某软土地区铁路线路路基设计.doc

毕业设计（论文） 中文题目： 某软土地区铁路线路路基设计 学 院：北京交通大学 专 业：土木工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 2017 年 11 月 5 日 远程与继续教育学院 摘要 本设计的主要内容是根据软土地基的工程特点，结合客运专线路基设计规范针对铁 路客运专线软土地基上路堤的设计与施工。 首先，提出了两种软土地基加固方案，CFG 桩和袋装砂井，采用条分法和分层总和法 对路基分别进行稳定性检算和沉降计算, 并对它们进行经济技术比较，最后提出减少工 后沉降的措施。其次，对路堤边坡进行了稳定检算，设计了路基的填筑方案，提出了保 证路基基床压实度的措施。最后提出了路基变形监测方案。 设计成果满足相关客运专线的规范要求,设计方案和施工方法是比较合理的。 关键词：客运专线；软土地基；稳定检算；工后沉降；变形监测 Abstrat The main elements of this design is based on the engineering characteristics of soft soil, combined with subgrade design specifications for railway passenger dedicated soft design and construction of embankment. First, we propose two soft soil reinforcement, CFG pile and Sand Wick, stratified by slice summation method and the stability of the roadbed were checking calculation and settlement, and their technical and economic comparison, the final proposed measures to reduce the settlement after. Secondly, on the embankment slope was stable and calculation of the design of the embankment filling program, proposed to ensure measures of degree of compaction of subgrade bed. Finally, the roadbed deformation monitoring program. Design results to meet regulatory requirements related to passenger line, design and construction is reasonable. Keywords: passenger dedicated line ；soft soil foundation ；stability calculation ；post- construction settlement ；deformation monitoring 目 录 第第 1 章章 绪论绪论 .1 1.1 软土的定义、特点与工程特性.1 1.1.1 软土的定义及特点.1 1.1.2 软土的工程特征：.1 1.2 国内外客运专线路基工程处理方法.1 1.3 国内外软土地基主要处理方法.1 1.4 我国新建客运专线路基对软土地基的要求.2 1.5 课题研究的主要内容.2 第第 2 章章 客运专线路基横断面设计客运专线路基横断面设计 .3 2.1 路堤横断面设计.3 2.1.1 断面设计原始资料.3 2.1.2 路肩宽度设定.3 2.1.3 边坡坡率.3 2.1.4 填料选择.3 2.1.5 线间距.3 2.1.6 路基面宽度确定.4 2.1.7 排水沟设计.4 2.1.8 基床厚度.4 2.2 直线地段路基横断面设计.4 2.3 圆曲线地段路基横断面设计.4 2.4 缓和曲线段路基横断面设计.5 第第 3 章章 客运专线软土地基处理客运专线软土地基处理 .6 3.1 软土路基常用的处理方法.6 3.2 袋装砂井法.6 3.2.1 袋装砂井的概念.6 3.2.2 袋装砂井的设计优点.7 3.2.3 袋装砂井的设计.7 3.2.4 固结度计算.8 3.2.5 