重载铁路路基陷穴病害综合评价模型研究

肖尊群,许彩云,郑娜

(1.武汉工程大学资源与土木工程学院,武汉　430000； 2.中国石油天然气管道局管道

技术研发工场,河北廊坊　065000；3.长江水利委员会长江科学院,武汉　430013；

4.中国石油天然气管道局第四工程分公司,河北廊坊　065000)



重载铁路路基陷穴病害综合评价模型研究

肖尊群1,2,许彩云3,郑娜4

(1.武汉工程大学资源与土木工程学院,武汉430000； 2.中国石油天然气管道局管道

技术研发工场,河北廊坊065000；3.长江水利委员会长江科学院,武汉430013；

4.中国石油天然气管道局第四工程分公司,河北廊坊065000)

摘要：针对当前既有重载铁路路基陷穴病害评价方法不足的问题,建立基于坍塌填塞法、坍塌平衡法、稳定系数法、普氏理论法的路基陷穴病害综合分析模型。通过工程算例对比分析各类方法的特点和适用条件,讨论各类方法的相容性和互斥性。研究结果表明：综合评价模型能够较好地避免单一方法的局限,获得客观、科学的评价结论。

关键词：重载铁路；路基；评价模型；普氏理论；稳定系数

1概述

由于重载货运列车轴重大、车次频繁，往往会产生各类路基病害。其中路基陷穴病害是灰岩山区、黄土区段的主要病害。由于陷穴的突发性强，对铁路的安全运营威胁较大[1]。目前地质雷达等物探方法可以准确探测潜埋孔洞的位置和规模，车载雷达更是能够实现路基本体异常的快速检测，使得对铁路区段的陷穴病害的系统评估成为可能。

目前，国内外对既有铁路路基陷穴病害的研究较多，并且积累了不少研究成果，石玉玲对湿陷性黄土路基中的下伏陷穴稳定性评价方法也进行了研究，并提出了相应处理方法[1]。胡厚田对侯西线黄土路基陷穴的类型、分布规律和形成机理进行了探讨[2]。黄祖裕分析了某线路路基陷穴病害的原因，对用钢筋混凝土板桩“围幕”整治路基陷穴病害进行了详细的研究[3]。张利华对成昆线龙街粉砂路段路基病害机理进行了详细的研究，认为含水率的变化对路基病害的形成具有重要的影响[4]。汤晓光[5]基于无砟轨道客运专线路基沉降数据，建立无砟轨道客运专线路基沉降变形的预测和评价系统，并在此基础上，对无砟线路路基进行管理，该方法可以作为重载货运铁路路基陷穴病害的综合评价模型建立的重要参考。Dumm等人在调查研究的基础上，将空洞周围的岩土简化为理想的线弹性介质，研究了在弹性极限条件下洞周岩土的沉陷破坏机理[6]。美国学者Fuller对我国黄土地区的陷穴塌陷的机理进行了研究，认为机械侵蚀是导致沉陷的主要原因[7]。美国学者Rubey研究了陷穴与降雨条件之间的关系，为陷穴病害的评估提供了理论支持[8]。国内外对陷穴病害的研究主要集中在形成机理和处治技术方面，对区段铁路路基陷穴病害的整体评价和预判研究很少。基于此，以现场采集数据为基础，建立基于坍塌填塞法、坍塌平衡法、稳定系数法、普氏理论法的路基陷穴病害综合分析模型。实现对区段路基陷穴的定量或半定量评价，为既有路基病害评价和线路大修、整治和日常管理服务。

2路基孔洞稳定性评价的经验分析法

铁路路基填料属于新压实的土工结构，虽然达到了一定的压实度要求，但随着年运量的逐年加大，陷穴、道砟陷槽等病害也日益增多[9]。因此分析路基本体孔洞的稳定性时，可将路基本体近似为散体填料，根据散体填料土洞稳定性分析的工程经验，通常将孔洞简化成小型隧道模型，运用古典理论、弹性、塑性及散体理论进行稳定性评价，这种方法的假定条件和边界条件不容易确定，但是这种假设对比较破碎不稳定的情况是可以的[10]。松散土体填料孔洞稳定性分析方法主要有以下几种评价方法。

