郭在旭

(中國中鐵二院, 四川成都 610031)

·鐵路與公路設計·

鐵路路堤荷載形式下的平均附加應力系數(shù)解析式推導

郭在旭

(中國中鐵二院, 四川成都 610031)

鐵路路基不同于傳統(tǒng)建筑基礎，且荷載形式也不同于傳統(tǒng)建筑基礎，，因此開展路堤荷載下的沉降計算研究是十分必要的，文章推導出了路堤及列車荷載形式下的平均附加應力系數(shù)解析式，以便在沉降計算時直接選用。

路堤荷載； 平均附加應力； 附加應力系數(shù)

沉降計算的規(guī)范方法是對傳統(tǒng)分層總和法的一種精確推導，但由于其來源于《建筑地基處理技術規(guī)范》、《建筑地基基礎設計規(guī)范》，目前主要應用在工民建工程建設中，而在鐵路工程中，鐵路路基與工民建地基的荷載形式不同，鐵路一般路堤填筑較高，且路堤荷載形式為梯形斷面荷載，而工民建中常采用的是矩形或條形荷載形式，所以鐵路路堤荷載下的平均附加應力系數(shù)不應該采用與工民建地基規(guī)范方法完全相同的方法計算，因此需要對其進行重新推導。

由于在路基工程中，通常采用路基中心最大沉降量作為路基沉降的控制指標，所以我們這里只對路基中心平均附加應力系數(shù)計算公式進行推導。

1 路堤荷載附加應力系數(shù)解析式

路堤荷載為梯形斷面荷載，所以路堤荷載作用下附加應力系數(shù)及平均附加系數(shù)應該為梯形分布荷載作用下的應力系數(shù)，對于路堤中心線下z處的附加應力系數(shù)(圖1)，其解析式為：

圖1 路堤荷載下的附加應力計算模式

(1)

式中：αz為路堤荷載下的路基中心附加應力系數(shù)；b為路基底面半寬；b′為路基面半寬度；z為路堤中心下所求位置離路基底面的深度。

2 路堤荷載平均附加應力解析式推導

根據(jù)平均附加應力系數(shù)計算公式：

得：

解得：

(2)

式(2)即為路堤荷載下路基中心線下zi處的平均附加應力解析式，其適用條件為路堤荷載，且路堤荷載為梯形斷面荷載，通過式(2)計算出不同深度的平均附加應力系數(shù)后，代入規(guī)范計算方法，就可求出路堤荷載下路基中心的最大沉降量。

3 列車荷載下平均附加應力解析式推導

對于其他荷載形式下，如預壓土與列車荷載下，也可推導出其平均附加應力系數(shù)表達式。

對于預壓土，由于其荷載與路堤荷載形式一樣，為梯形斷面荷載，所以其平均附加應力系數(shù)表達式可采取與路堤荷載下一樣的公式。

對于列車及軌道荷載，《鐵路路基設計規(guī)范》(TB10001-2005)將列車和軌道荷載全部作為靜荷載計算，并將其換算成相當?shù)木哂幸欢ǜ叨群头植紝挾鹊耐林?，計算時將路基面上的軌道靜載和列車豎向活載一起換算成與路基土體重度相同的矩形土體，因此在這里計算時，則簡化計算換算后土柱產(chǎn)生的附加應力系數(shù)及平均附加應力系數(shù)。

對于單線鐵路路基，假設換算后土柱高為h、寬為b,換算土柱重度為γ(圖2)，則其荷載形式為均布條形荷載，附加應力系數(shù)為均布條形荷載作用下的附加應力系數(shù)。我們這里也只對路基中心平均附加應力系數(shù)計算公式的推導，對于均布條形荷載作用下的附加應力系數(shù)，其解析式為：

圖2 單線列車及軌道荷載換算土柱示意

(3)

根據(jù)平均附加應力系數(shù)計算公式

得：

解得：

(4)

對于雙線鐵路路基，如圖3，同理設換算后土柱高為h,寬為b,換算土柱重度為γ,雙線線間距為L，則其路基中心附加應力系數(shù)可看作是兩個均布條形荷載在L/2處的附加應力系數(shù)的疊加，其解析式為：

圖3 雙線列車及軌道荷載換算土柱示意

(5)

根據(jù)平均附加應力系數(shù)計算公式

得：

為了方便計算，令

則：

解得：

(6)

式(4)、式(6)分別為單線與雙線鐵路路基在列車及軌道荷載作用下路基中心線下zi處的平均附加應力解析式。

通過式(4)、式(6)算出不同深度的平均附加應力系數(shù)后這里由于采用的是換算土柱的方法，因此p0=γh，代入規(guī)范計算方法，就可求出單線與雙線列車及軌道荷載下路基中心的最大沉降量。

4 結(jié)束語

鐵路路基與工民建地基的荷載形式不同，路堤荷載形式為梯形斷面荷載，而工民建中常采用的是矩形或條形荷載形式，所以鐵路路堤荷載下的平均附加應力系數(shù)不應該采用與工民建地基規(guī)范方法完全相同的方法計算，本文推導出了路堤及列車形式下的平均附加應力系數(shù)解析式，以便在沉降計算時直接選用。

[1]JGJ79-2002 建筑地基處理技術規(guī)范[S].

[2] 陳開圣，劉宇峰.分層總和法在路基沉降計算中應注意的幾個問題[J]. 巖土工程技術,2005(2)：43-45.

[3]TB10001-2005 鐵路路基設計規(guī)范[S].

[4]GB50007-2002 建筑地基基礎設計規(guī)范[S].

[5] 劉成宇.土力學[M].北京：中國鐵道出版社，1990.

U213.1+1

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[定稿日期]2015-07-07