柔性路堤荷载作用下的地基承载力研究_魏永幸

2010年2月
第2期(总137)
铁 道 工 程 学 报
J OURNAL OF RA IL W AY ENG I N EER ING SOC I ETY
F eb 2010
NO.2(Ser .137)
收稿日期:2009-09-14
作者简介:魏永幸,1964年出生,男,教授级高级工程师,注册土木(岩土)工程师。

文章编号:1006-2106(2010)02-0022-05
柔性路堤荷载作用下的地基承载力研究
魏永幸
1
薛新华1 龚晓南
2
(1.中铁二院工程集团有限责任公司, 成都610031; 2.浙江大学, 杭州310058)
摘要:研究目的:从变形控制出发,以铁路工程为例,研究柔性路堤荷载作用下的地基承载力问题。

研究结论:现行规范规定载荷试验中按沉降相对变形进行承载力特征值的取值偏于保守,往往导致地基承载力不能充分利用。

为充分利用地基承载力,提出铁路路堤设计时,应根据不同的地基允许沉降标准进行地基承载力特征值的取值,可以在满足变形要求前提下,在规范基础上将承载力特征值取值适当扩大,以达到强度和变形的和谐统一。

文中的结论可以为类似铁路工程提供参考。

关键词:变形控制;地基承载力;柔性路堤;载荷试验;铁路路基中图分类号:U 213.1 文献标识码:A
St udy on t he Bearing Capacity of Foundation under Flexi ble E m bank m ent
Load
W EI Yong -xi n g 1
,XUE X in -hua 1
,GONG X iao -nan
2
(1.Ch i n a Ra il w ay E ryuan Eng i n eering Group Co .Ltd ,Chengdu ,Sichuan 610031,China ;2.Zhe ji a ng Un iversity ,H angzhou ,Zhe ji a ng 310058,China)Abst ract :R esearch purposes :Tak i n g the ra il w ay eng ineeri n g as an exa m p le ,the study is done on the bearing capac ity of foundation under fl e x i b le e m bankm ent load for contro lling the foundation defor m ati o n .
R esearch concl u sions :In the current code ,t h e characteristic sa m p ling value o f subgrade 's beari n g capacity is deter m i n ed accord i n g to the re lative defor m ati o n in p late l o ad tes,t resu lting in m ak i n g no full use of the bearing capac ity of so il foundation .In order to m ake full use o f the foundation s 'bearing capac ity ,the characteristic sa m pling value o f foundation 's beari n g capacity shou l d be deter m i n ed according to the various allo w ab le settle m ent standards fo r the different pro jects in t h e desi g n of rail w ay engineeri n g .Under the pre m ise o fm eeting the defor m ati o n require m ents ,the character i s tic sa m pli n g value o f foundation s 'beari n g capac ity shou l d be appropr i a tely expanded i n order to achieve the har m ony and un ity bet w een the strength and defor m ation .The concl u si o ns presented in th i s paper can be as reference to si m ilar rail w ay engineeri n g .K ey w ords :defor m ation contro;l beari n g capac ity of f o undation ;flex ible e m bankm en;t load tes;t rail w ay subgrade 一般而言,在进行铁路、公路路堤设计时应从路堤稳定性、路基承载力(更确切地说,应该是路基下地基的承载力)、沉降和工后沉降等方面进行设计和验算。

目前,我国无论铁路
[1-3]
还是公路
[4]
部门的相关规范
对于路堤稳定性、工后沉降都有明确要求,但对于路基
的承载力则都没有给出具体规定,设计人员往往也只关注稳定和沉降两个问题。

但从工程建设管理角度出
发,需要对路堤地基,特别是经人工处理后的地基进行必要的检测,以评价地基性状、地基处理效果。

工程实践中,地基承载力是综合评价地基性状、地
基处理效果的重要参数之一。

地基承载力是指地基土在强度和变形允许的范围内,单位面积上所能承受荷载的能力。

对于类似铁路、公路等柔性基础作用下地基承载力和沉降量的理论计算,目前这方面的研究成果国内外还不多见。

柔性基础作用下复合地基中桩与桩间土的竖向不协调性是其基本特点,而现有的设计和计算仍沿用刚性基础下桩、桩间土协调变形的假设,这一假设和柔性基础下的复合地基明显不符合。