袋装砂井的施工.9 3.2.6 袋装砂井的施工.9 3.3 CFG 桩复合地基法.9 3.3.1 概述.9 3.3.2 CFG 桩复合地基工程特性.10 3.3.3 CFG 桩复合地基设计计算.11 3.3.4 CFG 桩复合地基的施工.13 3.3.5 CFG 桩复合地基质量检验.15 3.4 两种软基处理方案的技术比较.16 3.4.1 工期方面.16 3.4.2 沉降量方面.16 3.4.3 造价方面.16 3.4.4 比选结论与最终方案选择.16 第第 4 章章 边坡稳定性检算边坡稳定性检算 .17 4.1 稳定影响因素.17 4.2 条分法原理.17 4.3 稳定检算.18 4.3.1 计算参数取值.18 4.3.2 确定滑弧圆心位置.18 4.3.3 划分土条.19 4.3.4 稳定性计算.19 4.4 稳定计算的结论.20 第第 5 章章 软土地基沉降量计算软土地基沉降量计算 .22 5.1 地基沉降概述.22 5.2 分层总和法简介.22 5.2.1 分层总和法基本原理.22 5.2.2 分层总和法计算步骤.22 5.3 未作处理的软土地基的沉降量计算.23 5.3.1 地基土分层.23 5.3.2 路堤基底附加应力计算.23 5.3.3 未处理的沉降计算.23 5.3.4 活载计算.27 5.4 CFG 复合地基工后沉降计算.28 5.5 工后沉降产生的原因.30 5.6 减少工后沉降的可采取的施工措施.30 5.6.1 超载预压.30 5.6.2 路堤填料处理.30 5.6.3 增加排水路径.30 5.6.4 加强基础的刚度和强度.31 5.6.5 其它注意事项.31 第第 6 章章 基床表层加固和路堤边坡防护基床表层加固和路堤边坡防护 .32 6.1 基床表层加固.32 6.1.1 基床表层作用.32 6.1.2 基床表层加固措施.32 6.2 边坡防护.32 6.2.1 路基坡面防护.32 第第 7 章章 路堤施工方案路堤施工方案 .34 7.1 路堤施工.34 7.2 路堤填料改良方法.34 7.3 路堤的填料.34 7.4 施工方法及工艺.35 7.4.1 施工方法.35 7.4.2 施工工艺.35 7.5 基床以下路堤填料的压实标准.36 7.5.1 压实度的保证措施.36 第第 8 章章 路基变形监测路基变形监测 .38 8.1 路基变形监测的意义及目的.38 8. 2 软土路堤施工监测.38 8.2.1 软基路堤施工监测的原则.38 8.2.2 软基路堤施工监测应注意的问题.38 8.2.3 软基路堤施工监测测量仪具.39 8.3 软土路堤施工变形监测技术.39 8.3.1 地表沉降观测.40 8.3.2 土体内部沉降观测.40 8.3.3 土体水平位移观测.41 第第 9 章章 总结与展望总结与展望 .42 9.1 总结.42 9.2 展望.42 参考文献参考文献.43 致谢致谢.44 第 1 章 绪论 1.1 软土的定义、特点与工程特性 1.1.1 软土的定义及特点 软土是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙 比大、压缩性高、抗 剪强度低的细粒土。主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少 置腐殖质所组成的土。具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固 结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之 间物 理力学性质相差较大等特点。 1.1.2 软土的工程特征： (1)颜色以深色为主，颗粒成分以细颗粒为主，有机质含量高； (2)天然含水量高，孔隙比大。含水量在 34%72%之间，孔隙比在 1.01.9 之间， 饱和度一般大于 95%，液限一般为 35%60%，塑性指数为 1330，天然容重在 1619kN/m3； (3)压缩系数为，属于高压缩性土； -1 0.52MPa (4)透水性差。大部分软土的渗透系数在；压缩性高； 86 1010 cm/s 到 (5)具有触变性。一旦受到干扰，土的强度明显下降，甚至呈流动状态； (6)抗剪强度低；软土的抗剪强度与加荷速度及排水固结条件密切相关； (7)流变性显著其长期抗剪强度只有一般土质抗剪强度的 40%80% ； 从这些物理、力学特性上可以看出，在软土地区不宜建筑重型建筑物。对一般建筑 物和铁路路基基底应采取相应的处理措施。 