既有鐵路外側堆土對路基沉降影響的估算

劉俊飛

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司地質路基勘察設計院，北京 102600)

鐵路用地紅線范圍有限，在用地紅線或鐵路防護柵欄之外不可避免地會受到新的人為等因素對周圍環境的改變。其中，以新增堆土現象較為普遍。

對于運營期間的高速鐵路，在其路基外側堆土等新增荷載也可能在路基處產生一定的附加應力，使路基產生沉降變形，進而引起軌道平順性變差。

本文將通過對CFG樁復合地基中附加應力的分布特征和路基外側新增荷載在荷載外部產生的附加應力分布特征的分析，提出外側堆土對路基沉降的影響機理和沉降變形估算方法。

1 CFG樁復合地基中附加應力分布特征

高速鐵路路基為控制工后沉降多采用CFG樁等剛性樁復合地基。既有研究表明，這些剛性樁復合地基在承受路堤荷載及其他上部荷載時，將會通過樁土相互作用把力向下傳遞到下臥層中，在很大程度上減小了加固區土體的受力和變形，相應地增加了下臥層土體的受力和變形。由于下臥層土體往往明顯好于加固區，因此可以有效減小地基的總變形。圖1、圖2分別為采用CFG樁樁網、樁筏復合地基進行加固的某高速鐵路路基地基土中附加應力與深度的關系曲線(路堤填高約7 m，堆載預壓3.5 m，樁間距為3～5倍樁徑)。計算表明，下臥層的附加應力分布仍然符合條形荷載下Bousinessq解的曲線特征。

《鐵路工程地基處理技術規程》(TB10106—2010)提出，對于剛性樁復合地基可采用鐵路橋規法、L/3法等計算地基沉降，采用L/3法時不計加固區沉降，這正是對圖1、圖2所示復合地基附加應力分布特征的近似。其中，L/3法的應力計算方法也是對Bousinessq解法的近似(圖3)。

圖1 某路堤下CFG樁樁網復合地基附加應力與深度關系

圖2 某路堤下CFG樁樁筏復合地基附加應力與深度關系

圖3 L/3法計算得到的路基中線處附加應力系數

《高速鐵路設計規范(試行)》(TB10621-2009)指出:路基設計中，壓縮層厚度法國一般取路堤底寬的3倍，日本一般取路堤底寬的3～5倍;德國和我國采用附加應力等于0.1倍自重應力確定。在路基頂寬為13.6 m或13.8 m，按1∶1.5放坡，路基填高3～8 m的條件下，按附加應力等于0.1倍自重應力確定的壓縮層厚度一般為1.3～1.7倍路基底寬。

根據前面的分析，剛性樁復合地基在樁間距為3～5倍樁徑時，路堤荷載下附加應力的增加主要發生在下臥層中，并以樁端以下深度為1.5倍路基底寬范圍內為主要影響深度。采用Bousinessq公式計算鐵路路堤條形荷載下該深度范圍內平均附加應力系數約為0.6。

2 外側堆土荷載的附加應力特征分析

近似地，把路基外側新增堆土荷載按條形均布荷載考慮(對局部填土，這樣考慮是偏于安全的)。條形均布荷載下地基中附加應力系數公式為

式中，m=x/b，n=z/b，b為荷載寬度;z為計算深度。

計算得到的不同位置的附加應力曲線見圖4。從橫向看，隨著距離的增加地基中附加應力不斷衰減;從縱向看，在荷載外部，沿深度方向附加應力先增大然后再減小，且沿深度衰減的速度較小。最大附加應力的深度大致從荷載邊緣起，沿1∶2直線出現(圖5)。

圖4 條形均布荷載外側不同位置地基土的附加應力曲線

按Bousinessq解求得不同x/b處地基土中最大附加應力系數kmax，見圖6。對其擬合，可得式(2)，擬合曲線為圖中虛線。

3 外側堆土荷載引起的路基沉降估算方法

從前面分析可以得出，路堤荷載下主要受力深度范圍內平均附加應力系數約為0.6。而路堤外側新增條形荷載在路基處產生的附加應力大致起于按1∶2擴散的位置，且該附加應力沿深度衰減的速度較小，可采用峰值應力近似計算。由此，路基外側新增條形荷載在路基處產生的沉降可以分以下3種情況進行估算。

圖5 條形均布荷載外側附加應力最大值出現的深度

圖6 附加應力最大值隨橫向距離的衰減

(1)D≥L+1.5B

當路基外側新增填土荷載與路基計算點之間的距離D大于L+1.5B時(L為樁長，B為路基底寬)，可以認為新增填土荷載不對路基產生影響(圖7(a))。

(2)D≤(L+1.5B)/2

當路基外側新增填土荷載與路基計算點之間的距離D小于L+1.5B時(圖7(b))，可以采用下式估算填土引起的路基沉降

式中，S0為路基填筑引起的沉降，可使用路基沉降設計值或實測值;p為路基外側填土荷載;γD為路基填土容重;HD為路基填高。

將式(2)代入上式可得

(3)L+1.5B＞D＞(L+1.5B)/2

當路基外側新增填土荷載與路基計算點之間的距離D介于(L+1.5B)/2和(L+1.5B)之間時(圖7(b))，可以按式(3)的一半估算，即采用下式估算填土引起的路基沉降

當路基外側填土寬度較大時，可以按上述區域分塊計算。當路基處地面坡度較大時，應考慮填土對坡面穩定性的影響，進行專門的評估。

圖7 填土荷載與路基的位置關系

4 結論

(1)剛性樁復合地基在樁間距為3～5倍樁徑時，路堤荷載下附加應力的增加主要發生在下臥層中，并以樁端以下深度為1.5倍路基底寬范圍內為主要影響深度。采用Bousinessq公式計算鐵路路堤梯形條形荷載下該深度范圍內平均附加應力系數約為0.6。

(2)近似地，把路基外側新增堆土荷載按條形均布荷載考慮。隨著橫向距離的增加地基中附加應力不斷衰減;沿深度方向附加應力先增大然后再減小，且沿深度衰減的速度較小。最大附加應力的深度大致從荷載邊緣起，沿1∶2直線出現。

(3)路基外側新增條形荷載在路基處產生的沉降可以分為3種情況進行估算。

［1］ 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］ 中華人民共和國鐵道部.TB10106—2010 鐵路工程地基處理技術規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［3］ 劉俊飛.鐵路CFG樁復合地基沉降控制機理與計算方法研究［D］.成都:西南交通大學，2011.