高速铁路路基工程观测期不足超载补强沉降控制设计方法与流程

1.本发明涉及铁路路基工程中地基处理技术领域，尤其是涉及观测期不足情况下高铁路基工程的二次堆载补强的设计方法。


背景技术：

2.近年来高铁建设过程中，受征地拆迁、桥隧车站重难点工程批复或变更、运架梁等需求制约，路基工程预压或静置期不足现象时有发生。而为确保工期往往需要进一步采取超载预压、二次加固等措施，其中针对于路基填筑完成等建设后期发现预压期不足的情况下，往往采用超载预压来变相加速地基沉降，以满足规范中工后沉降的要求。
3.以往的高铁建设过程中，超载补强措施多为人为拍脑门式的定性加载、超载高度缺乏严格的计算，大部分情况下超载一直持续到工后沉降评估满足要求后再卸载，这样在预压期结束后工后沉降反而会更大，不仅仅是工程措施保守的问题了，背离了超载预压的初衷——加速地基沉降，满足剩余预压期的要求，而并非是为提高工程建设的标准。
4.部分项目采用荷载比例法对超载条件下预测的总沉降转化为运营期荷载条件下预测的总沉降，并人为引入加权系数做进一步的安全储备，首先荷载比例法常采用高度比例法进行计算，底宽不同、两侧放坡等因素导致两者并不匹配，即使严格按照荷载比例换算，由于不同荷载形式下基底的附加应力亦不相同，导致荷载比例法换算的设计荷载沉降仍然不够精准，偏大或偏小难以确定，人为引入的安全储备同样与超载预压的理念和初衷不一致。
5.综合以上分析发现，铁路建设领域中关于预压期不足超载补强缺乏相关理论支撑和成熟的设计与计算方法，急需从定性阶段向量化计算方向转化。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高速铁路路基工程观测期不足超载补强沉降控制设计方法，基于超载预压须提前卸载至等载预压的理念，进一步提出了超载卸载时机和卸载沉降标准建议值，实现了超载补强的量化计算与精准设计。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案是：
8.一种高速铁路路基工程观测期不足超载补强的设计方法，包括如下步骤：
9.(1)结合当前施工进度与组织安排，明确高速铁路路基工程的结构参数和地层参数，并确定剩余预压期t1，基于等载观测期t2，进一步推算超载预压期t3＝t
1-t2；
10.(2)依据地基沉降计算中的分层综合法和高木俊介法，代入高速铁路路基结构参数和地层参数，计算剩余预压期t1内等载工况下的地基总沉降量
△
h1、工后沉降量
△
h2以及一直等载条件下对应于等载观测期t2内的地基沉降量
△
h3；
11.(3)基于卸载变形仍满足固结规律的假定，计算超载卸载至等载后到等载卸载的这段期间内(t2)地基所产生的沉降
△
h4；
12.(4)给定初始超载预压高度h1和底宽b1，计算超载工况下卸载至等载时地基沉降控
制标准：
△
h1‑△
h4‑△
h0，其中
△
h0为规范要求的工后沉降控制标准；
13.(5)计算超载预压期t3内超载工况下的地基沉降量
△
h5，依据
△
h5≥
△
h1‑△
h4‑△
h0做为沉降控制标准，判定是否满足完成超载补强设计的条件，若满足，结束设计，若不满足，则重新设计超载预压高度h1和底宽b1，返回步骤(3)进行计算；
14.进一步，所述步骤(3)中，超载卸载至等载后至等载卸载的等载观测期t2内地基所产生的沉降
△
h4由下述方法获得：
15.方法一：
16.基于卸载变形仍满足固结规律的设定，
△
h4＝(u
1-u3)
×△
h6+u2×
u3×
(
△
h6‑△
h1)，
17.其中，超载条件下地基的总沉降分别为
△
h6、超载卸载日时的地基固结度u3、预压截止日时的地基固结度u1、等载观测期t2内的固结度为u2；
18.或者，方法二：
19.基于工程经验和超载工况，
△
h4＝η
×△
h3，其中，η为工程经验系数。
20.进一步，所述工程经验系数η可结合以往工程经验和超载工况，一般可取0.3-0.6。
21.进一步，所述等载观测期t2取1-2个月。
22.进一步，所述步骤(1)中，高速铁路路基工程的结构参数和地层参数包括：
23.结构参数：路基面宽、填高，地基加固各分区的桩径、桩间距、桩长、桩身深度；
24.地层参数：地层分层种类、层厚、重度、压缩模量、固结系数、承载力。
25.根据以上技术方案，本发明可以实现的有益效果是：基于超载预压须提前卸载至等载预压的理念，进一步提出了超载卸载时机和卸载沉降标准建议值，实现了超载补强的量化计算与精准设计，在技术可靠、经济合理的前提下，最大限度的保障了路基工程满足如期评估、卸载与铺轨等方面的要求。