1.2 国内外客运专线路基工程处理方法 目前国内主要的处理方法有：1、碾压及夯实。2、换土垫层。3、排水固结。4、振 密挤密。5、置换及拌入。6、土工聚合物。 客运专线对软土地基地段采用复合地基处理方式，如粉喷桩、水泥搅拌桩、钢渣桩、 碎石桩等，以减少地基沉降，提高地基刚度，同时在基床表层填筑级配碎石并压实。 国外主要的处理方法有：1、真空-堆载联合预压技术。2、轻型填方施工法。3、加 固填方施工法。4、使用土工织物处理软土地基。5、冻结施工法和注入化学药剂施工法。 6、深层搅拌法。 1.3 国内外软土地基主要处理方法 目前，国内外工程中软土地基处理方法主要包括密实法、换土垫层法、复合地基法、 加筋法和灌浆法，其中密实法包括：堆载预压法、真空预压法、降水法、电渗法、静力 碾压法、振动碾压法、重锤夯实法、强夯法；换土垫层法又称置换法，包括：粗粒填土 垫层、细粒填土垫层；复合地基法包括：挤密碎石桩、干振碎石桩、砂桩、渣土桩、石 灰桩、水泥土桩、CFG 桩、素混凝土桩；加筋法包括：土工织物、加筋土；灌浆法包括： 压力灌浆法等。 砂井是利用各种打桩机具击入钢管，或用高压射水、爆破等方法在地基中获得按一 定规律排列的孔眼并灌人中、粗砂形成砂柱。由于这种砂井在饱和软粘土中起排水通道 的作用，又称排水砂井。砂井顶面应铺设垫层，以构成完整的地基排水系统。砂井适用 于软土层厚度大于 5m 的软基处理。最大有效处理深度 18m。比较常用的是袋装沙井。 CFG 桩（水泥粉煤灰碎石桩）是指用振冲、冲击或水冲等方法在软弱地基中成孔后， 将水泥、粉煤灰、碎石、石屑（砂）加水拌和形成的混合料灌注压入已成的孔中，形成 较大直径的桩体，从而与周围软土形成复合地基，它是近年来新开发的一种地基处理技 术。 1.4 我国新建客运专线路基对软土地基的要求 为了满足高速铁路设计速度的要求，必须严格控制路基的工后沉降量，按照时速 300350km 客运专线铁路设计暂行规定 ，有砟轨道路基工后沉降量不应大于 5cm，沉降 速率应小于 2cm/y，无砟轨道地段路基的工后沉降应满足扣减调整和线路竖曲线圆顺的要 求，工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量 15mm。而软土由于本身的大孔隙比和 高压缩性，路堤建成后，不仅沉降量大，而且持续时间长，按照以前的处理标准，工后 沉降是基本不满足要求的。所以，对软土地基的处理要更加严格，关键是要控制沉降和 稳定性，满足规范的要求。 1.5 课题研究的主要内容 根据铁路客运专线路基设计规范，充分考虑软土地基的工程特点，设计满足规范要 求的软土地区路基，对软弱土层进行加固地基处理，提出相应的处理方案，对加固后的 地基进行稳定性和工后沉降验算，并在一定程度上对方案进行经济技术比较。 本文主要采用 CFG 桩处理地基，对处理后地基进行稳定性检算；应用固结理论进行 沉降计算，并对工后沉降进行分析。 第 2 章 客运专线路基横断面设计 2.1 路堤横断面设计 2.1.1 断面设计原始资料 客运专线，设计速度 350km/h，轨道类型为重型。最小曲线半径为 8000m。 地质条件：K551+460K580+600 段均为松软地基，必须考虑软弱地基处理；沿线地 下水发育，地表水丰富，大气降水补给充足。路基面形状应为三角形，并设计为由路基 面中心向两侧有 4%的横向排水坡。 选择三个断面分别位于直线、缓和曲线、圆曲线进行断面设计。 2.1.2 路肩宽度设定 路肩虽不直接承受列车荷载作用，但它对保证路基受力部分的稳定十分重要，路肩 宽度取决于以下几个因素： (1).路基稳定的需要，特别是浸水以后路堤边坡的稳定性； (2)养护维修的需要； (3)保证行人的安全，符合安全退避的要求； (4)为路堤压密与道床边坡坍落留有余地。我国铁路客运专线路肩宽度确定为两侧均 为 1.4m。 2.1.3 边坡坡率 依据软土路基规范16规定，设计整个路堤上部边坡坡率设为 1:1.5，下部反压护道 坡率设为 1:1.75，反压护道与路堤设计连接处设置反压护道平台，宽度设为 2m。 2.1.4 填料选择 基床表层填料选用级配碎石。 铁路客运专线路基基床底层填料只能使用 A、B 组填料或改良土，设计中选用 A 组填 料； 基床以下路堤应选用 A、B 组填料和 C 组碎石类、砾石类填料，设计中采用 B 组填料。 