重載鐵路路基陷穴病害綜合評(píng)價(jià)模型研究

肖尊群,許彩云,鄭娜

(1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,武漢　430000； 2.中國(guó)石油天然氣管道局管道

技術(shù)研發(fā)工場(chǎng),河北廊坊　065000；3.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院,武漢　430013；

4.中國(guó)石油天然氣管道局第四工程分公司,河北廊坊　065000)

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重載鐵路路基陷穴病害綜合評(píng)價(jià)模型研究

肖尊群1,2,許彩云3,鄭娜4

(1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,武漢430000； 2.中國(guó)石油天然氣管道局管道

技術(shù)研發(fā)工場(chǎng),河北廊坊065000；3.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院,武漢430013；

4.中國(guó)石油天然氣管道局第四工程分公司,河北廊坊065000)

摘要：針對(duì)當(dāng)前既有重載鐵路路基陷穴病害評(píng)價(jià)方法不足的問(wèn)題,建立基于坍塌填塞法、坍塌平衡法、穩(wěn)定系數(shù)法、普氏理論法的路基陷穴病害綜合分析模型。通過(guò)工程算例對(duì)比分析各類方法的特點(diǎn)和適用條件,討論各類方法的相容性和互斥性。研究結(jié)果表明：綜合評(píng)價(jià)模型能夠較好地避免單一方法的局限,獲得客觀、科學(xué)的評(píng)價(jià)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；路基；評(píng)價(jià)模型；普氏理論；穩(wěn)定系數(shù)

1概述

由于重載貨運(yùn)列車軸重大、車次頻繁，往往會(huì)產(chǎn)生各類路基病害。其中路基陷穴病害是灰?guī)r山區(qū)、黃土區(qū)段的主要病害。由于陷穴的突發(fā)性強(qiáng)，對(duì)鐵路的安全運(yùn)營(yíng)威脅較大[1]。目前地質(zhì)雷達(dá)等物探方法可以準(zhǔn)確探測(cè)潛埋孔洞的位置和規(guī)模，車載雷達(dá)更是能夠?qū)崿F(xiàn)路基本體異常的快速檢測(cè)，使得對(duì)鐵路區(qū)段的陷穴病害的系統(tǒng)評(píng)估成為可能。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)既有鐵路路基陷穴病害的研究較多，并且積累了不少研究成果，石玉玲對(duì)濕陷性黃土路基中的下伏陷穴穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法也進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)處理方法[1]。胡厚田對(duì)侯西線黃土路基陷穴的類型、分布規(guī)律和形成機(jī)理進(jìn)行了探討[2]。黃祖裕分析了某線路路基陷穴病害的原因，對(duì)用鋼筋混凝土板樁“圍幕”整治路基陷穴病害進(jìn)行了詳細(xì)的研究[3]。張利華對(duì)成昆線龍街粉砂路段路基病害機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的研究，認(rèn)為含水率的變化對(duì)路基病害的形成具有重要的影響[4]。湯曉光[5]基于無(wú)砟軌道客運(yùn)專線路基沉降數(shù)據(jù)，建立無(wú)砟軌道客運(yùn)專線路基沉降變形的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)砟線路路基進(jìn)行管理，該方法可以作為重載貨運(yùn)鐵路路基陷穴病害的綜合評(píng)價(jià)模型建立的重要參考。Dumm等人在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，將空洞周圍的巖土簡(jiǎn)化為理想的線彈性介質(zhì)，研究了在彈性極限條件下洞周巖土的沉陷破壞機(jī)理[6]。美國(guó)學(xué)者Fuller對(duì)我國(guó)黃土地區(qū)的陷穴塌陷的機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為機(jī)械侵蝕是導(dǎo)致沉陷的主要原因[7]。美國(guó)學(xué)者Rubey研究了陷穴與降雨條件之間的關(guān)系，為陷穴病害的評(píng)估提供了理論支持[8]。國(guó)內(nèi)外對(duì)陷穴病害的研究主要集中在形成機(jī)理和處治技術(shù)方面，對(duì)區(qū)段鐵路路基陷穴病害的整體評(píng)價(jià)和預(yù)判研究很少?；诖?，以現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立基于坍塌填塞法、坍塌平衡法、穩(wěn)定系數(shù)法、普氏理論法的路基陷穴病害綜合分析模型。實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)段路基陷穴的定量或半定量評(píng)價(jià)，為既有路基病害評(píng)價(jià)和線路大修、整治和日常管理服務(wù)。

