关于铁路路基地基承载力的讨论

杨永久

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

关于铁路路基地基承载力的讨论

杨永久

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

现行不同铁路规范对于路基地基承载力的要求各不相同，设计人员对规范有不同的理解，有时会造成设计偏于保守，对铁路路基地基承载力设计方法进行探讨。地基容许承载力和地基承载力的特征值是地基基本处于弹性变形的界限，与基础是刚性还是柔性无关。对于有砟轨道，可允许土体局部进入塑性破坏区，可以在规范的基础上将承载力要求适当放宽。根据既有资料，提出用于极限状态设计的承载力分项系数，可为铁路地基处理极限状态设计方法提供参考。

铁路路基；地基承载力；极限状态设计方法；安全系数

1 概述

目前对于铁路路基地基承载力各规范有不同的要求。

《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106—2010)中3.3.2条“复合地基处理后的地基，承载力应满足下式要求

式中，pk为基底压力；[σ]为处理后的地基容许承载力；k为地基承载力计算修正系数，对于路堤、场坪等柔性基础地基可取1.2～1.5。按上述要求，处理后地基容许承载力应满足[1]

《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)中7.1.5条规定“地基表层为软弱土层，当其静力触探比贯入阻力Ps值：Ⅰ级铁路小于1.2 MPa，Ⅱ级铁路小于1.0 MPa时；或天然地基基本承载力：Ⅰ级铁路小于0.15 MPa，Ⅱ级铁路小于0.12 MPa时，应根据软弱土层的性质、厚度、含水率、地表积水深度等，采取地基加固措施”，但没有明确写出处理后的复合地基承载力要求。其条文说明中说道“如软弱土层较厚，按一般原则处理不能保证路基稳定时，应按软土地基处理方法加固地基”，说明这一条规定本质上还是对地基稳定性提出的要求[2]。

《新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设函[2005]285号)中没有针对一般路堤地基承载力方面的规定，仅4.4.7条对低矮路堤基床范围内的地基承载力进行了规定[3]。

《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设[2005]140号)中4.4.4条，“当路基基底压缩层范围内(一般不小于25 m)的地基土不符合表4.4.4要求时，应结合架梁和铺轨的施工组织安排和工期要求，进行工后沉降分析”，表4.4.4中“黏性土Ps>1.2 MPa或σ0≥0.15 MPa”。

《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009)中，没有提出有关承载力方面的要求[5]。

由于设计人员对上述条文的认识与理解各有不同，造成在设计过程中采用不同的承载力控制标准。对地基承载力问题魏永幸做了很精辟的探讨[6-7]。本文试图在前人的研究基础上，对不同条件下地基承载力的确定问题进行讨论。

2 地基承载力的定义

在目前各行业的规范体系里，有多个地基承载力的概念，主要包括：地基容许承载力、地基基本承载力、地基承载力特征值、地基承载力标准值、地基极限承载力等，这些承载力是从不同角度提出来的，有的是从土力学的概念提出的，有的是从设计方法的角度提出的[8]。

(1)地基极限承载力和地基容许承载力

这两个概念是从土力学基本概念提出的，地基濒临失稳时地基土单位面积上所能承受的最大荷载为极限承载力；为确保工程的安全性，将地基极限承载力除以安全系数得到地基容许承载力，也就是说容许承载力为考虑了一定安全储备的地基承载力，此时地基处于弹性状态或者局部出现塑性，传统的容许承载力是从强度的角度提出来的。

另外，我国的设计习惯还容许承载力为确保地基不产生剪切破坏而失稳，同时保证建筑物沉降不超过允许沉降，在《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106—2010)中采用了这种定义。也就是说对不同的建筑物，由于其对变形的承载能力不同，则容许承载力也有差别。

地基极限承载力可用极限承载力公式计算，也可采用平板载荷试验求得。根据相关报道，Hansen公式计算黏性土的极限承载力与载荷试验结果有很好的一致性，但计算砂土的承载力比载荷试验要小很多。

(2)地基基本承载力和地基承载力的特征值

地基基本承载力是《建筑地基基础设计规范》(GB50007—89)曾经使用的术语，表示岩土体在比例界限内，以弹性变形为主，且基础埋深不大于3 m、基础宽度不大于2 m的地基承载能力。新的建筑行业规范已废除此术语。但是现行铁路规范系统中尚存在。

地基承载力的特征值是《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)提出的术语，定义为“由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值，其最大值为比例界限值”，其基本属性仍然是强度条件下的容许承载力。也就是说承载力的特征值是一系列值，而不是一个定值，不同的“规定变形”对应的承载力特征值是不同的，其最大值比例界限即为基底下地基土即将发生塑性破坏的临界值，体现的是地基承载力的变形控制理念。

在承载力里面同时体现强度和变形，会造成概念的混淆，同时地基承载力的特征值会出现不一致性。若承载力的特征值取比例界限值，则地基变形限于弹性变形范围内，此时变形计算相对精确，变形控制由变形计算校核概念会更加清晰。

