CN111395063B - 一种轻质土路基结构、路基系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种轻质土路基结构、路基系统及设计方法,其中,轻质土路基结构包括：U型槽体，为轻质土制成的结构件；土质填料层，土质填料层填筑在U型槽体内；支撑板，设置于U型槽体底部；支撑梁，设置于支撑板底部；加固桩组件，连接于支撑梁底部，加固桩组件包括若干根加固桩。本发明的一种轻质土路基结构，结合U型槽体具有的轻质土材料及直立特征，以减少了加固桩组件上部载荷，大部分在加固桩侧壁的隆起作用力可通过桩体锚固作用回传递至下部地基，不仅能有效控制路基隆起变形，还能有效承受结构整体荷载并控制沉降变形；而且大幅节省了建设用地，减少了生态环境破坏。

Description

一种轻质土路基结构、路基系统及设计方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种轻质土路基结构、路基系统及设计方法。

背景技术

在高速铁路路基(特别是低路堤或路堑基床)与隧道工程领域，岩土地基的隆起变形是时下新兴的岩土热点问题，如冻土的冻胀、膨胀岩(土)膨胀、红层软质岩上拱、盐渍土(岩)盐胀以及其他因素造成地基上拱均是铁路建设者面临的新型难题，这与高速无砟铁路变形控制要求极其严格有关。地基隆起变形超限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，影响列车运行的平稳舒适性，甚至可能危及高速行车安全。

目前高速铁路通过隆起性岩土地段采取的工程处置措施包括挖除换填、桩板结构与群桩地基，有效解决了地基承载力和沉降控制问题，但在隆起变形控制方面：

挖除换填极易显著增大土石方开挖量，大量的取土、弃土将严重破坏生态环境；

桩板结构与地基采用面接触，隆起作用力难以根据外部环境及时释放，对结构产生了极大的向上作用力，若采用桩板结构强行控制隆起变形，将明显增长桩基、加厚承载板，从而导致工程投资急剧增大；

群桩地基在抗隆起方面取得较显著的效果，但桩间土地基剩余隆起量如何准确确定及其影响效果目前尚不明确，设计不确定因素较多。

而现有轻质土来浇筑成型结构件，其抗弯抗剪能力差，无法直接作为减轻上部载荷的手段来运用。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的:用于抗隆起变形的挖除换填严重破坏生态环境；桩板结构工程投资高；需要的桩结构承载要求高，群桩地基桩间土隆起难以彻底消除，轻质土无法直接作为减轻上部载荷的手段来运用的问题，提供一种轻质土路基结构、路基系统及设计方法，不仅能有效控制路基隆起变形，还能有效承受结构整体荷载并控制沉降变形；节省了建设用地，减少生态环境破坏。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种轻质土路基结构，包括：

顶部敞口设置的U型槽体，为轻质土浇筑制成的结构件；

土质填料层，由土质材料填充而成，所述土质填料层填筑在所述U型槽体内；

支撑板，设置于所述U型槽体底部，用于支撑所述U型槽体；

支撑梁，沿线路方向间隔设置若干个，所述支撑梁设置于所述支撑板底部，用于支撑所述支撑板，相邻所述支撑梁之间的所述支撑板与地基之间具有空隙；

加固桩组件，连接于所述支撑梁底部，所述加固桩组件包括若干根加固桩，所有所述加固桩沿所述支撑梁长度方向间隔布置。

本发明所述的一种轻质土路基结构，顶部敞口设置的U型槽体用于放置土质填料层，以作为上部轨道结构的基础，而U型槽体由轻质土填充而成，而由于成型的轻质土抗弯抗剪能力差，而两支撑梁之间为脱空状态，故采用具有抗弯刚度的支撑板用于支撑所述U型槽体，以达到U型槽体能够使用轻质土作为原料制成的目的，从而大大减少了加固桩组件的上部载荷，避免因加固桩组件上部载荷过大，导致显著增大加固桩桩长的情况发生；而土质填料层填筑土质填料，用于消散列车动应力，防止频繁列车荷载作用导致下部用于制作U型槽体的轻质土出现裂化。

