路堑地段无砟轨道抗隆起的路基结构及其施工与设计方法与流程

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隆起的路基结构及其施工与设计方法。

背景技术：

近年来，我国高速铁路发展迅速，在建设过程中不可避免会遇到软岩深路堑地段，而软岩深路堑地段包括位于地表的上拱软岩层和位于上拱软岩层下方的稳定岩层，软岩普遍具有卸荷蠕变和遇水膨胀的性质，随着工程开挖施工的进行，基底软岩将受到开挖卸荷、水环境变化的双重影响，二者均会在不同程度上导致高速铁路路基隆起，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，且运营期隆起病害整治困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有技术存在，软岩受到开挖卸荷、水环境变化的双重影响，会导致高速铁路路基隆起，严重威胁高速铁路的运营安全的问题，提供一种路堑地段无砟轨道抗隆起的路基结构及其施工与设计方法，能够有效控制软岩深路堑地段无砟轨道路堑地段持续隆起变形，保证软岩边坡的稳定，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隆起的路基结构，包括沿线路纵向设置的承载板，所述承载板至少一侧伸入对应侧的边坡土体中，所述承载板底部设置有弹性压缩层，所述承载板上沿线路横向间隔设置有两个桩板墙组件，所述桩板墙组件包括至少两个竖向设置的锚固桩，所述锚固桩与所述承载板相连接，所述锚固桩贯穿所述承载板，并深入稳定岩层中。

本发明所述的一种路堑地段无砟轨道抗隆起的路基结构，包括沿线路纵向设置的承载板，所述承载板至少一侧伸入对应侧的所述边坡土体中，能充分利用路堑至少一侧边坡土体的自重反压基底，进而增强承载板的抗隆起能力，同时，所述承载板上沿线路横向间隔设置有两个桩板墙组件，所述桩板墙组件包括至少两个竖向设置的锚固桩，所述锚固桩与所述承载板相连接，所述锚固桩贯穿所述承载板，并深入稳定岩层中，利用锚固桩的抗拔力，进而大幅提高本申请所述的路基结构的抗隆起能力，所述承载板底部设置有弹性压缩层，通过预留一定隆起余量方法，大大降低软岩基底隆起对无砟轨道的影响。

综上所述，本发明所述的一种路堑地段无砟轨道抗隆起的路基结构，能够有效控制软岩深路堑地段无砟轨道路堑地段持续隆起变形，保证软岩边坡的稳定，满足高速铁路对线路平顺性和边坡稳定性的要求。

优选地，同一桩板墙组件中的相邻所述锚固桩之间连接有挡土板，所述挡土板底部与所述承载板相连接。

优选地，所述承载板的两侧分别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基底，进而更好地增强承载板的抗隆起能力。

优选地，所述承载板与所述锚固桩为一体浇筑成型的结构件。

将承载板和锚固桩浇筑为一个整体，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隆起，而且形成一个整体，相比于单个结构来说，具有更好地抗隆起效果。

优选地，所述弹性压缩层与所述承载板相适配，所述锚固桩贯穿所述弹性压缩层，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隆起对无砟轨道的影响。

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地基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，同一所述桩板墙组件的所有所述锚固桩沿线路纵向间隔设置。

本申请还公开了一种用于形成所述路堑地段无砟轨道抗隆起的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，铺设所述弹性压缩层；

a3.进行所述锚固桩施工,之后在所述弹性压缩层上进行所述承载板施工；

a4.由下往上分层安装所述挡土板，并回填所述挡土板对应位置的所述边坡土体，使该边坡土体中的至少一部分位于所述承载板上方。

本发明所述的一种用于形成所述路堑地段无砟轨道抗隆起的路基结构的施工方法，通过先开挖基坑两侧的路堑边坡，将承载板施工完成后，再根据挡土板的施工来回填承载板两侧上方的边坡土体，使该边坡土体中的至少一部分位于所述承载板上方，整个施工过程简单，不需要在边坡土体上横向开槽，施工合理，安全性高，能够有效地实现所述路堑地段无砟轨道抗隆起的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.确定所述锚固桩位置，并开挖桩孔；