2路基孔洞穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的經(jīng)驗(yàn)分析法

鐵路路基填料屬于新壓實(shí)的土工結(jié)構(gòu)，雖然達(dá)到了一定的壓實(shí)度要求，但隨著年運(yùn)量的逐年加大，陷穴、道砟陷槽等病害也日益增多[9]。因此分析路基本體孔洞的穩(wěn)定性時(shí)，可將路基本體近似為散體填料，根據(jù)散體填料土洞穩(wěn)定性分析的工程經(jīng)驗(yàn)，通常將孔洞簡(jiǎn)化成小型隧道模型，運(yùn)用古典理論、彈性、塑性及散體理論進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，這種方法的假定條件和邊界條件不容易確定，但是這種假設(shè)對(duì)比較破碎不穩(wěn)定的情況是可以的[10]。松散土體填料孔洞穩(wěn)定性分析方法主要有以下幾種評(píng)價(jià)方法。

2.1坍塌填塞法

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，采用洞頂頂板坍塌自行填塞洞體厚度對(duì)路基陷穴的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式可表達(dá)為

(1)

式中，H、H0分別為填埋洞穴所需坍落高度和坍落前洞體的最大高度；K為巖土松散系數(shù)，考慮到路基填料的特殊性，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)[11]，A類填料的松散系數(shù)取1.8，B類填料的松散系數(shù)取1.6，C類填料的松散系數(shù)取1.4，D類填料的松散系數(shù)取1.2，E類填料的松散系數(shù)取1.05。

由式(1)可知：頂板坍塌后，坍落體積增大，當(dāng)坍落至一定高度H時(shí)，洞穴空間自行填滿，無(wú)需考慮陷穴對(duì)軌道的影響；如果路基孔洞的直徑和埋深滿足一定關(guān)系式，可以暫緩或無(wú)需考慮路基孔洞對(duì)鐵路安全運(yùn)營(yíng)的影響。對(duì)于不滿足式(1)關(guān)系的路基孔洞，會(huì)產(chǎn)生影響鐵路軌道的陷穴病害。

2.2坍塌平衡法

據(jù)坍塌體平衡條件可以導(dǎo)出下面公式[11]

(2)

式中h——洞頂以上維持坍塌體平衡的最小穩(wěn)定厚度，m；

B——空洞寬度，m；

ξ——側(cè)壓力系數(shù)，ξ=tan2(45°-φ/2)，其中，φ為松散體的內(nèi)摩擦角，°；θ為滑移面的摩擦角，θ<φ。

所求厚度h加上荷載作用高度，即為頂板的安全厚度。

考慮松散體的黏聚力，利用坍塌體平衡條件導(dǎo)出相似的維持坍塌體平衡的最小厚度公式[12]

(3)

式中r——松散體的容重，kN/m3；

R——坍塌體半徑，m；

C——松散體的黏聚力。

其余物理量含義同式(2)。

以上兩種方法屬于經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)或半定量的評(píng)價(jià)法。

3路基孔洞穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的定量分析法

當(dāng)圓形孔洞所處位置的深度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，可以通過(guò)一定的假定條件和邊界條件建立相應(yīng)的物理力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型，再進(jìn)行分析計(jì)算，據(jù)結(jié)果對(duì)孔洞穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)和判斷。這類方法稱為定量分析法，主要包括穩(wěn)定系數(shù)法和普氏壓力拱理論分析法[12]。

3.1穩(wěn)定系數(shù)法

路基表層以下淺埋洞體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)取決于兩類作用力的關(guān)系[12-13]：