设置于所述支撑板底部的支撑梁，用于支撑所述支撑板在施工时，将支撑梁设置于地基表面上，其用于将U型槽体荷载和支撑板自重传递至地基及加固桩，并且将作用于支撑梁底部的隆起作用力传递至加固桩，同时使所述支撑梁之间的U型槽体与地基面处于悬空状态，避免了地基隆起作用力直接作用在支撑板，从而避免了使用支撑板强行控制地基的隆起变形。其相比较现有的桩板结构：整个结构变形容易控制，而且工程投资小；

所述加固桩组件包括若干根加固桩，所有所述加固桩沿所述支撑梁长度方向间隔布置，其能够承受U型槽体通过支撑梁传递下来的竖向荷载，控制路基结构沉降；同时加固桩置换了部分隆起性岩土地基，即加固桩发挥了置换作用；而且作用在加固桩侧壁的隆起作用力可通过桩体锚固作用传递至下部地基，即加固桩发挥了锚固作用。

同时，上述方案相比较挖除换填方式和群桩地基方式来说，不需要大量的取土、弃土作业，同时直接削减了传统路基结构的边坡用地，不仅节约用地，而且减少了生态环境破坏。

而且在上述方案中，加固桩组件上部结构的自重能够抵消一部分地基隆起作用力，且结构简单,受力明确。

综上所述：本发明所述的一种轻质土路基结构，结合U型槽体具有的轻质土材料及直立特征，以减少了所述加固桩组件上部载荷，同时利用多个加固桩布置，使得大部分在加固桩侧壁的隆起作用力可通过桩体锚固作用回传递至下部地基，使其不仅能有效控制路基隆起变形，还能有效承受结构整体荷载并控制沉降变形；而且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，不仅节约用地，而且减少了生态环境破坏。

上述方案中，U型槽体具有的直立特征为，U型槽体收坡效果好，与传统土质路基，U型槽体采用轻质土可有效收坡。

优选地，所述支撑板为至少两个，所有所述支撑板沿所述U型槽体长度方向布置。

优选地，所述U型槽体上沿高度方向上间隔设置有土工格栅，至少一个所述土工格栅贯穿所述土质填料层，并与所述U型槽体横向两侧端部相连接。

U型槽体横向两侧端部和土质填料层之间土工格栅拉通布置，从而提高结构的整体稳定性。

优选地，支撑板与U型槽体之间，支撑板与支撑梁之间可以连接，也可以不连接。

优选地，所述支撑梁与对应每个所述加固桩之间均连接有连接钢筋。

具体地，所述连接钢筋一端与所述加固桩相锚接，另一端与所述支撑梁固定连接。

优选地，所述支撑板两端均伸出所述U型槽体的侧壁。

优选地，所述支撑梁两端均伸出所述支撑板的两侧。

本发明还公开了一种路基系统，包括地基和本申请所述的轻质土路基结构，所述加固桩设置于所述地基内，所述支撑梁设置于所述地基上。

本申请所述的一种路基系统，所述支撑梁设置于所述地基上，即可用于将U型槽体荷载和支撑板自重传递至地基及加固桩，以及将作用于支撑梁底部的隆起作用力传递至加固桩，同时相邻所述支撑梁之间的U型槽体与所述地基之间具有空隙，从而避免了地基隆起作用力直接作用在U型槽底部。

优选地，所述加固桩埋入所述地基的长度大于或者等于该加固桩所在位置地基的大气影响深度的1.2倍。

优选地，相邻支撑梁之间的地基上设置有的排水斜坡，所述排水斜坡由路基中心向两侧倾斜设置。

优选地，所述U型槽体两侧分别设置有排水沟，所述排水沟设置于所述地基上。

本申请还公开了一种用于所述路基系统的设计方法，包含以下步骤：

S1：基于所述轻质土路基结构建立路基系统设计模型，并使所述路基系统设计模型满足：当输入所述U型槽体的设计参数时，输出所述加固桩组件的上部承载重量W_n和所述加固桩组件的结构参数；

S2：根据所述加固桩组件的上部承载重量W_n和所述加固桩组件的结构参数计算所述加固桩组件给予所述支撑梁的锚固力F_k，以及所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力F_s；

