CN108108507B - 一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法，以解决实际设计中采用高强土工布加固铁路岩溶路基时缺乏理论依据和设计方法的难题。按如下步骤进行：确定溶洞大小和高强土工布上部荷载；确定路基面变形容许值和高强土工布的长期应变、蠕变应变容许值；确定高强土工布的极限强度、短期张拉力‑应变关系以及长期使用后张拉力‑应变关系；计算高强土工布达到平衡位置时的张拉力和相应的应变；计算高强土工布变形引起的路基面变形；计算高强土工布的长期应变和蠕变应变；计算锚固段长度，完成设计流程。

Description

一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法

技术领域

本发明涉及一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法。属岩土工程地基处理技术领域。

背景技术

伴随着我国铁路建设的快速发展，近年来穿越岩溶发育地区的铁路路基不断增加。溶洞塌陷是突发性的，对列车运营危害极大，而溶洞发育具有隐蔽性、复杂性的特点，现有的地质勘探手段难以有效、全面得揭示其发育特征，从而给岩溶整治带来了较大的困难。当前通常采用换填、注浆及桩板结构等手段对岩溶进行整治，但上述手段均有局限性。换填可靠性高、施工简便，但只适用于基底能够揭露的浅层溶洞；注浆加固应用最广，但施工质量和整治效果不易控制，加固半径有限，注浆点之间仍有塌陷的可能，近年来已发生多起采用注浆加固后仍形成塌陷的案例；此外注浆加固要采用压力注浆，对既有线影响较大；桩板结构跨越措施最为稳妥，但施工周期长，造价高。

高强土工布不同于一般的土工布，其强度可高达1200kN/m，铺设在基底能够承担溶洞塌陷引起的上部荷载，避免因溶洞塌陷造成路基结构的突然性破坏，为后期维修提供时间。总体而言，高强土工布铺设在基底加固岩溶路基具有加固范围广、加固效果好、施工便捷、造价低的优点。但这一加固措施缺乏设计方法，应用于实践时无相应的理论指导。因此研究高强土工布加固岩溶路基的设计方法，是铁路路基岩溶整治亟需解决的关键技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法，以解决实际设计中采用高强土工布加固铁路岩溶路基时缺乏理论依据和设计方法的难题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法，按如下步骤进行：

①确定溶洞大小和高强土工布上部荷载；

②确定路基面变形容许值和高强土工布的长期应变、蠕变应变容许值；

③确定高强土工布的极限强度、短期张拉力-应变关系以及长期使用后张拉力-应变关系，由材料特性决定的短期、长期高强土工布张拉力-应变关系分别表示为：

F_T＝J₁ε (1)

F_T＝J₂ε_l (2)

式中：F_T为高强土工布张拉力，kN；J₁为高强土工布产生单位应变所需要的张拉力，kN；J₂为长期使用后，高强土工布产生单位应变所需要的张拉力，kN；ε为期内高强土工布的应变；ε_l为长期使用后高强土工布的应变；

④计算高强土工布达到平衡位置时的张拉力和相应的应变，高强土工布的力学计算模型简化为以溶洞边缘为支点的自由悬索结构，由力学平衡可得如下公式：

式中：D为溶洞直径，m；q为高强土工布上部土体及外部荷载，kN/m；

联立公式(2)和公式(3)，可求出岩溶塌陷后高强土工布达到平衡位置时的张拉力和相应的应变；将计算出的张拉力与高强土工布的容许强度比较，如不满足则应重新选择高强土工布；高强土工布的容许强度采用极限强度除以综合折减系数来计算，综合折减系数可取2.5～5.0；

⑤计算高强土工布变形引起的路基面变形，并与路基面变形容许值比较，如不满足则应重新选择土工布；

对于长度和宽度相差较大的第一类溶洞，路基面变形计算公式为：

对于长度和宽度相差不大的第二类溶洞，路基面变形计算公式为：

式中：s为路基面变形，m；H为高强土工布上部土体高度；θ为破裂面倾角；

将路基面变形计算值与路基面变形容许值比较，如不满足则应重新选择土工布；

⑥计算高强土工布的长期应变和蠕变应变，并与限值比较，如不满足则应重新选择土工布；

⑦计算锚固段长度，完成设计流程。

本发明的有益效果是，从控制岩溶塌陷引起的路基面变形和高强土工布的长期应变和蠕变出发，构建了一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法，为实际设计提供了理论指导，有效解决了铁路路基岩溶整治面临的一项技术难题。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本发明的一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法，按如下步骤进行：

①确定溶洞大小和高强土工布上部荷载。溶洞大小主要依据现场地质勘察和工程实践，也可采用概率统计的方法确定。高强土工布上部荷载包括上部填土荷载、轨道自重以及列车荷载。