a32.架设所述锚固桩的模板，在所述锚固桩的模板内下放所述锚固桩的钢筋笼，并在所述锚固桩与所述承载板的连接处预留连接钢筋；

a33.架设所述承载板的模板，将所述承载板的钢筋笼放入所述承载板的模板内；

a34.将所述承载板的钢筋笼与所述锚固桩的钢筋笼相连接；

a35.进行混凝土浇筑，成型所述锚固桩和所述承载板。

将承载板的钢筋笼与锚固桩的钢筋笼相连接，使得所述锚固桩和所述承载板更好地形成一个整体，从而起到更好地抗隆起效果。

本申请还公开了一种用于形成本申请所述的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基结构建立路基结构设计模型，使所述路基结构设计模型满足：当输入所述锚固桩的结构尺寸，以及所述承载板伸入所述边坡土体的深度dy，输出纵向每延米路基结构构件抗拱力r和纵向每延米路基结构在荷载效应组合下承受的上拱力s；

s2.引入结构重要性系数γ0，并比较所述纵向每延米路基结构构件抗拱力r和所述纵向每延米路基结构在荷载效应组合下承受的上拱力s：

当γ0s≤r时，所述锚固桩的结构尺寸，以及所述承载板伸入所述边坡土体的深度dy为最终值；

当γ0s≥r时，调整所述锚固桩的结构尺寸，以及所述承载板伸入所述边坡土体的深度dy，并将调整后的锚固桩的结构尺寸和所述承载板伸入所述边坡土体的深度dy输入所述路基结构设计模型，直至得到的γ0s≤r，其对应的所述锚固桩的结构尺寸，以及所述承载板伸入所述边坡土体的深度dy为最终值；

s3.根据所述最终值得到所述路基结构的最终结构尺寸。

本申请所述的一种设计方法，该方法能够科学合理地开展无砟轨道路基抗隆起结构的抗隆起设计，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，所述路基结构设计模型具体包含以下步骤：

根据所述锚固桩的结构尺寸计算所述锚固桩的自重gp，以及所述锚固桩单桩竖向抗拔极限承载力标准值tuk，

根据所述锚固桩的自重gp和所述锚固桩单桩竖向抗拔极限承载力标准值tuk计算所述锚固桩单桩竖向抗拔承载力特征值ra；

根据所述锚固桩单桩竖向抗拔承载力特征值ra计算所述纵向每延米路基结构构件抗拱力r；

根据施工现场地段单位面积软岩地基的上拱力fh计算纵向每延米路基结构承受来自软岩地基的上拱力fh；

根据所述dy计算纵向每延米所述承载板承载的所述边坡土体的土体重量gs；

根据所述纵向每延米所述承载板承载的所述边坡土体的土体重量gs计算所述纵向每延米路基结构在荷载效应组合下承受的上拱力s。

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隆起的路基结构，能够有效控制软岩深路堑地段无砟轨道路堑地段持续隆起变形，保证软岩边坡的稳定，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隆起的路基结构，将承载板和锚固桩浇筑为一个整体，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隆起，而且形成一个整体，相比于单个结构来说，具有更好地抗隆起效果。

3、本发明所述的一种路堑地段无砟轨道抗隆起的路基结构，所述弹性压缩层与所述承载板相适配，所述锚固桩贯穿所述弹性压缩层，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隆起对无砟轨道的影响。

4、本发明所述的一种路堑地段无砟轨道抗隆起的路基结构，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。

5、本发明所述的一种用于形成所述路堑地段无砟轨道抗隆起的路基结构的施工方法，通过先开挖基坑两侧的路堑边坡，将承载板施工完成后，再根据挡土板的施工来回填承载板两侧上方的边坡土体，使该边坡土体中的至少一部分位于所述承载板上方，整个施工过程简单，不需要在边坡土体上横向开槽，施工合理，安全性高，能够有效地实现所述路堑地段无砟轨道抗隆起的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、本发明所述的一种用于形成所述路堑地段无砟轨道抗隆起的路基结构的施工方法，将承载板的钢筋笼与锚固桩的钢筋笼相连接，使得所述锚固桩和所述承载板更好地形成一个整体，从而起到更好地抗隆起效果。

7、本申请所述的一种设计方法，该方法能够科学合理地开展无砟轨道路基抗隆起结构的抗隆起设计，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隆起的路基结构的结构示意图(横截面)。

