毛曉輝

(中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司 西安 710000)

在鐵路路基的設(shè)計(jì)過(guò)程中，最為重要的3個(gè)控制指標(biāo)參數(shù)分別是：地基承載力、穩(wěn)定性及基礎(chǔ)沉降[1]。為保證工程項(xiàng)目的安全性，確保鐵路運(yùn)輸?shù)臅惩ǜ咝?，這3個(gè)參數(shù)在工程建設(shè)中必須滿足相關(guān)要求。

目前，我國(guó)已頒布的公路、鐵路相關(guān)規(guī)范，明確了路堤穩(wěn)定性、工后沉降要求，與其相比，路基承載力的規(guī)定則較為寬泛。其中，在行的鐵路規(guī)范中，《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》 《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》等在規(guī)定條款上存在一定差異[2]。并且在我國(guó)鐵路工程的學(xué)術(shù)研究中，有關(guān)鐵路路基承載力與路堤穩(wěn)定性及基礎(chǔ)沉降之間關(guān)系的研究成果相對(duì)較少，與美國(guó)、日本等其他國(guó)家還存在差距。

在鐵路路基設(shè)計(jì)中，基底承載力驗(yàn)算與否需要認(rèn)真探討，工程師有各自的見(jiàn)解。從設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，承載力驗(yàn)算是保證基礎(chǔ)穩(wěn)定的先決條件，而對(duì)鐵路工程造價(jià)而言，承載力驗(yàn)算結(jié)果也有間接影響。在實(shí)際工程中，不同工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在承載力與路堤穩(wěn)定性的關(guān)系上有著相反的觀點(diǎn)，部分人認(rèn)為，路堤穩(wěn)定性與沉降是重要因素，地基承載力驗(yàn)算與否取決于路堤穩(wěn)定性與沉降是否滿足工程實(shí)際的要求，若路堤穩(wěn)定性與沉降均滿足工程要求時(shí)，便可不驗(yàn)算地基承載力；某些工程師認(rèn)為路基承載力若不滿足要求，穩(wěn)定性和沉降是否滿足要求則無(wú)法保證，即路基承載力與路堤穩(wěn)定性和沉降是充分條件關(guān)系，因此必須進(jìn)行路基承載力驗(yàn)算。

基于上述問(wèn)題，本文以國(guó)內(nèi)鐵路路基承載力規(guī)范規(guī)定為基礎(chǔ)，根據(jù)地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)和相關(guān)規(guī)范，計(jì)算鐵路荷載作用下的鐵路路基承載力，研究路基承載力、路堤穩(wěn)定性及基礎(chǔ)沉降3者關(guān)系，以此討論路基承載力驗(yàn)算結(jié)果是否影響路堤穩(wěn)定與沉降。

1 鐵路路基承載力要求及計(jì)算

1.1 鐵路路基承載力要求

在我國(guó)當(dāng)前鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)鐵路路基承載力有不同的要求。例如在TB 10001-2016 《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中，路基承載力要求應(yīng)按照具體地質(zhì)條件確定；在TB 10106-2010 《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》[4]中針對(duì)處理后的地基，其承載力需滿足第3.3.2條文要求，即復(fù)合地基處理后的地基承載力應(yīng)滿足

pk≤k[σ]

(1)

式中：pk為基底壓力，kPa；[σ]為處理后的地基容許承載力，kPa；k為地基承載力計(jì)算修正系數(shù)，對(duì)于路堤、場(chǎng)坪等柔性基礎(chǔ)地基可取1.2～1.5。按上述要求，處理后的地基容許承載力應(yīng)滿足

[σ]≥pk/k=(0.66～0.83)pk

(2)

1.2 鐵路路基承載力計(jì)算

由于對(duì)路基承載力計(jì)算的研究成果較多[5]，本文依據(jù)設(shè)計(jì)常用準(zhǔn)則，對(duì)地基承載力可以采用太沙基承載力計(jì)算公式。其計(jì)算式為

Fu=c·Nc+q·Nq+1/2·γ·B·Nγ

(3)

式中：c為土的黏聚力，kPa；q為基礎(chǔ)側(cè)面超載，kPa；γ為土的容重，kN/m3；B為路基寬度，m；Nc，Nq，Nγ為承載力系數(shù)。

2 工程背景

潛江鐵路支線地處湖北，位于江漢平原腹地，屬于江漢平原貨運(yùn)系統(tǒng)的重要組成部分。線路全長(zhǎng)36.952 km，路基全長(zhǎng)27.824 km，占全線長(zhǎng)度75.03%。在鐵路路基設(shè)計(jì)中，路基橫斷面設(shè)計(jì)采用三角形路拱，由路基中心線向兩側(cè)設(shè)置坡度為4%的人字排水坡，利于雨水排出，以免浸泡路基面降低其強(qiáng)度。當(dāng)鐵路設(shè)計(jì)曲線需要加寬時(shí)，加寬段路基面的形狀仍保持三角形不變。路堤標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 路堤標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：m)