S3：根据步骤S2得到所述路基系统的安全系数K，并使所述安全系数K满足抗隆起要求；

S4：根据满足抗隆起要求的所述安全系数K得到最终的路基系统的设计参数。

本申请所述的一种用于所述路基系统的设计方法，基于轻质土材料制成的U型槽体，以减少了所述加固桩组件上部载荷，同时利用桩组件上部结构模型得到加固桩组件的尺寸参数，其加固桩布置的合理性大大提高，之后利用所述加固桩组件的上部承载重量W_n、所述加固桩组件给予所述支撑梁的锚固力F_k和所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力F_s确定所述路基系统的安全系数K，使所述安全系数K满足抗隆起要求，以安全系数K衡量路基变形标准，确保本发明所述的轻质土路基结构不仅能有效控制路基隆起变形，还能有效承受结构整体荷载并控制沉降变形，确保路基面隆起变形满足标准及使用要求，，同时也满足压缩变形控制要求，来进行桩组件上部结构模型的调试，最终确定最合理的所述路基系统的设计参数和加固桩组件的尺寸参数。

同时，本设计方法设计出的加固桩组件，其大部分在加固桩侧壁的隆起作用力可通过桩体锚固作用回传递至下部地基，使其不仅能有效控制路基隆起变形，还能有效承受结构整体荷载并控制沉降变形；而且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，不仅可为节约用地，而且减少了生态环境破坏，满足了高速铁路节能低碳的设计理念，社会、经济、环境效益显著。

优选地，建立所述路基系统设计模型具体包含以下步骤：

S11.基于所述轻质土路基结构建立桩组件上部结构模型，其中，所述桩组件上部结构模型包括所述U型槽体、支撑梁、支撑板和所述土质填料层；

S12.根据所述桩组件上部结构模型获取所述加固桩组件的上部承载重量W_n；

S13.根据所述桩组件上部结构模型和所述上部承载重量W_n得到所述加固桩组件的结构参数。

通过上部结构模型得出所述加固桩组件的上部承载重量W_n，之后再所述加固桩的尺寸和所述上部承载重量W_n得到所述加固桩组件的结构参数，时加固桩布置的合理性大大提高，从而减少了反复调整加固桩布置的次数，节约了设计时间，降低了设计成本。

优选地，所述U型槽体的设计参数包括所述U型槽体的结构参数和用于制作所述U型槽体的轻质土重度γ_n1。

优选地，所述路基系统设计模型具体为：

W_z＝BLHγ_c

W_u＝bhSγ_c

W_t＝[(b_nh_n1+2h_nh₂)γ_n1+b_n(h_n-h_n1)γ_n2+2b₁q₁+(s₁-b₁)q₀]S

W_n＝W_z+W_u+W_t

式中，W_n为所述加固桩组件的上部承载重量；W_z为所述支撑梁结构重量，单位kN；W_u为所述支撑板的结构重量，单位kN；W_t为所述U型槽体、土质填料层和上部轨道结构的重量，单位kN；B为所述支撑梁宽度，单位m；L为所述支撑梁长度，单位m；H为所述支撑梁高度，单位m；γ_c为钢筋混凝土重度，单位kN/m³；b为所述支撑板宽度，单位m；h为所述支撑板厚度，单位m；S为相邻所述支撑梁间距，单位m；b_n为所述U型槽体内宽，单位m；h_n1为所述U型槽体底板厚度，单位m；h_n为所述U型槽体高度，单位m；h₂为所述U型槽体悬臂厚度，单位m；γ_n1为轻质土重度，单位kN/m³；h_n2为所述土质填料层填筑高度，单位m；γ_n2为所述土质填料层重度，单位kN/m³；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；d为所述加固桩桩径，单位m；l为所述加固桩桩长，单位m；n为同一所述支撑梁底部所述加固桩的数量；s为所述加固桩桩间距，单位m；q_sa为所述桩侧阻力特征值，单位kPa；q_pa为所述桩端土端阻力特征值，单位kPa；

其中，桩侧阻力特征值q_sa和桩端土端阻力特征值q_pa通过现场单桩载荷试验确定或根据地区经验确定。其中，钢筋混凝土重度γ_c、轻质土重度γ_n1、土质填料重度γ_n2通过室内土工试验确定；

优选地，所述安全系数K满足抗隆起要求具体为：

当1.1≤K≤1.2时，所述安全系数K满足抗隆起要求；

当K<1.1或K>1.2时，调整所述路基系统设计模型，并重复步骤S1-S3，直至计算得到的安全系数K满足：1.1≤K≤1.2。

优选地，所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力F_s：

式中，F_s，单位kN；n为同一所述支撑梁底部所述加固桩的数量，B为支撑梁宽度，单位m；L为支撑梁长度，单位m；d为加固桩桩径，单位m；p_s为所述地基的隆起应力，单位kPa；