(3)地基承载力的标准值与地基承载力的设计值

这两个概念是从概率极限状态设计原则提出的术语。标准值时某一保证率的分位值，设计值是该变量验算点的坐标，都是具有概率统计含义的取值方法。用地基极限承载力的标准值在设计表达式中，应除以分项系数而成为设计值，这个过程体现了设计安全度的要求。而容许承载力的标准值不需要再除以分项系数，因为容许承载力本身取值中已经体现了安全度的要求，因此不存在容许承载力设计值的概念。

3 天然地基承载力

地基承载力可由载荷试验或其他原位测试方法确定，当没有测试数据时，可利用强度参数进行估算或依据工程经验取值。

(1)根据工程经验取值：在大量测试资料和建筑经验的基础上，通过统计分析总结出各种类型的地基土在某种条件下的承载力。

(2)理论公式计算：地基承载力理论公式是在一定的假定条件下，根据地基土的抗剪强度等参数，通过弹性理论或弹塑性理论导出的解析解，包括地基临塑荷载公式、临界荷载公式、太沙基公式、斯肯普顿和汉森公式等。

(3)根据原位测试确定：包括载荷试验、静力触探、动力触探、标准贯入试验等原位测试方法。

其中采用载荷试验确定的地基承载力更接近工程实际，但在铁路工程设计阶段，很少开展载荷试验确定承载力，大都采用勘探取样进行室内试验或采用静力触探、动力触探及标准贯入试验等较简单的原位测试手段，结合经验公式来分析确定地基土承载力。为方便勘察设计人员取值，结合多年来的工程经验和实践，《铁路工程地质勘察规范》中各种地基土的极限承载力与基本承载力之比见表1[9]。

表1 地基土极限承载力Pu与基本承载力σ0之比

表1中不同土性极限承载力与基本承载力的比值不同反映了载荷曲线的不同形状，也就是弹性阶段所占比例不一样，而不是根据变异系数采用可靠度理论分析得出。天然地基承载力变异系数为0.2～0.3。

地基承载力由3部分组成，第一部分为黏聚力在滑动面上形成的抗力，第二部分为侧向超载形成的摩阻力所形成的抗力，第三部分为滑动土体的体积力在滑动面上形成的摩阻力所形成的抗力。

一般载荷试验的埋置深度为零，所测定的承载力没有包含深度影响，同时载荷板尺寸比基础的尺寸小很多，因此载荷试验结果用于实际工程应进行深宽修正，深层载荷试验结果不用进行深度修正。而承载力表是根据载荷试验结果统计而来，一般适用于基础宽度小于3 m，基础埋深小于0.5 m的情况，用于实际工程也应进行修正。

在极限状态法设计的地基承载力验算中，引入天然地基承载力分项系数(γR)，为与现有设计水平相当，在验算天然地基承载力时，Q4冲洪积黏性土及软土分项系数取1.8，其余土类取2.0。

4 单桩承载力

单桩承载力的确定方法主要包括2种：由单桩载荷试验确定；按桩身强度及按桩侧、桩端抗力估算值中的小值确定。

(1)由单桩载荷试验确定单桩承载力

根据《铁路工程地基处理技术规程》中开展复合地基单桩载荷试验或按《铁路工程基桩检测技术规程》中开展单桩竖向抗压静载试验时，可确定单桩的竖向极限承载力。在极限状态法设计的地基承载力验算中，引入单桩承载力分项系数(γp)，为与现有设计水平相当，在验算时单桩承载力分项系数取2.0。

(2)按桩身强度和桩侧、桩端抗力估算确定的单桩承载力

根据桩身强度及按桩侧、桩端抗力估算值中两者之中的小值为确定的单桩承载力。

①桩身强度一般采用与现场桩体配比相同的室内试块抗压强度或采用现场桩体钻孔取芯试块的抗压强度。在极限状态法设计的地基承载力验算中，引入单桩承载力分项系数(γp)，根据桩型、试块类型、现场地质条件及施工条件等综合分析后选取，并与现行设计水准相一致。

②按桩侧、桩端抗力估算的单桩承载力

根据桩侧、桩端抗力参数的来源不同又分为原位测试法和经验参数法，一般采用综合确定的方法。

根据静力触探资料确定桩侧、桩端阻力，或根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定桩侧、桩端阻力，估算的单桩承载力一般为单桩极限承载力。在极限状态法设计的地基承载力验算中，引入单桩承载力分项系数(γp)，为与现有设计水平相当，在验算时单桩承载力分项系数取2.0。

5 复合地基承载力

复合地基承载力的确定方法主要包括：复合地基载荷试验、按桩土共同作用估算。

(1)复合地基载荷试验确定单桩承载力

根据《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106—2010)中开展复合地基载荷试验，可直接确定复合地基的容许承载力。在载荷试验中，容许承载力的确定与土的性质、上部基础变形等相适应。

(2)按单桩承载力、桩间土共同承载估算的复合地基承载力

对散体材料桩、水泥土柔性桩及CFG桩等复合地基，由桩与周边土体共同承担上部荷载。开展复合地基承载力验算时，针对不同桩型、桩间土性质等条件，估算时桩或桩间土考虑各自相应的承载力发挥系数，并参照上述天然地基承载力和单桩承载力分析，分别引入地基土承载力分项系数(γR)和单桩承载力分项系数(γp)。

