4课b路基工程理论与技术

1、路基工程理论与技术1第4章 路基处治新技术4.1 路基填料改良技术4.2 路桥过渡段路基处治技术4.3 路堤下复合地基设计理论4.4 路基边坡绿色防护技术4.5 路基排水技术24.2.1 概述 在桥台构筑物与台后填土衔接处存在差异沉降，使得路面形成台阶或显著纵坡变化，高速行驶的车辆通过时产生颠簸跳跃，从而导致桥头跳车现象 。社会效益 、社会影响 经济效益技术难题4.2 路桥过渡段路基处治技术3 过渡段设计是近年来随着客运专线的建设而发展起来的，随着我国客运专线铁建设项目的全面展开，对速度、安全、舒适的要求也越来越高，那么过渡段已经是铁路路基工程中的一个重要组成部分。路基与桥台、路堤与横向结构物

2、（立交框构、涵洞）、路基与隧道等刚性构筑物的连接处一直是铁路路基的一个薄弱环节，一方面由于路基与桥梁、涵洞、隧道等刚性构筑物的刚度差别较大而引起轨道刚度的突变，同时路基与桥梁、涵洞、隧道等的沉降不一致会导致轨道不平顺，因而引起列车与线路结构的相互作用增加，影响线路结构的稳定，从而影响列车高速、安全、舒适运行。 过渡段的设计主要研究了路基与桥台、路堤与横向结构物（立交框构、涵洞）、路基与隧道、路堤与路堑等的均匀过渡问题，同时还考虑了短路基的过渡设计。 铁路铁路路基设计简述-过渡段44.2.2 引起跳车的差异沉降量桥头跳车的表现形式1.桥头不设搭板时桥台与路堤衔接处的错台现象2.桥头设置搭板时由于

3、搭板路基端沉降引起的路桥过渡段纵坡变化 针对错台现象：我国公路养护技术规范规定水泥砼路面错台高度h达到12mm则视为严重损坏，日本规定公路上超过15mm的错台必须修复。 针对纵坡变化：一般认为，桥头纵坡变化率大于36时，就会产生桥头跳车 5工后沉降标准我国标准要求64.2.3 桥头跳车的成因几何不平顺：路基与桥台、涵洞的沉降经常不同，路基部分往往沉降量大，其过渡点附近极易产生沉降差，导致轨面弯折。当列车通过时，必须会引起车辆与线路相互作用力的增加，加速线路状态的劣化，降低线路设备的服务质量，增加线路的养护维修费用，严重时会危及行车安全。力学不平顺：路基与桥梁、涵洞等刚度差别较大，对列车车辆通过

4、时的动荷载的响应也会有所差别，从而影响列车的舒适度。74.2.4 桥头跳车的处治措施桥头跳车处治方法处治思路处治方法减小路基压缩变形 提高路基填土的压实度 换填材料（砂砾石，碎石等） 挤密桩 加筋（土工网等）沉降过渡方法 桥头搭板 渐变桩 柔性桥台减少地基沉降 地基处理（粉喷桩，钢渣桩，超载预压，等等） 采用轻质材料填筑路基（粉煤灰,聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）和发泡珍珠岩等）84.2.5 常用处治措施的适应性分析 搭板、换填路堤材料或两者结合 主要问题：搭板断裂和二次跳车，桥头错台等。 研究缺陷：目前的研究主要考虑搭板的力学性状优化，较少考虑搭板和路堤变形的耦合，更没有对其在不同桥头工况下的适

5、应性进行研究，因此，这些方法的选用带有一定的盲目性，从而造成了其在应用过程中出现了较多病害。 分析思路：通过模拟不同的地基沉降模式，分析其变形与力学性状，从而研究常用处治措施对地基沉降的适应性能力大小。9图 计算模型1.刚性搭板的适应性分析路堤填高6米，路堤宽3.5,坡率11.5。搭板长取6米，厚度取30cm，布置于路基顶面 计算模型 利用钢筋混凝土搭板进行过渡时存在两个缺点：一是搭板不可能做得很长，沉降差较大时，搭板引起的纵坡变化也将引起桥头跳车；二是搭板之下由于路基的沉降变形引起脱空，导致搭板断裂。目前对搭板进行的结构受力分析及配筋计算只能尽量防止搭板不因脱空而发生断裂。 10（a）板长6

6、m （b）板长8m （c）板长10m 图 路基顶面沉降曲线 搭板对地基沉降的适应性分析 表 不同地基沉降值时的纵坡变化率板长6m地基沉降（cm）0246810纵坡变化率（）0.10.4620.8071.1511.4951.83板长8m地基沉降（cm）0246810纵坡变化率（）0.1220.350.6060.861.111.36板长10m地基沉降（cm）0246810纵坡变化率（）0.0760.2820.490.6940.8951.09511 小结 搭板对地基沉降的适应性分析表明，地基沉降的增大将引起搭板纵坡变化率的增大，从而产生桥头跳车现象。因此，地基沉降是影响搭板纵坡变化率的主要因素。 搭