②确定路基面变形容许值和高强土工布的长期应变、蠕变应变容许值。根据铁路轨道类型和时速确定，一般情况下无砟轨道允许值15mm，有砟轨道允许值5～30cm。为了控制基底的沉降向路基面延伸，一般要求高强土工布包括蠕变在内的最大总应变控制在6％以内，为了减小土工材料由于蠕变引起的长期应变对路基面变形可能产生的不利影响，通常要求最大蠕变应变不应超过2％。

③确定高强土工布的极限强度、短期张拉力-应变关系以及长期使用后张拉力-应变关系。土工材料随着使用时间增加，会产生蠕变，因此还要确定在长期使用后高强土工布张拉力-应变关系。由材料特性决定的短期、长期高强土工布张拉力-应变关系分别可表示为：

F_T＝J₁ε (1)

F_T＝J₂ε_l (2)

式中：F_T为高强土工布张拉力，kN；J₁为高强土工布产生单位应变所需要的张拉力，kN；J₂为长期使用后，高强土工布产生单位应变所需要的张拉力，kN；ε为期内高强土工布的应变；ε_l为长期使用后高强土工布的应变。

④计算高强土工布达到平衡位置时的张拉力和相应的应变：

溶洞塌陷后上部土体及外部荷载全部由高强土工布承担，因此高强土工布的力学计算模型简化为以溶洞边缘为支点的自由悬索结构，由力学平衡可得公式：

式中：D为溶洞直径，m；q为高强土工布上部土体及外部荷载，kN/m；

联立公式(2)和公式(3)，可求出岩溶塌陷后高强土工布达到平衡位置时的张拉力和相应的应变；将计算出的张拉力与高强土工布的容许强度比较，如不满足则应重新选择高强土工布；高强土工布的容许强度采用极限强度除以综合折减系数来计算，综合折减系数可取2.5～5.0。

⑤计算高强土工布变形引起的路基面变形，并与路基面变形容许值比较，如不满足则应重新选择土工布。

对于长度和宽度相差较大的第一类溶洞，如长方形的溶槽等，路基面变形计算公式为：

对于长度和宽度相差不大的第二类溶洞，如圆形溶洞，路基面变形计算公式为：

式中：s为路基面变形，m；H为高强土工布上部土体高度；θ为破裂面倾角；

将路基面变形计算值与路基面变形容许值比较，如不满足则应重新选择土工布。

⑥计算高强土工布的长期应变和蠕变应变，并与限值比较，如不满足则应重新选择土工布。联立式(2)和式(3)求出长期使用后高强土工布的应变，长期应变减去短期应变即为蠕变应变。将长期应变和蠕变应变与限值比较，如不满足则应重新选择土工布。

⑦计算锚固段长度，完成设计流程。

高强土工布的锚固靠自身与土体的摩擦力来实现，其锚固长度的计算公式如下：

式中：l为高强土工布锚固长度，m；Fs为安全系数，m；γ为高强土工布上部土体重度，kN/m³；

为填料与高强土工布上表面、下表面的摩擦角。

本发明从控制岩溶塌陷引起的路基面变形和高强土工布的长期应变和蠕变出发，构建了一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法，为实际设计提供了理论指导，有效解决了铁路路基岩溶整治面临的一项技术难题。

实施例

1、设计参数

某线XLK4+540～XLK4+660段出露地层为三叠下统安顺组(T1a)可溶岩，地表调查可见见溶沟、溶槽、溶蚀洼地、溶洞等岩溶现象。物探显示该段岩溶强烈发育，主要为溶蚀破碎带、充填溶洞、溶隙。钻孔揭示有溶洞存在，溶洞最大直径1.6m。线路左侧为既有无砟轨道客运线，新建工程为低速有砟线路，填方高度4～6m，填土重度取20kN/m³。如采用注浆加固对既有线影响较大，无砟轨道轨道板有被注浆压力顶起的可能，因此考虑该段落采用高强土工布结合地表水防渗措施加固岩溶路基。

2、设计过程

①确定溶洞大小和高强土工布上部荷载。结合地质勘察及工程经验，溶洞直径保守取值为1.6m。轨道与列车荷载取60kN/m，则高强土工布上部荷载q＝20×6+60＝150kN/m。

②确定路基面变形容许值。线路为低速有砟轨道，路基面容许变形取为20cm。

③确定高强土工布张拉力和应变关系曲线。设计初步选定极限抗拉强度为1200kN的高强土工布，由试验资料可知：短期内张拉力与应变的关系为：F_T＝12000ε；长期使用后，张拉力与应变的关系为：F_T＝7200ε。

