鐵路提速區(qū)段路基加固方法的研究

李 瑞 王新征

鐵路路基是為了滿足軌道鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)條件而修建的土工構(gòu)筑物，是保證軌道線路平順和穩(wěn)定的基礎(chǔ)，承受著列車和軌道的荷載，因此必須有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性。路基的好壞，將直接影響線路的行車安全及運(yùn)輸能力。隨著提速范圍的擴(kuò)大，列車行車速度的不斷提高，路基暴露出的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。因此，對(duì)鐵路提速區(qū)段路基的加固已經(jīng)成為鐵路部門必須面對(duì)的問(wèn)題。

1 既有線提速后對(duì)路基的影響

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)對(duì)鐵路路基的重視程度一直都不盡如人意，輕路基、重橋隧;輕軌下、重線上的舊觀念都沒有太多的改變，把路基的設(shè)計(jì)與施工看得過(guò)于簡(jiǎn)單，不夠重視。由于受建設(shè)時(shí)期設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)的限制，加上所承受的超負(fù)荷的作用，既有線路基已經(jīng)存在著相當(dāng)數(shù)量、且相當(dāng)嚴(yán)重的病害[1]。

隨著列車運(yùn)量的增加和運(yùn)行速度的提高，既有線路路基的病害工點(diǎn)、病害地段總長(zhǎng)不斷增加，路基病害的程度也越來(lái)越嚴(yán)重。首先，提速后行車密度加大，維修作業(yè)時(shí)間相對(duì)減少，久而久之，路基病害加劇，影響行車安全。其次，由于行車速度的提高，列車對(duì)路基產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力增加，使路基沉降明顯加大，導(dǎo)致線路狀況的迅速變壞，特別是原有的路基病害處，動(dòng)應(yīng)力加大致使病害加重。第三，在橋涵過(guò)渡段，由于橋臺(tái)與路堤的動(dòng)靜剛度相差懸殊，列車通過(guò)時(shí)，橋臺(tái)與路堤之間就會(huì)出現(xiàn)變位差，雖然其數(shù)值很小，但因車速很高，會(huì)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的沖擊，反過(guò)來(lái)軌道結(jié)構(gòu)對(duì)列車也會(huì)產(chǎn)生沖擊，從而降低列車運(yùn)行的平穩(wěn)性、舒適度，加快結(jié)構(gòu)物和車輛的損壞，引起過(guò)渡段路基的病害[2]。

2 提速路基(基床)加固技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 既有線路基加固機(jī)理分析

列車提速以后，路基病害產(chǎn)生的原因是多方面的，但總的來(lái)說(shuō)，其發(fā)生和發(fā)展主要取決于以下三個(gè)方面的因素[3]:基床土的工程性質(zhì);水對(duì)基床的作用形式和程度;動(dòng)荷載的性質(zhì)、大小和分布。對(duì)基床病害的整治必須根據(jù)具體條件，針對(duì)其關(guān)鍵因素確定工程措施，以達(dá)到整治基床病害的目的。

對(duì)既有線提速路基而言，受動(dòng)應(yīng)力影響最大的是基床表層，其病害多發(fā)生在基床表層0.5 m范圍內(nèi)，路基以路面下0.5 m受動(dòng)力影響較為劇烈，再向下應(yīng)力縮減較快，至路面下1.0 m處，動(dòng)應(yīng)力影響已很小[4]。可以認(rèn)為:使基床表層強(qiáng)化、提高其強(qiáng)度，是解決大多數(shù)既有線路基病害的基本途徑。

2.2 既有線提速路基加固方法

目前常用的提速線路路基加固方法主要有:排水固結(jié)、樁土復(fù)合地基、基床換填、注漿、土工材料處理和化學(xué)加固等方法[5]。其中，樁土復(fù)合路基是既有鐵路病害路基加固的主要形式，它對(duì)大多數(shù)路基缺陷是合適的，又是一種對(duì)行車影響相對(duì)較小的加固方法，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

3 樁土復(fù)合路基設(shè)計(jì)方法研究

根據(jù)荷載傳遞機(jī)理的不同，樁土復(fù)合路基可分為三類，見表1。根據(jù)加固方式、樁型的不同，分別采用不同的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

表1 樁土復(fù)合路基分類

樁土復(fù)合路基設(shè)計(jì)包括復(fù)合路基形式的合理選用，復(fù)合路基置換率、加固深度以及增強(qiáng)強(qiáng)度等的合理組合及選用。當(dāng)以提高路基承載力為目的時(shí)，首先要充分利用原有路基的承載力，然后通過(guò)調(diào)整樁體強(qiáng)度和置換率來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)以減少路基沉降量為目的時(shí)，應(yīng)以加深復(fù)合路基的加固區(qū)深度，減少軟弱下臥層的厚度來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1 樁土復(fù)合路基承載力計(jì)算

復(fù)合路基承載力由兩部分組成，一部分是樁，另一部分是樁間土。樁體復(fù)合路基承載力計(jì)算思路是先分別確定樁體的承載力和樁間土承載力，再根據(jù)一定的原則疊加這兩部分承載力得到復(fù)合路基的承載力。

樁體復(fù)合路基的承載力pcf普遍表達(dá)式可用下式表示:

