CN111400806B - 紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构、路基系统及设计方法 - Google Patents

紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构、路基系统及设计方法 Download PDF

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CN111400806B CN202010220254.XA CN202010220254A CN111400806B CN 111400806 B CN111400806 B CN 111400806B CN 202010220254 A CN202010220254 A CN 202010220254A CN 111400806 B CN111400806 B CN 111400806B
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Abstract

本发明涉及岩土工程领域，特别是一种紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构、路基系统及设计方法，其中，路基结构包括顶部敞口设置的容料槽，容料槽的一侧具有倾斜悬臂，且能够与既有无砟轨道路基的边坡相贴合，容料槽底部设置有支撑梁，支撑梁底部连接有加固桩组件，加固桩组件包括加固桩，容料槽内从上至下依次填筑有土质填料层和轻质土层。本发明的一种紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构，减少了加固桩组件的上部载荷，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，其不仅能有效控制路基帮宽结构的隆起变形，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，而且减少了生态环境破坏。

Description

紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构、路基系统及设计方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，特别是紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构、路基系统及设计方法。
背景技术
目前，在新建铁路引入主干线无砟铁路时，不仅要解决路基帮宽建造引发的既有无砟铁路变形控制问题，同时还需解决特殊岩土地段可能引发的新建铁路隆起变形问题。
岩土地基的隆起变形是时下新兴的岩土热点问题，如冻土冻胀、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。地基隆起变形超限不仅会引发既有高速铁路无砟轨道板上拱开裂，也影响着新建铁路在引入段的平顺性及舒适性，故在隆起性岩土地段进行路基帮宽建造，同样需要进行隆起变形控制。另一方面，在局限用地条件下，路堤边坡明显增加用地量，也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:在隆起性岩土地段进行路基帮宽建造，需要进行隆起变形控制，且路堤边坡明显增加用地量的问题，提供紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构、路基系统及设计方法，不仅能有效控制路基帮宽结构的隆起变形，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：
一种紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构，包括顶部敞口设置的容料槽，所述容料槽的沿横向一端为倾斜悬臂，所述倾斜悬臂能够与既有无砟轨道路基的边坡相贴合，所述容料槽底部设置有若干根用于支撑所述容料槽的支撑梁，所有所述支撑梁沿所述容料槽长度方向间隔布置，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，所有所述加固桩沿所述支撑梁长度方向间隔布置，所述容料槽内从上至下依次填筑有土质填料层和轻质土层，相邻所述支撑梁之间的容料槽与地基之间具有空隙，所述土质填料层远离所述倾斜悬臂的一侧厚度大于靠近所述倾斜悬臂一侧的厚度。
土质填料层由土质材料填充而成，轻质土层由轻质土填充而成。
本发明所述的一种紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构，顶部敞口设置的容料槽用于放置从上至下依次设置有土质填料层和轻质土层，所述容料槽的一侧具有倾斜悬臂，且能够与既有无砟轨道路基的边坡相贴合，以作为帮宽路基结构的主体，而轻质土层由轻质土填充而成，从而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；而在轻质土层上部的土质填料层由土质材料填充而成，用于消散列车动应力，防止频繁列车荷载作用导致下部轻质土层中填筑的轻质土出现裂化。
所述土质填料层远离所述倾斜悬臂的一侧厚度大于靠近所述倾斜悬臂一侧的厚度，以确保容料槽重心位于支撑梁中心附近，避免容料槽产生较大的偏心作用，导致下部加固桩承受较大的偏心力。
而设置于所述容料槽底部的沿所述容料槽长度方向间隔布置的支撑梁，支撑梁用于将容料槽荷载传递至地基或加固桩(取决支撑梁相对于地基表面的位置)，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容料槽与地基面处于悬空状态，从而避免了地基隆起作用力直接作用在容料槽底部。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，其能够承受容料槽通过支撑梁传递下来的竖向荷载，控制帮宽路基结构沉降；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。
