本发明涉及岩土工程地基处理
技术领域：
，特别涉及一种路基底部膨胀土复合桩基的抗隆起设计方法。技术背景非饱和膨胀土具有遇水产生隆起变形的特性，在类似地区修建高标准无砟铁路时，地基的隆起变形极易引发高速铁路无砟轨道板开裂，造成重大的无砟轨道病害，甚至危及高速列车的行车安全，特别是无砟轨道低路堤或路堑基床。为了减弱或消除无砟轨道路基基底膨胀土的隆起变形，广泛采用复合桩基(如cfg桩、素混凝土桩、钢筋混凝土桩等)进行路基基底膨胀土抗隆起处理，实践也表明，复合桩基可有效约束路基基底膨胀土的隆起趋势。公告号cn204356594u的中国实用新型专利公开了一种无砟轨道膨胀土路堑-基床构造，该专利路堑基底采用复合桩基加固的主要目的是为了减弱或消除膨胀土地基的隆起变形，但对复合桩基关键设计参数(如桩长、桩径、桩间距等)的确定方法并未交代，目前也无相关规范、文献或专利予以提及。可见，在膨胀土地区建设高标准无砟轨道路基时，尚缺乏相关的复合桩基抗隆起设计方法，是当前亟待解决的关键技术问题。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种路基底部膨胀土复合桩基的抗隆起设计方法，以科学合理地开展膨胀土复合桩基的抗隆起设计，适应实际工程设计与施工需要。本发明解决上述技术所采用的技术方案如下：本发明提出一种路基底部膨胀土复合桩基的抗隆起设计方法，包括以下步骤：(1)确定设计目标根据高速铁路变形控制要求，确定铁路路基顶面的允许隆起量[sef]，单位mm；(2)勘察岩土参数①通过取样实测或现场调查，确定膨胀土地基的大气影响深度或浸水影响深度l，单位m；②通过现场地质钻孔调查及室内土工测试，确定第i层土的膨胀指数csi，确定干旱季节第i层土的初始孔隙比e0i，确定第i层土的原位净上覆应力σy0i，单位kpa，确定干旱季节第i层天然膨胀土的初始膨胀力σs0i，单位kpa，确定外界降雨或浸水作用后第i层天然膨胀土的剩余膨胀力σsfi，单位kpa；(3)初选并确定复合桩基参数①初选复合桩基桩径d，单位m，初选复合桩基桩间距s，单位m，复合桩基按正方形等间距布桩，确定复合桩基桩长l，单位m，且桩长l不小于大气影响深度或浸水影响深度l；②通过现场实际勘察或试桩试验，确定复合桩基的“中性点”深度l0，单位m，确定“中性点”位置以上第i(i＝1，2，3…)层土遇水膨胀后在复合桩基侧表产生的向上切向力fi，单位kpa，确定“中性点”位置以下第i层土对复合桩基侧表产生的向下切向力fi'，单位kpa；(4)确定计算参数①通过以下公式确定复合桩基计算深度范围内干旱季节第i层土的初始膨胀力σb0i：σb0i＝σs0i(1-m)式中σb0i为复合桩基计算深度范围内干旱季节第i层土的初始膨胀力，单位kpa；σs0i为干旱季节第i层天然膨胀土的初始膨胀力，单位kpa，由步骤(2)确定；m为桩土面积置换率；②通过以下公式确定复合桩基计算深度范围内外界降雨或浸水作用后第i层土的剩余膨胀力σbfi：σbfi＝σsfi(1-m)式中σbfi为复合桩基计算深度范围内外界降雨或浸水作用后第i层土的剩余膨胀力，单位kpa；σsfi为外界降雨或浸水作用后第i层天然膨胀土的剩余膨胀力，单位kpa，由步骤(2)确定；③通过以下公式确定复合桩基赋予“中性点”位置以上第i层土的锚固力σui：式中σui为复合桩基赋予“中性点”位置以上第i层土的锚固力，单位kpa；fi为“中性点”位置以上第i层土遇水膨胀后在复合桩基侧表产生的向上切向力，单位kpa，由步骤(3)确定；fi'为“中性点”位置以下第i层土对复合桩基侧表产生的向下切向力，单位kpa，由步骤(3)确定；hi为第i层土的分层厚度，单位mm；d为复合桩基桩径，单位m；s为复合桩基桩间距，单位m；(5)路基顶面隆起量计算通过以下公式确定路基顶面隆起量式中，为路基顶面隆起量，单位mm；κ为路基填土消能系数；δsei为路基底部第i层膨胀土复合桩基的隆起量，单位mm；csi为第i层土的膨胀指数，由步骤(2)确定；hi为第i层土的分层厚度，单位mm；e0i为干旱季节第i层土的初始孔隙比，由步骤(2)确定；σy0i为第i层土的原位净上覆应力，单位kpa，由步骤(2)确定；σb0i为复合桩基计算深度范围内干旱季节第i层土的初始膨胀力，单位kpa，由步骤(4)确定；σbfi为复合桩基计算深度范围内外界降雨或浸水作用后第i层土的剩余膨胀力，单位kpa，由步骤(4)确定；δσyi为路基填土产生的总应力变化，单位kpa；σui为复合桩基赋予“中性点”位置以上第i层土的锚固力，单位kpa，由步骤(4)确定；(6)确定复合桩基设计参数根据步骤(5)路基顶面隆起量计算结果，判定是否满足若满足则取步骤(3)中初选的桩径、桩间距及桩长l作为复合桩基设计参数；若不满足则重复步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)的工作，直至满足以确定复合桩基设计参数。