關(guān)于鐵路路基地基承載力的討論

楊永久

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

關(guān)于鐵路路基地基承載力的討論

楊永久

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

現(xiàn)行不同鐵路規(guī)范對于路基地基承載力的要求各不相同，設(shè)計(jì)人員對規(guī)范有不同的理解，有時會造成設(shè)計(jì)偏于保守，對鐵路路基地基承載力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討。地基容許承載力和地基承載力的特征值是地基基本處于彈性變形的界限，與基礎(chǔ)是剛性還是柔性無關(guān)。對于有砟軌道，可允許土體局部進(jìn)入塑性破壞區(qū)，可以在規(guī)范的基礎(chǔ)上將承載力要求適當(dāng)放寬。根據(jù)既有資料，提出用于極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的承載力分項(xiàng)系數(shù)，可為鐵路地基處理極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法提供參考。

鐵路路基；地基承載力；極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法；安全系數(shù)

1 概述

目前對于鐵路路基地基承載力各規(guī)范有不同的要求。

《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106—2010)中3.3.2條“復(fù)合地基處理后的地基，承載力應(yīng)滿足下式要求

式中，pk為基底壓力；[σ]為處理后的地基容許承載力；k為地基承載力計(jì)算修正系數(shù)，對于路堤、場坪等柔性基礎(chǔ)地基可取1.2～1.5。按上述要求，處理后地基容許承載力應(yīng)滿足[1]

《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)中7.1.5條規(guī)定“地基表層為軟弱土層，當(dāng)其靜力觸探比貫入阻力Ps值：Ⅰ級鐵路小于1.2 MPa，Ⅱ級鐵路小于1.0 MPa時；或天然地基基本承載力：Ⅰ級鐵路小于0.15 MPa，Ⅱ級鐵路小于0.12 MPa時，應(yīng)根據(jù)軟弱土層的性質(zhì)、厚度、含水率、地表積水深度等，采取地基加固措施”，但沒有明確寫出處理后的復(fù)合地基承載力要求。其條文說明中說道“如軟弱土層較厚，按一般原則處理不能保證路基穩(wěn)定時，應(yīng)按軟土地基處理方法加固地基”，說明這一條規(guī)定本質(zhì)上還是對地基穩(wěn)定性提出的要求[2]。

《新建時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函[2005]285號)中沒有針對一般路堤地基承載力方面的規(guī)定，僅4.4.7條對低矮路堤基床范圍內(nèi)的地基承載力進(jìn)行了規(guī)定[3]。

《新建時速200～250 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2005]140號)中4.4.4條，“當(dāng)路基基底壓縮層范圍內(nèi)(一般不小于25 m)的地基土不符合表4.4.4要求時，應(yīng)結(jié)合架梁和鋪軌的施工組織安排和工期要求，進(jìn)行工后沉降分析”，表4.4.4中“黏性土Ps>1.2 MPa或σ0≥0.15 MPa”。

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB10621—2009)中，沒有提出有關(guān)承載力方面的要求[5]。

由于設(shè)計(jì)人員對上述條文的認(rèn)識與理解各有不同，造成在設(shè)計(jì)過程中采用不同的承載力控制標(biāo)準(zhǔn)。對地基承載力問題魏永幸做了很精辟的探討[6-7]。本文試圖在前人的研究基礎(chǔ)上，對不同條件下地基承載力的確定問題進(jìn)行討論。

2 地基承載力的定義

在目前各行業(yè)的規(guī)范體系里，有多個地基承載力的概念，主要包括：地基容許承載力、地基基本承載力、地基承載力特征值、地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值、地基極限承載力等，這些承載力是從不同角度提出來的，有的是從土力學(xué)的概念提出的，有的是從設(shè)計(jì)方法的角度提出的[8]。

(1)地基極限承載力和地基容許承載力

這兩個概念是從土力學(xué)基本概念提出的，地基瀕臨失穩(wěn)時地基土單位面積上所能承受的最大荷載為極限承載力；為確保工程的安全性，將地基極限承載力除以安全系數(shù)得到地基容許承載力，也就是說容許承載力為考慮了一定安全儲備的地基承載力，此時地基處于彈性狀態(tài)或者局部出現(xiàn)塑性，傳統(tǒng)的容許承載力是從強(qiáng)度的角度提出來的。

另外，我國的設(shè)計(jì)習(xí)慣還容許承載力為確保地基不產(chǎn)生剪切破壞而失穩(wěn)，同時保證建筑物沉降不超過允許沉降，在《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106—2010)中采用了這種定義。也就是說對不同的建筑物，由于其對變形的承載能力不同，則容許承載力也有差別。

地基極限承載力可用極限承載力公式計(jì)算，也可采用平板載荷試驗(yàn)求得。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，Hansen公式計(jì)算黏性土的極限承載力與載荷試驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性，但計(jì)算砂土的承載力比載荷試驗(yàn)要小很多。