(1)致塌力，包括洞頂巖土自重，附加荷載作用力；

(2)抗塌力，主要是可能塌落巖土體周邊摩阻力及顆粒聯(lián)結(jié)黏聚力。

假定孔洞頂以上土體近似為松散破碎，在其上部四周形成圓錐形破壞面和柱狀塌落體，由朗肯土壓力理論，求得塌落巖土體整個(gè)高度范圍的圓柱體側(cè)表面摩擦阻力F為[13]

(4)

式中q——均布外荷載，kPa；

b——土柱橫截面直徑，m；

h——土柱高度，m。

其余物理量同上。如果用FS表示圓形孔洞的穩(wěn)定系數(shù)，F(xiàn)S的表達(dá)式如下[13]

(5)

式中F1——抗塌力，kN；

F2——致塌力，kN；

W——巖土自重，kN；

QV——附加荷載作用力，包括列車活載，kN。

其余物理量同上。

通過(guò)一定的安全系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)現(xiàn)有路基孔洞的穩(wěn)定性，通常FS≥1.5時(shí)，圓形孔洞穩(wěn)定，若FS≤1時(shí)，圓形孔洞不穩(wěn)定。

3.2普氏壓力拱理論分析法[14-16]

此法適用于上覆巖土層厚度h>(2.0～2.5)h2的深埋洞體，在巖土體中可以形成自然平衡拱(壓力拱，塌落拱)，壓力拱高h(yuǎn)2，與洞跨度2b和洞高h(yuǎn)0以及土層內(nèi)摩擦角有關(guān)，壓力拱高h(yuǎn)2和承載力Px可以由下式計(jì)算出

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，fi=tanφ，可根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行修正后使用；hx為形成壓力拱的巖土體厚度，m；K為安全系數(shù)，取1.0；Lx為壓力拱平均跨度，m；Qx為半個(gè)壓力拱自重；Ru為巖土極限抗壓強(qiáng)度，取R=13 000 tanφ，kPa。

假設(shè)孔洞上有均布荷載q，當(dāng)qPx時(shí)，qv=rh2+q-Px，此時(shí)，通過(guò)對(duì)增大孔洞承載力進(jìn)行驗(yàn)算，判斷洞體是否穩(wěn)定。

4路基陷穴病害評(píng)價(jià)模型的建立

基于工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，根據(jù)重載貨運(yùn)鐵路本身的受力特點(diǎn)，根據(jù)不同位置的陷穴采用與之相適應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，而同一位置的陷穴病害，則通過(guò)幾種評(píng)價(jià)方法的計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，對(duì)該位置處的陷穴病害進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，路基陷穴病害的綜合評(píng)價(jià)模型包括基本評(píng)價(jià)參數(shù)獲取多樣性、評(píng)價(jià)方法的多樣性和多種評(píng)價(jià)結(jié)果分析的綜合性，其為路基陷穴病害定量或半定量評(píng)價(jià)提供了一種思路。模型的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，評(píng)價(jià)參數(shù)與計(jì)算結(jié)果之間的力學(xué)關(guān)系和工程經(jīng)驗(yàn)關(guān)系明確，易于在鐵路路養(yǎng)護(hù)過(guò)程中推廣應(yīng)用。

4.1基床陷穴的評(píng)價(jià)

根據(jù)不同的孔穴的埋置深度和尺寸范圍選用相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，對(duì)于基床范圍內(nèi)的孔穴，由于埋置深度較淺，采用坍塌填塞法比較合適。對(duì)于路基本體內(nèi)的孔穴應(yīng)根據(jù)埋置深度和尺寸，分別選取坍塌平衡法、安全系數(shù)法、譜氏壓力拱理論分析法。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，基床范圍內(nèi)的孔穴高度低于0.6 m，單個(gè)孔穴的寬度小于0.5 m，連體孔穴除外，重載鐵路路基基床在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)下的基床力學(xué)性能降低、松散系數(shù)較大。根據(jù)基床填料組別，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，考察陷穴高度在0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m時(shí)對(duì)應(yīng)的填埋陷穴的坍落度的臨界高度如表1所示。