④确定高强土工布达到平衡位置时的张拉力和应变。力学平衡公式为：

带入短期张拉力与应变关系：

F_T＝12000ε

可得ε＝3.1％，F_T＝372kN。取综合折减系数为3，则高强土工布容许强度为1200/3＝400kN＞372kN，满足要求。

⑤计算路基面变形。对于第一类溶洞，路基面变形计算公式为：

对于第二类溶洞，路基面变形计算公式为：

均满足要求。

⑥验算高强土工布长期应变和蠕变。将长期使用后的高强土工布张拉力-应变关系：

F_T＝7200ε

带入力学平衡公式，可得结合力学平衡公式和高强土工布的长期张拉力与应变关系曲线，可得ε＝4.4％＜6％，如变应变为ε_l-ε＝4.4％－3.1％＝1.3％＜2％，满足要求。

⑦计算最小锚固长度。根据经验，安全系数取2.0，锚固段长度计算公式为：

故所需最小锚固长度为4.4m。

经计算可知，采用极限抗拉强度为1200kN的高强土工布加固该段岩溶路基，高强土工布强度、长期应变、蠕变以及路基面变形均满足要求，设计完成。

Claims (6)

1.一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法，按如下步骤进行：

①确定溶洞大小和高强土工布上部荷载；

②确定路基面变形容许值和高强土工布的长期应变、蠕变应变容许值；

③确定高强土工布的极限强度、短期张拉力-应变关系以及长期使用后张拉力-应变关系，由材料特性决定的短期、长期高强土工布张拉力-应变关系分别表示为：

F_T＝J₁ε (1)

F_T＝J₂ε_l (2)

式中：F_T为高强土工布张拉力，kN；J₁为高强土工布产生单位应变所需要的张拉力，kN；J₂为长期使用后，高强土工布产生单位应变所需要的张拉力，kN；ε为期内高强土工布的应变；ε_l为长期使用后高强土工布的应变；

④计算高强土工布达到平衡位置时的张拉力和相应的应变，高强土工布的力学计算模型简化为以溶洞边缘为支点的自由悬索结构，由力学平衡可得如下公式：

式中：D为溶洞直径，m；q为高强土工布上部土体及外部荷载，kN/m；

联立公式(2)和公式(3)，可求出岩溶塌陷后高强土工布达到平衡位置时的张拉力和相应的应变；将计算出的张拉力与高强土工布的容许强度比较，如不满足则应重新选择高强土工布；高强土工布的容许强度采用极限强度除以综合折减系数来计算，综合折减系数可取2.5～5.0；

⑤计算高强土工布变形引起的路基面变形，并与路基面变形容许值比较，如不满足则应重新选择土工布；

对于长度和宽度相差较大的第一类溶洞，路基面变形计算公式为：

对于长度和宽度相差不大的第二类溶洞，路基面变形计算公式为：

式中：s为路基面变形，m；H为高强土工布上部土体高度；θ为破裂面倾角；

将路基面变形计算值与路基面变形容许值比较，如不满足则应重新选择土工布；

⑥计算高强土工布的长期应变和蠕变应变，并与限值比较，如不满足则应重新选择土工布；

⑦计算锚固段长度，完成设计流程。

2.如权利要求1所述的一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法，其特征是：所述步骤①中，高强土工布上部荷载包括上部填土荷载、轨道自重以及列车荷载。

3.如权利要求1所述的一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法，其特征是：所述步骤②中，路基面变形容许值根据铁路轨道类型和时速确定，无砟轨道的路基面变形容许值为15mm，有砟轨道的路基面变形容许值为5～30cm。

4.如权利要求1所述的一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法，其特征是：所述步骤②中，为控制基底的沉降向路基面延伸，要求高强土工布包括蠕变在内的最大总应变控制在6％以内；为减小土工材料由于蠕变引起的长期应变对路基面变形可能产生的不利影响，要求最大蠕变应变不超过2％。

5.如权利要求1所述的一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法，其特征是：所述步骤⑥中，联立式(2)和式(3)求出长期使用后高强土工布的应变，长期应变减去短期应变即为蠕变应变；将长期应变和蠕变应变与限值比较，如不满足则应重新选择土工布。

6.如权利要求1所述的一种高强土工布加固铁路岩溶路基的设计方法，其特征是：所述步骤⑦中，高强土工布的锚固靠自身与土体的摩擦力来实现，其锚固长度的计算公式如下：

式中：l为高强土工布锚固长度，m；Fs为安全系数，m；γ为高强土工布上部土体重度，kN/m³；

为填料与高强土工布上表面、下表面的摩擦角。