图2是本发明的承载板和桩板墙组件的装配结构示意图(俯视)。

图标：1-承载板；2-桩板墙组件；21-锚固桩；22-挡土板；3-翼板；4-弹性压缩层；5-无砟轨道；6-边坡土体；7-上拱软岩层；8-稳定岩层。

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

参照图1、图2，本发明的一种路堑地段无砟轨道路基抗隆起结构，包括用于放置无砟轨道5的承载板1、锚固桩21、挡土板22、弹性压缩层4，所述钢筋混凝土承载板1两端分别沿线路方向间隔设置锚固桩21，所述锚固桩21穿过上拱软岩层7嵌固于稳定岩层8内，利用锚固桩21的抗拔力，能大幅提高结构的抗隆起能力，所述承载板1伸入边坡土体6的部分为翼板3，利用路堑两侧边坡土体6的自重反压翼板3，进而反压基底，已达到增强结构的抗隆起能力的目的，所述承载板1、锚固桩21均采用钢筋混凝土结构且固结为一整体，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隆起，同一侧相邻所述锚固桩21间连接挡土板22，挡土板22底部与所述承载板1相连接，挡土板22连接于锚固桩21靠近对应边坡土体6的一侧，同一侧的所有锚固桩21和挡土板22形成桩板墙组件2，所述承载板1与路堑开挖基底面之间设置弹性压缩层4，通过预留一定隆起余量方法，消除基底隆起对无砟轨道5的影响，其最优设置为，所述弹性压缩层4与所述承载板1相适配，所述锚固桩21贯穿所述弹性压缩层4，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7直接接触，更好地消除上拱软岩层7隆起对无砟轨道的影响。该结构不仅能有效解决软岩深路堑地段无砟轨道路基隆起问题，而且施工简单、经济合理，应用前景广阔。

具体地，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。

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隆起的路基结构，能够有效控制软岩深路堑地段无砟轨道路堑地段持续隆起变形，保证软岩边坡的稳定，满足高速铁路对线路平顺性和边坡稳定性的要求。

实施例2

参照图1和图2，本实施例所述的一种用于形成实施例1所述的路堑地段无砟轨道抗隆起的路基结构的施工方法，包括如下步骤：

a.分级开挖路堑边坡，边坡坡脚开挖至翼板3，若边坡岩土力学性质较好，也可通过掏槽的方式开挖翼板3；

b.整平基底，铺设弹性压缩层4；

c.准确确定各锚固桩21位置，采用人工挖孔的方法成孔；

d.在相应桩位处架设锚固桩21的施工模板，并在所述锚固桩21的模板内下放锚固桩21的钢筋笼，以及在锚固桩21与承载板1、翼板3连接处预留连接钢筋；

e在弹性压缩层4上架设施工模板、翼板3的施工模板，并放置承载板1、翼板3的钢筋笼，采用焊接形式将承载板1、翼板3和锚固桩21的钢筋相连，然后浇筑混凝土使得所述锚固桩21和所述承载板1更好地形成一个整体，从而起到更好地抗隆起效果；

e.分层回填压实翼板3上部土体，在分层回填土的同时由下往上逐层吊装挡土板22；

f.施作边坡防护与排水措施。

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隆起的路基结构的施工方法，通过先开挖基坑两侧的路堑边坡，将承载板1施工完成后，再根据挡土板22的施工来回填承载板1两侧上方的边坡土体6，使该边坡土体6中的至少一部分位于所述承载板1上方，整个施工过程简单，不需要在边坡土体6上横向开槽，施工合理，安全性高，能够有效地实现所述路堑地段无砟轨道抗隆起的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

