣；

A2：将复合加筋笼送入钻孔；

A3：将轻质土注入钻孔直至轻质土灌满钻孔，在桩顶预埋连接钢筋；

A4：在长桩和短桩桩顶铺设一层钢筋层，再将连接钢筋与钢筋层固定；

A5：分层浇筑普通轻质土和高强轻质土，同时分层铺设横向土工格栅直至土质填料底面；

A6：浇筑U型轻质槽两端悬臂，待悬臂凝固后分层填筑土质填料至路基顶面。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

轻质土材料密度低、抗压能力强且直立美观，土质填料能消散列车动应力，防止频繁列车荷载作用导致U型轻质槽出现裂化，双排长桩不仅能够隔离桥墩与短桩，还能防止因长桩尺寸过大导致的置换率高和工程不合理，长桩与短桩结合的加固方法能够实现下穿桥梁建造路基的目的，长桩和短桩与连接钢筋锚固能够提高结构的整体性，让上部结构荷载顺利传递至下部的复合轻质桩，避免上部结构产生偏心力，路基工程在运营桥梁的附加荷载小，可保证桥梁结构的正常使用功能，还能确保桥上各种交通工具的安全运营。长桩和短桩有等载置换作用，降低桩基下方的附加应力，避免路基结构对运营桥梁产生附加应力，从而导致运营桥梁发生竖向或侧向位移；双排长桩还可起到隔离作用，避免结构荷载、施工设备及施工扰动等对运营桥梁造成不利影响。从用地角度而言，该结构大幅节省了建设用地，特别是直接削减了传统路基结构的边坡用地，不仅可为地方经济建设节约用地，还能减少生态环境破坏，满足了节能低碳的设计理念，社会、经济、环境效益显著。

附图说明

图1是本发明下穿运营桥梁轻质路基结构的横断面示意图。

图2是本发明复合轻质桩构造的立体图。

图3是本发明复合轻质桩构造中复合加筋笼与泵送管出口连接方式示意图。

图4是轻质本体土工格栅设置示意图。

图5是U型轻质槽土工格栅设置示意图。

图6是轻质路基结构尺寸标记示意图。

图标：11-长桩；12-短桩；2-轻质本体；21-连接钢筋；22-钢筋层；23-横向土工格栅；3-U型轻质槽；4-土质填料；5-排水沟；D-地基；6-桥梁；61-桥梁基础；62-桥墩；63-梁体；7-复合加筋笼；71-竖向土工格栅；72-环形土工格栅；8-成桩轻质体；81-保护层；9-泵送管；10-环形锁扣。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参考图1，本发明下穿运营桥梁轻质路基结构，双排长桩11，沿线路纵向间隔设置在路基横向的两端并紧邻桥梁6基础61；短桩12，设置在长桩11内侧的路基底部；轻质本体2，设置在长桩11和短桩12桩顶上；U型轻质槽3，设置在轻质本体2顶部；土质填料4，填筑在U型轻质槽3内；排水沟5，设置在轻质本体2两侧。

在上述方案中：

参考图1、2、3，长桩11和短桩12均采用由成桩轻质体8和埋设于其内的复合加筋笼7组成的复合轻质桩，复合加筋笼7由周向间隔设置的竖向土工格栅71和竖向间隔设置的环形土工格栅72构成，竖向土工格栅71与环形土工格栅72交汇连接为一体，相邻两条竖向土工格栅71与相邻两条环形土工格栅72之间形成四边形网孔；成桩轻质体8由从复合加筋笼7中向地基D钻孔内灌注轻质土形成，在复合加筋笼7外壁与地基D钻孔孔壁之间形成保护层81；长桩11和短桩12的桩径和桩间距相同，均按正方形布置。长桩11和短桩12充分利用了土工格栅的抗拉能力，在桩顶荷载作用下环形土工格栅72起到箍筋作用，保证桩体能够提供足够的抗压能力，避免溃桩或断桩发生。另一方面，长桩11和短桩12还起到等载置换作用，降低桩基下方的附加应力，避免路基结构对运营桥梁6产生附加应力，从而导致运营桥梁6发生竖向或侧向位移；双排长桩11还可起到隔离作用，避免结构荷载、施工设备及施工扰动等对运营桥梁6造成不利影响。