本方案所述的帮宽路基结构，不需要大量的取土、弃土作业，同时直接削减了传统帮宽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，所述容料槽通过自身及其内部填筑的土质填料层和轻质土层的重力作用能够抵消一部分地基隆起作用力。
综上所述：本发明所述的一种紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构，结合轻质土材料特征，以减少了所述加固桩组件的上部载荷，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帮宽结构的隆起变形，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，所述轻质土层顶部设置有至少一级台阶部，所述台阶部远离所述倾斜悬臂的一侧低于靠近所述倾斜悬臂的一侧。
通过设置至少一级台阶部，确保容料槽重心位于支撑梁中心附近，避免容料槽产生较大的偏心作用，导致下部加固桩承受较大的偏心力。
优选地，所述支撑梁与所述加固桩之间连接有连接钢筋。
优选地，所述容料槽远离所述倾斜悬臂的一侧具有垂直悬臂，所述土质填料层和轻质土层均位于所述倾斜悬臂与所述垂直悬臂之间，所述倾斜悬臂和所述垂直悬臂厚度相等。
所述倾斜悬臂和所述垂直悬臂厚度相等，以更方便地施工。
优选地，所述支撑梁两端均伸出所述容料槽的侧壁外。
本发明还公开了一种紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构的路基系统，包括地基，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。
本发明所述的一种采用所述紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构的路基系统，所述倾斜悬臂与既有无砟轨道路基的边坡相贴合，以保证帮宽路基结构满足基本使用要求，所述支撑梁设置于所述地基上，即可用于将容料槽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，并使得相邻所述支撑梁之间的容料槽与所述地基之间具有空隙，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容料槽。
具体地，所述倾斜悬臂与既有无砟轨道路基的边坡相贴合。
本发明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：建立路基系统设计模型，并使所述路基系统设计模型满足：当输入所述轻质土层的设计参数和既有无砟轨道路基的结构参数时，输出所述加固桩组件的上部承载重量Wn和所述加固桩组件的结构参数；
S2：计算所述加固桩组件能够提供予所述支撑梁的锚固力Fk和所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力Fs；
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，基于轻质土材料填充的轻质土层，以减少了所述加固桩组件的上部载荷，同时利用建立路基系统设计模型得到所述加固桩组件的上部承载重量Wn和所述加固桩组件的结构参数，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Wn、所述加固桩组件能够提供予所述支撑梁的锚固力Fk和所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力Fs确定所述路基系统的安全系数K，以安全系数K衡量路基安全标准，来进行桩组件上部结构模型的调试，最终确定最合理的路基系统的设计参数。
同时，本设计方法设计出的紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构，结合轻质土材料特征，以减少了所述加固桩组件的上部载荷，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帮宽结构的隆起变形，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，建立所述路基系统设计模型具体包含以下步骤：
S11.基于所述轻质土层的设计参数和既有无砟轨道路基的结构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容料槽、所述支撑梁、所述土质填料层和所述轻质土层；
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Wn；
S13.根据所述加固桩的尺寸和所述上部承载重量Wn得到所述加固桩组件的结构参数。
优选地，所述路基系统设计模型具体为：
Wn＝Wz+Wu+Wt
Wz＝BLHγc
Figure BDA0002425820980000061
Figure BDA0002425820980000062
Figure BDA0002425820980000063
Figure BDA0002425820980000064
Figure BDA0002425820980000065
式中，Wn为所述加固桩组件的上部承载重量；Wz为所述支撑梁结构重量，单位kN；Wu为所述容料槽的结构重量，单位kN；Wt为所述容料槽结构中所述轻质土层、所述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；γc为钢筋混凝土重度，单位kN/m3；b为所述容料槽宽度，单位m；h1为所述容料槽底板厚度，单位m；h为所述容料槽高度，单位m；h2为所述容料槽悬臂厚度，单位m；m为所述既有无砟轨道路基边坡坡率；S为相邻所述支撑梁间距，单位m；Δh为所述轻质土层和土质填料层在容料槽底板中心位置上设置的台阶高度，单位m；hn1为所述轻质土层填筑高度，单位m；γn1为所述轻质土层重度，单位kN/m3；hn2为所述土质填料层填筑高度，单位m；γn2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；Wn为所述加固桩组件的上部承载重量，单位kN；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；qsa为桩侧阻力特征值，单位kPa；qpa为桩端土端阻力特征值，单位kPa；