6 关于路堤荷载下地基承载力的讨论

工程设计中通常应考虑3个方面，即强度、变形及稳定，具体到路基设计落实到承载力、工后沉降、路基整体稳定。地基承载力本质上是一个强度的问题。

(1)变形控制及强度控制

目前规范所定义的地基承载力特征值最大值为比例界限。有砟轨道允许有一定的沉降量，对软土地基加固设计时，为满足承载力要求，设计措施往往非常重，最后沉降远远小于设计值，会造成不必要的浪费。此时承载力可适当取大一些，土体局部进入塑性区，虽然地基变形超越了弹性阶段，但仍然满足工后沉降要求。合理设计追求的目标应该是强度和变形的和谐统一[7]。

(2)路堤荷载下地基承载力

在《铁路工程地基处理规程》(TB10106—2010)中提出了地基承载力修正系数的概念，采用容许应力法时，要求复合地基处理后的地基承载力应满足

式中，Pk为路基地面处压力值；[σ]为处理后地基容许承载力；k为地基承载力计算修正系数，对于路堤、场坪等柔性基础地基其值可取1.2～1.5。

处理后地基承载力一般由现场载荷试验求得，设计时可根据相关公式估算。由于目前载荷试验和经验公式均是在刚性基础上获取的，而铁路路堤和场坪均为土工结构物，属于柔性基础，地基破坏模式与混凝土等刚性基础不一样，需对现有经验的承载力进行修正。根据相关研究表明，柔性基础的承载力是大于刚性基础的，二者的比值为1.03～1.75，在《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106—2010)中将承载力比值定为1.2～1.5。由上述背景可以看出，这个系数是根据工程经验提出来的，没有理论依据，条文解释为柔性基础的承载力大于刚性基础。

实际工程中，柔性基础能适应地基变形，也就是说基础底面压力的分布和大小完全与其上的荷载分布与大小相同；而刚性基础基底压力分布随上部荷载的大小及土的性质而异，图1、图2分别为典型柔性基础和刚性基础基底压力分布。

图1 柔性基础底面压力分布

图2 刚性基础基底压力分布示意

确定地基承载力的方法有2种，一种是理论计算法，其基本假定就是基底压力线性分布；第二种是采用载荷试验确定，其本质就是将承载力限定在弹性变形或限制变形量。也就是说地基承载力增大并非柔性基础比刚性基础承载力大，主要原因是路基关注的是工后沉降而不是总沉降，对于有砟轨道允许地基有一定的变形局部进入塑性区，现行规范仍然按照建筑地基的承载力确定方法欠妥，往往导致地基承载力不能充分利用。

从铁路工程实用、经济、安全角度考虑，铁路路基在满足变形要求前提下，对于无砟轨道，路基工后沉降控制非常严格，一般要求工后沉降不超过15 mm，此时可严格按照现行规范取值；对于有砟轨道可允许土体局部进入塑性破坏区，可以在规范的基础上将承载力特征值适当扩大，这才是《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106—2010)中3.3.2节地基承载力修正系数的根本原因，地基承载力分项系数如表2所示。

表2 地基承载力分项系数

[1] 中华人民共和国铁道部.TB10106—2010铁路工程地基处理技术规程[S].北京:中国铁道出版社，2010．

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10001—2005铁路路基设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2005．

[3] 中华人民共和国铁道部.铁建设函[2005]285号新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定[S].北京:中国铁道出版社， 2005．

[4] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2005]140新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定[S].北京:中国铁道出版社，2005．

[5] 中华人民共和国铁道部.TB10621—2009高速铁路设计规范(试行)[S].北京:中国铁道出版社，2010．

[6] 魏永幸，薛新华.柔性路堤地基承载力控制值探讨[J].铁道工程学报，2010(1):1-3.

[7] 魏永幸，薛新华，龚晓南.柔性路堤荷载作用下的地基承载力研究[J].铁道工程学报，2010(2):22-26.

[8] 高大钊.土力学与岩土工程师[M].北京:人民交通出版社，2008:169-230.

Discussions on Bearing Capacity of Railway Embankment Foundation

YANG Yong-jiu

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

The requirement for bearing capacity of foundation is not accordant in different current codes and designers may have different understanding of the codes， which may result in conservative design. This paper focuses on the bearing capacity of foundation under embankment load. The allowable bearing capacity and the characteristic bearing capacity are limits for elastic deformation irrespective of rigid foundation or flexible base foundation. It’s appropriate to allow the foundation to be plastic partly for ballasted track， and the requirement for bearing capacity of foundation can be eased aptly. According to the existing information， the partial factor of bearing capacity is proposed， which could provide reference for limit design of railway foundation treatment．

Railway embankment; Foundation bearing capacity; Limit design method; Safety factor

2015-02-15；

2015-03-10

铁道部科技研究开发计划重点课题(2012G014-H)

杨永久(1966—)，男，高级工程师，1989年毕业于石家庄铁道学院铁道工程专业，E-mail：401382061@qq.com。

1004-2954(2015)10-0006-04

U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.002