2.1坍塌填塞法

根据文献[11]，采用洞顶顶板坍塌自行填塞洞体厚度对路基陷穴的稳定性进行评价，计算公式可表达为

(1)

式中，H、H0分别为填埋洞穴所需坍落高度和坍落前洞体的最大高度；K为岩土松散系数，考虑到路基填料的特殊性，根据工程经验[11]，A类填料的松散系数取1.8，B类填料的松散系数取1.6，C类填料的松散系数取1.4，D类填料的松散系数取1.2，E类填料的松散系数取1.05。

由式(1)可知：顶板坍塌后，坍落体积增大，当坍落至一定高度H时，洞穴空间自行填满，无需考虑陷穴对轨道的影响；如果路基孔洞的直径和埋深满足一定关系式，可以暂缓或无需考虑路基孔洞对铁路安全运营的影响。对于不满足式(1)关系的路基孔洞，会产生影响铁路轨道的陷穴病害。

2.2坍塌平衡法

据坍塌体平衡条件可以导出下面公式[11]

(2)

式中h——洞顶以上维持坍塌体平衡的最小稳定厚度，m；

B——空洞宽度，m；

ξ——侧压力系数，ξ=tan2(45°-φ/2)，其中，φ为松散体的内摩擦角，°；θ为滑移面的摩擦角，θ<φ。

所求厚度h加上荷载作用高度，即为顶板的安全厚度。

考虑松散体的黏聚力，利用坍塌体平衡条件导出相似的维持坍塌体平衡的最小厚度公式[12]

(3)

式中r——松散体的容重，kN/m3；

R——坍塌体半径，m；

C——松散体的黏聚力。

其余物理量含义同式(2)。

以上两种方法属于经验评价或半定量的评价法。

3路基孔洞稳定性评价的定量分析法

当圆形孔洞所处位置的深度达到一定数值时，可以通过一定的假定条件和边界条件建立相应的物理力学模型和数学模型，再进行分析计算，据结果对孔洞稳定性进行评价和判断。这类方法称为定量分析法，主要包括稳定系数法和普氏压力拱理论分析法[12]。

3.1稳定系数法

路基表层以下浅埋洞体稳定性评价取决于两类作用力的关系[12-13]：

(1)致塌力，包括洞顶岩土自重，附加荷载作用力；

(2)抗塌力，主要是可能塌落岩土体周边摩阻力及颗粒联结黏聚力。

假定孔洞顶以上土体近似为松散破碎，在其上部四周形成圆锥形破坏面和柱状塌落体，由朗肯土压力理论，求得塌落岩土体整个高度范围的圆柱体侧表面摩擦阻力F为[13]

(4)

式中q——均布外荷载，kPa；

b——土柱横截面直径，m；

h——土柱高度，m。

其余物理量同上。如果用FS表示圆形孔洞的稳定系数，FS的表达式如下[13]

(5)

式中F1——抗塌力，kN；

F2——致塌力，kN；

W——岩土自重，kN；

QV——附加荷载作用力，包括列车活载，kN。

其余物理量同上。

通过一定的安全系数来评价现有路基孔洞的稳定性，通常FS≥1.5时，圆形孔洞稳定，若FS≤1时，圆形孔洞不稳定。

3.2普氏压力拱理论分析法[14-16]

此法适用于上覆岩土层厚度h>(2.0～2.5)h2的深埋洞体，在岩土体中可以形成自然平衡拱(压力拱，塌落拱)，压力拱高h2，与洞跨度2b和洞高h0以及土层内摩擦角有关，压力拱高h2和承载力Px可以由下式计算出

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，fi=tanφ，可根据地质条件进行修正后使用；hx为形成压力拱的岩土体厚度，m；K为安全系数，取1.0；Lx为压力拱平均跨度，m；Qx为半个压力拱自重；Ru为岩土极限抗压强度，取R=13 000 tanφ，kPa。