下面以潛江鐵路支線工程為實(shí)例，通過(guò)具體計(jì)算以分析本工程內(nèi)影響路基承載力的因素，并探討其與路堤穩(wěn)定性及沉降的關(guān)系。

3 路堤穩(wěn)定性與路基基底承載力的關(guān)聯(lián)

路堤穩(wěn)定性分析由路堤堤身穩(wěn)定性分析、路基和地基整體穩(wěn)定性分析、路基沿斜坡地基或軟弱層帶滑動(dòng)的穩(wěn)定性分析3部分組成。影響路堤穩(wěn)定性的因素多且復(fù)雜，無(wú)法在穩(wěn)定性計(jì)算中完全考慮到。因此對(duì)于穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，還應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地條件和工程地質(zhì)類比法進(jìn)行判斷以綜合分析評(píng)價(jià)。較為常用的分析方法主要為簡(jiǎn)化Bishop法和瑞典條分法[6]。

圖2是瑞典條分法簡(jiǎn)圖。

圖2 瑞典條分法簡(jiǎn)圖

假定圓柱面為土體的滑動(dòng)面，截面形狀為圓弧，將滑動(dòng)面以上土體視為剛體，并以它為脫離體進(jìn)行分析，不考慮土條之間側(cè)面上的相互作用，穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式為

(4)

式中：ci為第i個(gè)土條的黏聚力，kPa；φi為第i個(gè)土條的內(nèi)摩擦角，(°)；li為第i個(gè)土條的滑弧長(zhǎng)度，m；αi為第i個(gè)土條的坡角，(°)；Wi=γibihi，其中：γi為第i個(gè)土條的重度，kN/m3；bi，hi為寬度及高度，m。

以潛江鐵路支線工程為背景，選取典型橫斷面進(jìn)行分析，根據(jù)工程情況，假定路堤填料及路基基底地基土的黏聚力c值、內(nèi)摩擦角φ和重度γ數(shù)值相同，以此分析路基在不同填土高度(3，5，8 m)時(shí)路基承載力情況，并分析其與路堤穩(wěn)定性之間存在的關(guān)系。

定義路基承載力與路基高度相關(guān)的參數(shù)λ如下

λ=γH/Fu

(5)

式中：γ為填料容重，kN/m3；H為路堤高度，m。

在相同參數(shù)下，通過(guò)有關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析整理，得出λ與路堤穩(wěn)定系數(shù)F的關(guān)系，見(jiàn)表1。

表1 λ與路堤穩(wěn)定系數(shù)F計(jì)算表

由表1可見(jiàn)：①當(dāng)λ逐漸增大，路堤穩(wěn)定系數(shù)F逐漸減小，兩者存在很好的相關(guān)性；②當(dāng)λ>1時(shí)，此時(shí)基底承載力不滿足要求且并未發(fā)生失穩(wěn)，路堤仍可能處于穩(wěn)定狀態(tài)(F>1)。而在實(shí)際中，當(dāng)作用在路堤的荷載大于地基所能承受的極限承載力時(shí)，地基將會(huì)遭到嚴(yán)重的剪切破壞進(jìn)而產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

從上述結(jié)果對(duì)比得知，當(dāng)作用在路堤的荷載大于地基所能承受的極限承載力時(shí)，此時(shí)采用瑞典條分法分析的結(jié)果為路堤仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，與采用承載力計(jì)算方法的路堤穩(wěn)定性結(jié)果不一致，表明瑞典條分法得出的結(jié)果偏于不安全。而瑞典條分法和簡(jiǎn)化Bishop法相比，前者更偏于安全?；谏鲜鲈?，采用簡(jiǎn)化Bishop法驗(yàn)算路堤穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求的情況下，并不能保證路堤仍會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)而不發(fā)生失穩(wěn)破壞。

