CN111676740B - 路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的施工及设计方法 - Google Patents
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Classifications
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
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- E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
- E01B2/00—General structure of permanent way
Abstract
本发明涉及路基工程领域，特别是路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构、施工及设计方法，其中，路基结构包括沿线路纵向设置的承载板，所述承载板两侧分别连接有竖向设置的立臂板，所述立臂板用于阻挡路堑对应侧的边坡土体，所述承载板的至少一侧伸出对应的所述立臂板，并伸入对应侧的所述边坡土体中，所述承载板连接有预应力锚索，所述预应力锚索底部伸入持力层中，所述承载板底部设置有弹性压缩层，至少一个所述预应力锚索贯穿所述弹性压缩层。本发明所述的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构，能够有效控制软岩深路堑地段无砟轨道路堑地段上拱变形，同时保证边坡稳定，以满足高速铁路对线路平顺性和边坡稳定性的要求。
Description
技术领域
本发明涉及路基工程领域，特别是一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构、施工及设计方法。
背景技术
随着我国高速铁路的飞速发展，在建设过程中不可避免会遇到软岩深路堑地段，软岩深路堑地段包括地基和地基两侧的边坡土体，所述地基包括由上往下设置的上拱软岩层和持力层。软岩普遍具有遇水膨胀和卸荷流变的性质，二者在一定程度上会导致路基上拱病害的出现，严重威胁高速铁路的运营安全。而且高速铁路无砟轨道对路基变形控制极为严格，轨道扣件可调整量小，且运营期上拱病害整治困难。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在，软岩普遍具有遇水膨胀和卸荷流变的性质，会严重威胁高速铁路的运营安全；高速铁路无砟轨道对路基变形控制极为严格，运营期上拱病害整治困难的问题，提供路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构、施工及设计方法，能够有效控制软岩深路堑地段无砟轨道路堑地段上拱变形，同时保证边坡稳定，以满足高速铁路对线路平顺性和边坡稳定性的要求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构，包括沿线路纵向设置的承载板，所述承载板两侧分别连接有竖向设置的立臂板，所述立臂板用于阻挡路堑对应侧的边坡土体，所述承载板的至少一侧伸出对应的所述立臂板，并伸入对应侧的所述边坡土体中，所述承载板连接有预应力锚索，所述预应力锚索底部伸入持力层中，所述承载板底部设置有弹性压缩层，至少一个所述预应力锚索贯穿所述弹性压缩层。
本发明所述的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构，包括沿线路纵向设置的承载板，所述承载板两侧分别连接有竖向设置的立臂板，所述立臂板用于阻挡路堑对应侧的边坡土体，以保证边坡稳定，所述承载板的至少一侧伸出对应的所述立臂板，并伸入对应侧的所述边坡土体中，能充分利用路堑两侧边坡土体的自重反压承载板，进而增强本方案路基结构的抗上拱能力；所述承载板底部设置有弹性压缩层，通过弹性压缩层预留一定上拱余量，大大降低上拱软岩层上拱对无砟轨道的影响；所述承载板连接有预应力锚索，所述预应力锚索底部伸入持力层中，至少一个所述预应力锚索贯穿所述弹性压缩层，利用锚索的张拉力，能大幅提高结构的抗上拱能力。
综上所述，本发明所述的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构，能够有效控制软岩深路堑地段无砟轨道路堑地段上拱变形，同时保证边坡稳定，以满足高速铁路对线路平顺性和边坡稳定性的要求。
优选地，所述承载板的两侧均伸出对应的所述立臂板，并伸入对应侧的所述边坡土体中。
优选地，所述承载板与所述立臂板为一体浇筑成型的结构件。
将承载板、立臂板和翼板浇筑为一个整体，提升了结构的封闭性，能有效降低由水环境变化引起的基底上拱。
优选地，所述弹性压缩层与所述承载板相适配，弹性压缩层的面积与承载板面积相对应，避免承载板底部与上拱软岩层直接接触，更好地消除上拱软岩层上拱对无砟轨道的影响。
