鐵路路基承載力與路堤穩(wěn)定性及沉降關系的探討

毛曉輝

(中鐵十五局集團第一工程有限公司 西安 710000)

在鐵路路基的設計過程中，最為重要的3個控制指標參數(shù)分別是：地基承載力、穩(wěn)定性及基礎沉降[1]。為保證工程項目的安全性，確保鐵路運輸?shù)臅惩ǜ咝?，這3個參數(shù)在工程建設中必須滿足相關要求。

目前，我國已頒布的公路、鐵路相關規(guī)范，明確了路堤穩(wěn)定性、工后沉降要求，與其相比，路基承載力的規(guī)定則較為寬泛。其中，在行的鐵路規(guī)范中，《鐵路工程地基處理技術規(guī)程》 《鐵路路基設計規(guī)范》等在規(guī)定條款上存在一定差異[2]。并且在我國鐵路工程的學術研究中，有關鐵路路基承載力與路堤穩(wěn)定性及基礎沉降之間關系的研究成果相對較少，與美國、日本等其他國家還存在差距。

在鐵路路基設計中，基底承載力驗算與否需要認真探討，工程師有各自的見解。從設計角度來說，承載力驗算是保證基礎穩(wěn)定的先決條件，而對鐵路工程造價而言，承載力驗算結(jié)果也有間接影響。在實際工程中，不同工程師根據(jù)經(jīng)驗在承載力與路堤穩(wěn)定性的關系上有著相反的觀點，部分人認為，路堤穩(wěn)定性與沉降是重要因素，地基承載力驗算與否取決于路堤穩(wěn)定性與沉降是否滿足工程實際的要求，若路堤穩(wěn)定性與沉降均滿足工程要求時，便可不驗算地基承載力；某些工程師認為路基承載力若不滿足要求，穩(wěn)定性和沉降是否滿足要求則無法保證，即路基承載力與路堤穩(wěn)定性和沉降是充分條件關系，因此必須進行路基承載力驗算。

基于上述問題，本文以國內(nèi)鐵路路基承載力規(guī)范規(guī)定為基礎，根據(jù)地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)和相關規(guī)范，計算鐵路荷載作用下的鐵路路基承載力，研究路基承載力、路堤穩(wěn)定性及基礎沉降3者關系，以此討論路基承載力驗算結(jié)果是否影響路堤穩(wěn)定與沉降。

1 鐵路路基承載力要求及計算

1.1 鐵路路基承載力要求

在我國當前鐵路路基設計規(guī)范中，對鐵路路基承載力有不同的要求。例如在TB 10001-2016 《鐵路路基設計規(guī)范》[3]中，路基承載力要求應按照具體地質(zhì)條件確定；在TB 10106-2010 《鐵路工程地基處理技術規(guī)程》[4]中針對處理后的地基，其承載力需滿足第3.3.2條文要求，即復合地基處理后的地基承載力應滿足

pk≤k[σ]

(1)

式中：pk為基底壓力，kPa；[σ]為處理后的地基容許承載力，kPa；k為地基承載力計算修正系數(shù)，對于路堤、場坪等柔性基礎地基可取1.2～1.5。按上述要求，處理后的地基容許承載力應滿足

[σ]≥pk/k=(0.66～0.83)pk

(2)

1.2 鐵路路基承載力計算

由于對路基承載力計算的研究成果較多[5]，本文依據(jù)設計常用準則，對地基承載力可以采用太沙基承載力計算公式。其計算式為

Fu=c·Nc+q·Nq+1/2·γ·B·Nγ

(3)

式中：c為土的黏聚力，kPa；q為基礎側(cè)面超載，kPa；γ為土的容重，kN/m3；B為路基寬度，m；Nc，Nq，Nγ為承載力系數(shù)。

2 工程背景

潛江鐵路支線地處湖北，位于江漢平原腹地，屬于江漢平原貨運系統(tǒng)的重要組成部分。線路全長36.952 km，路基全長27.824 km，占全線長度75.03%。在鐵路路基設計中，路基橫斷面設計采用三角形路拱，由路基中心線向兩側(cè)設置坡度為4%的人字排水坡，利于雨水排出，以免浸泡路基面降低其強度。當鐵路設計曲線需要加寬時，加寬段路基面的形狀仍保持三角形不變。路堤標準橫斷面見圖1。