同时,由于基础刚度小,桩顶易产生刺入变形,桩侧产生负摩阻力,由此导致荷载传递规律与刚性基础下复合地基有显著差异,这不可避免会给计算值和观测值带来较大的误差。

因此,柔性路堤荷载作用下地基承载力的确定是一个值得商榷和深入研究的问题。

载荷试验是目前公认的确定地基承载力或预估地
基变形的有效方法[5]
,主要分为浅层平板载荷试验和深层载荷试验2种。

载荷试验得到的p -s 曲线不仅可以确定地基的承载力,且能够反映地基土的沉降变形特性,可以说在一定程度上综合反映了现场土质状况的力学性态。

但目前各类岩土规范在按线性变形理论确定地基承载力时,都存在着保守的倾向
[6]。

从工
程实用和经济的角度来看,柔性路堤作用下地基的承载力仍有很大的潜力可以挖掘。

因此,笔者从现场载荷试验得到的p -s 曲线角度出发,探讨柔性路堤荷载作用下地基承载力的确定问题。

1 地基承载力的变形控制理论
1.1 地基土的变形控制思想
建筑地基基础设计规范 (GB 5007 2002)
[7]
明
确提出了按变形设计的原则,首次提出了地基承载力特征值f ak 的概念。

由载荷试验曲线图1(a)可知,当荷载p 较小时,如p -s 曲线中的oa 段,p -s 曲线呈直线分布,地基土处于压密阶段(拟弹性段),此时地基土中的孔隙压缩并伴随有气体和液体的消散;随着荷载的进一步增大,p -s 曲线开始向下弯曲,如图1(a )中的ab 段,p -s 曲线呈曲线分布,地基处于局部剪切破坏阶段(塑性段),此时地基土中的孔隙进一步压缩并出现了局部剪切破坏,在地基边缘出现了塑性变形区;当荷载很大时,如p -s 曲线中的bc 段,p -s 曲线近似呈直线分布,地基土达到滑动破坏阶段,此时地基土中的塑性变形区已扩展并贯穿成一个连续的滑动面,建筑物整体失去稳定,发生破坏。

图1(a)中,当荷载p 在0~p cr 间增加时,地基土处于压密阶段,地基只发生少量沉降,建筑物处于安全状态,当荷载p 超过p cr 时,地基土中开始产生塑性变形,
荷载p cr 被定义为地基土的临塑荷载。

当塑性变形区
图1 载荷试验的p -s 曲线
不大时,沉降量为上部结构所允许,建筑物尚处于安全状态并能够确保其正常使用。

在确保建筑物的安全与正常使用的前提下,对应于地基土所允许的最大塑性变形区时的荷载被定义为临界荷载。

当塑性变形区扩展并贯穿成一个连续的滑动面,地基土处于将滑未滑的极限状态;当荷载超过p u 时,地基土丧失整体稳定而滑动破坏,p u 即为地基土的极限荷载。

根据 建筑
地基基础设计规范 (GB 5007 2002)
[7]
对承载力特
征值f ak 的定义 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 ,换言之,承载力特征值f ak 是一系列值,而不是一个定值,不同的 规定的变形[s ] 对应的f ak 是不同的,见图1(b),其最大值即比例界限值应是基底下地基土即将发生塑性破坏的临界值。

1.2 载荷试验中地基土承载力特征值的确定方法
目前,确定载荷试验承载力特征值的方法主要有拐点法、相对沉降法及极限荷载法等[8]。

1.2.1 拐点法
该法适用于有拐点型的p -s 曲线或利用其它辅助曲线可确定拐点的情况。

一般取第一拐点p y (比例界限点)所对应的荷载为地基土的承载力特征值。

当p -s 曲线拐点不太明显时,可用下述方法加以确定:(1)在某一级荷载下,其沉降增量超过前一级荷载下沉降增量的2倍,即 s n 2 s n-1的点所对应的荷载即为比例界限p y 。

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第2期魏永幸 薛新华 龚晓南:柔性路堤荷载作用下的地基承载力研究
(2)利用p - s / p 等辅助曲线来确定拐点。