(2)地基基本承載力和地基承載力的特征值

地基基本承載力是《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—89)曾經(jīng)使用的術(shù)語，表示巖土體在比例界限內(nèi)，以彈性變形為主，且基礎(chǔ)埋深不大于3 m、基礎(chǔ)寬度不大于2 m的地基承載能力。新的建筑行業(yè)規(guī)范已廢除此術(shù)語。但是現(xiàn)行鐵路規(guī)范系統(tǒng)中尚存在。

地基承載力的特征值是《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2002)提出的術(shù)語，定義為“由載荷試驗(yàn)測定的地基土壓力變形曲線線性變形段內(nèi)規(guī)定的變形所對應(yīng)的壓力值，其最大值為比例界限值”，其基本屬性仍然是強(qiáng)度條件下的容許承載力。也就是說承載力的特征值是一系列值，而不是一個定值，不同的“規(guī)定變形”對應(yīng)的承載力特征值是不同的，其最大值比例界限即為基底下地基土即將發(fā)生塑性破壞的臨界值，體現(xiàn)的是地基承載力的變形控制理念。

在承載力里面同時體現(xiàn)強(qiáng)度和變形，會造成概念的混淆，同時地基承載力的特征值會出現(xiàn)不一致性。若承載力的特征值取比例界限值，則地基變形限于彈性變形范圍內(nèi)，此時變形計(jì)算相對精確，變形控制由變形計(jì)算校核概念會更加清晰。

(3)地基承載力的標(biāo)準(zhǔn)值與地基承載力的設(shè)計(jì)值

這兩個概念是從概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則提出的術(shù)語。標(biāo)準(zhǔn)值時某一保證率的分位值，設(shè)計(jì)值是該變量驗(yàn)算點(diǎn)的坐標(biāo)，都是具有概率統(tǒng)計(jì)含義的取值方法。用地基極限承載力的標(biāo)準(zhǔn)值在設(shè)計(jì)表達(dá)式中，應(yīng)除以分項(xiàng)系數(shù)而成為設(shè)計(jì)值，這個過程體現(xiàn)了設(shè)計(jì)安全度的要求。而容許承載力的標(biāo)準(zhǔn)值不需要再除以分項(xiàng)系數(shù)，因?yàn)槿菰S承載力本身取值中已經(jīng)體現(xiàn)了安全度的要求，因此不存在容許承載力設(shè)計(jì)值的概念。

3 天然地基承載力

地基承載力可由載荷試驗(yàn)或其他原位測試方法確定，當(dāng)沒有測試數(shù)據(jù)時，可利用強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行估算或依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值。

(1)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值：在大量測試資料和建筑經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計(jì)分析總結(jié)出各種類型的地基土在某種條件下的承載力。

(2)理論公式計(jì)算：地基承載力理論公式是在一定的假定條件下，根據(jù)地基土的抗剪強(qiáng)度等參數(shù)，通過彈性理論或彈塑性理論導(dǎo)出的解析解，包括地基臨塑荷載公式、臨界荷載公式、太沙基公式、斯肯普頓和漢森公式等。

(3)根據(jù)原位測試確定：包括載荷試驗(yàn)、靜力觸探、動力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等原位測試方法。

其中采用載荷試驗(yàn)確定的地基承載力更接近工程實(shí)際，但在鐵路工程設(shè)計(jì)階段，很少開展載荷試驗(yàn)確定承載力，大都采用勘探取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)或采用靜力觸探、動力觸探及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等較簡單的原位測試手段，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式來分析確定地基土承載力。為方便勘察設(shè)計(jì)人員取值，結(jié)合多年來的工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中各種地基土的極限承載力與基本承載力之比見表1[9]。

表1 地基土極限承載力Pu與基本承載力σ0之比

表1中不同土性極限承載力與基本承載力的比值不同反映了載荷曲線的不同形狀，也就是彈性階段所占比例不一樣，而不是根據(jù)變異系數(shù)采用可靠度理論分析得出。天然地基承載力變異系數(shù)為0.2～0.3。

地基承載力由3部分組成，第一部分為黏聚力在滑動面上形成的抗力，第二部分為側(cè)向超載形成的摩阻力所形成的抗力，第三部分為滑動土體的體積力在滑動面上形成的摩阻力所形成的抗力。

一般載荷試驗(yàn)的埋置深度為零，所測定的承載力沒有包含深度影響，同時載荷板尺寸比基礎(chǔ)的尺寸小很多，因此載荷試驗(yàn)結(jié)果用于實(shí)際工程應(yīng)進(jìn)行深寬修正，深層載荷試驗(yàn)結(jié)果不用進(jìn)行深度修正。而承載力表是根據(jù)載荷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)而來，一般適用于基礎(chǔ)寬度小于3 m，基礎(chǔ)埋深小于0.5 m的情況，用于實(shí)際工程也應(yīng)進(jìn)行修正。

