铁路既有线灌浆螺旋钢桩斜向加固路基后沉降量确定方法与流程

本发明涉及铁路路基技术领域，具体为铁路既有线灌浆螺旋钢桩斜向加固路基后沉降量确定方法。

背景技术：

随着经济的快速发展，物流运输量呈几何增长，列车运行的安全性和稳定性日益突出，货运铁路运营期内路基病害多表现为路基承载力不足或沉降过大。由于既有线运载任务量大，通常采取临时回填路的办法，基其压实度不能满足要求，对铁路长期正常运营有潜在危害，将影响列车的运行速度和线路养护，因此目前尝试考虑采用斜向灌浆螺旋钢桩对既有铁路路基原位快速加固技术。然而该技术应用刚刚兴起，加固后沉降变形量的确定尚不明确，多采用经验设计，也缺乏相应的简化定量计算方法作为支撑。因此，针对上述难题，有必要提出一种斜向灌浆螺旋钢桩加固铁路路基后路基沉降量的确定方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提出一种铁路既有线灌浆螺旋钢桩斜向加固路基后沉降量的确定方法，为斜向灌浆螺旋钢桩加固既有铁路路基设计提供计算理论支撑，使斜向灌浆螺旋钢桩加固更具有针对性，从而有效提高加固效果。

为达到上述目的，本发明具体是通过以下技术方案来实现的：

铁路既有线灌浆螺旋钢桩斜向加固路基后沉降量确定方法，具体包括以下步骤：

步骤一、斜向加固灌浆螺旋钢桩等效转化；

步骤二、将沉降计算范围分区，斜向加固灌浆螺旋钢桩层数为2时分为3个区，将3个区的沉降量分别计算后叠加得到最终沉降量，第一层等效板以上为①区,一二层等效板之间为②区，二层等效板之下为③区，②区按照等效复合模量方法进行计算，①区和③区按照如下基于静力触探技术沉降量计算经验公式进行计算：

其中：为深度修正系数；为时间修正系数；为附加应力，单位kpa；为第层土层基底应变影响因子；为第层土层厚度，单位m；为土的压缩模量，单位mpa。

进一步的，所述斜向加固灌浆螺旋钢桩等效转化的方法具体为：

步骤一、按照平面应变原则，选取路基的代表性横断面，路基中每一层斜向灌浆螺旋钢桩按变形模量等效换算，认为是分布于路基基床与本体内的一层薄板，且薄板位于同侧斜向加固三角区的形心位置，定出等效板的位置，等效板长度为灌浆螺旋钢桩在形心面水平投影长度；

步骤二、考虑灌浆螺旋钢桩斜向加固后路基附加应力分布的均匀性得到改善，第一层薄板上部附加应力分布按照列车荷载边缘呈扩散，假定为均布条形荷载，其下各层板上应力计算考虑为上层板宽的均布条形荷载呈扩散传递。

进一步的，所述①区沉降量具体计算方法为：

首先初步试算沉降计算深度，与①区计算深度比较，根据土层分类，计算应变影响因子分布，计算每层土的附加应力、压缩模量、深度修正系数，基于静力触探再将每层计算沉降值累加，最后考虑时间修正因子最终沉降计算值。

进一步的，所述②区沉降量具体计算方法为：

②区沉降计算为复合模量法，灌浆螺旋钢桩按照灌浆和钢桩面积等效来计算复合等效模量，根据灌浆螺旋钢桩在土层中置换率、土层模量和钢桩等效模量来计算②区加固层复合模量，加固体附加应力为上部等效复合桩扩散均布荷载，计算得到沉降量。

进一步的，所述③区沉降计算步骤与①区类似，同样认为是条形基础下沉降计算，上部荷载为q2，只是③区基底深度修正系数不同。

进一步的，所述基底深度修正系数按如下计算：

其中，为基底土体初始有效自重应力。

本发明的有益效果是：目前关于灌浆螺旋钢桩这一原位快速斜向加固铁路既有线的新兴技术尚无公开的快速定量确定加固后沉降量的计算方法，本发明提出的简化计算方法可弥补这一缺陷，指导相关设计并推广该项技术的快速普及应用。

附图说明

图1为本发明简化计算图；

图2为应变影响因子分布图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明技术方案作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

通过静力触探技术的经验计算基础沉降结合分层总和法的思想，提出一种简便的定量计算方法以适用于铁路既有线灌浆螺旋钢桩斜向加固路基后沉降量的确定。

铁路既有线灌浆螺旋钢桩斜向加固路基后沉降量确定方法包括以下步骤：

步骤一：斜向加固灌浆螺旋钢桩等效转化：

（1）按照平面应变原则，选取路基的代表性横断面，路基中每一层斜向灌浆螺旋钢桩按变形模量等效换算，认为是分布于路基基床与本体内的一层薄板，且薄板位于同侧斜向加固三角区的形心位置，定出等效板的位置，等效板长度为灌浆螺旋钢桩在形心面水平投影长度。

