铁路提速区段路基加固方法的研究

2010-04-15王新征

山西建筑 2010年22期

李瑞王新征

铁路路基是为了满足轨道铺设和运营条件而修建的土工构筑物，是保证轨道线路平顺和稳定的基础，承受着列车和轨道的荷载，因此必须有足够的强度、稳定性和耐久性。路基的好坏，将直接影响线路的行车安全及运输能力。随着提速范围的扩大，列车行车速度的不断提高，路基暴露出的问题也越来越严重。因此，对铁路提速区段路基的加固已经成为铁路部门必须面对的问题。

1 既有线提速后对路基的影响

长期以来，我国对铁路路基的重视程度一直都不尽如人意，轻路基、重桥隧;轻轨下、重线上的旧观念都没有太多的改变，把路基的设计与施工看得过于简单，不够重视。由于受建设时期设计理论和施工技术的限制，加上所承受的超负荷的作用，既有线路基已经存在着相当数量、且相当严重的病害[1]。

随着列车运量的增加和运行速度的提高，既有线路路基的病害工点、病害地段总长不断增加，路基病害的程度也越来越严重。首先，提速后行车密度加大，维修作业时间相对减少，久而久之，路基病害加剧，影响行车安全。其次，由于行车速度的提高，列车对路基产生的动应力增加，使路基沉降明显加大，导致线路状况的迅速变坏，特别是原有的路基病害处，动应力加大致使病害加重。第三，在桥涵过渡段，由于桥台与路堤的动静刚度相差悬殊，列车通过时，桥台与路堤之间就会出现变位差，虽然其数值很小，但因车速很高，会对轨道结构产生较大的冲击，反过来轨道结构对列车也会产生冲击，从而降低列车运行的平稳性、舒适度，加快结构物和车辆的损坏，引起过渡段路基的病害[2]。

2 提速路基(基床)加固技术现状

2.1 既有线路基加固机理分析

列车提速以后，路基病害产生的原因是多方面的，但总的来说，其发生和发展主要取决于以下三个方面的因素[3]:基床土的工程性质;水对基床的作用形式和程度;动荷载的性质、大小和分布。对基床病害的整治必须根据具体条件，针对其关键因素确定工程措施，以达到整治基床病害的目的。

对既有线提速路基而言，受动应力影响最大的是基床表层，其病害多发生在基床表层0.5 m范围内，路基以路面下0.5 m受动力影响较为剧烈，再向下应力缩减较快，至路面下1.0 m处，动应力影响已很小[4]。可以认为:使基床表层强化、提高其强度，是解决大多数既有线路基病害的基本途径。

2.2 既有线提速路基加固方法

目前常用的提速线路路基加固方法主要有:排水固结、桩土复合地基、基床换填、注浆、土工材料处理和化学加固等方法[5]。其中，桩土复合路基是既有铁路病害路基加固的主要形式，它对大多数路基缺陷是合适的，又是一种对行车影响相对较小的加固方法，具有较好的推广应用前景。

3 桩土复合路基设计方法研究

根据荷载传递机理的不同，桩土复合路基可分为三类，见表1。根据加固方式、桩型的不同，分别采用不同的设计计算方法。

表1 桩土复合路基分类

桩土复合路基设计包括复合路基形式的合理选用，复合路基置换率、加固深度以及增强强度等的合理组合及选用。当以提高路基承载力为目的时，首先要充分利用原有路基的承载力，然后通过调整桩体强度和置换率来满足设计要求。当以减少路基沉降量为目的时，应以加深复合路基的加固区深度，减少软弱下卧层的厚度来达到设计要求。

3.1 桩土复合路基承载力计算

复合路基承载力由两部分组成，一部分是桩，另一部分是桩间土。桩体复合路基承载力计算思路是先分别确定桩体的承载力和桩间土承载力，再根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合路基的承载力。

桩体复合路基的承载力pcf普遍表达式可用下式表示:

其中，ppf为单桩极限承载力;psf为天然路基极限承载力;k1为单桩承载力修正系数;k2为桩间土承载力修正系数;λ1为桩体极限强度发挥度;λ2为桩间土极限强度发挥度;m为复合路基置换率。

复合路基的容许承载力pcc计算式为:其中，k为安全系数。

3.2 桩土复合路基沉降计算

在荷载作用下，复合路基变形计算主要包括两部分:复合路基加固区的变形S1;加固区下卧层的变形S2，则复合路基总沉降S表达式为:

其中，复合路基加固区的变形S1可用分层总和法计算，其表达式为:

其中，ΔPi为第i层复合土体附加应力增量;Hi为第i层复合土体的厚度;Ecsi为第i层复合土体的压缩模量，其值为Ecsi=m◦Ep+(1-m)◦Esi，其中，Ep为桩体的压缩模量，Esi为第i层土层底压缩模量，m为置换率。

加固区下卧层的变形 S2，其表达式为:

在计算下卧层压缩量时，作用在下卧层上的荷载是比较难以精确计算的。设计中采用压力扩散法进行计算，参见图1。

4 工程实例

京广线孟庙—长台关段为既有电气化铁路，提速后该段线路的旅客列车最高速度将提高至200 km/h，货物列车速度提高至120 km/h。该段路基填料在改造前大部分为C组的粉质黏土，干密度在1.25 g/cm3～1.85 g/cm3范围内，路基基床表层承载力为110 kPa～150 kPa，基床底层承载力为 120 kPa～ 160 kPa。根据《既有线提速200 km/h技术条件(试行)》的要求，既有路基基床表层的基本承载力应达到180 kPa，基床底层的基本承载力应达到150 kPa。由此可见，既有路基基床大部分不能满足上述要求，需要进行加固处理。加固采用水泥土挤密桩进行加固，利用水泥土的高强度和成桩过程中的挤密作用达到提高路基基床承载力的作用。

水泥土挤密桩设计参数如下:

桩位布置:桩位沿线路纵向按轨枕间距布置，横向按单线布置，自线路中心左右1.8 m范围内均匀分布。

桩径:套筒直径0.24 m，成桩后桩径大于0.26 mm。

桩长:根据不同地质条件及不同地段分别设计，基床表层承载力不足段，桩长按1.0 m设计;基床表层、底层承载力均不满足要求的地段，桩长按3.0 m考虑。在路桥、路涵过渡段，按照桥涵两侧各20 m进行处理，桩数采用6根，桩长自路基面向下深度由2.5 m渐变至1.5 m，使刚度均匀过渡。

材料配合比:水泥∶石灰∶土为1∶3∶6，水泥采用32.5R普通硅酸盐水泥。

施工方法:用机具在基床成孔，分层装填水泥土，并用橄榄锤分层击实，从而使桩体与桩间土挤压密实，形成复合地基，达到提高基床承载力的目的。

成桩强度:成桩28 d后，桩的强度必须达到1 MPa。

试验结果表明，在夯锤落距保持60 cm，填料虚铺厚度为40 cm，击数为35击时，桩身干密度、28 d无侧限抗压强度、承载力均达到了设计要求，铁路基床经水泥土挤密桩加固施工后，经1年多的运行和沉降、位移监测，不但无翻浆、积水和下沉、移位等现象发生，而且基床也很稳定、坚固，达到了运营速度至200 km/h的运营目标。