1.2.2 相对沉降法
当p -s 曲线上无法确定拐点时,可采用相对沉降法来确定地基土的承载力特征值。

在p -s 曲线上取s /b (b 为刚性承压板的宽度或直径)一定比值所对应的荷载为地基土的承载力特征值。

(1)太沙基取s /b =0.02相对应的荷载为地基土的承载力特征值。

(2)斯坎普顿取s /b =0.03相对应的荷载为地基土的承载力特征值。

(3) 建筑地基基础设计规范 (GB 5007 2002)[7]
规定,地基承载力特征值可由荷载试验或其它原位测试、公式计算,并结合工程实践经验等方法综合确定。

当承压板面积为0.25~0.5m 2
,取s /b =0.01~0.015所对应的荷载为承载力特征值,但其值不应大于最大加载量的一半。

1.2.3 极限荷载法
当p -s 曲线上的比例界限p y 与极限荷载p u 接近时,将极限荷载p u 除以安全系数F s (F s =2~3)作为地基土的承载力特征值。

建筑地基基础设计规范 (GB 5007 2002)[7]
规定,当极限荷载小于对应比例界限的荷载值2倍时,取极限荷载的一半。

确定极限荷载的方法有:
(1)当荷载试验加荷至破坏荷载,则取破坏荷载前一级荷载为极限荷载p u 。

(2)用p -s ,log p -l o g s ,s -log p,p - s / p,p - s / t 等曲线确定的第二拐点对应的荷载为极限荷载p u 。

(3)当载荷试验未做到破坏荷载,则可用外插作图法确定其极限荷载。

2 柔性路堤荷载作用下地基承载力探讨
下面以铁路路堤为例对柔性路堤荷载作用下地基承载力作探讨。

对于铁路路堤,路堤沉降在其时间曲线上可分为:(1)施工期沉降:指施工期间路基产生的沉降,它包括路基施工完成后,静置期内所产生的沉降。

路基沉降绝大部分发生在施工期间,它对上部轨道结构及以后铁路运营不会产生影响;(2)工后沉降
[9]
:指轨道工程铺设后在路基荷载和列车荷载作用下,路基发生的剩余沉降,即最终形成的总沉降量与路
基竣工铺轨开始时的沉降量之差。

主要包括地基及路堤工后压密沉降、列车动荷载作用下路基基床产生的累积变形等。

在利用变形控制思想进行铁路路堤设计时,首先计算沉降是否满足铁路工程使用的要求,在沉降满足
要求的前提下,再验算基础的强度是否满足铁路工程
荷载要求。

如果按照强度控制思想进行设计,对于软土地区而言,最后的设计结果往往是强度远远富裕了,沉降才满足要求;同样对于土质比较好的地区而言,最后的设计结果往往是强度满足要求,而基础的沉降比
要求小很多。

这两种情况,无论哪一种,都在某种程度上造成必要的浪费。

因此,合理设计追求的目标应该是强度和变形的和谐统一。

鉴于问题的复杂性,本文主要以复合地基桩土复合加固区作为研究对象,并做以下假定:(1)假设复合加固区为均质地基;(2)假设下卧层不产生沉降量。

根据铁路等级、速度目标值等将该问题分为以下2种情况进行讨论,即:2.1 I 类工程
该类工程以客运专线无砟轨道铁路为代表。

我国 客运专线无砟轨道铁路设计指南 规定,路基工后沉降不得大于15mm,任意路段20m 长度范围内的不均匀沉降不得大于20mm /20m 。

由此可见,无砟轨道铁路对路基工后沉降的要求非常严格,其量级达到了毫米级的标准。

因此,对该类铁路路基工程载荷试验承载力进行取值时,可以严格按照规范的方法取值,即:
(a)取用p -s 曲线上比例界限所对应的荷载值p a 0
作为承载力特征值f a
ak ;
(b )当极限荷载p b
u 小于2p b
0时,取f a
ak =p b
u /2;(c)在不能按上两款要求确定时,即p -s 曲线为缓变型、p u 值难以定出(低、中压缩性土中常见),可取s /b =0.01~0.015所对应的荷载值,但其值不应大于最大加载量p max 的一半。