如图1和2所述，本实施例所述的一种用于形成实施例1所述的路堑地段无砟轨道抗隆起的路基结构的设计方法，包括如下步骤：

1.计算锚固桩21面积：

ap＝πd²/4

式中：ap为锚固桩21的面积，m2；

d为锚固桩21的直径，m。

2.计算锚固桩21周长：

u＝πd

式中：u为锚固桩21的周长，m。

3.计算锚固桩21的自重：

gp＝γaplp

式中：gp锚固桩21的自重，kn；

γ为锚固桩21的重度，可近似取混凝土重度，地下水位以下取浮重度，kn/m3；

lp为所述锚固桩21桩长，m；

4.计算锚固桩21单桩竖向抗拔极限承载力标准值：

tuk＝u∑λqsikli

式中：tuk为锚固桩21单桩竖向抗拔极限承载力标准值，kn；

qsik为所述锚固桩21进入稳定岩层中第i层土极限侧阻力标准值，kpa，可参考现行《建筑桩基技术规范》取值；

λ为抗拔系数，可参考现行《建筑桩基技术规范》取值；

li为锚固桩进入稳定岩层中第i层土厚度，m。

5.计算锚固桩21单桩竖向抗拔承载力特征值：

ra＝tuk/k+gp

式中：ra为锚固桩21单桩竖向抗拔承载力特征值，kn；

k为安全系数，取k＝2。

6.测试施工现场地段单位面积软岩地基的上拱力fh；

7.计算纵向每延米路基结构承受来自软岩地基的上拱力fh，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为纵向每延米路基结构承受来自软岩地基的上拱力，kn/m；b为路基结构的结构宽度，m。

8计算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＝γsdyh

式中：gs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；

γs为路基结构两侧翼板3上部土体的重度，kn/m³，地下水位以下取浮重；

dy翼板3宽度，即承载板1伸入所述边坡土体6的深度，m；

h为锚固桩靠近所述边坡土体6一侧的土体高度，m。

9.计算纵向每延米路基结构在荷载效应组合下承受的上拱力：

s＝fh-gz-gg-gs

式中：s为纵向每延米路基结构在荷载效应组合下承受的上拱力，kn/m；

gz为纵向每延米承载板1、翼板3与挡土板22的总重，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。

10计算纵向每延米路基结构构件抗拱力：

r＝2ra/s

式中：r为纵向每延米路基结构构件抗拱力，kn/m；

s为相邻锚固桩21之间的间距，m。

11利用极限状态设计表达式进行设计：

γ0s≤r

式中：γ0为结构重要性系数，建议取值1.1,作为安全考虑。

本实施例的有益效果为：该方法能够科学合理地开展无砟轨道路基抗隆起结构的抗隆起设计，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

某高速铁路软岩深路堑结构，地基土为均质土，稳定岩层中桩土极限侧阻力标准值qsk＝100kpa。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，其中翼板宽度为dy＝2m，立臂板高度h为6m，锚固桩21直径为d＝1.5m，桩长为lp＝18m，其中进入稳定岩层深度为l＝4m，沿线路方向桩间距为s＝6m，抗拔系数为0.7，轨道荷载为gg＝85.84kn，混凝土重度为25kn/m³，安全系数为k＝2，结构重要性系数为1.1。

1).计算单根锚固桩21面积：

ap＝πd²/4＝3.14×1.5²/4＝1.77m²

2).计算锚固桩21周长：

u＝πd＝3.14×1.5＝4.71m

3).计算锚固桩21的自重：

gp＝γaplp＝25×1.77×18＝796.5kn

4).计算锚固桩21单桩竖向抗拔极限承载力标准值：

tuk＝u∑λqskl＝4.71×0.7×100×4＝1318.8kn

5).计算锚固桩21单桩竖向抗拔承载力特征值：

ra＝tuk/k+gp＝1318.8/2+796.5＝1455.9kn

6).计算纵向每延米路基结构承受来自软岩地基的上拱力：

fh＝fh×b＝7250×17＝123250kn/m

7).计算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＝2γsdyh＝2×2.1×10³×2×6＝5.04×10⁴kn/m

8).计算纵向每延米承载板1、翼板3与挡土板22的总重：

gz＝2.5×10³×29＝72500kn/m

s＝fh-gz-gg-gs＝123250-72500-85.84-50400＝264.16kn/m

9).计算纵向每延米路基结构构件抗拱力：

r＝2ra/s＝2×1455.9/6＝485.3kn

10).通过利用极限状态设计表达式进行验证：

γ0s＝1.1×264.16＝290.57kn≤r＝485.3kn

满足极限状态设计表达式，即结构设计参数符合抗上拱设计要求。后续可重复上述计算顺序以进一步优化结构各项设计参数。

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。