优选地，所述弹性压缩层包括若干弹性压缩层单元，所有所述弹性压缩层单元沿所述线路横向间隔设置。
优选地，所述弹性压缩层为橡胶板、SBS改性沥青板或聚苯乙烯泡沫板制成的结构件，所述弹性压缩层的压缩模量低于上拱软岩层的压缩模量。
优选地，所述弹性压缩层的厚度为0.4-0.6m，在现有规范设计条件下，所述弹性压缩层的厚度为0.4-0.6m，即能满足消能要求，又不浪费弹性压缩层，性价比最高。
优选地，所述预应力锚索为若干根，至少一根所述预应力锚索与所述承载板伸出所述立臂板的部分相连接。
设置多根预应力锚索，而且至少有一根预应力锚索与承载板伸出所述立臂板的部分相连接，使得预应力锚索施加于承载板的预拉力更加合理，利用锚索的张拉力，能更好地提高结构的抗上拱能力。
优选地，相邻所述预应力锚索间隔设置。
本申请还公开了一种用于形成所述路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的施工方法，包含以下步骤：
A1.分级开挖路堑边坡，边坡坡脚开挖至所述承载板标高；
A2.整平基底，在所述基底上纵向开挖沟槽，并在所述沟槽中铺设所述弹性压缩层；
A3.在所述弹性压缩层上进行所述承载板和所述立臂板施工，并在所述承载板上预留用于安装所述预应力锚索的索孔；
A4.施作预应力锚索，并对所述预应力锚索伸入所述持力层的部分进行压力注浆，待浆液凝固后张拉所述预应力锚索；
A5.分层回填并压实所述承载板伸出所述立臂板部分上方的边坡土体。
本发明所述的一种用于形成所述路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的施工方法，整个施工过程简单，施工合理，能够有效地实现所述路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构满足高速铁路对线路平顺性和边坡稳定性的要求的能力，而且，整个过程不需要额外的大型机械辅助，经济合理。
优选地，所述步骤A3具体为：
A31.在所述弹性压缩层上架设施工模板，
A32.在所述施工模板内放置所述承载板的钢筋笼和所述立臂板的钢筋笼，并采用焊接将所述承载板的主筋和所述立臂板的主筋相连接，确定每个所述预应力锚索的位置，并预留用于安装所述预应力锚索的索孔；
A33.在所述施工模板内浇筑混凝土，成型所述承载板和所述立臂板。
本申请还公开了一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的设计方法，包含以下步骤：
S1.基于本申请所述的路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的结构形式及尺寸参数建立路基结构设计模型；
S2.将土体自重GS输入所述路基结构设计模型，输出单个所述预应力锚索的最小设计参数，并根据所述最小设计参数选取最终的所述预应力锚索的尺寸参数，其中，所述土体自重GS为沿线路纵向每延米所述承载板承载的所述边坡土体的土体重量。
本申请所述的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的设计方法，能够科学合理地开展无砟轨道路基上拱起结构的抗上拱设计，且力学原理明确、推导思路清晰、计算过程简单，保证了本发明结构的受力安全，为工程设计计算提供可靠的依据。
优选地，步骤S2具体为：
S21.根据路堑地段的边坡尺寸建立边坡土体模型，并使所述边坡土体模型满足：当输入所述承载板伸入所述边坡土体的深度时，输出所述土体自重GS，
S22.将所述土体自重GS输入所述路基结构设计模型，输出单个所述预应力锚索的最小设计参数；
S23.根据所述最小设计参数选取最终的所述预应力锚索的尺寸参数。
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、本发明所述的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构，能够有效控制软岩深路堑地段无砟轨道路堑地段上拱变形，同时保证边坡稳定，以满足高速铁路对线路平顺性和边坡稳定性的要求。
2、本发明所述的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构，将承载板、立臂板和翼板浇筑为一个整体，提升了结构的封闭性，能有效降低由水环境变化引起的基底上拱。
3、本发明所述的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构，所述弹性压缩层与所述承载板相适配，弹性压缩层的面积与承载板面积相对应，避免承载板底部与上拱软岩层直接接触，更好地消除上拱软岩层上拱对无砟轨道的影响