本发明的有益效果是，综合考虑复合桩基置换作用、侧表锚固作用及路基填土消能效应三大因素，在以路基顶面隆起量为设计控制目标的基础上，提出了一种路基底部膨胀土复合桩基的抗隆起设计方法，该方法能够科学合理的开展膨胀土复合桩基的抗隆起设计，有效控制了地基加固工程数量，达到减少铁路建设成本的目标，弥补了规范存在的空白，适应实际工程需要。附图说明图1是路基底部膨胀土复合桩基的横断面示意图。图2是路基底部膨胀土复合桩基的平面布置示意图。图3是本发明一种路基底部膨胀土复合桩基的抗隆起设计方法的流程图。图中示出构件和对应的标记：复合桩基1，路基m，膨胀土地基d，桩长l，桩径d，桩间距s。具体实施方式下面通过具体的实施例并结合附图进一步说明本发明。本发明的一种路基底部膨胀土复合桩基的抗隆起设计方法，包括以下步骤：(1)确定设计目标根据高速铁路变形控制要求，确定铁路路基顶面的允许隆起量[sef]，单位mm；(2)勘察岩土参数：①通过取样实测或现场调查，确定膨胀土地基的大气影响深度或浸水影响深度l，单位m；②通过现场地质钻孔调查及室内土工测试，确定第i层土的膨胀指数csi，确定干旱季节第i层土的初始孔隙比e0i，确定第i层土的原位净上覆应力σy0i，单位kpa，确定干旱季节第i层天然膨胀土的初始膨胀力σs0i，单位kpa，确定外界降雨或浸水作用后第i层天然膨胀土的剩余膨胀力σsfi，单位kpa；(3)初选并确定复合桩基参数①初选复合桩基桩径d，单位m，初选复合桩基桩间距s，单位m，复合桩基按正方形等间距布桩，确定复合桩基桩长l，单位m，且桩长l不小于大气影响深度或浸水影响深度l；②通过现场实际勘察或试桩试验，确定复合桩基的“中性点”深度l0，单位m，确定“中性点”位置以上第i(i＝1，2，3…)层土遇水膨胀后在复合桩基侧表产生的向上切向力fi，单位kpa，确定“中性点”位置以下第i层土对复合桩基侧表产生的向下切向力fi'，单位kpa；(4)确定计算参数：①通过以下公式确定复合桩基计算深度范围内干旱季节第i层土的初始膨胀力σb0i：σb0i＝σs0i(1-m)式中σb0i为复合桩基计算深度范围内干旱季节第i层土的初始膨胀力，单位kpa；σs0i为干旱季节第i层天然膨胀土的初始膨胀力，单位kpa，由步骤(2)确定；m为桩土面积置换率；②通过以下公式确定复合桩基计算深度范围内外界降雨或浸水作用后第i层土的剩余膨胀力σbfi：σbfi＝σsfi(1-m)式中σbfi为复合桩基计算深度范围内外界降雨或浸水作用后第i层土的剩余膨胀力，单位kpa；σsfi为外界降雨或浸水作用后第i层天然膨胀土的剩余膨胀力，单位kpa，由步骤(2)确定；③通过以下公式确定复合桩基赋予“中性点”位置以上第i层土的锚固力σui：式中σui为复合桩基赋予“中性点”位置以上第i层土的锚固力，单位kpa；fi为“中性点”位置以上第i层土遇水膨胀后在复合桩基侧表产生的向上切向力，单位kpa，由步骤(3)确定；fi'为“中性点”位置以下第i层土对复合桩基侧表产生的向下切向力，单位kpa，由步骤(3)确定；hi为第i层土的分层厚度，单位mm；d为复合桩基桩径，单位m；s为复合桩基桩间距，单位m；(5)路基顶面隆起量计算：通过以下公式确定路基顶面隆起量式中，为路基顶面隆起量，单位mm；κ为路基填土消能系数；δsei为路基底部第i层膨胀土复合桩基的隆起量，单位mm；csi为第i层土的膨胀指数，由步骤(2)确定；hi为第i层土的分层厚度，单位mm；e0i为干旱季节第i层土的初始孔隙比，由步骤(2)确定；σy0i为第i层土的原位净上覆应力，单位kpa，由步骤(2)确定；σb0i为复合桩基计算深度范围内干旱季节第i层土的初始膨胀力，单位kpa，由步骤(4)确定；σbfi为复合桩基计算深度范围内外界降雨或浸水作用后第i层土的剩余膨胀力，单位kpa，由步骤(4)确定；δσyi为路基填土产生的总应力变化，单位kpa；σui为复合桩基赋予“中性点”位置以上第i层土的锚固力，单位kpa，由步骤(4)确定；(6)确定复合桩基设计参数：根据步骤(5)路基顶面隆起量计算结果，判定是否满足若满足则取步骤(3)中初选的桩径、桩间距及桩长l作为复合桩基设计参数；若不满足则重复步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)的工作，直至满足以确定复合桩基设计参数。