CN111395064B - 一种抗隆起u型路基结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程领域，特别是一种抗隆起U型路基结构及其设计方法，其中，抗隆起U型路基结构包括U型槽体，U型槽体底部设置有若干根支撑梁，支撑梁底部连接有加固桩组件，加固桩组件包括若干根加固桩，U型槽体内从上至下依次设置有第一填充层和第二填充层，第一填充层由土质材料填充而成，第二填充层由轻质土填充而成。本发明的一种抗隆起U型路基结构，减少了加固桩组件上部载荷，使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；大幅节省了建设用地，不仅可为节约用地，而且减少了生态环境破坏。

Description

一种抗隆起U型路基结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，特别是一种抗隆起U型路基结构及其设计方法。

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很多工程待解决的重点问题，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所采取的抗隆起变形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，其存在各种不足，其具体为：

挖除换填：其极易显著增大土石方开挖量，导致存在大量的取土、弃土作业，将严重破坏生态环境；

桩板结构：其与地基采用面接触，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：其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。另一方面，在局限用地条件下，路堤边坡明显增加用地量，难以适应高铁工程设计和经济建设需求。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术，用于抗隆起变形的挖除换填严重破坏生态环境；桩板结构工程投资急剧增大；群桩地基设计不确定因素较多，且路堤边坡明显增加用地量的问题，提供一种抗隆起U型路基结构及其设计方法，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：

一种抗隆起U型路基结构，包括顶部敞口设置的U型槽体，所述U型槽体底部设置有若干根用于支撑所述U型槽体的支撑梁，所有所述支撑梁沿所述U型槽体长度方向间隔布置，所述支撑梁底部连接有加固桩组件，所述加固桩组件包括若干根加固桩，同一所述加固桩组件中的所有所述加固桩沿所述支撑梁长度方向间隔布置，所述加固桩入地基，所述U型槽体内从上至下依次设置有第一填充层和第二填充层，所述第一填充层由土质材料填充而成，所述第二填充层由轻质土填充而成，相邻所述支撑梁之间的U型槽体与所述地基之间具有间隙。

本发明所述的一种抗隆起U型路基结构，顶部敞口设置的U型槽体用于放置从上至下依次设置有第一填充层和第二填充层，以作为上部轨道结构的基础，而第二填充层由轻质土填充而成，从而减少了所述加固桩组件上部载荷，避免因所述加固桩组件上部载荷过大，从而显著增大加固桩桩长的情况发生；而在第二填充层上部的第一填充层填筑土质填料，用于消散列车动应力，防止频繁列车荷载作用导致下部第二填充层中填筑的轻质土出现裂化。

而设置于所述U型槽体底部的沿所述U型槽体长度方向间隔布置的支撑梁，在施工时，所述U型槽体底部设置有若干根用于支撑所述U型槽体的支撑梁，所述支撑梁底部连接有加固桩组件所述加固桩伸入地基，，即可将U型槽体荷载传递至地基及加固桩，当地基产生隆起作用力时，一方面隆起作用力将作用于支撑梁底部的，传递至加固桩，通过加固桩进行消耗隆起作用力的能量，另一方面，隆起作用力直接作用在地基，由于支撑梁之间的U型槽体与地基面处于具有间隙的悬空状态，地基产生形变对可以直接消耗隆起作用力，从而避免了地基隆起作用力直接作用在U型槽。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。

其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，所述U型槽体通过自身及其内部填筑的第一填充层和第二填充层的重力作用能够抵消一部分地基隆起作用力。

综上所述：本发明所述的一种抗隆起U型路基结构，结合轻质土材料特征，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，不仅可为节约用地，而且减少了生态环境破坏。

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，所述支撑梁两端均伸出所述U型槽体的侧壁外。

优选地，所述支撑梁与所述U型槽体之间连接有钢筋框架。

优选地，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。

所述支撑梁设置于所述地基上，即可用于将U型槽体荷载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，而且可以使得相邻所述支撑梁之间的U型槽体与所述地基之间具有间隙，从而避免了相邻所述支撑梁之间的地基隆起作用力直接作用在U型槽。