其中，所述地基的隆起应力p_s通过现场原位试验或室内土工试验确定；

所述加固桩组件给予所述支撑梁的锚固力F_k：

F_k＝πdnf_al_a

式中，F_k，单位kN；n同一所述支撑梁底部所述加固桩的数量，d为加固桩桩径，单位m；f_a为加固桩桩侧锚固力，单位kPa；l_a为加固桩进入大气急剧影响层以下或非隆起性土层中的长度；

其中，加固桩桩侧锚固力f_a通过现场单桩隆起试验确定；

所述路基系统的安全系数K：

式中，W_n为所述加固桩组件的上部承载重量；F_k为所述加固桩组件给予所述支撑梁的锚固力；F_s为所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的一种轻质土路基结构，结合U型槽体具有的轻质土材料及直立特征，以减少了所述加固桩组件上部载荷，同时利用多个加固桩布置，使得大部分在加固桩侧壁的隆起作用力可通过桩体锚固作用回传递至下部地基，使其不仅能有效控制路基隆起变形，还能有效承受结构整体荷载并控制沉降变形；而且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，不仅节约用地，而且减少了生态环境破坏。

2、本发明所述的一种轻质土路基结构，所述U型槽体上沿高度方向上间隔设置有土工格栅，至少一个所述土工格栅贯穿所述土质填料层，并与所述U型槽体两侧悬臂端相连接，U型槽体悬臂和土质填料层之间土工格栅拉通布置，从而提高结构的整体稳定性。

3、本发明所述的一种路基系统，所述支撑梁设置于所述地基上，即可用于将U型槽体荷载和支撑板自重传递至地基及加固桩，以及将作用于支撑梁底部的隆起作用力传递至加固桩，同时相邻所述支撑梁之间的U型槽体与所述地基之间具有空隙，从而避免了地基隆起作用力直接作用在U型槽底部。

3、本申请所述的一种用于所述路基系统的设计方法，基于轻质土材料制成的U型槽体，利用桩组件上部结构模型得到加固桩组件的尺寸参数，其加固桩布置的合理性大大提高，之后通过加固桩组件的上部承载重量W_n、加固桩组件给予所述支撑梁的锚固力F_k和支撑梁与地基接触面的隆起作用力F_s确定所述路基系统的安全系数K，使所述安全系数K满足抗隆起要求，以安全系数K衡量路基变形标准，确保本发明所述的轻质土路基结构不仅能有效控制路基隆起变形，还能有效承受结构整体荷载并控制沉降变形，确保路基面隆起变形满足标准及使用要求，同时也满足压缩变形控制要求，来进行桩组件上部结构模型的调试，最终确定最合理的所述路基系统的设计参数和加固桩组件的尺寸参数。

附图说明

图1是本发明的轻质土路基结构的示意图(俯视)。

图2是图1中A-A截面示意图。

图3是图1中B-B截面示意图。

图4是图2中C-C截面示意图。

图5是本发明的土工格栅贯穿土质填料层的位置示意图。

图6是本发明的土工格栅位于U型槽体底板内的设置示意图。

图7是本发明的U型槽体尺寸标记示意图。

图标：1-加固桩组件；11-加固桩；2-支撑梁；3-连接钢筋；4-支撑板；5-U型槽体；6-土质填料层；7-排水沟；8-土工格栅；9-地基。

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

如图1-4所示，一种轻质土路基结构，包括加固桩组件1，连接于所述支撑梁2底部，所述加固桩组件1包括若干根加固桩11，所有所述加固桩11沿所述支撑梁2长度方向间隔布置,加固桩11，沿线路纵向间隔成排设置；支撑梁2，设置在加固桩11桩顶；连接钢筋3，一端锚入桩体中，一端与支撑梁2固定连接；支撑板4，沿线路纵向分段设置在支撑梁2上方；U型槽体5，设置在支撑板4顶部；土质填料层6，填筑在U型槽体5内；排水沟7，设置在U型槽体5两侧。