所述步骤(3)中，“中性点”为地基土的隆起量与桩基的上拔量相等的位置。所述步骤(5)中，路基填土消能系数κ按以下公式确定：式中，κ为路基填土消能系数；ξ为路基填土“压缩效应”系数，β为路基填土“压缩效应”系数ξ极限值的倒数，可由现场试验或室内模型试验确定；h为路基填高，单位m；λ为常数，单位1/m，λ可取值为1；α为路基填土初始切线“压缩效应”系数的倒数，可由现场试验或室内模型试验确定。所述步骤(4)、步骤(5)中，复合桩基计算深度按大气影响深度或浸水影响深度l确定。所述步骤(5)中，路基填土产生的总应力变化δσy是通过boussinesq理论计算确定。实施例：参照图1、图2，云桂(昆明至南宁)铁路某一无砟轨道路基m填筑高度为1.90m，膨胀土地基d上路基m顶面宽度为13.4m，路基m边坡比为1:1.5。该路基m底部膨胀土地基d具有中-强膨胀势，基底隆起变形极易导致无砟轨道路基m顶面产生上升位移，导致线路不平顺性加剧，影响高速列车正常运营。为控制该路基m顶面隆起变形，拟采用复合桩基1进行抗隆起加固，下面采用本发明方法对路基m底部膨胀土复合桩基1开展设计，具体步骤如下：(1)确定设计目标根据高速铁路变形控制要求，确定该无砟轨道路基m顶面的允许隆起量(2)勘察岩土参数：①通过取样实测或现场调查，确定膨胀土地基d的大气影响深度或浸水影响深度l为4.5m。②通过现场地质钻孔调查及室内土工测试，确定第i层土的膨胀指数csi，确定干旱季节第i层土的初始孔隙比e0i，确定第i层土的原位净上覆应力σy0i，单位kpa，确定干旱季节第i层天然膨胀土的初始膨胀力σs0i，单位kpa，确定外界降雨或浸水作用后第i层天然膨胀土的剩余膨胀力σsfi，单位kpa，确定结果见表1。表1岩土参数确定结果ihicsie0iσy0iσs0iσsfi12000.0450.8212.1178.60.322000.0450.8216.3173.81.332000.0450.82110.5164.00.942000.0450.82114.7145.93.052000.0450.82118.9131.63.062000.0450.82123.1122.70.072000.0450.82127.3109.30.082000.0450.82131.591.10.092000.0440.81735.775.40.1102000.0430.81339.965.20.0112000.0430.81344.157.80.5122000.0430.81348.350.40.5132000.0430.81352.534.00.0144000.0420.80957.820.30.0153000.0410.80565.112.60.0164000.0410.80573.56.90.0174000.0380.80181.93.10.0184000.0350.79690.30.60.0(3)初选并确定复合桩基1参数①初选复合桩基1桩径d为0.7m，初选复合桩基1桩间距s为1.4m，复合桩基1按正方形等间距布桩，确定复合桩基1桩长l为6.0m。②通过现场试桩试验(复合桩基1参数取上述初选结果)，确定复合桩基1的“中性点”深度l0为3.0m，确定“中性点”位置以上第i(i＝1，2，3…)层土遇水膨胀后在复合桩基1侧表产生的向上切向力fi，单位kpa，确定“中性点”位置以下第i层土对复合桩基1侧表产生的向下切向力fi'，单位kpa，确定结果见表2。