7、板对地基沉降的适应性表现为：长度6m的搭板适用于处理地基沉降在3cm以内的桥头路段；8m长度的搭板适用于处理地基沉降在4cm以内的桥头路段，而10m搭板适用于处理地基沉降在5cm以内的桥头路段。122. 换填材料的适应性分析 计算模式路堤填高6m，计算长度30m，桥头路堤换填区域的布置为：路基底部长度4m，沿路堤高度按1：1换填 13路堤填料种类的影响结果分析路堤压缩变形与填料模量的关系曲线（0） 地基均匀沉降路基顶面竖向位移曲线（10cm）14 小结 （1）桥头路堤换填压缩模量大的填料可以明显减小路堤的压缩变形，同时沿路堤高度1：1的楔性“刚柔过渡”换填方式不仅可以大大减少换填量，更有利于协

8、调其沉降差。 （2）当地基为均匀沉降模式时，路堤沉降量主要体现在地基沉降值的大小，换填方式无法起到消化地基沉降的作用。 （3）当桥头地基存在局部软弱区域时，桥头路堤换填抗剪强度高、具有一定整体性的填料如灰土，能够较好地消化地基的不均匀沉降，而砂粒填料次之，粘土最差。但换填灰土一定要保证施工压实，使其形成为一个整体。 153. 平面土工格栅加筋作用性状 布置间距为50cm 16土工格栅加筋对桥头路堤侧向位移的影响 图 路堤边坡的侧向位移（X方向） 图 路堤纵向的侧向位移（Y方向）土工格栅加筋对路堤应力分布性状的影响 图 路堤横断面底面竖向应力（Y0） 17 小结 通过以上分析可知，土工格栅加筋的

9、作用性状主要表现为以下几个方面： 土工格栅利用其较大的拉伸模量，通过其与土体的界面摩擦和咬合作用，限制了路堤填土的侧向位移，提高了土体的抗剪强度和抗变形能力，从而减小了路堤的压缩变形值。且随着路堤变形模量的减小，其作用更显著。 土工格栅变形后也存在“网兜效应”，从而使荷载的分布趋于均匀； 土工格栅由于一端锚固于桥台上，利用其抗拉伸能力，阻止了桥台附近土体的向下沉降，同时，也减小了桥头路基和地基的竖向应力。18 同时，基于以上的分析，针对桥头路堤平面加筋处治技术提出以下建议： 平面加筋材料应选用具有较大拉伸刚度的筋材，同时，桥头应换填内摩擦角较大的填料。 平面加筋材料对于减小路堤自身的压缩变形较

10、为有效，但由于其不具有抗弯刚度，故消化地基沉降变形的能力较差，因此，土工格栅加筋技术适用于处治地基条件较好的桥头过渡段。当地基较差时，应结合其它方法进行综合处治。 19 铁路铁路路基设计简述-过渡段 路桥过渡段20 铁路铁路路基设计简述-过渡段 路涵过渡段21 铁路铁路路基设计简述-过渡段22 铁路铁路路基设计简述-过渡段234.3 路堤下复合地基设计理论4.3.1 复合地基的定义与分类 复合地基是指天然地基在处理过程中部分土体得到增强或被置换，或在天然地基中设置加筋体材料，从而形成的由两种刚度（或模量）不同的材料（土体和增强体）所组成的人工地基。根据增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和

11、竖向增强体复合地基。竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基，根据竖向增强体的性质，桩体复合地基又可分为三类：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。 1. 复合地基的定义24 2. 柔性基础下复合地基的概念 复合地基是软弱地基处理时常用的一种技术，复合地基若按其基础刚度的不同来分类，可分为两类： 一是刚性基础下复合地基，这类复合地基是从工业与民用建筑方面发展起来的，在我国已有较广泛的应用，一般所说的复合地基也都是指这类复合地基。在刚性基础下复合地基中，基底面处满足等应变假设，即桩顶与桩间土的变形相同。 二是柔性基础下复合地基，即像路堤、堤坝等构筑物下的复合地基，此类构筑物本身的刚度

12、与地基土的刚度差别不大，这类复合地基在受力后变形与强度性状与刚性基础下复合地基相比有较大的差异。但这方面的研究较少，也还没有引起足够的重视，甚至大多数情况是将两类复合地基混为一谈，对柔性基础下复合地基的设计计算往往直接采用刚性基础下复合地基的设计计算理论。柔性基础下复合地基是指路堤荷载作用下的粉喷桩复合地基。 25地基处理方法浅层处理16桩-板结构地基15桩-网结构地基（钢筋混凝土打入桩、预应力管桩）1换填垫层法2冲击碾压法3堆载预压4真空预压动力固结5强夯法6强夯置换法14注浆法17刚性承台桩基础排水固结复合地基散体材料桩7碎石桩8砂 桩9灰土（水泥土）挤密桩柔性桩10旋喷桩12柱锤冲扩桩半