在上述方案中：

所述加固桩11桩长不小于1.2倍地基9大气影响深度，沿线路纵向的排间距为6～10m。所述加固桩11的作用包括三方面：一是可承受支撑梁2传递下来的竖向荷载，控制路基结构沉降；二是加固桩11置换了部分隆起性岩土地基9，即加固桩11发挥了置换作用；三是作用在加固桩11侧壁的隆起作用力可通过桩体锚固作用传递至下部地基9，即加固桩11发挥了锚固作用。

所述支撑梁2两端伸出支撑板4外侧不小于0.2m。所述支撑梁2的作用包括三方面：一是将支撑板4上部荷载传递至地基9及加固桩11，二是将作用于支撑梁2底部的隆起作用力传递至加固桩11。

所述支撑梁2之间的支撑板4与地基9面处于悬空状态，其作用在于避免地基9隆起作用力直接作用在支撑板4底部，相邻支撑梁2之间地基9上由路基中心向两侧设置不小于4％的排水坡度。

所述U型槽体5内填筑的土质填料层6厚度不小于路基基床表层厚度。U型槽体5的作用在于避免路基结构荷载过大，从而显著增大加固桩11桩长，还可通过自身重力作用抵消一部分地基9隆起作用力；而U型槽体5内填筑土质填料层6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型槽体5出现裂化。

如图5和6所示，沿U型槽体5高度方向，每隔不少于0.6m拉通设置1道土工格栅8，U型槽体5悬臂和土质填料层6之间土工格栅8拉通布置。土工格栅8的作用在于提高结构的整体稳定性。

本实施例的有益效果：本发明所述的一种轻质土路基结构，结合U型槽体5具有的轻质土材料特征及直立特征，减少了所述加固桩组件1上部载荷，同时利用多个加固桩11布置，使得大部分在加固桩11侧壁的隆起作用力可通过桩体锚固作用回传递至下部地基9，使其不仅能有效控制路基隆起变形，还能有效承受结构整体荷载并控制沉降变形；而且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，不仅可为节约用地，而且减少了生态环境破坏，满足了高速铁路节能低碳的设计理念，社会、经济、环境效益显著。

实施例2

如图1-4所示，本实施例所述的一种路基系统，包括地基9，所述加固桩11设置于所述地基9内，所述支撑梁2设置于所述地基9上，相邻所述支撑梁2之间的所述支撑板4与所述地基9之间具有空隙。

本申请所述的一种路基系统，所述支撑梁2设置于所述地基9上，即可用于将U型槽体5荷载和支撑板4自重传递至地基9及加固桩11，以及将作用于支撑梁2底部的隆起作用力传递至加固桩11，同时相邻所述支撑梁2之间的U型槽体5与所述地基9之间具有空隙，从而避免了地基9隆起作用力直接作用在U型槽底部。

在上述基础上，进一步优选的方式，所述加固桩11埋入所述地基9的长度大于或者等于该加固桩11所在位置地基9的大气影响深度的1.2倍。

在上述基础上，进一步优选的方式，相邻支撑梁2之间的地基9上设置有的排水斜坡，所述排水斜坡由路基中心向两侧倾斜设置。

在上述基础上，进一步优选的方式，所述U型槽体5两侧分别设置有排水沟7，所述排水沟7设置于所述地基9上。

实施例3

如图1-7所示，一种用于所述路基系统的设计方法，包含以下步骤：

①通过以下公式确定支撑梁2结构重量Wz：

W_z＝BLHγ_c

式中W_z为所述支撑梁2结构重量，单位kN；B为所述支撑梁2宽度，单位m；L为所述支撑梁2长度，单位m；H为所述支撑梁2高度，单位m；γc为钢筋混凝土重度，单位kN/m³；

②通过以下公式确定支撑板4的结构重量Wu：

W_u＝bhSγ_c

式中W_u为所述支撑板4的结构重量，单位kN；b为所述支撑板4宽度，单位m；h为所述支撑板4厚度，单位m；S为相邻所述支撑梁2间距，单位m；

③通过以下公式确定U型槽体5结构及土质填料层6和上部轨道结构的重量Wt：

W_t＝[(b_nh_n1+2h_nh₂)γ_n1+b_n(h_n-h_n1)γ_n2+2b₁q₁+(s₁-b₁)q₀]S

式中W_t为所述U型槽体5、土质填料层6和上部轨道结构的重量，单位kN；b_n为所述U型槽体5内宽，单位m；h_n1为所述U型槽体5底板厚度，单位m；h_n为所述U型槽体5高度，单位m；h₂为所述U型槽体5悬臂厚度，单位m；γn1为所述轻质土层5重度，单位kN/m³；h_n2为所述土质填料层6填筑高度，单位m；γ_n2为所述土质填料层6重度，单位kN/m³；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；

