既有铁路外侧堆土对路基沉降影响的估算

刘俊飞

(中铁第五勘察设计院集团有限公司地质路基勘察设计院，北京 102600)

铁路用地红线范围有限，在用地红线或铁路防护栅栏之外不可避免地会受到新的人为等因素对周围环境的改变。其中，以新增堆土现象较为普遍。

对于运营期间的高速铁路，在其路基外侧堆土等新增荷载也可能在路基处产生一定的附加应力，使路基产生沉降变形，进而引起轨道平顺性变差。

本文将通过对CFG桩复合地基中附加应力的分布特征和路基外侧新增荷载在荷载外部产生的附加应力分布特征的分析，提出外侧堆土对路基沉降的影响机理和沉降变形估算方法。

1 CFG桩复合地基中附加应力分布特征

高速铁路路基为控制工后沉降多采用CFG桩等刚性桩复合地基。既有研究表明，这些刚性桩复合地基在承受路堤荷载及其他上部荷载时，将会通过桩土相互作用把力向下传递到下卧层中，在很大程度上减小了加固区土体的受力和变形，相应地增加了下卧层土体的受力和变形。由于下卧层土体往往明显好于加固区，因此可以有效减小地基的总变形。图1、图2分别为采用CFG桩桩网、桩筏复合地基进行加固的某高速铁路路基地基土中附加应力与深度的关系曲线(路堤填高约7 m，堆载预压3.5 m，桩间距为3～5倍桩径)。计算表明，下卧层的附加应力分布仍然符合条形荷载下Bousinessq解的曲线特征。

《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106—2010)提出，对于刚性桩复合地基可采用铁路桥规法、L/3法等计算地基沉降，采用L/3法时不计加固区沉降，这正是对图1、图2所示复合地基附加应力分布特征的近似。其中，L/3法的应力计算方法也是对Bousinessq解法的近似(图3)。

图1 某路堤下CFG桩桩网复合地基附加应力与深度关系

图2 某路堤下CFG桩桩筏复合地基附加应力与深度关系

图3 L/3法计算得到的路基中线处附加应力系数

《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621-2009)指出:路基设计中，压缩层厚度法国一般取路堤底宽的3倍，日本一般取路堤底宽的3～5倍;德国和我国采用附加应力等于0.1倍自重应力确定。在路基顶宽为13.6 m或13.8 m，按1∶1.5放坡，路基填高3～8 m的条件下，按附加应力等于0.1倍自重应力确定的压缩层厚度一般为1.3～1.7倍路基底宽。

根据前面的分析，刚性桩复合地基在桩间距为3～5倍桩径时，路堤荷载下附加应力的增加主要发生在下卧层中，并以桩端以下深度为1.5倍路基底宽范围内为主要影响深度。采用Bousinessq公式计算铁路路堤条形荷载下该深度范围内平均附加应力系数约为0.6。

2 外侧堆土荷载的附加应力特征分析

近似地，把路基外侧新增堆土荷载按条形均布荷载考虑(对局部填土，这样考虑是偏于安全的)。条形均布荷载下地基中附加应力系数公式为

式中，m=x/b，n=z/b，b为荷载宽度;z为计算深度。

计算得到的不同位置的附加应力曲线见图4。从横向看，随着距离的增加地基中附加应力不断衰减;从纵向看，在荷载外部，沿深度方向附加应力先增大然后再减小，且沿深度衰减的速度较小。最大附加应力的深度大致从荷载边缘起，沿1∶2直线出现(图5)。

图4 条形均布荷载外侧不同位置地基土的附加应力曲线

按Bousinessq解求得不同x/b处地基土中最大附加应力系数kmax，见图6。对其拟合，可得式(2)，拟合曲线为图中虚线。

3 外侧堆土荷载引起的路基沉降估算方法

从前面分析可以得出，路堤荷载下主要受力深度范围内平均附加应力系数约为0.6。而路堤外侧新增条形荷载在路基处产生的附加应力大致起于按1∶2扩散的位置，且该附加应力沿深度衰减的速度较小，可采用峰值应力近似计算。由此，路基外侧新增条形荷载在路基处产生的沉降可以分以下3种情况进行估算。

图5 条形均布荷载外侧附加应力最大值出现的深度

图6 附加应力最大值随横向距离的衰减

(1)D≥L+1.5B

当路基外侧新增填土荷载与路基计算点之间的距离D大于L+1.5B时(L为桩长，B为路基底宽)，可以认为新增填土荷载不对路基产生影响(图7(a))。

(2)D≤(L+1.5B)/2

当路基外侧新增填土荷载与路基计算点之间的距离D小于L+1.5B时(图7(b))，可以采用下式估算填土引起的路基沉降

式中，S0为路基填筑引起的沉降，可使用路基沉降设计值或实测值;p为路基外侧填土荷载;γD为路基填土容重;HD为路基填高。

将式(2)代入上式可得

(3)L+1.5B＞D＞(L+1.5B)/2

当路基外侧新增填土荷载与路基计算点之间的距离D介于(L+1.5B)/2和(L+1.5B)之间时(图7(b))，可以按式(3)的一半估算，即采用下式估算填土引起的路基沉降

当路基外侧填土宽度较大时，可以按上述区域分块计算。当路基处地面坡度较大时，应考虑填土对坡面稳定性的影响，进行专门的评估。

图7 填土荷载与路基的位置关系

4 结论

(1)刚性桩复合地基在桩间距为3～5倍桩径时，路堤荷载下附加应力的增加主要发生在下卧层中，并以桩端以下深度为1.5倍路基底宽范围内为主要影响深度。采用Bousinessq公式计算铁路路堤梯形条形荷载下该深度范围内平均附加应力系数约为0.6。

(2)近似地，把路基外侧新增堆土荷载按条形均布荷载考虑。随着横向距离的增加地基中附加应力不断衰减;沿深度方向附加应力先增大然后再减小，且沿深度衰减的速度较小。最大附加应力的深度大致从荷载边缘起，沿1∶2直线出现。

(3)路基外侧新增条形荷载在路基处产生的沉降可以分为3种情况进行估算。

［1］ 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，2009.

［2］ 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.

［3］ 刘俊飞.铁路CFG桩复合地基沉降控制机理与计算方法研究［D］.成都:西南交通大学，2011.