圖1 路堤標準橫斷面(單位：m)

下面以潛江鐵路支線工程為實例，通過具體計算以分析本工程內(nèi)影響路基承載力的因素，并探討其與路堤穩(wěn)定性及沉降的關系。

3 路堤穩(wěn)定性與路基基底承載力的關聯(lián)

路堤穩(wěn)定性分析由路堤堤身穩(wěn)定性分析、路基和地基整體穩(wěn)定性分析、路基沿斜坡地基或軟弱層帶滑動的穩(wěn)定性分析3部分組成。影響路堤穩(wěn)定性的因素多且復雜，無法在穩(wěn)定性計算中完全考慮到。因此對于穩(wěn)定性計算結(jié)果，還應結(jié)合場地條件和工程地質(zhì)類比法進行判斷以綜合分析評價。較為常用的分析方法主要為簡化Bishop法和瑞典條分法[6]。

圖2是瑞典條分法簡圖。

圖2 瑞典條分法簡圖

假定圓柱面為土體的滑動面，截面形狀為圓弧，將滑動面以上土體視為剛體，并以它為脫離體進行分析，不考慮土條之間側(cè)面上的相互作用，穩(wěn)定系數(shù)計算公式為

(4)

式中：ci為第i個土條的黏聚力，kPa；φi為第i個土條的內(nèi)摩擦角，(°)；li為第i個土條的滑弧長度，m；αi為第i個土條的坡角，(°)；Wi=γibihi，其中：γi為第i個土條的重度，kN/m3；bi，hi為寬度及高度，m。

以潛江鐵路支線工程為背景，選取典型橫斷面進行分析，根據(jù)工程情況，假定路堤填料及路基基底地基土的黏聚力c值、內(nèi)摩擦角φ和重度γ數(shù)值相同，以此分析路基在不同填土高度(3，5，8 m)時路基承載力情況，并分析其與路堤穩(wěn)定性之間存在的關系。

定義路基承載力與路基高度相關的參數(shù)λ如下

λ=γH/Fu

(5)

式中：γ為填料容重，kN/m3；H為路堤高度，m。

在相同參數(shù)下，通過有關數(shù)據(jù)的計算和分析整理，得出λ與路堤穩(wěn)定系數(shù)F的關系，見表1。

表1 λ與路堤穩(wěn)定系數(shù)F計算表

由表1可見：①當λ逐漸增大，路堤穩(wěn)定系數(shù)F逐漸減小，兩者存在很好的相關性；②當λ>1時，此時基底承載力不滿足要求且并未發(fā)生失穩(wěn)，路堤仍可能處于穩(wěn)定狀態(tài)(F>1)。而在實際中，當作用在路堤的荷載大于地基所能承受的極限承載力時，地基將會遭到嚴重的剪切破壞進而產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

從上述結(jié)果對比得知，當作用在路堤的荷載大于地基所能承受的極限承載力時，此時采用瑞典條分法分析的結(jié)果為路堤仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，與采用承載力計算方法的路堤穩(wěn)定性結(jié)果不一致，表明瑞典條分法得出的結(jié)果偏于不安全。而瑞典條分法和簡化Bishop法相比，前者更偏于安全。基于上述原因，采用簡化Bishop法驗算路堤穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求的情況下，并不能保證路堤仍會處于穩(wěn)定狀態(tài)而不發(fā)生失穩(wěn)破壞。

