既有鐵路外側(cè)堆土對路基沉降影響的估算

劉俊飛

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司地質(zhì)路基勘察設(shè)計院，北京 102600)

鐵路用地紅線范圍有限，在用地紅線或鐵路防護(hù)柵欄之外不可避免地會受到新的人為等因素對周圍環(huán)境的改變。其中，以新增堆土現(xiàn)象較為普遍。

對于運營期間的高速鐵路，在其路基外側(cè)堆土等新增荷載也可能在路基處產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力，使路基產(chǎn)生沉降變形，進(jìn)而引起軌道平順性變差。

本文將通過對CFG樁復(fù)合地基中附加應(yīng)力的分布特征和路基外側(cè)新增荷載在荷載外部產(chǎn)生的附加應(yīng)力分布特征的分析，提出外側(cè)堆土對路基沉降的影響機理和沉降變形估算方法。

1 CFG樁復(fù)合地基中附加應(yīng)力分布特征

高速鐵路路基為控制工后沉降多采用CFG樁等剛性樁復(fù)合地基。既有研究表明，這些剛性樁復(fù)合地基在承受路堤荷載及其他上部荷載時，將會通過樁土相互作用把力向下傳遞到下臥層中，在很大程度上減小了加固區(qū)土體的受力和變形，相應(yīng)地增加了下臥層土體的受力和變形。由于下臥層土體往往明顯好于加固區(qū)，因此可以有效減小地基的總變形。圖1、圖2分別為采用CFG樁樁網(wǎng)、樁筏復(fù)合地基進(jìn)行加固的某高速鐵路路基地基土中附加應(yīng)力與深度的關(guān)系曲線(路堤填高約7 m，堆載預(yù)壓3.5 m，樁間距為3～5倍樁徑)。計算表明，下臥層的附加應(yīng)力分布仍然符合條形荷載下Bousinessq解的曲線特征。

《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106—2010)提出，對于剛性樁復(fù)合地基可采用鐵路橋規(guī)法、L/3法等計算地基沉降，采用L/3法時不計加固區(qū)沉降，這正是對圖1、圖2所示復(fù)合地基附加應(yīng)力分布特征的近似。其中，L/3法的應(yīng)力計算方法也是對Bousinessq解法的近似(圖3)。

圖1 某路堤下CFG樁樁網(wǎng)復(fù)合地基附加應(yīng)力與深度關(guān)系

圖2 某路堤下CFG樁樁筏復(fù)合地基附加應(yīng)力與深度關(guān)系

圖3 L/3法計算得到的路基中線處附加應(yīng)力系數(shù)

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》(TB10621-2009)指出:路基設(shè)計中，壓縮層厚度法國一般取路堤底寬的3倍，日本一般取路堤底寬的3～5倍;德國和我國采用附加應(yīng)力等于0.1倍自重應(yīng)力確定。在路基頂寬為13.6 m或13.8 m，按1∶1.5放坡，路基填高3～8 m的條件下，按附加應(yīng)力等于0.1倍自重應(yīng)力確定的壓縮層厚度一般為1.3～1.7倍路基底寬。

根據(jù)前面的分析，剛性樁復(fù)合地基在樁間距為3～5倍樁徑時，路堤荷載下附加應(yīng)力的增加主要發(fā)生在下臥層中，并以樁端以下深度為1.5倍路基底寬范圍內(nèi)為主要影響深度。采用Bousinessq公式計算鐵路路堤條形荷載下該深度范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)約為0.6。

2 外側(cè)堆土荷載的附加應(yīng)力特征分析

近似地，把路基外側(cè)新增堆土荷載按條形均布荷載考慮(對局部填土，這樣考慮是偏于安全的)。條形均布荷載下地基中附加應(yīng)力系數(shù)公式為

式中，m=x/b，n=z/b，b為荷載寬度;z為計算深度。

計算得到的不同位置的附加應(yīng)力曲線見圖4。從橫向看，隨著距離的增加地基中附加應(yīng)力不斷衰減;從縱向看，在荷載外部，沿深度方向附加應(yīng)力先增大然后再減小，且沿深度衰減的速度較小。最大附加應(yīng)力的深度大致從荷載邊緣起，沿1∶2直線出現(xiàn)(圖5)。

圖4 條形均布荷載外側(cè)不同位置地基土的附加應(yīng)力曲線

按Bousinessq解求得不同x/b處地基土中最大附加應(yīng)力系數(shù)kmax，見圖6。對其擬合，可得式(2)，擬合曲線為圖中虛線。

3 外側(cè)堆土荷載引起的路基沉降估算方法

從前面分析可以得出，路堤荷載下主要受力深度范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)約為0.6。而路堤外側(cè)新增條形荷載在路基處產(chǎn)生的附加應(yīng)力大致起于按1∶2擴(kuò)散的位置，且該附加應(yīng)力沿深度衰減的速度較小，可采用峰值應(yīng)力近似計算。由此，路基外側(cè)新增條形荷載在路基處產(chǎn)生的沉降可以分以下3種情況進(jìn)行估算。

圖5 條形均布荷載外側(cè)附加應(yīng)力最大值出現(xiàn)的深度

圖6 附加應(yīng)力最大值隨橫向距離的衰減

(1)D≥L+1.5B

當(dāng)路基外側(cè)新增填土荷載與路基計算點之間的距離D大于L+1.5B時(L為樁長，B為路基底寬)，可以認(rèn)為新增填土荷載不對路基產(chǎn)生影響(圖7(a))。

(2)D≤(L+1.5B)/2

當(dāng)路基外側(cè)新增填土荷載與路基計算點之間的距離D小于L+1.5B時(圖7(b))，可以采用下式估算填土引起的路基沉降

式中，S0為路基填筑引起的沉降，可使用路基沉降設(shè)計值或?qū)崪y值;p為路基外側(cè)填土荷載;γD為路基填土容重;HD為路基填高。

將式(2)代入上式可得

(3)L+1.5B＞D＞(L+1.5B)/2

當(dāng)路基外側(cè)新增填土荷載與路基計算點之間的距離D介于(L+1.5B)/2和(L+1.5B)之間時(圖7(b))，可以按式(3)的一半估算，即采用下式估算填土引起的路基沉降

當(dāng)路基外側(cè)填土寬度較大時，可以按上述區(qū)域分塊計算。當(dāng)路基處地面坡度較大時，應(yīng)考慮填土對坡面穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行專門的評估。

圖7 填土荷載與路基的位置關(guān)系

4 結(jié)論

(1)剛性樁復(fù)合地基在樁間距為3～5倍樁徑時，路堤荷載下附加應(yīng)力的增加主要發(fā)生在下臥層中，并以樁端以下深度為1.5倍路基底寬范圍內(nèi)為主要影響深度。采用Bousinessq公式計算鐵路路堤梯形條形荷載下該深度范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)約為0.6。

(2)近似地，把路基外側(cè)新增堆土荷載按條形均布荷載考慮。隨著橫向距離的增加地基中附加應(yīng)力不斷衰減;沿深度方向附加應(yīng)力先增大然后再減小，且沿深度衰減的速度較小。最大附加應(yīng)力的深度大致從荷載邊緣起，沿1∶2直線出現(xiàn)。

(3)路基外側(cè)新增條形荷載在路基處產(chǎn)生的沉降可以分為3種情況進(jìn)行估算。

［1］ 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］ 中華人民共和國鐵道部.TB10106—2010 鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［3］ 劉俊飛.鐵路CFG樁復(fù)合地基沉降控制機理與計算方法研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2011.