2.1.5 线间距 由于高速列车运行时会产生列车风，相邻线路高速列车相向运行所产生的空气压力 冲击波易振碎列车的玻璃，旅客感到不舒服，甚至影响列车运行的平稳性，因此高速线 路的线间距较普通铁路有所增大，确定线间距标准是个灵活性相当大的问题，线间距窄， 会车压力波大，对机车车辆的设计和制造提出了很高的要求，但可以节省土建工程投资。 根据我国铁路客运专线线间距根据所采用机车车辆类型、运行速度等因素确定为 5.0m。 2.1.6 路基面宽度确定 根据铁路客运专线路基设计规范的要求，双线铁路直线地段路基面宽度为 13.8m，曲 线半径为 8000m 时，圆曲线地段路基面外侧加宽值 0.4m，曲线加宽值应在缓和曲线内渐 变。因此，确定圆曲线地段路基面宽度为 14.2m，缓和曲线地段路基面宽度为 14.0m。 2.1.7 排水沟设计 依据客运专线铁路路基设计规范设计坡脚排水沟。排水沟的平面布置，必须结合地 形等自然条件，因势利导，平面上力求短捷平顺，以直线为宜，必须转向时，尽量采用 较大半径，徐缓改变方向，保证水流舒畅。排水沟一般底宽为 0.4m，深 0.6m。排水沟至 坡脚应该有一定的距离，这一位置称为天然护道，其宽度一般不小于 2m，设护道是为了 使水沟或坑内的水不影响路堤的稳定性。 2.1.8 基床厚度 客运专线一般采取基床厚度表层 0.7m，基床底层厚度 2.3m，本设计路堤厚度采用 5.8m。 2.2 直线地段路基横断面设计 根据现行有关铁路路基设计规范，直线地段路基面宽度取 13.8m，路堤填土高度按 6m 设计，边坡坡度取 1:1.5，按照规范基床表层厚度取值 0.7m，应在路基基床表层增设 510cm 沥青混凝土防排水层，表层总厚度不变，基床底层取厚度 2.3m，基床表层填筑级 配碎石，基床底层填料只能用 A、B 组填料或改良土。基床以下路堤应优先选用 A、B 组 填料和 C 组碎石、砾石类填料，当选用 C 组细粒土填料时，应根据填料性质进行改良后 填筑。为有利于自然降水的排出，基床表层和基床底层应沿线路中心线向两侧设置 4%的 排水横坡。直线地段路基横断面图见附录 B 中 01 图纸。 2.3 圆曲线地段路基横断面设计 在曲线地段，由于曲线轨道的外轨设置超高，外侧道床加厚，道床坡脚外移，故曲 线外侧的路基面应予加宽。其加宽值可按各级铁路的最大允许超高计算确定。曲线外侧 路基面的加宽量应在缓和曲线范围内向直线递减。圆曲线地段线路路基顶面需要加宽值 由参考文献1查得，级铁路、半径 8000m 圆曲线外侧路基顶面需加宽 0.4m，即圆曲线 的路基顶面宽度为 14.2m，其它尺寸与直线段相同。曲线地段路基顶面加宽计算公式为： 22 AB Wbc (2-1) 式中， A道床顶面宽度； 道床顶面加宽值； b道床边坡在水平面上的投影长度； c路肩设计宽度； B标准路基顶面宽度。 曲线地段横断面图见附录 B 中 01 图纸。 2.4 缓和曲线段路基横断面设计 在铁路线路上，缓和曲线的主要作用：过渡超高、过渡曲率、过渡加宽。路基面加 宽值，从曲线直缓点到缓圆点之间呈线性变化。本设计缓和曲线段的设计加宽值取为圆 曲线地段加宽值的一半（即 0.2m） 。缓和曲线的路基面宽度为 14.0m，其他尺寸与直线地 段相同。缓和曲线地段横断面图见附录 B 中 01 图纸。 第 3 章 客运专线软土地基处理 软土是淤泥和淤泥质土的总称，它是在静水和非常缓慢的流水环境中沉积，经生物 化学作用形成的土。 在铁路客运专线中，软土路基在列车和轨道荷载在作用下，承载力低、不均匀变形 大，且变形稳定历时较长在比较深厚的软土层上，路基沉降往往持续数年或更长时间。 因此，要保持地基稳定，保证路基具有足够的承载能力，不致产生过大沉降变形，就必 须对软土地基进行加固处理。 3.1 软土路基常用的处理方法 软土地基处理方法有很多种，常用的有换土垫层法、强夯法、复合地基、排水固结 法、化学加固法和土工合成材料等。 排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成的。排水系统包括竖向排 水体（普通砂井，袋装砂井、塑料排水板带）和水平排水体（砂垫层） 。加压系统包括堆 载法、真空法、降低地下水位法、电渗法、联合法等。 复合地基法又包括散体桩复合地基（碎石桩、渣土桩、砂桩） ，一般粘结强度桩复合 地基（灰土桩、石灰桩、水泥土桩、夯实水泥土桩） ，高粘结强度桩复合地基（CFG 桩、 素混凝土桩、碎石压力灌浆桩） 。 