参照图1，长桩11和短桩12上部锚入连接钢筋21，桩顶设置一层钢筋层22，钢筋层呈网状结构，并与连接钢筋21固接。连接钢筋21的作用在于提高结构的整体性，让上部结构荷载顺利传递至下部的复合轻质桩，避免上部结构产生偏心力用。

参照图1、4、5，轻质本体2采用普通轻质土浇筑，轻质本体2底部置入地基D深度不小于0.5m；U型轻质槽3采用高强轻质土浇筑，U型轻质槽3底板厚度不小于1.5m；沿路基高度方向，每隔不少于0.6m拉通设置1道横向土工格栅23。横向土工格栅23的作用在于确保路基结构的整体性，提高轻质本体2和U型轻质槽3的抗剪能力。

参照图1、6，轻质本体2和U型轻质槽3两侧边坡坡率m一致，且m不小于0.2；边坡坡率m为三角形边坡长度与高度的比值。

U型轻质槽3内土质填料4厚度不小于路基基床表层厚度。U型轻质槽3内填筑土质填料4的作用在于消散列车动应力，防止频繁列车荷载作用导致U型轻质槽3出现裂化。

本发明所要解决的另一技术问题是提供上述下穿运营桥梁轻质路基结构的设计方法，该方法包括如下步骤：

S1：通过室内土工试验确定下穿运营桥梁6地基D岩土重度γ，单位kN/m³；轻质土重度γ_n1，单位kN/m³；土质填料4重度γ_n2，单位kN/m³；

S2：初步确定桩径d，单位m；桩间距s，单位m；短桩12桩长l，单位m；长桩11桩长L，单位m；轻质本体2置入地基D深度Δh，单位m；

S3：通过以下公式确定轻质本体2和U型轻质槽3、土质填料4及上部轨道结构的重量W_z：

W_z＝(B+mh)shγ_n1+(B-2b)(γ_n2-γ_n1)h_n2s+

(B+2mh)(γ_n1-γ)Δhs+2sb₁q₁+(s₁-b₁)sq₀

式中W_z为轻质本体2和U型轻质槽3、土质填料4及上部轨道结构的重量，单位kN；B为轻质路基顶面宽度，单位m；m为轻质路基边坡坡率；h为轻质路基高度，单位m；b为U型轻质槽3的悬臂厚度，单位m；h_n2为土质填料4填筑厚度，单位m；b₁为轨道分布宽度，单位m；q₁为轨道自重，单位kN/m²；s₁为线间距，单位m；q₀为线间荷载，单位kN/m²；

S4：通过以下公式确定路基横向复合轻质桩数量n：

S5：通过以下公式确定安全系数K：

S6判断步骤S5得到的安全系数K是否满足1.05≤K≤1.15的要求，若K<1.05或K>1.15，则调整步骤S2参数d、l、L、s、Δh，再重复步骤S3至S5工作，直至K满足要求。