以上准则对砂土和黏性土均适用,如图2所示
[10]。

图2 按s /b 从p -s 曲线确定地基承载力特征值
2.2 II 类工程
该类工程以普通有砟轨道铁路为代表。

我国普通有砟轨道铁路路基工后沉降控制如表1所示
[11]。

由表1可知,普通有砟轨道铁路路基对工后沉降的要求稍松,允许有一定的沉降量。

因此,对此类铁路工程而言,载荷试验中承载力特征值取值时,可尝试 适当 取大一些,因为这种情况下,土体只是局部进入塑性破坏区,尚有一定的承载力可以充分利用,若为
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铁 道 工 程 学 报2010年2月
复合地基,则可以使桩间土能充分发挥其强度,如图3所示。

表1 我国普通有砟轨道铁路路基工后沉降标准铁路工程技术标准
或铁路等级一般地段工后沉降/c m 路桥过渡段工后沉降
/c m
沉降速率
/(c m a -1)
铁路路基设计规范
(TB 1001 2005) 级铁路
20105 级铁路
30-- 新建时速200公里客货
共线铁路设计暂行规定
15
8
4
图3 p -s 曲线确定地基承载力特征值
3 工程实例分析
某高速铁路试验工点地形平坦,地势开阔,线路以填方通过,路堤填高为6.8~7.69m 。

自上而下主要
地层情况为[12]
:
(1)黏土,黄褐色,硬塑,厚0~1.3m , 0=120kPa ;(2)粉质粘土,黄褐色~灰褐色,软塑~硬塑,厚1.4~2.4m, 0=130kPa ;(3)粉土,黄褐色、黑灰色、浅灰色,密实,潮湿,厚1.7~3.7m , 0=130kPa ;
(4)粉砂,灰黑色,稍密,饱和,含云母,夹10%~15%的粘土,15m 以下为中密,厚4.7m , 0=90~110kPa ;(5)粉砂,黄褐色~浅黄色,密实,饱和,含云母,局部夹粉土薄层,其中32.3~35.0m 为褐黄色,35.0m 以下为黄褐色,厚9.5~13.9m ;
(6)粉质粘土,黄褐色,软塑
,含铁锈斑纹,厚4.6m, 0=140kPa ;
刘升传
[12]
等在现场进行了CFG 桩复合地基柔性
载荷试验,桩径为400mm,载荷板直径为1800mm,
4#
通道的测试结果如图4所示。

在0~1540k N 内,复合地基的变形是缓慢变化的,曲线为平缓光滑的缓变型曲线,沉降逐渐增大,大于1540kN 后,变形开始呈直线增加,且最大沉降量约为22mm,最大回弹量约为2.5mm ,回弹率在10%左右。

图4 CFG 桩复合地基柔性荷载试验测试结果曲线
按规范规定,本工点Q -s 曲线有明显的拐点,因此可以取拐点所对应的荷载值作为复合地基极限承载力,由此计算复合地基承载力特征值f a
ak =0.5 1540/( 0.92
)=302.5kPa ,此时对应的沉降值约为3mm,即使是对变形控制严格的无砟轨道铁路,承载力和变形也都远远满足设计要求。

若按变形控制,取无砟轨道容许沉降值15mm 的1/3,即5mm 对应的荷
载值1540kN 计算复合地基承载力特征值f a ak 1,f a
ak 1=1540/( 0.92
)=605kPa ,承载力和变形也远远满
足设计要求。

由此可见,地基承载力的取值尚有很大的潜力可以挖掘。

同时也说明,在铁路工程设计中,追
求变形和强度的统一是非常有必要的。

4 结论
现行规范规定载荷试验中按沉降相对变形进行承载力特征值的取值偏于保守,往往导致地基承载力不能充分利用。

通过对柔性路堤荷载作用下地基承载力特征值取值的研究认为,以变形控制观点进行铁路路堤设计时,路堤地基承载力不应是同一个值,应根据铁路工程等级(不同的地基沉降控制标准)进行区别对待。

从铁路工程实用、经济、安全的角度考虑,铁路路堤地基设计应按沉降、承载力双指标控制,在满足变形要求前提下,可以在规范基础上将承载力特征值取值适当扩大,以达到强度和变形的和谐统一。

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