4、本发明所述的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构，设置多根预应力锚索，而且至少有一根预应力锚索与承载板伸出所述立臂板的部分相连接，使得预应力锚索施加于承载板的预拉力更加合理，利用锚索的张拉力，能更好地提高结构的抗上拱能力。
5、本发明所述的一种用于形成所述路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的施工方法，整个施工过程简单，施工合理，能够有效地实现所述路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构满足高速铁路对线路平顺性和边坡稳定性的要求的能力，而且，整个过程不需要额外的大型机械辅助，经济合理。
6、本申请所述的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的设计方法，能够科学合理地开展无砟轨道路基上拱起结构的抗上拱设计，且力学原理明确、推导思路清晰、计算过程简单，保证了本发明结构的受力安全，为工程设计计算提供可靠的依据。
附图说明
图1是本发明的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构结构示意图(横截面)。
图2是本发明的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构结构示意图(俯视)。
图标：1-承载板；2-立臂板；3-翼板；4-弹性压缩层；5-预应力锚索；6-边坡土体；7-上拱软岩层；8-持力层；9-无砟轨道。
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1-2所示，本实施例所述的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构，包括沿线路纵向设置的承载板1，所述承载板1两侧分别连接有竖向设置的立臂板2，所述立臂板2用于阻挡路堑对应侧的边坡土体6，所述承载板1的至少一侧伸出对应的所述立臂板2，并伸入对应侧的所述边坡土体6中，所述承载板1连接有预应力锚索5，所述预应力锚索5底部伸入持力层8中，所述承载板1底部设置有弹性压缩层4，至少一个所述预应力锚索5贯穿所述弹性压缩层4。
本申请的路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构，包括承载板1、立臂板2、翼板3、弹性压缩层4、预应力锚索5，所述钢筋混凝土承载板1与两端分别设有立臂板2，所述立臂板2外侧设有翼板3，利用路堑两侧边坡土体6的自重反压承载板1，进而增强抗上拱路基结构的抗上拱能力，所述承载板1、立臂板2和翼板3均采用钢筋混凝土结构且固结为一整体，其中，翼板3即为承载板1伸出所述立臂板2，并伸入至所述边坡土体6中的部分，提升了结构的封闭性，能有效降低由水环境变化引起的基底上拱，所述承载板1、翼板3与路堑开挖基底面之间设置弹性压缩层4，通过预留一定上拱余量方法，消除基底上拱对无砟轨道9的影响，所述承载板1、翼板3上成排间隔设有多根竖向预应力锚索5，所述预应力锚索5穿过上拱软岩层7锚固于持力层8内，利用锚索的张拉力，能大幅提高结构的抗上拱能力。
在上述基础上，进一步优选的方式，所述弹性压缩层4的压缩模量低于所述上拱软岩层7的压缩模量，可采用橡胶板、SBS改性沥青或聚苯乙烯泡沫板。所述弹性压缩层4厚度范围为0.4-0.6m，优选值为0.5m。
在上述基础上，进一步优选的方式，所述弹性压缩层4包括若干弹性压缩层单元，所有所述弹性压缩层单元沿所述线路横向间隔设置。
本实施例的有益效果：本实施例所述的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构，在承载板1外侧设置翼板3，能充分利用路堑两侧边坡土体6的自重反压翼板3，进而增强结构的抗上拱能力；将承载板1、立臂板2和翼板3固结为一个整体，提升了结构的封闭性，能有效降低由水环境变化引起的基底上拱；在承载板下设置弹性压缩层4，通过预留一定上拱余量方法，消除基底上拱对无砟轨道9的影响；设置预应力锚索5，利用锚索的张拉力，能大幅提高结构的抗上拱能力。该结构不仅能有效解决软岩深路堑地段无砟轨道路基上拱问题，而且施工简单、经济合理，应用前景广阔。
实施例2
参照图1和图2，本发明的一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的施工方法，包括如下步骤：
A1.分级开挖路堑边坡，边坡坡脚开挖至翼板3；
A2.整平基底，纵向间隔开挖沟槽，并在所述沟槽中铺设弹性压缩层4；
A3.在弹性压缩层4上架设施工模板，放置承载板1、立臂板2、翼板3的钢筋笼，并采用焊接将其主筋相连，准确确定各预应力锚索5位置，预留索孔，然后浇筑混凝土；
A4.施作所述预应力锚索5，并对锚固段进行压力注浆，待浆液凝固后张拉预应力锚索5,其中，所述锚固段为所述预应力锚索5伸入所述持力层8的部分；
A5.分层回填压实翼板上部土体，并施作边坡防护与排水措施。