3.2 袋装砂井法 3.2.1 袋装砂井的概念 袋装砂井，就是事先将柔性编织物按地基加固深度做成长袋，在地面上灌砂后放入 孔中，或将空袋放入孔中然后用压缩空气灌砂，其中砂井使用含泥量小于 3%的砂粘土在 地面上搭架灌入砂袋，成孔后放入孔中，砂袋高出地面 30cm，再铺一层 30cm 厚的砂垫层， 最后铺土工格栅。其原理是土体的孔隙水通过袋装砂井竖向排至路基表面，再经设置砂 垫层作为横向排水通道将水排至路基边沟。排水固结法是处理软土地基的有效方法之一， 它可以解决沉降与稳定问题，使地基的沉降在加载预压期间基本完成，减少工后沉降量， 提高了路基质量，现在工程中多采取袋装砂井、砂垫层和土工格栅配合使用来加固软土 地基。袋装砂井是近年来竖向排水井工艺的发展，是砂井排水法的延续。根据固结理论， 砂井的直径越大，间距越密，对某一固结度而言所需的时间越短，或者某一时间内所达 到的固结度越大。在同一井径的情况下，砂井间距减少一半，固结时间约缩短 3 倍；同 一间距条件下，井径增大一倍，固结时间约只减少三分之一。因此，缩短间距比增大井 径对加速固结的效果更好，所以应采用“细而密”的原则布置砂井。 3.2.2 袋装砂井的设计优点 首先袋装砂井的直径细小，用砂量少，其费用约为普通砂井的 40%，造价低廉。并且 由于编织袋是一个整体，能保证砂井的连续性和密实性，不会因地基变形而切断，使用 效果良好。其次沙井直径细小，施工时对土层扰动小。另外由于砂井断面小，重量轻， 减少施工设备的重量，提高了施工效率。 3.2.3 袋装砂井的设计 3.2.3.1 袋装砂井直径的确定 砂井直径一般为 712cm，本设计中取砂井直径为 7cm。 3.2.3.2 袋装砂井间距的确定 为满足地基排水固结的要求，沉降过程中不易被截断和被周围土淤塞，一般要求袋 装砂井的直径在 710cm。井径比 n 范围 1530 见文献4。根据“细而密”原则，砂井 直径取 7cm。井径比公式为： (3-1) de/dw=n 式中，de有效排水范围内等效圆直径(cm)； dw沙井直径(cm)。 井距是指两砂井中心间的距离，砂井间距为 1.02.0m。井距应保证在给定的施工期 限内达到要求的地基固结度，使路堤安全填筑。因为缩短间距比增加井径对加速固结的 效果更好，本设计砂井间距采用 1.5m。砂井的平面布置有两种形式：正方形和三角形排 列。在设计中采用三角形布置，砂井的有效排水范围为三角形，在实际计算中，砂井的 有效影响范围看作一等体积的等效圆柱体。 等效直径 de 与砂井间距 S 的关系式： (3-2) 1.05S=de 等效圆直径和砂井间距分别是和。 162.75cm=de 155cm=S 根据式(3-1)得井径比为，满足范围要求。 25.237/75.162n 3.2.3.3 袋装砂井长度的确定 路堤以下的软粘土层厚 15m，假设砂井刚好穿过软粘土层，取定砂井长度为 15m。 3.2.3.4 袋装砂井的平面布置及砂垫层 砂井的平面布置，采用等边三角形的较多，这种布置比正方形排列更为紧凑、本设 计中也采用三角形布置，其平面布置图如图 3-1 所示。为了保证袋装砂井内渗出的水能 够顺利排出，一般须在砂井的顶部铺设一层砂垫层，本设计中砂垫层的厚度设为 0.5， 砂井的上部外露部分应埋在该层内。 图 3-1 袋装砂井平面布置图 3.2.4 固结度计算 3.2.4.1 竖向固结度计算 因为袋装砂井双面排水，垂直向最大渗径 H=15/2=7.5m=750cm。 可得 026 . 0 750 360024302108 . 2. 2 3 2 H tC T V V 0641 . 0 026 . 0 4 . 4 2 2 2 H tC N V 竖向固结度为： % 9 . 23 8 1 8 1 0641 . 0 22 eeU N V 3.2.4.2 径向固结度计算 砂井的平面布置为等边三角形，所以影响圆直径为： m6275 . 1 55 . 1 05 . 1 05 . 1 sde 井径比为： 25.23 07 . 0 6275 . 1 d d n e 6263 . 0 75.162 360024302102 . 3. 2 3 2 e r r d tC T 40 . 2 25.234 125.233 25.23ln 125.23 25.23 4 13 )ln( 1 2 2 2 2 2 2 2 2 )( n n n n n F n 所以径向固结度为：% 6 . 8711 4 . 2 6263 . 0 8 . )( . 8 eeU nF T r R 袋装砂井处理该地基的平均固结度为： % 5 . 90)1)(1 (1 rV vrUUU 3.2.4.3 砂井底部以下部分固结度计算