根據(jù)潛江鐵路支線工程計算結(jié)果可知，地基承載力與路堤穩(wěn)定性無直接關聯(lián)。該段路基承載力滿足安全要求的前提是土條內(nèi)摩擦角為5°時，堤高度不小于5 m或土條內(nèi)摩擦角為10°；而穩(wěn)定性滿足要求則相對要寬泛的多。這主要是進行地基承載力驗算時，假定條件與實際情況產(chǎn)生一定差異。當路堤的荷載大于地基極限承載力時，路堤仍可能保持穩(wěn)定狀態(tài)，并未發(fā)生失穩(wěn)，因此，地基承載力驗算是進行路堤設計時必不可少的重要環(huán)節(jié)。

4 路堤沉降與路基基底承載力的關聯(lián)

路堤沉降主要由路堤填筑部分沉降和地基沉降2部分組成。地基在長期荷載作用下產(chǎn)生的最終沉降量可分為3個部分：瞬時沉降、主固結(jié)沉降及次固結(jié)沉降。次固結(jié)沉降是指地基在長期荷載作用下土體中有效應力不變，超孔隙水壓力已完全消散的情況下，由土體骨架緩慢蠕變所產(chǎn)生的沉降。瞬時沉降是指施加荷載后，土體在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生的沉降。在實際工程的計算中，次固結(jié)沉降和瞬時沉降往往利用主固結(jié)沉降乘以修正系數(shù)m得出。根據(jù)壓縮實驗得到計算參數(shù)，主固結(jié)沉降Sc在計算沉降時應采用分層總和法進行計算。

當采用e-p曲線作為參數(shù)進行計算時，主固結(jié)沉降的沉降量Sc計算式為

(6)

式中：n為壓縮土層內(nèi)土層分層的數(shù)目；e1i為地基中各分層在自重應力作用下的穩(wěn)定孔隙比；e2i為地基中各分層在自重應力和附加應力共同作用下的穩(wěn)定孔隙比；hi為地基中各分層的初始厚度，m。

總沉降的計算公式為

S=mSc

(7)

式中：m為綜合經(jīng)驗修正系數(shù)。

式(6)中的參數(shù)e-p曲線是在有側(cè)向限制的條件下通過壓縮試驗得到的，由于存在側(cè)向限制，式(6)計算得到的主固結(jié)沉降中，地基側(cè)向變形產(chǎn)生沉降可以忽略不計。雖然式(7)在計算總沉降時側(cè)向變形產(chǎn)生的沉降通過綜合經(jīng)驗修正系數(shù)考慮了，但地基不發(fā)生破壞是式(7)適用的前提條件。據(jù)目前的研究可知，當作用在路堤的荷載大于地基所能承受的極限承載力時，地基將產(chǎn)生較大的側(cè)向變形[7-8]。當作用上部荷載大于地基的極限承載力時，地基有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此，計算路基的沉降時式(7)將不再適用。所以考慮地基側(cè)向變形時，只有地基承載力滿足實際要求時，地基沉降計算公式才能適用；否則，計算出的地基沉降也不準確。

根據(jù)上述適用原則，倘若采用式(7)進行沉降計算得到的結(jié)果滿足設計要求，而地基側(cè)向變形過大、地基破壞等情況也可能會發(fā)生，因此，在進行路堤沉降前應對地基極限承載力進行驗算。只有當?shù)鼗休d力驗算滿足規(guī)范要求時，才能科學、準確地判定路堤沉降計算結(jié)果。

5 結(jié)論

1) 當作用在路堤的荷載大于地基所能承受的極限承載力時，此時采用瑞典條分法計算的結(jié)果為路堤仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，路堤穩(wěn)定性結(jié)果在采用承載力計算和瑞典條分法分析時不一致，應分別計算路堤穩(wěn)定性與地基承載力，以滿足設計要求。

2) 只有地基承載力滿足實際要求時，地基沉降計算公式才能適用，地基極限承載力滿足實際要求是路堤沉降計算公式適用的前提。

3) 保證路堤穩(wěn)定性及減小路堤沉降的前提條件是基底承載力滿足設計要求，在路基設計中對路基基底承載力進行驗算是必不可少的。