表2复合桩基侧表切向力确定结果ihififi'120051/220051/320051/420042/520042/620042/720040/820040/920040/1020040/1120040/1220027/1320027/1440027/15300/3216400/3217400/4818400/4819400/4820400/4821400/4822300/48(4)确定计算参数：①通过以下公式确定复合桩基1计算深度范围内干旱季节第i层土的初始膨胀力σb0i：σb0i＝σs0i(1-m)式中σb0i为复合桩基1计算深度范围内干旱季节第i层土的初始膨胀力，单位kpa；σs0i为干旱季节第i层天然膨胀土的初始膨胀力，单位kpa，由步骤(2)确定；m为桩土面积置换率；复合桩基1计算深度范围内干旱季节第i层土的初始膨胀力σb0i的确定过程及结果见表3。表3σb0i的确定过程及结果②通过以下公式确定复合桩基1计算深度范围内外界降雨或浸水作用后第i层土的剩余膨胀力σbfi：σbfi＝σsfi(1-m)式中σbfi为复合桩基1计算深度范围内外界降雨或浸水作用后第i层土的剩余膨胀力，单位kpa；σsfi为外界降雨或浸水作用后第i层天然膨胀土的剩余膨胀力，单位kpa，由步骤(2)确定；复合桩基1计算深度范围内干旱季节第i层土的初始膨胀力σbfi的确定过程及结果见表4。表4σbfi的确定过程及结果③通过以下公式确定复合桩基1赋予“中性点”位置以上第i层土的锚固力σui：式中σui为复合桩基1赋予“中性点”位置以上第i层土的锚固力，单位kpa；fi为“中性点”位置以上第i层土遇水膨胀后在复合桩基1侧表产生的向上切向力，单位kpa，由步骤(3)确定；fi'为“中性点”位置以下第i层土对复合桩基1侧表产生的向下切向力，单位kpa，由步骤(3)确定；hi为第i层土的分层厚度，单位mm；d为复合桩基1桩径，单位m；s为复合桩基1桩间距，单位m。复合桩基1赋予“中性点”位置以上第i层土的锚固力σui的确定过程及结果见表5。表5σui的确定过程及结果(5)路基m顶面隆起量计算：通过以下公式确定路基m顶面隆起量式中，为路基m顶面隆起量，单位mm；κ为路基m填土消能系数；δsei为路基m底部第i层膨胀土复合桩基1的隆起量，单位mm；csi为第i层土的膨胀指数，由步骤(2)确定；hi为第i层土的分层厚度，单位mm；e0i为干旱季节第i层土的初始孔隙比，由步骤(2)确定；σy0i为第i层土的原位净上覆应力，单位kpa，由步骤(2)确定；σb0i为复合桩基1计算深度范围内干旱季节第i层土的初始膨胀力，单位kpa，由步骤(4)确定；σbfi为复合桩基1计算深度范围内外界降雨或浸水作用后第i层土的剩余膨胀力，单位kpa，由步骤(4)确定；δσyi为路基m填土产生的总应力变化，单位kpa；σui为复合桩基1赋予“中性点”位置以上第i层土的锚固力，单位kpa，由步骤(4)确定。路基m底部第i层膨胀土复合桩基1的隆起量δsei的详细计算过程见表6，在表6计算过程中，若δsei＜0，则δsei取0。表6第i层膨胀土复合桩基的隆起量的计算过程路基m填土消能系数κ按以下公式确定：式中，ξ为路基m填土“压缩效应”系数，β为路基m填土“压缩效应”系数极限值的倒数，可由现场试验或室内模型试验确定；h为路基m填高，单位m；λ为常数，单位1/m，λ可取值为1；α为路基m填土初始切线“压缩效应”系数的倒数，可由现场试验或室内模型试验确定。在本实施例中，通过现场试验确定α取3.77、β取2.08、λ取1，由此可得那么，路基m顶面隆起量(6)确定复合桩基1设计参数：根据步骤(5)路基m顶面隆起量计算结果，判定是否满足判定结果如下：因为不满足设计控制目标；为此，保持步骤(3)复合桩基1桩长l不变，选择其他数值的桩径、桩间距，按步骤(4)、步骤(5)重新计算路基m顶面隆起量，结果列于表7中。由表7可以看出，方案p-3满足设计控制目标，故可选择复合桩基1桩径d＝0.5m、桩间距s＝1.0m、桩长l＝6.0m作为复合桩基1设计参数。表7路基顶面隆起量结果本发明的优点在于：本发明提供的一种路基底部膨胀土复合桩基的抗隆起设计方法，科学合理，能满足膨胀土复合桩基抗隆起设计需求，避免地基加固盲目设计，具有广阔的推广应用前景。以上所述只是采用图解说明本发明一种路基底部膨胀土复合桩基的抗隆起设计方法的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体方法和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。当前第1页12