根據(jù)潛江鐵路支線工程計(jì)算結(jié)果可知，地基承載力與路堤穩(wěn)定性無(wú)直接關(guān)聯(lián)。該段路基承載力滿足安全要求的前提是土條內(nèi)摩擦角為5°時(shí)，堤高度不小于5 m或土條內(nèi)摩擦角為10°；而穩(wěn)定性滿足要求則相對(duì)要寬泛的多。這主要是進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算時(shí)，假定條件與實(shí)際情況產(chǎn)生一定差異。當(dāng)路堤的荷載大于地基極限承載力時(shí)，路堤仍可能保持穩(wěn)定狀態(tài)，并未發(fā)生失穩(wěn)，因此，地基承載力驗(yàn)算是進(jìn)行路堤設(shè)計(jì)時(shí)必不可少的重要環(huán)節(jié)。

4 路堤沉降與路基基底承載力的關(guān)聯(lián)

路堤沉降主要由路堤填筑部分沉降和地基沉降2部分組成。地基在長(zhǎng)期荷載作用下產(chǎn)生的最終沉降量可分為3個(gè)部分：瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降及次固結(jié)沉降。次固結(jié)沉降是指地基在長(zhǎng)期荷載作用下土體中有效應(yīng)力不變，超孔隙水壓力已完全消散的情況下，由土體骨架緩慢蠕變所產(chǎn)生的沉降。瞬時(shí)沉降是指施加荷載后，土體在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的沉降。在實(shí)際工程的計(jì)算中，次固結(jié)沉降和瞬時(shí)沉降往往利用主固結(jié)沉降乘以修正系數(shù)m得出。根據(jù)壓縮實(shí)驗(yàn)得到計(jì)算參數(shù)，主固結(jié)沉降Sc在計(jì)算沉降時(shí)應(yīng)采用分層總和法進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)采用e-p曲線作為參數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，主固結(jié)沉降的沉降量Sc計(jì)算式為

(6)

式中：n為壓縮土層內(nèi)土層分層的數(shù)目；e1i為地基中各分層在自重應(yīng)力作用下的穩(wěn)定孔隙比；e2i為地基中各分層在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下的穩(wěn)定孔隙比；hi為地基中各分層的初始厚度，m。

總沉降的計(jì)算公式為

S=mSc

(7)

式中：m為綜合經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。

式(6)中的參數(shù)e-p曲線是在有側(cè)向限制的條件下通過(guò)壓縮試驗(yàn)得到的，由于存在側(cè)向限制，式(6)計(jì)算得到的主固結(jié)沉降中，地基側(cè)向變形產(chǎn)生沉降可以忽略不計(jì)。雖然式(7)在計(jì)算總沉降時(shí)側(cè)向變形產(chǎn)生的沉降通過(guò)綜合經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)考慮了，但地基不發(fā)生破壞是式(7)適用的前提條件。據(jù)目前的研究可知，當(dāng)作用在路堤的荷載大于地基所能承受的極限承載力時(shí)，地基將產(chǎn)生較大的側(cè)向變形[7-8]。當(dāng)作用上部荷載大于地基的極限承載力時(shí)，地基有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此，計(jì)算路基的沉降時(shí)式(7)將不再適用。所以考慮地基側(cè)向變形時(shí)，只有地基承載力滿足實(shí)際要求時(shí)，地基沉降計(jì)算公式才能適用；否則，計(jì)算出的地基沉降也不準(zhǔn)確。

根據(jù)上述適用原則，倘若采用式(7)進(jìn)行沉降計(jì)算得到的結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，而地基側(cè)向變形過(guò)大、地基破壞等情況也可能會(huì)發(fā)生，因此，在進(jìn)行路堤沉降前應(yīng)對(duì)地基極限承載力進(jìn)行驗(yàn)算。只有當(dāng)?shù)鼗休d力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求時(shí)，才能科學(xué)、準(zhǔn)確地判定路堤沉降計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié)論

1) 當(dāng)作用在路堤的荷載大于地基所能承受的極限承載力時(shí)，此時(shí)采用瑞典條分法計(jì)算的結(jié)果為路堤仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，路堤穩(wěn)定性結(jié)果在采用承載力計(jì)算和瑞典條分法分析時(shí)不一致，應(yīng)分別計(jì)算路堤穩(wěn)定性與地基承載力，以滿足設(shè)計(jì)要求。

2) 只有地基承載力滿足實(shí)際要求時(shí)，地基沉降計(jì)算公式才能適用，地基極限承載力滿足實(shí)際要求是路堤沉降計(jì)算公式適用的前提。

3) 保證路堤穩(wěn)定性及減小路堤沉降的前提條件是基底承載力滿足設(shè)計(jì)要求，在路基設(shè)計(jì)中對(duì)路基基底承載力進(jìn)行驗(yàn)算是必不可少的。