假设孔洞上有均布荷载q，当qPx时，qv=rh2+q-Px，此时，通过对增大孔洞承载力进行验算，判断洞体是否稳定。

4路基陷穴病害评价模型的建立

基于工程经验和相关设计规范，根据重载货运铁路本身的受力特点，根据不同位置的陷穴采用与之相适应的评价方法，而同一位置的陷穴病害，则通过几种评价方法的计算结果的对比，对该位置处的陷穴病害进行综合评价，路基陷穴病害的综合评价模型包括基本评价参数获取多样性、评价方法的多样性和多种评价结果分析的综合性，其为路基陷穴病害定量或半定量评价提供了一种思路。模型的计算过程简单，评价参数与计算结果之间的力学关系和工程经验关系明确，易于在铁路路养护过程中推广应用。

4.1基床陷穴的评价

根据不同的孔穴的埋置深度和尺寸范围选用相应的评价方法，对于基床范围内的孔穴，由于埋置深度较浅，采用坍塌填塞法比较合适。对于路基本体内的孔穴应根据埋置深度和尺寸，分别选取坍塌平衡法、安全系数法、谱氏压力拱理论分析法。根据相关工程经验，基床范围内的孔穴高度低于0.6 m，单个孔穴的宽度小于0.5 m，连体孔穴除外，重载铁路路基基床在长期运营下的基床力学性能降低、松散系数较大。根据基床填料组别，为了简化计算，考察陷穴高度在0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m时对应的填埋陷穴的坍落度的临界高度如表1所示。

表1　不同陷穴高度、不同分组填料下的洞穴所需坍落高度H　m

以朔黄铁路高填方路基为研究对象，根据《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)，它属于Ⅰ级特重型单线铁路，其路基几何设计参数如表2所示[17]。

表2　Ⅰ级特重型单线铁路路基几何设计参数　m

通过现场资料收集，由于铁路沿线地质条件的限制，朔黄线沿线的基床填料多为粉土、粉质黏土，甚至为改良的黄土。根据《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)的相关规定，大部分属于C组填料，少量属于B组填料，局部地段甚至出现D组填料，填料性能较差，现场病害明显。由表1可以得出以下结论：

(1)填料的组别越高，相同高度的陷穴稳定性越好；

(2)陷穴的高度越小，稳定性越好；

(3)相同高度的陷穴，埋置深度越深，稳定性越好。

基床和道床的厚度为3 m，A组填料，只要保证陷穴顶部0.875 m厚的土体，就可以基本保证陷穴的稳定性，B组填料需要1.167 m、C组填料需要1.75 m，才能保证陷穴稳定，D组和E组填料需要3 m以上填料，才能保证稳定，超过了基床的厚度，事实上做不到。从表1的计算结果还可以看出，高度在0.3 m以下的陷穴的危害性较小，0.3 m以上的危害性大，需要及时处理。

4.2基床以下路基本体陷穴的评价

对于基床以下路基本体陷穴的稳定性评价，由于埋置较深，孔径多达几米，坍塌填塞法的适用性大大降低，根据文献[16]，对于埋置较深的孔穴，可以考虑用坍塌平衡法、安全系数法、谱氏压力拱理论分析法等方法进行判断。根据工程经验[17]，对于3.5～6.0 m深的陷穴，建议采用坍塌平衡法、6.0～12.0 m深的陷穴采用安全系数法、12.0 m深以上的陷穴采用谱氏压力拱理论分析法，为了提高评价精度，对于基床以下路基本体陷穴，可以采用上述3种方法综合分析，最后得出相应的评价结论。

5工程评价实例

5.1评价过程

经过现场调查，ZK249～ZK250区段的陷穴病害比较明显。课题组对该区段进行了地质雷达和弹性波测试。通过对现场采集到的试验，数据处理分析可以得到，路基本体地下孔洞的分布情况，见图1和图2[17]。通过数据整理获得该区段的路基孔洞数据情况如表3所示。由于仪器本身的识别误差，对于基床以内高度在0.3 m以下的洞穴、基床以下路基本体内的小型洞穴随着深度的加大，测出的难度也越来越大，但通过表1的分析，可知：基床以内，0.3 m以下的洞穴对基床的影响不大，路基本体一定深度处的小型洞穴对路基稳定性的影响也比较小，因此，表3所列路基洞穴的测试结果依然能够代表该区段路基陷穴整体分布状况。由式(1)计算结果见表4。