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结构的设计方法，包含以下步骤：

S1：引入所述第二填充层的设计参数，并基于所述第二填充层的设计参数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、所述支撑梁、所述第一填充层和所述第二填充层；

S2：根据所述桩组件上部结构模型拟定加固桩组件的尺寸参数，并计算出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，以及所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力F_s；

S3：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，以及所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力F_s确定所述路基结构的安全系数K；

S4：根据所述安全系数K调整所述桩组件上部结构模型，直至计算得到的安全系数K满足抗隆起要求，得到最终的所述第二填充层的设计参数和加固桩组件的尺寸参数，即获得了所述抗隆起U型路基结构的设计参数。

本申请所述的一种用于所述路基结构的设计方法，基于轻质土材料填充的第二填充层，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拟定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，以及所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力F_s确定所述路基结构的安全系数K，以安全系数K衡量路基变形标准，确保路基面不发生隆起变形，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第二填充层的设计参数和加固桩组件的尺寸参数，以获得了所述抗隆起U型路基结构的设计参数。

同时，本设计方法设计出的加固桩组件，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，所述桩组件上部结构模型包括所述U型槽体、支撑梁、第一填充层和第二填充层的尺寸参数。

优选地，步骤S2包含以下步骤：

S21：根据所述U型槽体、支撑梁、第一填充层和第二填充层的尺寸参数，确定所述加固桩组件的上部承载重量W_n；

S22：根据所述加固桩的尺寸和所述上部承载重量W_n拟定所述加固桩组件的尺寸参数；

S23：根据所述加固桩组件的尺寸参数和所述支撑梁的尺寸确定所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力F_s；

S24：根据所述加固桩组件的尺寸参数确定所述加固桩组件给予所述支撑梁的锚固力F_k。

优选地，步骤S4具体为：

当1.1≤K≤1.2时，所述安全系数K满足抗隆起要求，得到并输出最终的桩组件上部结构模型的设计参数和加固桩组件的尺寸参数；

当K<1.1或K>1.2时，进行所述桩组件上部结构模型和/或所述加固桩组件的尺寸参数调整，并重复步骤S2-S4，直至计算得到的安全系数K满足：1.1≤K≤1.2，得到并输出最终的桩组件上部结构模型的设计参数和加固桩组件的尺寸参数。

优选地，所述路基结构的安全系数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。

优选地，所述加固桩组件的尺寸参数包括所述加固桩桩径d、桩长l和同一所述支撑梁底部所述加固桩的数量n，其中同一所述支撑梁底部所述加固桩的数量n为：

式中，W_n为所述加固桩组件的上部承载重量，单位kN；d为加固桩桩径，单位m；l为加固桩桩长，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。

优选地，所述加固桩组件的上部承载重量W_n：

W_n＝BLHγ_c+(bh₁+2hh₂)Sγ_c+[(b-2h₂)(h_n1γ_n1+h_n2γ_n2)+2b₁q₁+(s₁-b₁)q₀]S

式中，B为支撑梁宽度，单位m；L为支撑梁长度，单位m；H为支撑梁高度，单位m；γ_c为钢筋混凝土重度，单位kN/m³；b为U型槽体宽度，单位m；h₁为U型槽体底板厚度，单位m；h为U型槽体高度，单位m；h₂为U型槽体悬臂厚度，单位m；S为相邻支撑梁间距，单位m；h_n1为轻质土填筑高度，单位m；γ_n1为轻质土重度，单位kN/m³；h_n2为土质填料填筑高度，单位m；γ_n2为土质填料重度，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；

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。

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。

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、本发明所述的一种抗隆起U型路基结构，结合轻质土材料特征，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。

2、本发明所述的一种路基结构，所述支撑梁设置于所述地基上，即可用于将U型槽体荷载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间隙，从而避免了地基隆起作用力直接作用在U型槽底部。

3、本申请所述的一种设计方法，基于轻质土材料填充的第二填充层，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拟定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确定所述路基结构的安全系数K，以安全系数K衡量路基变形标准，确保路基面不发生隆起变形，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第二填充层的设计参数和加固桩组件的尺寸参数。