13、刚性桩13 CFG桩11搅拌桩常见地基措施264.3.2 水泥搅拌桩复合地基 水泥搅拌桩法是一种加固处理软弱地基及地基承载力不大于120KPa的粘性土或粉性土等地基的方法。它是利用水泥作为固化剂，采用特制的深层搅拌机，在地基深处将水泥粉固化剂与软弱地基土在原位强制搅拌成混合物，通过水泥与软弱土之间发生的离子交换作用、凝聚作用、化合作用等一系列物理化学反应，形成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土桩体，达到加固软弱地基的目的。水泥土桩体与原位周围的天然土体共同作用，从而显著地提高地基的强度和承载力、减小地基的变形，即形成所谓的水泥搅拌桩复合地基。272. 水泥搅拌桩复合地基的加固机理（1）

14、 水泥土的加固机理桩体作用 垫层效用 挤密效用 （2）水泥搅拌桩复合地基的加固机理水泥的水解和水化反应 离子交换及团粒化作用 凝硬反应（火山灰反应）碳酸化作用 283. 设计计算建筑地基处理技术规范（JGJ792002，2003）中对于深层搅拌桩复合地基承载力标准值按照下式计算：式中， 复合地基的承载力标准值； 面积置换率； 桩的截面积； 桩间天然地基土承载力标准值； 桩间土承载力折减系数，当桩端土为软土时，可取0.51.0，当桩端土为硬土时，可取0.10.4，当不考虑桩间软土的作用时，可取零； 单桩竖向承载力标准值，应通过现场单桩载荷试验确定。 294.3.3 柔性基础下复合地基的设计理论1

15、.刚性基础下复合地基理论的基本假设： 1）基础为刚性； 2）在竖向荷载作用下桩与桩间土共同承担上部荷载； 3）复合地基土内部任一水平截面上桩与桩间土的竖向压缩变形相同。302.刚性基础下复合地基计算公式讨论（1） 系数的取值（2） 的取值一般认为，31一般认为， 仅与桩端土的软硬程度有关，这是从桩的沉降概念或桩土之间的相对变形角度考虑问题的，认为只有桩下沉后土才能发挥作用。 值也理应与桩本身的强度（压缩模量）有关。因为当桩身的强度（压缩模量）较小时，桩在荷载作用下的压缩变形就大，这样桩间土所承受的荷载也大，反之则小。而对于柔性基础复合地基，受荷后其等沉面并不在桩顶而是下移了一定距离，等沉面上下

16、桩土间相对变形的规律不同，其大小则受到桩间土的性质、桩体强度以及柔性基础刚度的影响。因此， 值除了应当考虑桩端土体的性状外，还需考虑桩体强度、桩间土的性质、桩距（置换率）、桩长及柔性基础刚度的影响。（1） 系数的取值32规范公式中， 定义为桩间天然地基土承载力标准值。但现场实测资料表明，用粉喷桩处理之后，桩间土的强度有所增长。比如，在甘肃馋柳高速公路土家湾隧道西洞口地基采用粉喷桩处理前，天然地基土承载力=90kPa，处理后桩间土的承载力为130kPa，增长了44；同样，在东洞口，天然地基土的承载力=120kPa，而桩间土的承载力提高到240300kPa，增长近2倍左右。其原因可归结如下：在进行

17、粉喷及桩体强度形成过程中，水泥粉会吸收桩周土体中的一些水分来完成其一系列物理化学反应，从而使得桩周土体的含水量减小，强度提高；强度较高的粉喷桩桩体对桩间土的变形产生侧向约束，使桩间土的沉降量有所减小。（2） 的取值33桩-网结构路基桩-网结构路基由桩-网结构基础与上部路堤组成，其中桩-网结构基础是一种刚性桩基础，由钢筋混凝土刚性桩（群）和桩顶以上的加筋垫层共同组成。 遂渝无砟轨道试验段桩-网结构路基横断面设计图34桩-网结构属于一种刚性桩基础，需要解决的技术问题包括：沉降特性合理桩间距柔性拱作用机理设计与施工技术35桩-网结构路基理论分析研究3637桩-网结构路基离心模型试验 38桩-网结构单