在極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)的地基承載力驗(yàn)算中，引入天然地基承載力分項(xiàng)系數(shù)(γR)，為與現(xiàn)有設(shè)計(jì)水平相當(dāng)，在驗(yàn)算天然地基承載力時，Q4沖洪積黏性土及軟土分項(xiàng)系數(shù)取1.8，其余土類取2.0。

4 單樁承載力

單樁承載力的確定方法主要包括2種：由單樁載荷試驗(yàn)確定；按樁身強(qiáng)度及按樁側(cè)、樁端抗力估算值中的小值確定。

(1)由單樁載荷試驗(yàn)確定單樁承載力

根據(jù)《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》中開展復(fù)合地基單樁載荷試驗(yàn)或按《鐵路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程》中開展單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)時，可確定單樁的豎向極限承載力。在極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)的地基承載力驗(yàn)算中，引入單樁承載力分項(xiàng)系數(shù)(γp)，為與現(xiàn)有設(shè)計(jì)水平相當(dāng)，在驗(yàn)算時單樁承載力分項(xiàng)系數(shù)取2.0。

(2)按樁身強(qiáng)度和樁側(cè)、樁端抗力估算確定的單樁承載力

根據(jù)樁身強(qiáng)度及按樁側(cè)、樁端抗力估算值中兩者之中的小值為確定的單樁承載力。

①樁身強(qiáng)度一般采用與現(xiàn)場樁體配比相同的室內(nèi)試塊抗壓強(qiáng)度或采用現(xiàn)場樁體鉆孔取芯試塊的抗壓強(qiáng)度。在極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)的地基承載力驗(yàn)算中，引入單樁承載力分項(xiàng)系數(shù)(γp)，根據(jù)樁型、試塊類型、現(xiàn)場地質(zhì)條件及施工條件等綜合分析后選取，并與現(xiàn)行設(shè)計(jì)水準(zhǔn)相一致。

②按樁側(cè)、樁端抗力估算的單樁承載力

根據(jù)樁側(cè)、樁端抗力參數(shù)的來源不同又分為原位測試法和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法，一般采用綜合確定的方法。

根據(jù)靜力觸探資料確定樁側(cè)、樁端阻力，或根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定樁側(cè)、樁端阻力，估算的單樁承載力一般為單樁極限承載力。在極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)的地基承載力驗(yàn)算中，引入單樁承載力分項(xiàng)系數(shù)(γp)，為與現(xiàn)有設(shè)計(jì)水平相當(dāng)，在驗(yàn)算時單樁承載力分項(xiàng)系數(shù)取2.0。

5 復(fù)合地基承載力

復(fù)合地基承載力的確定方法主要包括：復(fù)合地基載荷試驗(yàn)、按樁土共同作用估算。

(1)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定單樁承載力

根據(jù)《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106—2010)中開展復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，可直接確定復(fù)合地基的容許承載力。在載荷試驗(yàn)中，容許承載力的確定與土的性質(zhì)、上部基礎(chǔ)變形等相適應(yīng)。

(2)按單樁承載力、樁間土共同承載估算的復(fù)合地基承載力

對散體材料樁、水泥土柔性樁及CFG樁等復(fù)合地基，由樁與周邊土體共同承擔(dān)上部荷載。開展復(fù)合地基承載力驗(yàn)算時，針對不同樁型、樁間土性質(zhì)等條件，估算時樁或樁間土考慮各自相應(yīng)的承載力發(fā)揮系數(shù)，并參照上述天然地基承載力和單樁承載力分析，分別引入地基土承載力分項(xiàng)系數(shù)(γR)和單樁承載力分項(xiàng)系數(shù)(γp)。

6 關(guān)于路堤荷載下地基承載力的討論

工程設(shè)計(jì)中通常應(yīng)考慮3個方面，即強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定，具體到路基設(shè)計(jì)落實(shí)到承載力、工后沉降、路基整體穩(wěn)定。地基承載力本質(zhì)上是一個強(qiáng)度的問題。

(1)變形控制及強(qiáng)度控制

目前規(guī)范所定義的地基承載力特征值最大值為比例界限。有砟軌道允許有一定的沉降量，對軟土地基加固設(shè)計(jì)時，為滿足承載力要求，設(shè)計(jì)措施往往非常重，最后沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，會造成不必要的浪費(fèi)。此時承載力可適當(dāng)取大一些，土體局部進(jìn)入塑性區(qū)，雖然地基變形超越了彈性階段，但仍然滿足工后沉降要求。合理設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)應(yīng)該是強(qiáng)度和變形的和諧統(tǒng)一[7]。