附图说明

图1是本发明的抗隆起U型路基结构的示意图(俯视)。

图2是本发明的图1中A-A截面示意图。

图3是本发明的图1中B-B截面示意图。

图4是本发明的图2中C-C截面示意图。

图5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-U型槽体；5-第二填充层；6-第一填充层；7-排水沟；8-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，一种抗隆起U型路基结构，包括顶部敞口设置的U型槽体4，所述U型槽体4底部设置有若干根用于支撑所述U型槽体4的支撑梁2，所有所述支撑梁2沿所述U型槽体4长度方向间隔布置，所述支撑梁2底部连接有加固桩组件1，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U型槽体4内从上至下依次设置有第一填充层5和第二填充层6，所述第一填充层5由土质材料填充而成，所述第二填充层6由轻质土填充而成。

本发明所述的一种抗隆起U型路基结构，顶部敞口设置的U型槽体4用于放置从上至下依次设置有第一填充层5和第二填充层6，以作为上部轨道结构的基础，而第二填充层6由轻质土填充而成，从而减少了所述加固桩组件1上部载荷，避免因所述加固桩组件1上部载荷过大，从而显著增大加固桩11桩长的情况发生；而在第二填充层6上部的第一填充层5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第二填充层6中填筑的轻质土出现裂化。

而设置于所述U型槽体4底部的沿所述U型槽体4长度方向间隔布置的支撑梁2，在施工时，将支撑梁2设置于地基表面上，即可用于将U型槽体4荷载传递至地基8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，同时使所述支撑梁2之间的U型槽体4与地基8面处于悬空状态，从而避免了地基8隆起作用力直接作用在U型槽底部。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，其能够承受U型槽体4通过支撑梁2传递下来的竖向荷载，控制路基结构沉降；同时加固桩11置换了部分隆起性岩土地基8，即加固桩11发挥了置换作用；而且作用在加固桩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8，即加固桩11发挥了锚固作用。

其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，所述U型槽体4通过自身及其内部填筑的轻质土和土质填料的重力作用能够抵消一部分地基8隆起作用力。

在上述基础上，进一步优选的方式，所述支撑梁2与所述加固桩11之间连接有连接钢筋3。

具体地，所述连接钢筋3一端与所述加固桩11相锚接，另一端与所述支撑梁2固定连接。

在上述基础上，进一步优选的方式，所述支撑梁2两端均伸出所述U型槽体4的侧壁外。

具体地，所述支撑梁2两端均伸出所述U型槽体4的侧壁外，其伸出长度大于或者等于0.2m。

具体地，相邻所述加固桩组件1之间的距离为[6m，10m]。

在上述基础上，进一步优选的方式，所述支撑梁2与所述U型槽体4之间连接有钢筋框架。

本实施例的有益效果：本发明所述的一种抗隆起U型路基结构，结合轻质土材料特征，以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8，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结构，包括地基8和如实施例1所述的抗隆起U型路基结构，所述加固桩11设置于所述地基8内，所述支撑梁2设置于所述地基8上，相邻所述支撑梁2之间的U型槽体4与所述地基8之间具有间隙。

本申请所述的一种路基结构，所述支撑梁2设置于所述地基8上，即可用于将U型槽体4荷载传递至地基8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4与所述地基8之间具有间隙，从而避免了地基8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8的长度大于或者等于该加固桩11所在位置地基8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8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4两侧分别设置有排水沟7，所述排水沟7设置于所述地基8上。

实施例3

如图1-5所示，一种用于所述路基结构的设计方法，包含以下步骤：

①通过以下公式确定支撑梁2结构重量W_z：

W_z＝BLHγ_c

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

②通过以下公式确定U型槽体4的结构重量W_u：

W_u＝(bh₁+2hh₂)Sγ_c

式中W_u为U型槽体4的结构重量，单位kN；b为U型槽体4宽度，单位m；h₁为U型槽体4底板厚度，单位m；h为U型槽体4高度，单位m；h₂为U型槽体4悬臂厚度，单位m；S为纵向支撑梁2间距，单位m；③通过以下公式确定U型槽体4结构中轻质土、土质填料和上部轨道结构的重量W_t：