图1　地质雷达实测路基解释剖面

图2　弹性地震波法测试路基解释剖

表3　K249路基点穴与填料调查情况

表4　路基陷穴病害填塞坍塌高度计算

表5　4种方法的计算结果

根据表4、表5的计算结果评判探测圆形孔洞的稳定性评价结果见表6。

表6　5种方法评价结果对比

5.2对比分析得出的评价结论

坍塌填塞法对于位于基床内部的孔洞的评价效果较好，评价参数为土体松散系数K和坍塌前土体的最大高度H0。参数测试结果的随机性较小，几何概念明确，计算结果可作为基床孔穴危害性的判据。但是该方法忽略了洞体坍塌本身所应该具有的力学属性，把洞体坍塌作为预设的前提，评判结果偏于保守。式(4)对14个案例计算结果的评价结论均为“安全”，评价结果偏于激进，主要是因为式(4)考虑了松散体的黏聚力，黏聚力的存在有利于路基孔穴的稳定性。通过现场铁路路基病害调查，因孔洞塌陷引起路基严重沉降的病害比较普遍，这显然和式(4)的评价结果不符。若采用该方法定量评价路基陷穴病害，应充分考虑路基土体的抗剪强度指标参数的随机性，进行必要的修正。式(3)对14个案例的计算结果有10个“失稳”，4个“安全”，式(3)忽略路基土体的黏聚力，评价结果偏于保守，但从现场病害调查情况来看，评价结果能够较好地反应现场的病害状态。而安全系数法FS和坍落拱理论的评价结果比较折中，两者评价一致性较好。与坍塌填塞法相比，这4种方法既考虑了洞体的几何特性，又考虑了土体的力学特性，评价参数考虑比较全面，评判结果更加严谨。

6结论

(1)定量或半定量评价路基陷穴病害应根据陷穴病害的结构、位置等方面的特征采用多种计算方法综合对比分析，通过建立基于多种计算方法的路基陷穴病害综合评价模型来实现这一计算过程，根据现场病害现状的调查结果，并结合每种分析计算方法的假设条件进行综合分析，对某个位置处的路基陷穴病害进行科学合理的评价，并在此基础上指导既有重载货运铁路路基的日常养护工作。

(2)工程计算实例表明：综合评价模型中的坍塌体平衡法不能忽略土体本身的黏聚力，在考虑黏结力时，应充分注意土体抗剪强度参数的测试结果的随机性。坍落拱理论与安全系数法的评判结果的相容性比较好，计算结果能够较好地反应路基的状态。坍塌填塞法适合于浅埋于基床位置的洞体安全性评价，评价参数简单，随机性小，评判结果能够代表该区域的洞体的安全性，但其忽略土体本身的物理特性，计算结果偏保守。

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Research on Comprehensive Evaluation Model for Heavy Haul Railway Subgrade Sinkhole XIAO Zun-qun1,2， XU Cai-yun3， ZHENG Na4

(1.School of Resource and Civil Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430000, China；2.China Petroleum Pipeline Scientific Research Institute, LangFang 065000, China;3.Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430014 China;4.China Petroleum Pipeline No.4 Construction Company, LangFang 065000, China)

Abstract：Aiming at the deficiency of the methods for evaluation of subgrade sinkhole defect in existing heavy haul railway, a comprehensive evaluation model for subgrade sinkhole defect is established based on methods of collapse plugging, collapse balance, stabilization coefficient and Pugh’s theory. The comparative analysis of characteristics and applicable conditions of various methods are conducted with engineering examples. The consistence and mutual exclusivity of various methods is discussed. The results show that the limitation of single method can be avoided with the comprehensive evaluation model, and objective and scientific evaluation conclusions are obtained.

Key words：Heavy railway; Subgrade; Evaluation model; Pugh’ s theory; Stability coefficient

中图分类号：U216.41+7

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.003

文章编号：1004-2954(2015)05-0011-05

作者简介：肖尊群(1982—)，男，博士，主要从事岩土、重载铁路路基等方面的研究工作，E-mail：xiaozunqun@126.com。

基金项目：国家自然科学基金(51308424)；国家高技术研究发展计划(863计划)专题课题(2009AA11Z101)；中南大学高速铁路建造技术国家重点实验室开放基金(HSR2013008)

收稿日期：2014-07-08； 修回日期：2014-07-23