步骤S3中，设计采用的普通轻质土和高强轻质土重度值相同。

本发明所要解决的又一技术问题是提供上述下穿运营桥梁轻质路基结构的施工方法，该方法包括如下步骤：

A1：将土工格栅加工成复合加筋笼7并运送至施工现场；

A2：挖除轻质本体2基底地基土，施工地基D钻孔，并清除孔底残渣；

A3：将复合加筋笼7上端套入泵送管9出口端外壁，并用环形锁扣10加以锁定，将复合加筋笼7送入钻孔中；

A4：通过泵送管9将轻质土缓慢注入钻孔中直至轻质土灌满钻孔，然后松解环形锁扣10，抽出泵送管9，在桩顶预埋入连接钢筋21；

A5：在长桩11和短桩12桩顶铺设1层钢筋层22，再将连接钢筋21与钢筋层22固定；

A6：分层浇筑普通轻质土和高强轻质土，同时分层铺设横向土工格栅23直至土质填料4底面；

A7：浇筑U型轻质槽3两端悬臂，待悬臂凝固后分层填筑土质填料4至路基顶面。

实施例2

如图1-6所示，本实施例具体展示施工中用于路基结构的设计方法，具体设计过程：某高速铁路设计时速300km/h(无砟轨道)，线间距4.8m，为满足引入大型枢纽的设计要求，需在下穿运营桥梁6修建路基工程(高度h＝3.5m、宽度B＝14.6m)，段内地层为粉质黏土。设计拟采用本发明的下穿运营桥梁6轻质路基结构，在设计过程中，轻质路基边坡坡率m取0.2，土质填料4厚度h_n2取0.5m，U型轻质槽3(底板厚度取1.5m)两端悬臂厚b取1.0m，路基顶面铺设8R9SⅠ型板式无砟轨道。按本发明设计方法开展设计，具体如下：

S1：通过室内土工试验确定路基基底粉质黏土重度γ＝19kN/m³，轻质土重度γ_n1＝5kN/m³，土质填料4重度γ_n2＝21kN/m³；

S2：初步设定桩径d＝0.5m，桩间距s＝1.2m，短桩12桩长l＝7.0m；长桩11桩长L＝11.0m；轻质本体2置入地基D深度Δh＝1.0m；

S3：确定轻质本体2和U型轻质槽3、土质填料4及上部轨道结构的重量W_z＝292.7kN

S4：确定路基横向复合轻质桩数量n＝14

S5：确定承载安全系数K＝1.0707

S6：经判断，1.05≤K＝1.0707≤1.15，则安全系数K满足要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.下穿运营桥梁轻质路基结构，其特征在于，包括双排长桩(11)、短桩(12)、轻质本体(2)、U型轻质槽(3)和排水沟(5)；

路基的两端分别设有所述双排长桩(11)，所述双排长桩(11)沿线路纵向间隔设置并相对于所述短桩(12)靠近桥梁基础(61)，所述短桩(12)设置在所述长桩(11)内侧的所述路基底部；

所述轻质本体(2)设置在所述长桩(11)和所述短桩(12)的桩顶上，所述U型轻质槽(3)设置在所述轻质本体(2)的顶部，所述U型轻质槽(3)内填筑有土质填料(4)；

所述长桩(11)和所述短桩(12)上部锚入连接钢筋(21)，所述长桩(11)和所述短桩(12)桩顶设置有钢筋层(22)，所述钢筋层(22)呈网状结构，所述钢筋层(22)与所述连接钢筋(21)固定连接。

2.根据权利要求1所述的下穿运营桥梁轻质路基结构，其特征在于，所述长桩(11)与所述短桩(12)的桩径和桩间距相同，所述长桩(11)和所述短桩(12)均采用复合轻质桩，所述复合轻质桩包括成桩轻质体(8)和复合加筋笼(7)，所述复合加筋笼(7)埋设在所述成桩轻质体(8)内。

3.根据权利要求2所述的下穿运营桥梁轻质路基结构，其特征在于，所述复合加筋笼(7)包括沿周向间隔设置的竖向土工格栅(71)和沿竖向间隔设置的环形土工格栅(72)，所述竖向土工格栅(71)与所述环形土工格栅(72)交汇连接为一体，相邻两条所述竖向土工格栅(71)与相邻两条所述环形土工格栅(72)之间形成四边形网孔，所述复合加筋笼(7)与地基钻孔孔壁之间设有保护层(81)。