表1　不同陷穴高度、不同分組填料下的洞穴所需坍落高度H　m

以朔黃鐵路高填方路基為研究對(duì)象，根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)，它屬于Ⅰ級(jí)特重型單線鐵路，其路基幾何設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示[17]。

表2?、窦?jí)特重型單線鐵路路基幾何設(shè)計(jì)參數(shù)　m

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)資料收集，由于鐵路沿線地質(zhì)條件的限制，朔黃線沿線的基床填料多為粉土、粉質(zhì)黏土，甚至為改良的黃土。根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)的相關(guān)規(guī)定，大部分屬于C組填料，少量屬于B組填料，局部地段甚至出現(xiàn)D組填料，填料性能較差，現(xiàn)場(chǎng)病害明顯。由表1可以得出以下結(jié)論：

(1)填料的組別越高，相同高度的陷穴穩(wěn)定性越好；

(2)陷穴的高度越小，穩(wěn)定性越好；

(3)相同高度的陷穴，埋置深度越深，穩(wěn)定性越好。

基床和道床的厚度為3 m，A組填料，只要保證陷穴頂部0.875 m厚的土體，就可以基本保證陷穴的穩(wěn)定性，B組填料需要1.167 m、C組填料需要1.75 m，才能保證陷穴穩(wěn)定，D組和E組填料需要3 m以上填料，才能保證穩(wěn)定，超過(guò)了基床的厚度，事實(shí)上做不到。從表1的計(jì)算結(jié)果還可以看出，高度在0.3 m以下的陷穴的危害性較小，0.3 m以上的危害性大，需要及時(shí)處理。

4.2基床以下路基本體陷穴的評(píng)價(jià)

對(duì)于基床以下路基本體陷穴的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，由于埋置較深，孔徑多達(dá)幾米，坍塌填塞法的適用性大大降低，根據(jù)文獻(xiàn)[16]，對(duì)于埋置較深的孔穴，可以考慮用坍塌平衡法、安全系數(shù)法、譜氏壓力拱理論分析法等方法進(jìn)行判斷。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)[17]，對(duì)于3.5～6.0 m深的陷穴，建議采用坍塌平衡法、6.0～12.0 m深的陷穴采用安全系數(shù)法、12.0 m深以上的陷穴采用譜氏壓力拱理論分析法，為了提高評(píng)價(jià)精度，對(duì)于基床以下路基本體陷穴，可以采用上述3種方法綜合分析，最后得出相應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)論。

5工程評(píng)價(jià)實(shí)例

5.1評(píng)價(jià)過(guò)程

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，ZK249～ZK250區(qū)段的陷穴病害比較明顯。課題組對(duì)該區(qū)段進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)和彈性波測(cè)試。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的試驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理分析可以得到，路基本體地下孔洞的分布情況，見圖1和圖2[17]。通過(guò)數(shù)據(jù)整理獲得該區(qū)段的路基孔洞數(shù)據(jù)情況如表3所示。由于儀器本身的識(shí)別誤差，對(duì)于基床以內(nèi)高度在0.3 m以下的洞穴、基床以下路基本體內(nèi)的小型洞穴隨著深度的加大，測(cè)出的難度也越來(lái)越大，但通過(guò)表1的分析，可知：基床以內(nèi)，0.3 m以下的洞穴對(duì)基床的影響不大，路基本體一定深度處的小型洞穴對(duì)路基穩(wěn)定性的影響也比較小，因此，表3所列路基洞穴的測(cè)試結(jié)果依然能夠代表該區(qū)段路基陷穴整體分布狀況。由式(1)計(jì)算結(jié)果見表4。

圖1　地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測(cè)路基解釋剖面

圖2　彈性地震波法測(cè)試路基解釋剖

表3　K249路基點(diǎn)穴與填料調(diào)查情況

表4　路基陷穴病害填塞坍塌高度計(jì)算

表5　4種方法的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表4、表5的計(jì)算結(jié)果評(píng)判探測(cè)圓形孔洞的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。