(2)路堤荷載下地基承載力

在《鐵路工程地基處理規(guī)程》(TB10106—2010)中提出了地基承載力修正系數(shù)的概念，采用容許應(yīng)力法時，要求復(fù)合地基處理后的地基承載力應(yīng)滿足

式中，Pk為路基地面處壓力值；[σ]為處理后地基容許承載力；k為地基承載力計(jì)算修正系數(shù)，對于路堤、場坪等柔性基礎(chǔ)地基其值可取1.2～1.5。

處理后地基承載力一般由現(xiàn)場載荷試驗(yàn)求得，設(shè)計(jì)時可根據(jù)相關(guān)公式估算。由于目前載荷試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式均是在剛性基礎(chǔ)上獲取的，而鐵路路堤和場坪均為土工結(jié)構(gòu)物，屬于柔性基礎(chǔ)，地基破壞模式與混凝土等剛性基礎(chǔ)不一樣，需對現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)的承載力進(jìn)行修正。根據(jù)相關(guān)研究表明，柔性基礎(chǔ)的承載力是大于剛性基礎(chǔ)的，二者的比值為1.03～1.75，在《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106—2010)中將承載力比值定為1.2～1.5。由上述背景可以看出，這個系數(shù)是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)提出來的，沒有理論依據(jù)，條文解釋為柔性基礎(chǔ)的承載力大于剛性基礎(chǔ)。

實(shí)際工程中，柔性基礎(chǔ)能適應(yīng)地基變形，也就是說基礎(chǔ)底面壓力的分布和大小完全與其上的荷載分布與大小相同；而剛性基礎(chǔ)基底壓力分布隨上部荷載的大小及土的性質(zhì)而異，圖1、圖2分別為典型柔性基礎(chǔ)和剛性基礎(chǔ)基底壓力分布。

圖1 柔性基礎(chǔ)底面壓力分布

圖2 剛性基礎(chǔ)基底壓力分布示意

確定地基承載力的方法有2種，一種是理論計(jì)算法，其基本假定就是基底壓力線性分布；第二種是采用載荷試驗(yàn)確定，其本質(zhì)就是將承載力限定在彈性變形或限制變形量。也就是說地基承載力增大并非柔性基礎(chǔ)比剛性基礎(chǔ)承載力大，主要原因是路基關(guān)注的是工后沉降而不是總沉降，對于有砟軌道允許地基有一定的變形局部進(jìn)入塑性區(qū)，現(xiàn)行規(guī)范仍然按照建筑地基的承載力確定方法欠妥，往往導(dǎo)致地基承載力不能充分利用。

從鐵路工程實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、安全角度考慮，鐵路路基在滿足變形要求前提下，對于無砟軌道，路基工后沉降控制非常嚴(yán)格，一般要求工后沉降不超過15 mm，此時可嚴(yán)格按照現(xiàn)行規(guī)范取值；對于有砟軌道可允許土體局部進(jìn)入塑性破壞區(qū)，可以在規(guī)范的基礎(chǔ)上將承載力特征值適當(dāng)擴(kuò)大，這才是《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106—2010)中3.3.2節(jié)地基承載力修正系數(shù)的根本原因，地基承載力分項(xiàng)系數(shù)如表2所示。

表2 地基承載力分項(xiàng)系數(shù)

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10106—2010鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社，2010．

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005．

[3] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)函[2005]285號新建時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京:中國鐵道出版社， 2005．

[4] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2005]140新建時速200～250 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京:中國鐵道出版社，2005．

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京:中國鐵道出版社，2010．

[6] 魏永幸，薛新華.柔性路堤地基承載力控制值探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010(1):1-3.

[7] 魏永幸，薛新華，龔曉南.柔性路堤荷載作用下的地基承載力研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010(2):22-26.

[8] 高大釗.土力學(xué)與巖土工程師[M].北京:人民交通出版社，2008:169-230.

Discussions on Bearing Capacity of Railway Embankment Foundation

YANG Yong-jiu

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

The requirement for bearing capacity of foundation is not accordant in different current codes and designers may have different understanding of the codes， which may result in conservative design. This paper focuses on the bearing capacity of foundation under embankment load. The allowable bearing capacity and the characteristic bearing capacity are limits for elastic deformation irrespective of rigid foundation or flexible base foundation. It’s appropriate to allow the foundation to be plastic partly for ballasted track， and the requirement for bearing capacity of foundation can be eased aptly. According to the existing information， the partial factor of bearing capacity is proposed， which could provide reference for limit design of railway foundation treatment．

Railway embankment; Foundation bearing capacity; Limit design method; Safety factor

2015-02-15；

2015-03-10

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)課題(2012G014-H)

楊永久(1966—)，男，高級工程師，1989年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè)，E-mail：401382061@qq.com。

1004-2954(2015)10-0006-04

U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.002