W_t＝[(b-2h₂)(h_n1γ_n1+h_n2γ_n2)+2b₁q₁+(s₁-b₁)q₀]S

式中W_t为U型槽体4结构第一填充层5、第二填充层6和上部轨道结构的重量，单位kN；h_n1为轻质土填筑高度，单位m；γ_n1为轻质土重度，单位kN/m³；h_n2为土质填料填筑高度，单位m；γ_n2为土质填料重度，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；

综上所得，所述加固桩组件1的上部承载重量W_n：

W_n＝W_z+W_u+W_t

式中，W_z为支撑梁2结构重量，单位kN；W_u为U型槽体4的结构重量，单位kN；W_t为U型槽体4结构中轻质土、土质填料和上部轨道结构的重量，单位kN；

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为路基横向加固桩11数量；d为加固桩11桩径，单位m；l为加固桩11桩长，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；

⑤通过以下公式确定路基横向加固桩11桩间距s：

式中s为加固桩11横向桩间距，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8接触面的隆起作用力F_s：

F_s＝(1-ξ)LBp_s

式中F_s为支撑梁2与地基8接触面的隆起作用力，单位kN；p_s为地基8的隆起作用力，单位kPa；

⑧通过以下公式确定支撑梁2底部加固桩11可提供的锚固力F_k：

F_k＝πdnf_al_a

式中F_k为支撑梁2底部加固桩11可提供的锚固力，单位kN；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通过以下公式确定抗隆起U型路基结构的安全系数K：

⑩判断步骤⑨得到的安全系数K是否满足1.1≤K≤1.2的要求，若K<1.1或K>1.2，则重新调整结构设计参数B、H、h₁、h₁、S、h_n1、h_n2、l，再重复步骤①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8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，基于所述抗隆起U型路基结构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，以及所述支撑梁2与所述地基8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，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，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8，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4

如图1-5所示，本实施例具体展示施工中用于所述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，线间距4.8m)无砟轨道路堤填高3.6m，路基基底为膨胀土，其隆起应力p_s为440kPa，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。为消除地基隆起变形，设计拟采用本发明的抗隆起U型路基结构，在设计过程中，加固桩11桩径d取0.6m，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1.4m、长L为14m、高H为0.8m；U型槽体4宽b为13.6m、高h为1.8m，底板厚h₁为1.0m、悬臂厚h₂为0.4m，钢筋混凝土重度γ_c取25kN/m³，轻质土重度γ_n1取5kN/m³，土质填料填筑高度h_n2取0.5m、重度γ_n2取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＝392kN；

②确定U型槽体4的结构重量：W_u＝(bh₁+2hh₂)Sγ_c＝3008kN；

③确定U型槽体4结构中第一填充层5和第二填充层6和上部轨道结构的重量：W_t＝[(b-2h₂)(h_n1γ_n1+h_n2γ_n2)+2b₁q₁+(s₁-b₁)q₀]S＝2535kN；

④初步确定加固桩11桩长l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与地基接触面的隆起作用力F_s＝(1-ξ)LBp_s＝7504kN；

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＝2969kN；

⑨确定抗隆起U型路基结构的安全系数K＝1.186；

⑩经判定，1.1≤K≤1.2，K满足控制要求，得出上述关于所述第二填充层6的设计参数和加固桩组件1的尺寸参数，以及所述路基结构合适。

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)

1.一种抗隆起U型路基结构的设计方法，其特征在于：抗隆起U型路基结构包括顶部敞口设置的U型槽体(4)，所述U型槽体(4)底部设置有若干根用于支撑所述U型槽体(4)的支撑梁(2)，所有所述支撑梁(2)沿所述U型槽体(4)长度方向间隔布置，所述支撑梁(2)底部连接有加固桩组件(1)，所述加固桩组件(1)包括若干根加固桩(11)，同一所述加固桩组件(1)中的所有所述加固桩(11)沿所述支撑梁(2)长度方向间隔布置，所述加固桩(11)伸入地基(8)，所述U型槽体(4)内从上至下依次设置有第一填充层(6)和第二填充层(5)，所述第一填充层(6)由土质材料填充而成，所述第二填充层(5)由轻质土填充而成，相邻所述支撑梁(2)之间的U型槽体(4)与所述地基(8)之间具有间隙，所述加固桩(11)设置于所述地基(8)内，所述支撑梁(2)设置于所述地基(8)上，