表6　5種方法評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

5.2對(duì)比分析得出的評(píng)價(jià)結(jié)論

坍塌填塞法對(duì)于位于基床內(nèi)部的孔洞的評(píng)價(jià)效果較好，評(píng)價(jià)參數(shù)為土體松散系數(shù)K和坍塌前土體的最大高度H0。參數(shù)測(cè)試結(jié)果的隨機(jī)性較小，幾何概念明確，計(jì)算結(jié)果可作為基床孔穴危害性的判據(jù)。但是該方法忽略了洞體坍塌本身所應(yīng)該具有的力學(xué)屬性，把洞體坍塌作為預(yù)設(shè)的前提，評(píng)判結(jié)果偏于保守。式(4)對(duì)14個(gè)案例計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)結(jié)論均為“安全”，評(píng)價(jià)結(jié)果偏于激進(jìn)，主要是因?yàn)槭?4)考慮了松散體的黏聚力，黏聚力的存在有利于路基孔穴的穩(wěn)定性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鐵路路基病害調(diào)查，因孔洞塌陷引起路基嚴(yán)重沉降的病害比較普遍，這顯然和式(4)的評(píng)價(jià)結(jié)果不符。若采用該方法定量評(píng)價(jià)路基陷穴病害，應(yīng)充分考慮路基土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)的隨機(jī)性，進(jìn)行必要的修正。式(3)對(duì)14個(gè)案例的計(jì)算結(jié)果有10個(gè)“失穩(wěn)”，4個(gè)“安全”，式(3)忽略路基土體的黏聚力，評(píng)價(jià)結(jié)果偏于保守，但從現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)查情況來(lái)看，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠較好地反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的病害狀態(tài)。而安全系數(shù)法FS和坍落拱理論的評(píng)價(jià)結(jié)果比較折中，兩者評(píng)價(jià)一致性較好。與坍塌填塞法相比，這4種方法既考慮了洞體的幾何特性，又考慮了土體的力學(xué)特性，評(píng)價(jià)參數(shù)考慮比較全面，評(píng)判結(jié)果更加嚴(yán)謹(jǐn)。

6結(jié)論

(1)定量或半定量評(píng)價(jià)路基陷穴病害應(yīng)根據(jù)陷穴病害的結(jié)構(gòu)、位置等方面的特征采用多種計(jì)算方法綜合對(duì)比分析，通過(guò)建立基于多種計(jì)算方法的路基陷穴病害綜合評(píng)價(jià)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)這一計(jì)算過(guò)程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)病害現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果，并結(jié)合每種分析計(jì)算方法的假設(shè)條件進(jìn)行綜合分析，對(duì)某個(gè)位置處的路基陷穴病害進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)，并在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)既有重載貨運(yùn)鐵路路基的日常養(yǎng)護(hù)工作。

(2)工程計(jì)算實(shí)例表明：綜合評(píng)價(jià)模型中的坍塌體平衡法不能忽略土體本身的黏聚力，在考慮黏結(jié)力時(shí)，應(yīng)充分注意土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的測(cè)試結(jié)果的隨機(jī)性。坍落拱理論與安全系數(shù)法的評(píng)判結(jié)果的相容性比較好，計(jì)算結(jié)果能夠較好地反應(yīng)路基的狀態(tài)。坍塌填塞法適合于淺埋于基床位置的洞體安全性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)參數(shù)簡(jiǎn)單，隨機(jī)性小，評(píng)判結(jié)果能夠代表該區(qū)域的洞體的安全性，但其忽略土體本身的物理特性，計(jì)算結(jié)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

中圖分類號(hào)：U216.41+7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.003

文章編號(hào)：1004-2954(2015)05-0011-05

作者簡(jiǎn)介：肖尊群(1982—)，男，博士，主要從事巖土、重載鐵路路基等方面的研究工作，E-mail：xiaozunqun@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51308424)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)專題課題(2009AA11Z101)；中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(HSR2013008)

收稿日期：2014-07-08； 修回日期：2014-07-23