④初步确定加固桩11桩长l，并按以下公式确定路基横向加固桩11数量n：

式中n为同一所述支撑梁2底部所述加固桩11的数量；d为所述加固桩11桩径，单位m；l为所述加固桩11桩长，单位m；q_sa为所述桩侧阻力特征值，单位kPa；q_pa为所述桩端土端阻力特征值，单位kPa；

⑤通过以下公式确定路基横向加固桩11桩间距s：

式中s为所述加固桩11桩间距，单位m；

⑥通过以下公式确定加固桩11在支撑梁2底部的面积置换率ξ：

⑦通过以下公式确定支撑梁2与地基9接触面的隆起作用力F_s：

F_s＝(1-ξ)LBp_s

式中F_s，单位kN；ps为地基9的隆起作用力，单位kPa；

⑧通过以下公式确定加固桩组件1给予所述支撑梁2的锚固力F_k：

F_k＝πdnf_al_a

式中F_k，单位kN；n同一所述支撑梁2底部所述加固桩11的数量，d为加固桩11桩径，单位m；f_a为加固桩11桩侧锚固力，单位kPa；l_a为加固桩11进入大气急剧影响层以下或非隆起性土层中的长度；

⑨通过以下公式确定轻质土路基结构的安全系数K：

⑩判断步骤⑨得到的轻质土路基结构的安全系数K是否满足1.1≤K≤1.2的要求，若K<1.1或K>1.2，则调整结构的h_n1、l参数，再重复步骤③至⑨工作，直至K满足要求。

在以上计算过程中，桩侧阻力特征值q_sa和桩端土端阻力特征值q_pa通过现场单桩载荷试验确定或根据地区经验确定；钢筋混凝土重度γ_c、轻质土重度γ_n1、土质填料重度γ_n2通过室内土工试验确定；所述地基9的隆起应力p_s通过现场原位试验或室内土工试验确定；，加固桩11桩侧锚固力f_a通过现场单桩隆起试验确定。

本发明所述的一种设计方法，基于所述轻质土材料制成的U型槽体5建立桩组件上部结构模型，并根据桩组件上部结构模型拟定加固桩组件1的尺寸参数，并求出所述加固桩组件1的上部承载重量W_n、所述加固桩组件1给予所述支撑梁2的锚固力F_k和所述支撑梁2与所述地基9接触面的隆起作用力F_s，将上述三个参数进行综合控制，得到安全系数K，并以安全系数K为标准来判定桩组件上部结构模型是否满足设计要求，如不满足，则调整桩组件上部结构模型中的参数，直至安全系数K满足抗隆起要求，得到最终的桩组件上部结构模型的设计参数和加固桩组件1的尺寸参数。

同时，本设计方法设计出的加固桩组件1，结合轻质土直立特征，对传统的抗隆起单桩结构和U型槽进行改进，得到了轻质土路基结构，该结构不仅能有效控制路基隆起变形，还能有效承受结构整体荷载并控制沉降变形；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，满足了高速铁路节能低碳的设计理念，社会、经济、环境效益显著。

而且本发明的轻质土路基结构及设计方法适于具有弱、中隆起特性岩土地基9，具有结构新颖、安全可靠、节约投资、施工简单等特点，需要指出的是，该结构特别适用于冻土、膨胀岩土、红层软岩、盐渍岩土及易隆起软质岩的高速铁路低路堤建造。