在步骤A2中，沟槽有很多条，所有所述沟槽沿线路横向间隔设置。
本实施例的有益效果：本实施例所述的一种用于形成所述路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的施工方法，整个施工过程简单，施工合理，能够有效地实现所述路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构满足高速铁路对线路平顺性和边坡稳定性的要求的能力，而且，整个过程不需要额外的大型机械辅助，经济合理。
实施例3
参照图1和图2，本实施例所述的一种用于实施例1所述的路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的设计方法，包含以下步骤：
基于实施例1所述的路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的结构形式及尺寸参数建立路基结构设计模型；
根据路堑地段的边坡尺寸建立边坡土体模型；并使所述边坡土体模型满足：当输入所述承载板1伸入所述边坡土体6的深度以及所述承载板1与水平面之间的夹角时，输出土体自重GS，
将所述土体自重GS输入所述路基结构设计模型，输出单个所述预应力锚索5的最小设计参数；
根据所述最小设计参数选取最终的所述预应力锚索5的尺寸参数。
其中，所述土体自重GS为沿线路纵向每延米所述承载板1承载的所述边坡土体6的土体重量。
上述方案具体包含以下步骤：
(1).测试深路堑地段单位面积软岩地基的上拱力fh；
(2).计算纵向每延米抗上拱结构受到软岩地基的上拱力，不计入弹性压缩层的作用，将其作为安全余量考虑：
Fh＝fh×b
式中：
Fh为纵向每延米抗上拱结构受到软岩地基的上拱力，单位kN/m；
b为抗上拱结构宽度，单位m；
(3).计算纵向每延米所述承载板1两侧翼板3上部承载的土体自重，所述承载板1水平设置：
Gs＝2γsdyh
式中：
GS为沿线路纵向每延米所述承载板1承载的所述边坡土体6的土体重量，kN/m；
dy翼板宽度，及即所述承载板1伸入所述边坡土体6的深度，m；
γs为上拱起结构两侧翼板上部土体的重度，kN/m3，地下水位以下取浮重；
h为立臂板背土体高度，m。
严格来说，沿线路纵向每延米所述承载板1承载的所述边坡土体6的土体重量GS与边坡坡度有关，但从工程上来讲，可以不考虑与边坡相关的上部三角形土，这样也可作为反压的安全余量。
(4)计算纵向每延米荷载效应组合的设计值：
S＝Fh-Gz-Gg-Gs
式中：
S为纵向每延米荷载效应组合的设计值，kN/m；
Gz为纵向每延米承载板、立臂板与翼板总重，kN/m，地下水位以下取浮重；
Gg为纵向每延米轨道结构自重，kN/m。
(5)利用极限状态设计表达式计算纵向每延米结构构件抗力的设计值：
R≥γ0S
式中：
R为纵向每延米结构构件抗力的设计值；
γ0为结构重要性系数，建议取值1.1，参考《建筑边坡工程技术规范》。
(6)计算每孔预应力锚索所需提供的抗拔力设计值Nak：
式中：
Nak为每孔预应力锚索所需提供的抗拔力设计值，kN；
n为垂直于线路方向预应力锚索设置排数；
s为沿线路方向预应力锚索设置间距，m。
(6)计算预应力锚索截面面积As：
式中：
As为预应力锚索截面面积，m2；
fpy为预应力预应力锚索5抗拉强度设计值，kPa；
Kb为预应力锚索索体抗拉安全系数，建议取值2.2，参考《建筑边坡工程技术规范》。
(7)计算预应力锚索锚固段长度la，锚固段长度取下面两式的大值：
式中：
K为预应力锚索锚固体抗拔安全系数，建议取值2.6，参考《建筑边坡工程技术规范》；
la为锚杆锚固段长度，m；
frbk为岩土层与锚固体极限粘结强度标准值，kPa；
D为锚固段钻孔直径，m；
n为预应力锚索5根数；
d为预应力锚索5直径，m；
fb为预应力锚索5与锚固砂浆间的粘结强度设计值，kPa。
本实施例的有益效果：该方法能够科学合理地开展无砟轨道路基上拱起结构的抗上拱设计，且力学原理明确、推导思路清晰、计算过程简单，保证了本发明结构的受力安全，为工程设计计算提供可靠的依据。
实施例4
参照图1和图2，本实施例所述的一种用于实施例1所述的路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的设计方法，包含以下步骤：
某高速铁路软岩深路堑结构，深路堑地段单位面积软岩地基的上拱力fh＝7.25MPa；抗上拱结构宽度为b＝17m，其中翼板3宽度为dy＝2m，立臂板高度h为6m，轨道荷载为Gg＝85.84kN，垂直于线路方向预应力锚索设置5排，沿线路方向预应力锚索设置间距为5m。预应力锚索5抗拉强度设计值fpy为360N/mm2，岩土层与锚固体极限粘结强度标准值frbk为500kPa，预应力锚索5与锚固砂浆间的粘结强度设计值fb为3.4MPa，预应力锚索5钻孔直径为1.1m。
(1)计算每延米抗上拱结构受到软岩地基的上拱力：