（2）考虑灌浆螺旋钢桩斜向加固后路基附加应力分布的均匀性得到改善，第一层薄板上部附加应力分布按照列车荷载边缘呈扩散，假定为均布条形荷载，其下各层板上应力计算考虑为上层板宽的均布条形荷载呈扩散传递。

步骤二：将沉降计算范围分区，斜向加固灌浆螺旋钢桩层数为2时分为3个区，将3个区的沉降量分别计算后叠加得到最终沉降量，第一层等效板以上为①区,一二层等效板之间为②区，二层等效板之下为③区，②区按照等效复合模量方法进行计算，①区和③区按照如下基于静力触探技术沉降量计算经验公式进行计算：

（）

其中：为深度修正系数；为时间修正系数；为附加应力，单位kpa；为第层土层基底应变影响因子；为第层土层厚度，单位m；为土的压缩模量，单位mpa。

步骤二中各参数通过下列推导求得：

初步确定基础沉降计算深度:

（2）

其中，l为基础长度，为基础宽度。

为进一步简化计算过程，同时采用应力比法验证基础沉降计算深度：：

（3）

式中，δσ为深度处土体附加应力；σz为深度处土体有效自重应力。

基于土的行为状态指数、锥尖阻力和应力状态确定土的压缩模量：

（4）

其中：为锥尖阻力，为上覆土有效自重应力，为锥尖阻力修正因子。计算公式如下：

（5）

其中为土的行为类型因子，计算公式为：

（6）

其中为归一化静力触探锥尖阻力，为归一化摩阻比，与计算公式分别如下：

（7）

（8）

其中，fs为静力触探侧摩阻力，引入应变因子间接确定基底土体竖向应力分布，同时对其使用范围进行扩展。

当基底应变影响因子分布三角形范围内存在刚性边界，需对刚性边界上部应变影响因子进行修正，基础形状对其影响较小，主要考虑土层厚度与基础宽度比的影响：

（9）

其中为土层厚度，为基础宽度。

柔性基础需对深度范围内应变因子修正得到，柔性基础需对深度范围，对应图2中考虑基础刚度影响的箭头所示范围，z/b=1的范围，即深度z=1b内应变因子修正得到：

（10）

（11）

其中为基础刚度因子，当时，基础被认为完全柔性基础，本发明方法将路基等效荷载下基础认为完全柔性基础，取。

对于柔性基础当，。使用应变影响因子计算浅基础荷载沉降曲线，刚性边界下部取0。

将基底应变影响系数简化为折线分布，如图2所示。由基底应变影响系数分布三角形线性插值计算，取层平均值，基底应变影响因子最大值为，计算式：

（12）

其中，为对应深度处地基土体初始有效自重应力，为基底面附加应力；m为曲线拟合参数，n为曲线拟合参数；考虑砂土相对密实度对应变影响因子最大值影响，取；当砂土相对密实度小于50%时，；当砂土相对密实度大于等于50%，。

其中计算相对密实度取深度范围内砂土的平均相对密实度。若计算有限层厚度土层沉降，相对密实度为有效土层的平均相对密实度。

基础开挖和加固能部分解除或降低地基土体应变，计算基础沉降量时需要对基础埋深进行修正，基础深度影响系数：

（13）

其中，为基底土体初始有效自重应力。时间影响系数计算公式:

（14）

其中t为时间，单位年。

对于基础以下土层厚度小于计算深度需考虑有限土层厚度的影响，将沉降计算值乘以的修正系数；对于柔性基础，在基础以下深度范围内应变影响因子应做简单修正，将替换为。

实施例：

参照图1，我国某一货运铁路列车设计轴重，换算土柱重度为，分布宽度为，列车换算土柱高度，轨道换算土柱高度为，列车和轨道荷载换算土柱高度为，计算得到。荷载扩散角，荷载计算宽度。等效板上荷载，和，。对压缩土层分区计算总沉降，其中运用到基于静力触探技术沉降量计算经验公式：

（）

其中：为深度修正系数；为时间修正系数；为附加应力，单位kpa；为第层土层基底应变影响系数；为第层土层厚度，单位m；为土的压缩模量，单位mpa。

①区沉降，试算沉降计算深度，与①区计算深度比较，根据土层分类，计算应变影因子分布，计算每层土的附加应力、压缩模量、深度修正系数，基于静力触探再将每层计算沉降值累加，最后考虑时间修正因子最终沉降计算值。

②区沉降计算为复合模量法，灌浆螺旋钢桩按照水泥浆和钢桩面积等效来计算桩的等效模量，根据桩在土层中置换率、土层刚度和桩等效模量来计算②区加固层合模量，加固体附加应力为上部等效桩扩散均布荷载，计算得到加固层压缩量。斜向加固桩中固化水泥浆弹性模量，中心钢轴的弹性模量，按面积等效，得到实心加固桩弹性模量,根据等效复合模量计算置换率计算桩土共同复合模量为。

③区沉降计算步骤与①区类似，同样认为是条形基础下沉降计算，上部荷载为q2，只是③区基底深度修正系数不同。

根据表1，可得灌浆螺旋钢桩斜向加固路基后沉降量：

：

表1各层沉降计算

上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。