实施例4

如图1-7所示，本实施例具体展示施工中用于所述路基系统的设计方法，具体设计过程：某高速铁路设计时速300km/h，线间距4.8m无砟轨道低路堤填高2.0m，路基基底为膨胀土，其隆起作用力p_s为270kPa，大气影响深度5.0m，大气急剧影响层深度为2.5m，在膨胀土地层中加固桩11桩侧锚固力f_a为50kPa、桩端阻力特征值q_pa为600kPa、桩侧阻力特征值q_sa为50kPa。为消除地基9隆起变形，设计拟采用本发明的轻质土路基结构，在设计过程中，加固桩11桩径d取0.5m，支撑梁2沿线路纵向间距S为8.0m，支撑梁2截面尺寸宽B为1.2m、长L为14.4m、高H为0.4m，支撑板4宽b为14.0m、厚h为0.4m，U型槽体5内宽b_n为11.6m、底板厚h_n1为0.7m、悬臂厚h₂为1.0m，钢筋混凝土重度γ_c为取25kN/m³，轻质土重度γ_n1取5kN/m³，土质填料层6填筑高度h_n2取0.5m、土质填料层6重度取γ_n2为21kN/m³，路基顶面铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道。按本发明设计方法开展设计，具体如下：

①确定支撑梁2结构重量W_z＝BLHγ_c＝259kN；

②确定U型槽体5的结构重量W_u＝bhSγ_c＝1120kN；

③确定U型槽体5结构中轻质土、土质填料层6和上部轨道结构的重量

W_t＝[(b_nh_n1+2h_nh₂)γ_n1+b_n(h_n-h_n1)γ_n2+2b₁q₁+(s₁-b₁)q₀]S＝2190kN；

④初步确定加固桩11桩长为6.0m，再确定路基横向加固桩11数量

⑤确定路基横向加固桩11桩间距

⑥确定加固桩11在支撑梁2底部的面积置换率

⑦确定支撑梁2与地基9接触面的隆起作用力F_s＝(1-ξ)LBp_s＝4347kN；

⑧确定支撑梁2底部加固桩11可提供的锚固力F_k＝πdnf_al_a＝1649kN；

⑨确定抗隆起U型路基结构的安全系数

⑩经判定，K满足控制要求。

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 (8)

1.一种用于路基系统的设计方法，其特征在于：路基系统包括地基(9)和轻质土路基结构，

所述轻质土路基结构包括，

顶部敞口设置的U型槽体(5)，为轻质土浇筑制成的结构件；

土质填料层(6)，由土质材料填充而成，所述土质填料层(6)填筑在所述U型槽体(5)内；

支撑板(4)，设置于所述U型槽体(5)底部，用于支撑所述U型槽体(5)；

支撑梁(2)，沿线路方向间隔设置若干个，所述支撑梁(2)设置于所述支撑板(4)底部，用于支撑所述支撑板(4)，相邻所述支撑梁(2)之间的所述支撑板(4)与地基(9)之间具有空隙；

加固桩组件(1)，连接于所述支撑梁(2)底部，所述加固桩组件(1)包括若干根加固桩(11)，所有所述加固桩(11)沿所述支撑梁(2)长度方向间隔布置；

所述加固桩(11)设置于所述地基(9)内，所述支撑梁(2)设置于所述地基(9)上；

该设计方法包含以下步骤：

S1：基于所述轻质土路基结构建立路基系统设计模型，并使所述路基系统设计模型满足：当输入所述U型槽体(5)的设计参数时，输出所述加固桩组件(1)的上部承载重量W_n和所述加固桩组件(1)的结构参数；

S2：根据所述加固桩组件(1)的上部承载重量W_n和所述加固桩组件(1)的结构参数计算所述加固桩组件(1)给予所述支撑梁(2)的锚固力F_k，以及所述支撑梁(2)与所述地基(9)接触面的隆起作用力F_s；

S3：根据步骤S2得到所述路基系统的安全系数K，并使所述安全系数K满足抗隆起要求；

S4：根据满足抗隆起要求的所述安全系数K得到最终的路基系统的设计参数。

2.根据权利要求1所述的一种设计方法，其特征在于，所述U型槽体(5)上沿高度方向上间隔设置有土工格栅(8)，至少一个所述土工格栅(8)贯穿所述土质填料层(6)，并与所述U型槽体(5)横向两侧端部相连接。