Fh＝fh×b＝7250×17＝123250kN/m
(2)计算纵向每延米承载板两侧翼板上部承载的土体自重：
Gs＝2γsdyh＝2×2.1×103×2×6＝5.04×104kN/m
(3)计算纵向每延米荷载效应组合的设计值：
Gz＝2.5×103×29＝72500kN/m
S＝Fh-Gz-Gg-Gs＝123250-72500-85.84-50400＝264.16kN/m
(4)纵向每延米结构构件抗力的设计值：
R＝γ0S＝1.1×264.16＝290.58kN/m
(5)计算每孔预应力锚索所需提供的抗拔力设计值
(6)预应力锚索截面面积：
(7)计算预应力锚索锚固段长度
锚固段长度取大值4.37m。
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)
1.一种路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的设计方法，其特征在于，所述路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构包括沿线路纵向设置的承载板(1)，所述承载板(1)两侧分别连接有竖向设置的立臂板(2)，所述立臂板(2)用于阻挡路堑对应侧的边坡土体(6)，所述承载板(1)的至少一侧伸出对应的所述立臂板(2)，并伸入对应侧的所述边坡土体(6)中，所述承载板(1)连接有预应力锚索(5)，所述预应力锚索(5)底部伸入持力层(8)中，所述承载板(1)底部设置有弹性压缩层(4)，至少一个所述预应力锚索(5)贯穿所述弹性压缩层(4)；
该设计方法包含以下步骤：
S1.基于所述路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构的结构形式及尺寸参数建立路基结构设计模型；
S2.将土体自重GS输入所述路基结构设计模型，输出单个所述预应力锚索(5)的最小设计参数，并根据所述最小设计参数选取最终的所述预应力锚索(5)的尺寸参数，其中，所述土体自重GS为沿线路纵向每延米所述承载板(1)承载的所述边坡土体(6)的土体重量，其中，
S21.根据路堑地段的边坡尺寸建立边坡土体模型，并使所述边坡土体模型满足：当输入所述承载板(1)伸入所述边坡土体(6)的深度时，输出所述土体自重GS，
S22.将所述土体自重GS输入所述路基结构设计模型，输出单个所述预应力锚索(5)的最小设计参数；
S23.根据所述最小设计参数选取最终的所述预应力锚索(5)的尺寸参数。
2.根据权利要求1所述的一种设计方法，其特征在于，所述承载板(1)的两侧均伸出对应的所述立臂板(2)，并伸入对应侧的所述边坡土体(6)中。
3.根据权利要求2所述的一种设计方法，其特征在于，所述承载板(1)与所述立臂板(2)为一体浇筑成型的结构件。
4.根据权利要求1所述的一种设计方法，其特征在于，所述弹性压缩层(4)与所述承载板(1)相适配，所有所述预应力锚索(5)贯穿所述弹性压缩层(4)。
5.根据权利要求4所述的一种设计方法，其特征在于，所述弹性压缩层(4)为橡胶板、SBS改性沥青板或聚苯乙烯泡沫板制成的结构件，所述弹性压缩层(4)的压缩模量低于上拱软岩层(7)的压缩模量。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种设计方法，其特征在于，所述预应力锚索(5)为若干根，至少一根所述预应力锚索(5)与所述承载板(1)伸出所述立臂板(2)的部分相连接。
7.一种基于权利要求1-6任意一项所述的设计方法的施工方法，其特征在于，该施工方法用于形成所述路堑地段无砟轨道抗上拱路基结构，该施工方法包含以下步骤：
A1.分级开挖路堑边坡，边坡坡脚开挖至所述承载板(1)标高；
A2.整平基底，在所述基底上纵向开挖沟槽，并在所述沟槽中铺设所述弹性压缩层(4)；
A3.在所述弹性压缩层(4)上进行所述承载板(1)和所述立臂板(2)施工，并在所述承载板(1)上预留用于安装所述预应力锚索(5)的索孔；
A4.施作预应力锚索(5)，并对所述预应力锚索(5)伸入所述持力层(8)的部分进行压力注浆，待浆液凝固后张拉所述预应力锚索(5)；
A5.分层回填并压实所述承载板(1)伸出所述立臂板(2)部分上方的边坡土体(6)。
8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，所述步骤A3具体为：
A31.在所述弹性压缩层(4)上架设施工模板；
A32.在所述施工模板内放置所述承载板(1)的钢筋笼和所述立臂板(2)的钢筋笼，并采用焊接将所述承载板(1)的主筋和所述立臂板(2)的主筋相连接，确定每个所述预应力锚索(5)的位置，并预留用于安装所述预应力锚索(5)的索孔；
A33.在所述施工模板内浇筑混凝土，成型所述承载板(1)和所述立臂板(2)。
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