其中，桩侧阻力特征值qsa和桩端土端阻力特征值qpa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γc、轻质土重度γn1、土质填料重度γn2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S2-S3，直至计算得到的安全系数K满足：1.1≤K≤1.2。
优选地，所述路基系统的安全系数K：
Figure BDA0002425820980000071
式中，Wn为所述加固桩组件的上部承载重量；Fk为所述加固桩组件能够提供予所述支撑梁的锚固力；Fs为所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力。
优选地，所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力Fs：
Figure BDA0002425820980000072
式中，Fs，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；ps为地基的隆起应力，单位kPa；
其中，所述地基的隆起应力ps通过现场原位试验或室内土工试验确定；
所述加固桩组件能够提供予所述支撑梁的锚固力Fk：
Fk＝πdnfala
式中，Fk，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；fa为加固桩桩侧锚固力，单位kPa；la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fa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、本发明所述的一种紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构，结合轻质土材料特征，以减少了所述加固桩组件的上部载荷，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帮宽结构的隆起变形，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。
2、本发明所述的一种紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构，通过设置至少一级台阶部，确保容料槽重心位于支撑梁中心附近，避免容料槽产生较大的偏心作用，导致下部加固桩承受较大的偏心力。
3、本发明所述的一种采用所述紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构的路基系统，所述倾斜悬臂与既有无砟轨道路基的边坡相贴合，以保证帮宽路基结构满足基本使用要求，所述支撑梁设置于所述地基上，即可用于将容料槽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容料槽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容料槽底部。
4、本申请所述的一种用于所述路基系统的设计方法，基于轻质土材料填充的轻质土层，以减少了所述加固桩组件的上部载荷，同时利用建立路基系统设计模型得到所述加固桩组件的上部承载重量Wn和所述加固桩组件的结构参数，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Wn、所述加固桩组件能够提供予所述支撑梁的锚固力Fk和所述支撑梁与所述地基接触面的隆起作用力Fs确定所述路基系统的安全系数K，以安全系数K衡量路基安全标准，来进行桩组件上部结构模型的调试，最终确定最合理的路基系统的设计参数。
附图说明
图1是本发明的紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构的示意图(俯视)。
图2是本发明的图1中的A-A截面示意图。
图3是本发明的图1中的B-B截面示意图。
图4是本发明的图3中的C-C截面示意图。
图5是本发明的容料槽尺寸标记示意图。
图标：1-加固桩组件；11-加固桩；2-支撑梁；3-连接钢筋；4-容料槽；41-倾斜悬臂；42-垂直悬臂；5-轻质土层；51-台阶部；6-土质填料层；7-排水沟；8-既有无砟轨道路基；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，本实施例所述的一种紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构，包括：
加固桩11，紧邻既有无砟轨道路基8沿线路方向间隔成排设置；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；
容料槽4，沿线路纵向分段设置在支撑梁2顶部；
轻质土层5和土质填料层6，从下至上依次填筑在容料槽4内；
排水沟7，设置在远离既有无砟轨道路基8的容料槽4侧。
在上述方案中：
所述加固桩11桩长不小于1.2倍地基大气影响深度，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：一是可承受容料槽4通过支撑梁2传递下来的竖向荷载，控制帮宽路基结构沉降，也能减少荷载对既有无砟轨道路基8的影响；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2两端伸出容料槽4外侧不小于0.2m，支撑梁2与容料槽4采用钢筋固定连接。所述支撑梁2的作用包括三方面：一是将容料槽4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。