该设计方法包含以下步骤：

S1：引入所述第二填充层(5)的设计参数，并基于所述第二填充层(5)的设计参数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(4)、所述支撑梁(2)、所述第一填充层(6)和所述第二填充层(5)；

S2：根据所述桩组件上部结构模型拟定加固桩组件(1)的尺寸参数，并计算出所述加固桩组件(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，以及所述支撑梁(2)与所述地基(8)接触面的隆起作用力F_s；

S3：根据所述加固桩组件(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，以及所述支撑梁(2)与所述地基(8)接触面的隆起作用力F_s确定所述路基结构的安全系数K；

S4：根据所述安全系数K调整所述桩组件上部结构模型，直至计算得到的安全系数K满足抗隆起要求，得到最终的所述第二填充层(5)的设计参数和加固桩组件(1)的尺寸参数，即获得了所述抗隆起U型路基结构的设计参数。

2.根据权利要求1所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法，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)。

3.根据权利要求1所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法，所述支撑梁(2)两端均伸出所述U型槽体(4)的侧壁外。

4.根据权利要求1所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法，其特征在于，步骤S2包含以下步骤：

S21：根据所述U型槽体(4)、支撑梁(2)、第一填充层(6)和第二填充层(5)的尺寸参数，确定所述加固桩组件(1)的上部承载重量W_n；

S22：根据所述加固桩(11)的尺寸和所述上部承载重量W_n拟定所述加固桩组件(1)的尺寸参数；

S23：根据所述加固桩组件(1)的尺寸参数和所述支撑梁(2)的尺寸确定所述支撑梁(2)与所述地基(8)接触面的隆起作用力F_s；

S24：根据所述加固桩组件(1)的尺寸参数确定所述加固桩组件(1)给予所述支撑梁(2)的锚固力F_k。

5.根据权利要求1所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法，其特征在于，步骤S4具体为：

当1.1≤K≤1.2时，所述安全系数K满足抗隆起要求，得到并输出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；

当K<1.1或K>1.2时，进行所述桩组件上部结构模型和/或所述加固桩组件(1)的尺寸参数调整，并重复步骤S2-S4，直至计算得到的安全系数K满足：1.1≤K≤1.2，得到并输出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。

6.根据权利要求5所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法，其特征在于，所述路基结构的安全系数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(8)接触面的隆起作用力。

7.根据权利要求5所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法，其特征在于，所述加固桩组件(1)的尺寸参数包括所述加固桩(11)桩径d、桩长l和同一所述支撑梁(2)底部所述加固桩(11)的数量n，其中同一所述支撑梁(2)底部所述加固桩(11)的数量n为：

式中，W_n为所述加固桩组件(1)的上部承载重量，单位kN；d为加固桩(11)桩径，单位m；l为加固桩(11)桩长，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。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种抗隆起U型路基结构的设计方法，其特征在于，所述加固桩组件(1)的上部承载重量W_n：

式中，B为支撑梁(2)宽度，单位m；L为支撑梁(2)长度，单位m；H为支撑梁(2)高度，单位m；γ_c为钢筋混凝土重度，单位kN/m³；b为U型槽体(4)宽度，单位m；h₁为U型槽体(4)底板厚度，单位m；h为U型槽体(4)高度，单位m；h₂为U型槽体(4)悬臂厚度，单位m；S为相邻支撑梁(2)间距，单位m；h_n1为轻质土填筑高度，单位m；γ_n1为轻质土重度，单位kN/m³；h_n2为土质填料填筑高度，单位m；γ_n2为土质填料重度，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；

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；

所述支撑梁(2)与所述地基(8)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为地基的隆起应力，单位kPa；

其中，所述地基(8)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。

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