3.根据权利要求1所述的一种设计方法，其特征在于，所述支撑梁(2)与对应每个所述加固桩(11)之间均连接有连接钢筋(3)。

4.根据权利要求1所述的一种设计方法，其特征在于，建立所述路基系统设计模型具体包含以下步骤：

S11.基于所述轻质土路基结构建立桩组件上部结构模型，其中，所述桩组件上部结构模型包括所述U型槽体(5)、支撑梁(2)、支撑板(4)和所述土质填料层(6)；

S12.根据所述桩组件上部结构模型获取所述加固桩组件(1)的上部承载重量W_n；

S13.根据所述桩组件上部结构模型和所述上部承载重量W_n得到所述加固桩组件(1)的结构参数。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种设计方法，其特征在于，所述U型槽体(5)的设计参数包括所述U型槽体(5)的结构参数和用于制作所述U型槽体(5)的轻质土重度γ_n1。

6.根据权利要求5所述的一种设计方法，其特征在于，所述路基系统设计模型具体为：

W_z＝BLHγ_c

W_u＝bhSγ_c

W_t＝[(b_nh_n1+2h_nh₂)γ_n1+b_n(h_n-h_n1)γ_n2+2b₁q₁+(s₁-b₁)q₀]S

W_n＝W_z+W_u+W_t

式中，W_n为所述加固桩组件(1)的上部承载重量；W_z为所述支撑梁(2)结构重量，单位kN；W_u为所述支撑板(4)的结构重量，单位kN；W_t为所述U型槽体(5)、土质填料层(6)和上部轨道结构的重量，单位kN；B为所述支撑梁(2)宽度，单位m；L为所述支撑梁(2)长度，单位m；H为所述支撑梁(2)高度，单位m；γ_c为钢筋混凝土重度，单位kN/m³；b为所述支撑板(4)宽度，单位m；h为所述支撑板(4)厚度，单位m；S为相邻所述支撑梁(2)间距，单位m；b_n为所述U型槽体(5)内宽，单位m；h_n1为所述U型槽体(5)底板厚度，单位m；h_n为所述U型槽体(5)高度，单位m；h₂为所述U型槽体(5)悬臂厚度，单位m；γ_n1为轻质土重度，单位kN/m³；h_n2为所述土质填料层(6)填筑高度，单位m；γ_n2为所述土质填料层(6)重度，单位kN/m³；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；d为所述加固桩(11)桩径，单位m；l为所述加固桩(11)桩长，单位m；n为同一所述支撑梁(2)底部所述加固桩(11)的数量；s为所述加固桩(11)桩间距，单位m；q_sa为桩侧阻力特征值，单位kPa；q_pa为桩端土端阻力特征值，单位kPa；

其中，桩侧阻力特征值q_sa和桩端土端阻力特征值q_pa通过现场单桩载荷试验确定或根据地区经验确定，钢筋混凝土重度γ_c、轻质土重度γ_n1、土质填料重度γ_n2通过室内土工试验确定。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的一种设计方法，其特征在于，所述安全系数K满足抗隆起要求具体为：

当1.1≤K≤1.2时，所述安全系数K满足抗隆起要求；

当K<1.1或K>1.2时，调整所述U型槽体(5)的设计参数，并重复步骤S1-S3，直至计算得到的安全系数K满足：1.1≤K≤1.2。

8.根据权利要求1-4任意一项所述的一种设计方法，其特征在于，

所述支撑梁(2)与所述地基(9)接触面的隆起作用力F_s：

式中，F_s，单位kN；n为同一所述支撑梁(2)底部所述加固桩(11)的数量，B为支撑梁(2)宽度，单位m；L为支撑梁(2)长度，单位m；d为加固桩(11)桩径，单位m；p_s为所述地基(9)的隆起应力，单位kPa；

其中，所述地基(9)的隆起应力p_s通过现场原位试验或室内土工试验确定；

所述加固桩组件(1)给予所述支撑梁(2)的锚固力F_k：

F_k＝πdnf_al_a

式中，F_k，单位kN；n同一所述支撑梁(2)底部所述加固桩(11)的数量，d为加固桩(11)桩径，单位m；f_a为加固桩(11)桩侧锚固力，单位kPa；l_a为加固桩(11)进入大气急剧影响层以下或非隆起性土层中的长度；

其中，加固桩(11)桩侧锚固力f_a通过现场单桩隆起试验确定；

所述路基系统的安全系数K：

式中，W_n为所述加固桩组件(1)的上部承载重量；F_k为所述加固桩组件(1)给予所述支撑梁(2)的锚固力；F_s为所述支撑梁(2)与所述地基(9)接触面的隆起作用力。

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