其中，ppf為單樁極限承載力;psf為天然路基極限承載力;k1為單樁承載力修正系數(shù);k2為樁間土承載力修正系數(shù);λ1為樁體極限強(qiáng)度發(fā)揮度;λ2為樁間土極限強(qiáng)度發(fā)揮度;m為復(fù)合路基置換率。

復(fù)合路基的容許承載力pcc計(jì)算式為:其中，k為安全系數(shù)。

3.2 樁土復(fù)合路基沉降計(jì)算

在荷載作用下，復(fù)合路基變形計(jì)算主要包括兩部分:復(fù)合路基加固區(qū)的變形S1;加固區(qū)下臥層的變形S2，則復(fù)合路基總沉降S表達(dá)式為:

其中，復(fù)合路基加固區(qū)的變形S1可用分層總和法計(jì)算，其表達(dá)式為:

其中，ΔPi為第i層復(fù)合土體附加應(yīng)力增量;Hi為第i層復(fù)合土體的厚度;Ecsi為第i層復(fù)合土體的壓縮模量，其值為Ecsi=m?Ep+(1-m)?Esi，其中，Ep為樁體的壓縮模量，Esi為第i層土層底壓縮模量，m為置換率。

加固區(qū)下臥層的變形 S2，其表達(dá)式為:

在計(jì)算下臥層壓縮量時(shí)，作用在下臥層上的荷載是比較難以精確計(jì)算的。設(shè)計(jì)中采用壓力擴(kuò)散法進(jìn)行計(jì)算，參見圖1。

4 工程實(shí)例

京廣線孟廟—長(zhǎng)臺(tái)關(guān)段為既有電氣化鐵路，提速后該段線路的旅客列車最高速度將提高至200 km/h，貨物列車速度提高至120 km/h。該段路基填料在改造前大部分為C組的粉質(zhì)黏土，干密度在1.25 g/cm3～1.85 g/cm3范圍內(nèi)，路基基床表層承載力為110 kPa～150 kPa，基床底層承載力為 120 kPa～ 160 kPa。根據(jù)《既有線提速200 km/h技術(shù)條件(試行)》的要求，既有路基基床表層的基本承載力應(yīng)達(dá)到180 kPa，基床底層的基本承載力應(yīng)達(dá)到150 kPa。由此可見，既有路基基床大部分不能滿足上述要求，需要進(jìn)行加固處理。加固采用水泥土擠密樁進(jìn)行加固，利用水泥土的高強(qiáng)度和成樁過(guò)程中的擠密作用達(dá)到提高路基基床承載力的作用。

水泥土擠密樁設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

樁位布置:樁位沿線路縱向按軌枕間距布置，橫向按單線布置，自線路中心左右1.8 m范圍內(nèi)均勻分布。

樁徑:套筒直徑0.24 m，成樁后樁徑大于0.26 mm。

樁長(zhǎng):根據(jù)不同地質(zhì)條件及不同地段分別設(shè)計(jì)，基床表層承載力不足段，樁長(zhǎng)按1.0 m設(shè)計(jì);基床表層、底層承載力均不滿足要求的地段，樁長(zhǎng)按3.0 m考慮。在路橋、路涵過(guò)渡段，按照橋涵兩側(cè)各20 m進(jìn)行處理，樁數(shù)采用6根，樁長(zhǎng)自路基面向下深度由2.5 m漸變至1.5 m，使剛度均勻過(guò)渡。

材料配合比:水泥∶石灰∶土為1∶3∶6，水泥采用32.5R普通硅酸鹽水泥。

施工方法:用機(jī)具在基床成孔，分層裝填水泥土，并用橄欖錘分層擊實(shí)，從而使樁體與樁間土擠壓密實(shí)，形成復(fù)合地基，達(dá)到提高基床承載力的目的。

成樁強(qiáng)度:成樁28 d后，樁的強(qiáng)度必須達(dá)到1 MPa。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在夯錘落距保持60 cm，填料虛鋪厚度為40 cm，擊數(shù)為35擊時(shí)，樁身干密度、28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、承載力均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，鐵路基床經(jīng)水泥土擠密樁加固施工后，經(jīng)1年多的運(yùn)行和沉降、位移監(jiān)測(cè)，不但無(wú)翻漿、積水和下沉、移位等現(xiàn)象發(fā)生，而且基床也很穩(wěn)定、堅(jiān)固，達(dá)到了運(yùn)營(yíng)速度至200 km/h的運(yùn)營(yíng)目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

用樁體加固路基基床，不影響線路的縱斷面狀態(tài)，工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于換填基床的方法，同時(shí)，可利用列車間隔時(shí)間靈活作業(yè)，減少了對(duì)正線運(yùn)營(yíng)的干擾，能有效的提高路基的承載力，因而具有一定的優(yōu)越性。

[1] 鐵道部工務(wù)局線路處.路基狀態(tài)年報(bào)匯總[Z].2003.

[2] 韓自力.既有線提速路基的對(duì)策研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2002，23(2):53-58.

[3] 周錫九.鐵路路基基床病害及其產(chǎn)生機(jī)理分析[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，18(1):95-96.

[4] 羊關(guān)懷，王炳龍，方衛(wèi)民.土工格室整治浙贛線路基基床病害的試驗(yàn)研究報(bào)告[R].杭州鐵路分局工務(wù)段，同濟(jì)大學(xué)滬西校區(qū)巖土工程研究所，1999.

[5] 鐵運(yùn)[1999]146號(hào)部令，鐵路路基大修維修規(guī)則[S].