所述容料槽4内土质填料层6厚度不小于路基基床表层标准规定的厚度。容料槽4内下部填筑轻质土层5的作用在于避免抗隆起槽型帮宽路基结构荷载过大，导致显著增大加固桩11桩长的情况发生；而容料槽4内上部填筑土质填料层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下部轻质土层5出现裂化。
所述容料槽4倾斜悬臂41设置在紧挨既有无砟轨道路基8一侧，倾斜悬臂41坡率与既有无砟轨道路基8边坡坡率一致，所述容料槽4垂直悬臂42设置在远离既有无砟轨道路基8侧，倾斜悬臂41与垂直悬臂42厚度相同。所述容料槽4的作用在于通过自身及其内部填筑的轻质土层5和土质填料层6的重力作用抵消一部分地基9隆起作用力。
所述轻质土层5和土质填料层6在容料槽4底板中心位置上设置台阶，其作用在于确保容料槽4重心位于支撑梁2中心，避免容料槽4产生偏心作用，导致下部加固桩11承受偏心力。
相邻所述支撑梁2之间的容料槽4与地基9之间具有空隙。
本实施例的有益效果：本发明所述的一种紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构，结合轻质土材料特征，以减少了所述加固桩组件1的上部载荷，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帮宽结构的隆起变形，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。
实施例2
如图1-4所示，本实施例所述的一种采用所述紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构的路基系统，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之间的容料槽4与所述地基9之间具有空隙，所述倾斜悬臂41与既有无砟轨道路基8的边坡相贴合。
本发明所述的一种采用所述紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构的路基系统，所述倾斜悬臂41与既有无砟轨道路基8的边坡相贴合，以保证帮宽路基结构满足基本使用要求，所述支撑梁2设置于所述地基9上，即可用于将容料槽4荷载传递至地基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之间的容料槽4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容料槽4底部。
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，即可用于将容料槽4荷载传递至地基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之间的容料槽4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容料槽4底部。
在上述基础上，进一步优选的方式，所述支撑梁2之间的容料槽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容料槽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。
在上述基础上，进一步优选的方式，所述容料槽4外侧设置有排水沟7，所述排水沟7设置于所述地基9上。
实施例3
如图1-5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：
Wz＝BLHγc
式中Wz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；γc为钢筋混凝土重度，单位kN/m3；
②通过以下公式确定容料槽4的结构重量Wu：
Figure BDA0002425820980000131
式中Wu为容料槽4的结构重量，单位kN；b为容料槽4宽度，单位m；h1为容料槽4底板厚度，单位m；h为容料槽4高度，单位m；h2为容料槽4悬臂厚度，单位m；m为既有无砟轨道路基8边坡坡率；S为纵向支撑梁2间距，单位m；
③通过以下公式确定轻质土层5和土质填料层6在容料槽4底板中心位置上设置的台阶高度Δh
Figure BDA0002425820980000132
式中Δh为轻质土层5和土质填料层6在容料槽4底板中心位置上设置的台阶高度，单位m；hn1为轻质土层5填筑高度，单位m；γn1为轻质土层5重度，单位kN/m3；hn2为土质填料层6填筑高度，单位m；γn2为土质填料层6重度，单位kN/m3；
④通过以下公式确定容料槽4结构中轻质土层5、土质填料层6和上部轨道结构的重量Wt：
Figure BDA0002425820980000133
式中Wt为容料槽4结构中轻质土层5、土质填料层6和上部轨道结构的重量，单位kN；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11的上部承载重量Wn：
Wn＝Wz+Wu+Wt
⑤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：
Figure BDA0002425820980000141
式中n为同一支撑梁2底部所述加固桩11的数量；d为加固桩11桩径，单位m；l为加固桩11桩长，单位m；qsa为桩侧阻力特征值，单位kPa；qpa为桩端土端阻力特征值，单位kPa；
⑥通过以下公式确定路基横向加固桩11桩间距s：
Figure BDA0002425820980000142
式中s为加固桩11桩间距，单位m；
⑦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：
Figure BDA0002425820980000143
⑧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Fs：
Fs＝(1-ξ)LBps
式中Fs为支撑梁2与地基9接触面的隆起作用力，单位kN；ps为地基9的隆起应力，单位kPa；
⑨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Fk：