4.根据权利要求1所述的下穿运营桥梁轻质路基结构，其特征在于，所述排水沟(5)设置在所述轻质本体(2)的两侧的地基上。

5.根据权利要求1所述的下穿运营桥梁轻质路基结构，其特征在于，所述轻质本体(2)包括普通轻质土，所述U型轻质槽(3)包括高强轻质土，所述轻质本体(2)和所述U型轻质槽(3)两侧边坡坡率一致，且所述边坡坡率不小于0.2，所述轻质本体(2)沿路基高度方向间隔拉通设有横向土工格栅(23)。

6.根据权利要求1所述的下穿运营桥梁轻质路基结构，其特征在于，所述土质填料(4)厚度不小于路基基床表层厚度。

7.下穿运营桥梁轻质路基结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定下穿运营桥梁(6)地基(D)岩土重度，轻质土重度，土质填料(4)重度；

S2：设定桩径、桩间距、短桩(12)桩长、长桩(11)桩长和轻质本体(2)置入地基(D)深度；

S3：确定轻质本体(2)、U型轻质槽(3)、土质填料(4)和上部轨道结构的重量；

S4：确定路基横向复合轻质桩数量；

S5：确定安全系数；

S6：判断步骤S5得到的安全系数是否处于安全系数的预设范围之内，若不是，则调整步骤S2的参数，再重复步骤S3到步骤S5，直到安全系数处于预设范围之内。

8.根据权利要求7所述的下穿运营桥梁轻质路基结构的设计方法，其特征在于，

所述轻质本体(2)、U型轻质槽(3)、土质填料(4)及上部轨道结构的重量确定公式为：

W_z＝(B+mh)shγ_n1+(B-2b)(γ_n2-γ_n1)h_n2s+(B+2mh)(γ_n1-γ)Δhs+2sb₁q₁+(s₁-b₁)sq₀

式中W_z为所述轻质本体(2)、所述U型轻质槽(3)、所述土质填料(4)及所述上部轨道结构的重量；B为轻质路基顶面宽度；m为轻质路基边坡坡率；h为轻质路基高度；b为所述U型轻质槽(3)的悬臂厚度；h_n2为所述土质填料(4)填筑厚度；b₁为轨道分布宽度；q₁为轨道自重；s₁为线间距；q₀为线间荷载，γ_n2为所述土质填料(4)的重度；γ_n1为所述轻质土重度；s为所述桩间距；γ为所述下穿运营桥梁(6)地基(D)岩土重度；Δh为所述轻质本体(2)置入所述地基(D)深度；

其中，所述下穿运营桥梁(6)地基(D)岩土重度γ、所述轻质土重度γ_n1、所述土质填料(4)的重度γ_n2通过室内土工试验确定，所述边坡率m为三角形边坡长度与高度的比值；

所述路基横向复合轻质桩数量n确定公式为：

所述安全系数K的确定公式为：

式中d为所述长桩(1)的桩径；L为所述长桩(1)桩长，l为所述短桩(2)的桩长，若1.05≤K≤1.15，则处于预设范围之内。

9.根据权利要求7所述的下穿运营桥梁轻质路基结构的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述轻质本体(2)采用的普通轻质土与所述U型轻质槽(3)采用的高强轻质土的重度值相同。

10.下穿运营桥梁轻质路基结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1：挖除轻质本体(2)基底地基土，施工地基(D)钻孔，并清除孔底残渣；

A2：将复合加筋笼(7)送入钻孔；

A3：将轻质土注入钻孔直至轻质土灌满钻孔，在桩顶预埋连接钢筋(21)；

A4：在长桩(11)和短桩(12)桩顶铺设一层钢筋层(22)，再将连接钢筋(21)与钢筋层(22)固定；

A5：分层浇筑普通轻质土和高强轻质土，同时分层铺设横向土工格栅(23)直至土质填料(4)底面；

A6：浇筑U型轻质槽(3)两端悬臂，待悬臂凝固后分层填筑土质填料(4)至路基顶面。

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