18、桩承载力验算39桩-网结构地基沉降计算4041桩帽顶加筋垫层一般采用碎石垫层，厚度0.40.6m,夹铺一层双向高强度低应变土工格栅。土工格栅断裂延伸率不大于10%，极限抗拉强度应满足检算要求并不小于80KN/m。42深厚软弱地基长短组合桩桩-网结构路基436.桩-板结构路基桩-板结构路基由下部钢筋混凝土桩基和上部钢筋混凝土承载板组成，钢筋混凝土承载板直接与轨道结构相连接。桩-板结构具有以下特点： 1）桩-板结构承载板直接与轨道结构连接，因此，桩-板结构设计必须考虑列车动荷载的作用，结构应满足疲劳强度的要求； 2）桩-板结构承载板可视为支撑在桩基础上的连续板梁，板梁的竖向和横向刚度必须满足无砟轨

19、道铺设要求； 3）桩-板结构与土路基共同组成一个承载结构，桩-板结构与土路基的共同作用是桩-板结构设计合理经济的关键技术问题。44 遂渝无砟轨道试验段DK132+486DK132+611桩-板结构路基横断面设计图4546桩-板结构在自重和上部荷载作用下的挠曲变形桩-板结构路基数值模拟分析47桩-板结构路基在上部荷载及路堤自重作用下竖向位移云图4849桩-板结构大模型实验 模拟单线路堤桩-板结构，测试循环荷载作用板、桩、土的受力与变形。50动车组通过时，单线桩-板结构路基和双线桩-板结构路基测试断面路基表层的最大动应力范围分别为4.50kPa、4.70kPa；桩底土体最大动应力分别为10.09、

20、10.14kPa；最大动变形分别为0.023mm、0.025mm；最大加速度分别为0.61、0.62m/s2 。 遂渝24m简支箱梁跨中最大动位移为0. 25mm ； 32m简支箱梁跨中最大动位移为0. 48mm 。货车通过时，单线桩-板结构路基和双线桩-板结构路基测试断面基床表层表面的最大动应力分别为6.17kPa、6.00kPa；桩底土体最大动应力分别为12.85、12.83kPa；最大动变形分别为0.057mm、0.061mm；最大加速度分别为0.75、0.60m/s2 。 遂渝24简支梁跨中最大动位移为0.31mm ；32m简支箱梁跨中最大动位移为0. 50mm 。514.4 路基边坡

21、绿色防护技术52535455564.4.1 工程防护的不足破坏了生态环境，环境效果极差；随着时间的推移，混凝土面、浆砌片石面都会风化、老化，后期整治费用高。被破坏了的植被很难迅速恢复。574.4.2 一般边坡的植被护坡方法铺草皮护坡植生带护坡液压喷播植草护坡三维植被网护坡挖沟植草护坡土工格室植草护坡浆砌片石骨架植草护坡钢筋混凝土框架内填土植被护坡预应力锚索框架地梁植被护坡581）路基填料抵御水侵蚀；2）路基面防排水；3）地下排水，包括路堤基底地下排水和和路堑基床换填底部地下排水；4）边坡防排水及地面排水，包括路堤、路堑边坡防排水以及侧沟、天沟、排水沟。路基工程防排水客运专线铁路路基工程防排水体

22、系59路基工程防排水路基面防排水路基面采取全封闭防水，主要措施包括： （1）轨道基础板两侧基床表层铺设0.1m厚SAM10沥青混凝土封闭层防止表水下渗。 （2）在无砟轨道路基左右两线的轨道板之间，设置贯通的纵向水沟。间隔50m左右设集水井，在集水井底部设置横向排水管，将积水通过横向排水管排入路堤边坡上的横向排水槽或路堑侧沟。路基面纵向水沟采用C15混凝土浇注，集水井采用C25钢筋混凝土浇注，横向排水管采用200mm钢筋混凝土管，横向排水槽采用M7.5浆砌片石砌筑。 （3）路堑侧沟外平台采用浆砌片石封闭。60地下排水 对路基有危害的地下水，应采取疏排措施。路基工程防排水61路堤基底地下排水路堤填

23、方基底存在地下水，可能引起路堤底部填料强度降低，引起变形或路堤沿地基表面的滑动。对于路堤填方基底出露的泉眼，应设置排水通道（暗沟或盲沟），引排地下水。路堤填方基底为洼地、槽谷，或地基土层地下水发育地段，路堤底部应设置排水层，避免地下水汇聚对路堤底部填料产生不利影响。当路堤填料为非良质填料时，则应在路堤底部应设置防排水层既能排泄地下水，又能隔断地下水对路堤非良质填料的不利影响。路基工程防排水62路基工程防排水63路堑基床换填底部地下排水地下水水位处于路基基床附近时，在列车动荷载作用下，基床土动强度会降低，易引起基床发生变形。无砟轨道对基床动力稳定性要求极高，因此，为防止基床病害必须设置地下排水工程。路基工程防排水64路基工程防排水遂渝线无砟轨道试验段软质岩全、强风化层及土层地段路堑基床换填深度12.3m（换填A、B组