Fk＝πdnfala
式中Fk为支撑梁2底部加固桩11可提供的锚固力，单位kN；fa为加固桩11桩侧锚固力，单位kPa；la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；
⑩通过以下公式确定紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构的安全系数K：
Figure BDA0002425820980000151
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、h2、S、hn1、hn2、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qsa和桩端土端阻力特征值qpa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γc、轻质土重度γn1、土质填料重度γn2通过室内土工试验确定；所述地基9的隆起应力ps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fa通过现场单桩隆起试验确定。
本发明所述的一种设计方法，基于轻质土材料填充的轻质土层5，以减少了所述加固桩组件1的上部载荷，同时利用建立路基系统设计模型得到所述加固桩组件1的上部承载重量Wn和所述加固桩组件1的结构参数，其加固桩11布置的合理性大大提高，之后利用所述加固桩组件1的上部承载重量Wn、所述加固桩组件1能够提供予所述支撑梁2的锚固力Fk和所述支撑梁2与所述地基9接触面的隆起作用力Fs确定所述路基系统的安全系数K，以安全系数K衡量路基安全标准，来进行桩组件上部结构模型的调试，最终确定最合理的路基系统的设计参数。
同时，本设计方法设计出的紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构，结合轻质土材料特征，以减少了所述加固桩组件1的上部载荷，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帮宽结构的隆起变形，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。
实施例3
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：某新建高速铁路(设计时速300km/h，线间距4.8m)为引入既有无砟铁路，需在紧邻既有无砟轨道低路堤(填高1.8m、边坡坡率1.5)进行帮宽建造，该地层为膨胀土，其隆起应力ps为440kPa，大气影响深度5.0m，大气急剧影响层深度为3.0m，在膨胀土地层中加固桩11桩侧锚固力fa为50kPa、桩端阻力特征值qpa为600kPa、桩侧阻力特征值qsa为50kPa。为消除帮宽路基隆起变形，设计拟采用本发明的紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构，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；容料槽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γc取25kN/m3，轻质土γn1重度取5kN/m3，土质填料填筑高度hn2取0.5m、重度γn2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Wz＝BLHγc＝392kN；
②确定容料槽4的结构重量
Figure BDA0002425820980000161
③通过以下公式确定轻质土和土质填料在容料槽4底板中心位置设置的台阶高度
Figure BDA0002425820980000162
④确定容料槽4结构中轻质土、土质填料和上部轨道结构的重量
Figure BDA0002425820980000171
⑤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
Figure BDA0002425820980000172
⑥确定路基横向加固桩11桩间距
Figure BDA0002425820980000173
⑦确定加固桩11在支撑梁2底部的面积置换率
Figure BDA0002425820980000174
⑧确定支撑梁2与地基9接触面的隆起作用力Fs＝(1-ξ)LBps＝8386kN；
⑨确定支撑梁2底部加固桩11可提供的锚固力Fk＝πdnfala＝2827kN；
⑩确定U型抗隆起路基结构的安全系数
Figure BDA0002425820980000175
经判定1.1≤K≤1.2，K满足控制要求。
本发明的紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构适于具有强或极强隆起特性的岩土地基，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既有高速铁路低路堤帮宽建造。
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)和紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构，所述紧邻无砟铁路抗隆起帮宽路基结构包括顶部敞口设置的容料槽(4)，所述容料槽(4)的沿横向一端为倾斜悬臂(41)，所述倾斜悬臂(41)能够与既有无砟轨道路基(8)的边坡相贴合，所述容料槽(4)底部设置有若干根用于支撑所述容料槽(4)的支撑梁(2)，所有所述支撑梁(2)沿所述容料槽(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，所述容料槽(4)内从上至下依次填筑有土质填料层(6)和轻质土层(5)，相邻所述支撑梁(2)之间的容料槽(4)与地基(9)之间具有空隙，所述土质填料层(6)远离所述倾斜悬臂(41)的一侧厚度大于靠近所述倾斜悬臂(41)一侧的厚度，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：建立路基系统设计模型，并使所述路基系统设计模型满足：当输入所述轻质土层(5)的设计参数和既有无砟轨道路基(8)的结构参数时，输出所述加固桩组件(1)的上部承载重量Wn和所述加固桩组件(1)的结构参数；