附图说明
26.图1.本发明设计方法的流程示意图。
27.图2.本发明设计方法的计算示意图。
28.图3.本发明实施例典型断面dk28+250设计图。
29.图4.本发明实施例纵向沉降分布曲线。
30.图5.本发明实施例典型断面沉降发展及拟合曲线。
31.图6.本发明实施例两次预测工后纵向沉降曲线。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明做进一步说明。
33.如图1和图2所示，一种高速铁路路基工程观测期不足超载补强沉降控制设计方法，包括如下步骤：
34.(1)结合当前施工进度与组织安排，明确高速铁路路基工程的剩余预压期t1，并基于等载观测期t2，进一步推算超载预压期t3＝t
1-t2。
35.(2)依据地基沉降计算中的分层综合法和高木俊介法，代入高速铁路路基结构参数和地层参数，计算剩余预压期t1内等载工况下的地基总沉降量
△
h1、工后沉降量
△
h2以及
一直等载条件下对应于等载观测期内t2内的地基沉降量
△
h3。
36.(3)基于卸载变形仍满足固结规律的假定，计算超载卸载至等载后至等载卸载的这段期间内(t2)地基所产生的沉降
△
h4＝(u
1-u3)
×△
h6+u2×
u3×
(
△
h6‑△
h1)，其中超载卸载日和预压截止日时的地基固结度分别为u3和u1，从卸载起算固结起始时间，设等载观测期t2间内的固结度为u2，超载条件下地基的总沉降为
△
h6。
37.(4)给定初始超载预压高度h1和底宽b1，依据地基沉降计算中的分层综合法和高木俊介法，计算计算超载工况下卸载至等载时地基沉降控制标准：
△
h1‑△
h4‑△
h0，其中
△
h0为规范要求的工后沉降控制标准。
38.(5)依据地基沉降计算中的分层综合法和高木俊介法，代入高速铁路路基结构参数和地层参数，计算超载预压期t3内超载载工况下的地基沉降量
△
h5，若
△
h5≥
△
h1‑△h4-15，则完成本次超载补强设计，反之，进一步调整h1和底宽b1以使其满足
△
h5≥
△
h1‑△h4-15的沉降控制标准。
39.所述的等载观测期t2一般在1-2个月之间，主要考虑到提前太多时间卸载，则超载持续时间太短，加速沉降的效果减弱，而临近评估期再卸载，则会影响工后沉降评估的准确性。
40.所述的超载卸载后在等载观测期内沉降
△
h4，还可以结合以往工程经验和超载工况进行近似确定，
△
h4＝η
×△
h3，η取值范围在0.3-0.6之间。
41.下面详细介绍上述技术方案在解决某铁路项目东关站预压期不足问题的应用和验证情况。
42.(1)地质概况
43.东关站工点位于滨海平原区，地形平坦、开阔。地表水系发育，河渠纵横，交织如网。地层从上到下主要为：填土、淤泥质粉黏，粉黏和黏土、圆砾土，下伏凝灰岩。水位埋深约0～2m，主要接受大气降水补给，受季节变化影响，地下水位变动幅度在0.2～2m间。
44.(2)设计概况
45.东关车站站台区附近范围，两台六线，如图3所示，路基面宽约58m，车站填高约h＝4.5m。地基(虚线部分)处理采用管桩+筏板的桩板结构，管桩采用c80钢筋混凝土，桩径φ＝0.5m，桩间距2.5m，主加固区(站内四线，中间虚线部分)桩长l＝30-34m，次加固区(站台及外侧到发线，两边虚线部分)桩长l＝18m，主加固区桩身穿透3-9m淤泥质粉黏、上层黏土和粉黏，细圆砾土层，下卧有10-14m的粉黏。原设计采用堆载预压加速路基沉降，堆载高度3m，顶宽16m，底宽22m。
46.参考最不利断面钻孔dz-0495-1试验数据，地层参数如下表1所示。
47.表1地层主要参数
[0048][0049]
(3)补强计算
[0050]
考虑桩顶筏板在正常使用状态下的裂缝控制和地基承载力须满足规范要求，根据铁路工程地基处理技术规程》(tb 10106-2010)16.2.3条推算出主、次加固区筏板以上填土高度分别不应超过10、8m。初次试算时，考虑到距离正线无砟轨道中心越近时沉降加速效果越好的现象，在初次试算中优先调整主加固区堆载参数，当主加固区堆载参数拉满，底宽(b1)调整至22m，堆载高度(初始超载预压高度h1)调整至5.5m时，工后沉降仍然不满足
△
h5≥
△
h1‑△h4-15的沉降控制要求，进一步调整次加固区堆载参数至底宽11m，堆载2.5m时，计算结果如表2所示。
[0051]
表2东关站超载补强计算
[0052][0053]