S2：计算所述加固桩组件(1)能够提供予所述支撑梁(2)的锚固力Fk和所述支撑梁(2)与所述地基(9)接触面的隆起作用力Fs；
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所述的一种用于路基系统的设计方法，其特征在于，所述轻质土层(5)顶部设置有至少一级台阶部(51)，所述台阶部(51)远离所述倾斜悬臂(41)的一侧低于靠近所述倾斜悬臂(41)的一侧。
3.根据权利要求2所述的一种用于路基系统的设计方法，其特征在于，所述容料槽(4)远离所述倾斜悬臂(41)的一侧具有垂直悬臂(42)，所述土质填料层(6)和轻质土层(5)均位于所述倾斜悬臂(41)与所述垂直悬臂(42)之间，所述倾斜悬臂(41)和所述垂直悬臂(42)厚度相等。
4.根据权利要求1所述的一种用于路基系统的设计方法，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.基于所述轻质土层(5)的设计参数和既有无砟轨道路基(8)的结构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容料槽(4)、所述支撑梁(2)、所述土质填料层(6)和所述轻质土层(5)；
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Wn；
S13.根据所述加固桩(11)的尺寸和所述上部承载重量Wn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用于路基系统的设计方法，其特征在于，所述路基系统设计模型具体为：
Wn＝Wz+Wu+Wt
Wz＝BLHγc
Figure FDA0003666149510000021
Figure FDA0003666149510000022
Figure FDA0003666149510000031
Figure FDA0003666149510000032
Figure FDA0003666149510000033
式中，Wn为所述加固桩组件(1)的上部承载重量；Wz为所述支撑梁(2)结构重量，单位kN；Wu为所述容料槽(4)的结构重量，单位kN；Wt为所述容料槽(4)结构中所述轻质土层(5)、所述土质填料层(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；γc为钢筋混凝土重度，单位kN/m3；b为所述容料槽(4)宽度，单位m；h1为所述容料槽(4)底板厚度，单位m；h为所述容料槽(4)高度，单位m；h2为所述容料槽(4)悬臂厚度，单位m；m为所述既有无砟轨道路基(8)边坡坡率；S为相邻所述支撑梁(2)间距，单位m；Δh为所述轻质土层(5)和土质填料层(6)在容料槽(4)底板中心位置上设置的台阶高度，单位m；hn1为所述轻质土层(5)填筑高度，单位m；γn1为所述轻质土层(5)重度，单位kN/m3；hn2为所述土质填料层(6)填筑高度，单位m；γn2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；Wn为所述加固桩组件(1)的上部承载重量，单位kN；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；qsa为桩侧阻力特征值，单位kPa；qpa为桩端土端阻力特征值，单位kPa；
其中，桩侧阻力特征值qsa和桩端土端阻力特征值qpa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γc、轻质土重度γn1、土质填料重度γn2通过室内土工试验确定。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种用于路基系统的设计方法，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，调整所述路基系统设计模型，并重复步骤S2-S3，直至计算得到的安全系数K满足：1.1≤K≤1.2。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的一种用于路基系统的设计方法，其特征在于，所述路基系统的安全系数K：
Figure FDA0003666149510000041
式中，Wn为所述加固桩组件(1)的上部承载重量；Fk为所述加固桩组件(1)能够提供予所述支撑梁(2)的锚固力；Fs为所述支撑梁(2)与所述地基(9)接触面的隆起作用力。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的一种用于路基系统的设计方法，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Fs：
Figure FDA0003666149510000042
式中，Fs，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；ps为地基(9)的隆起应力，单位kPa；
其中，所述地基(9)的隆起应力ps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)能够提供予所述支撑梁(2)的锚固力Fk：
Fk＝πdnfala
式中，Fk，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；fa为加固桩(11)桩侧锚固力，单位kPa；la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fa通过现场单桩隆起试验确定。
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