下面以最后一次调整初始超载预压高度h1和底宽b1为例，详细阐述计算步骤如下：
[0054]
1、推算超载预压期t3[0055]
依据当前施工组织安排，该段落剩余堆载预压期为t1＝4.7个月，根据铁路工程地基处理技术规程》(tb 10106-2010)d.0.2条目，桩板结构采用铁路桥规法计算地基沉降，计算地基总沉降量为
△
h1＝52.2mm，工前沉降量为27.4mm，工前沉降量占比52.5％，工后沉降量为
△
h2＝24.8mm，不能满足规范的相关要求，需要进行超载补强处理，超载提前t2＝1个月卸载至等载。并基于等载观测期t2，进一步推算超载预压期t3＝t
1-t2＝3.7个月。
[0056]
2、依据地基沉降计算中的分层综合法和高木俊介法，将上述东关站工点设计概况中确认的各项参数代入进行计算，得到剩余预压期t1内等载工况下的地基总沉降量
△
h1、工后沉降量
△
h2、超载条件下地基的总沉降
△
h6、超载卸载日时的地基固结度u3、预压截止日时的地基固结度u1、等载观测期t2内的固结度u2、一直等载条件下对应于等载观测期内t2内的地基沉降量
△
h3。计算结果如下：
[0057]
等载下地基总沉降量
△
h1＝52.2mm、工后沉降量
△
h2＝24.8mm，超载条件下地基的总沉降
△
h6＝73.8mm，一直超载条件下预压截止后的沉降量
△
h7＝37.1mm，超载卸载日地基固结度u3＝0.61，预压截止日时地基固结度u1＝0.74，t2内的固结度为u2＝0.68，等载观测期t2内的地基沉降量
△
h3＝(u
1-u3)
×△
h1＝6.79mm。
[0058]
3、计算超载卸载至等载后至等载卸载的这段期间内(t2)地基所产生的沉降
△
h4[0059]
△
h4＝(u
1-u3)
×△
h6+u2×
u3×
(
△
h6‑△
h1)＝1.3mm。
[0060]
4、将主加固区设计超载预压高度5.5m，底宽22m以及次加固区超载预压高度2.5m、底宽22m，以及上述东关站工点设计概况中确认的各项参数，代入地基沉降计算中的分层综合法和高木俊介法进行计算，得到
△
h1‑△
h4‑△
h0＝36.5mm。
[0061]
5、根据步骤(4)的计算参数，依据地基沉降计算中的分层综合法和高木俊介法，计算超载预压期t3内超载载工况下的地基沉降量
△
h5＝38.4mm。
[0062]
可知，
△
h5＝38.4mm，
△
h1‑△
h4‑△
h0＝36.5mm，
△
h5》
△
h1‑△
h4‑△
h0，满足要求，完成本次超载补强设计。
[0063]
(4)现场实施与验证
[0064]
超载补强措施经内部专家保密论证后下发施工单位进行内部保密实施，堆载预压过程中，计算补强工点如期提前1个月卸载至等载工况，计算卸载时沉降量为38.4mm，沉降板数据为8.1-27.1mm，考虑地层差异及施工扰动等影响，理论沉降计算和实际发生量值存在一定的出入属于正常现象若沉降发展趋势没有出现加速或是拐点等异常情况，可按设计要求正常卸载至等载，通过最终沉降发展趋势和评估，确定等载预压的卸载时间。
[0065]
如图4为东关站纵向沉降分布曲线图所示，2021年3月18号沉降预评估时，各断面沉降变化量值在8.0-27.8mm之间，在受旅客地道及施工滞后影响，周边沉降观测设备埋设存在一定的滞后现象，导致周边观测的沉降量值偏小。2021年6月27号沉降正式评估时，各断面沉降进一步发展了0.1-1.9mm，沉降变化量值在9.9-29.1mm之间。
[0066]
如图5为典型断面沉降发展及拟合曲线图，路基填料和预压土填筑期间沉降发展速率为0.2-0.3mm/d，填筑完成约1个月后沉降速率逐渐放缓，截止到6月27日时沉降趋势已经收敛，表明其沉降已趋于平稳，采用曲线拟合回归分析和预测，满足行业规范的有关要求。
[0067]
图6为两次预测工后纵向沉降曲线所示，2021年3月18号沉降预评估时，预测工后沉降在2.7-8.3mm，2021年6月27号沉降正式评估时，预测工后沉降在3.5-8.7mm，受到施工过程干扰和曲线拟合方法的局限性，两次预测工后沉降存在一定的偏差，但整体差值均在在5mm以内，满足相关规范要求。
[0068]
该超载补强工点顺利通过了沉降预评估和正式评估，工程建设推进中没有受到因预压期不足而出现工期滞后的现象，全部超载补强工点都顺利通过了沉降预评估和正式评估，充分证明了本专利公开的技术方案实现了超载补强的量化计算与精准设计，在技术可靠、经济合理的前提下，最大限度的保障了路基工程满足如期评估、卸载与铺轨等方面的要求。