鐵路工程路基設(shè)計(jì)法探索

1、鐵路工程路基設(shè)計(jì)法探索 作者：趙新益 單位：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)原理 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法以概率論為基礎(chǔ)、以可靠度指標(biāo)衡量可靠性、以分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)，因而使地基設(shè)計(jì)更加合理。巖土工程的極限狀態(tài)是指巖土工程能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求的臨界狀態(tài)，超過這一狀態(tài)，巖土工程便不再滿足設(shè)計(jì)要求。它是區(qū)分巖土工程的工作狀態(tài)為可靠或不可靠的標(biāo)志，一般可分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類。在進(jìn)行地基處理設(shè)計(jì)時(shí)，將變異性較大的設(shè)計(jì)參數(shù)視為隨機(jī)變量，變異性不大的參數(shù)可視為定值，由這些設(shè)計(jì)參數(shù)組成描述地基的函數(shù)zg(x)稱為地基的功能函數(shù)。功能函數(shù)有3種情況：當(dāng)z0時(shí)，表

2、明地基處于可靠狀態(tài)；當(dāng)z0表明地基處于極限狀態(tài)，此方程稱為極限狀態(tài)方程；當(dāng)z0時(shí)表明地基處于失效或者破壞狀態(tài)4-7。巖土工程可靠度是指巖土工程在規(guī)定的時(shí)間、條件下，完成預(yù)定功能的能力，可靠度由可靠指標(biāo)衡量。對地基處理來說，完成各項(xiàng)預(yù)定功能的標(biāo)志則是滿足鐵路穩(wěn)定性（包括承載力）、工后沉降及差異沉降3方面的要求3。比如地基沉降的可靠度就是地基沉降小于某一允許值的概率，按照可靠度理論，其功能函數(shù)可以表示為（式略）式中，s為允許沉降，w為沉降計(jì)算值，12(,)cnxxxx為隨機(jī)變量。當(dāng)g(x)0時(shí)，表示沉降沒有超過允許沉降，對應(yīng)的概率用rp表示，即為路基沉降可靠度；當(dāng)g(x)0表示路基沉降超過了允許沉

3、降，用超越概率fp表示。顯然可靠度與超越概率間存在互補(bǔ)關(guān)系1rfpp。設(shè)z為正態(tài)分布變量(,)zzznm，引入符號/zzm，為一無因次系數(shù)，稱為可靠度指標(biāo)8。如果直接采用目標(biāo)可靠性指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算過于繁瑣，從設(shè)計(jì)人員的工作習(xí)慣及國際標(biāo)準(zhǔn)接軌考慮，設(shè)計(jì)時(shí)采用隱含目標(biāo)可靠度的分項(xiàng)系數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)值和結(jié)構(gòu)重要系數(shù)組成的設(shè)計(jì)表達(dá)式計(jì)算。雖然設(shè)計(jì)表達(dá)式與定值設(shè)計(jì)法相似，但兩者的內(nèi)涵是不同的，分項(xiàng)系數(shù)能夠全面考慮目標(biāo)可靠度指標(biāo)，同時(shí)反映各變量的敏感度與變異性質(zhì)。地基處理在設(shè)計(jì)原理和方法上與結(jié)構(gòu)工程有相似之處，可以充分借鑒結(jié)構(gòu)工程部分研究成果。但地基3處理設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有本質(zhì)上的區(qū)別，不能完全照搬結(jié)構(gòu)工程可靠

4、性分析的原理，主要體現(xiàn)在以下方面：(1)巖土參數(shù)復(fù)雜。由于地基土是由漫長的地質(zhì)年代形成，受不同的環(huán)境因素、化學(xué)物理過程的影響，所以土體參數(shù)的空間變異性很大；土性參數(shù)又有自相關(guān)性，應(yīng)該用隨機(jī)場進(jìn)行描述，且不同土性參數(shù)之間存在互相關(guān)性。(2)巖土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系復(fù)雜。巖土體是一種高度非線性體，不同的應(yīng)力水平，變形差異很大。路基地基穩(wěn)定性、沉降計(jì)算分析方法、計(jì)算模型往往需要進(jìn)行一些簡化處理，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況往往有一定的差異。(3)巖土邊界條件復(fù)雜。巖土工程實(shí)際研究的范圍較大，工程計(jì)算分析中考慮的邊界是近似和模糊的，計(jì)算時(shí)需要對邊界條件進(jìn)行簡化處理。(4)外界環(huán)境對地基處理措施的可靠性影響大。地基在

5、不同天氣、地下水等外界環(huán)境影響下表現(xiàn)出不同的物理力學(xué)特性。(5)施工質(zhì)量不確定性大。由于巖土工程是隱蔽性工程，施工工法、施工水平及施工質(zhì)量對地基處理的影響巨大。因此，軟土地基處理設(shè)計(jì)中存在大量不確定因素必須加以研究。由于巖土工程性質(zhì)復(fù)雜，導(dǎo)致巖土工程可靠度研究發(fā)展緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于結(jié)構(gòu)工程可靠度研究?；诟怕收摰牡鼗幚順O限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法涉及到地層條件、邊界條件、荷載條件、計(jì)算模型、設(shè)計(jì)條件以及施工條件等各方面因素，應(yīng)貫穿于勘察、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、施工等全過程，要完整的解決上述各因素的概率統(tǒng)計(jì)方法，使之定量化，最終提出適用的地基處理極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式以及分項(xiàng)系數(shù)和有關(guān)參數(shù)。由于鐵路地基處理是采用穩(wěn)定性（

6、包括承載力）和沉降雙重控制設(shè)計(jì)的。所以要進(jìn)行可靠度的完全分析，必然是以穩(wěn)定性（包括承載力）極限狀態(tài)、沉降控制極限狀態(tài)和差異沉降極限狀態(tài)三種極限狀態(tài)綜合控制的結(jié)果。欲實(shí)現(xiàn)完全的可靠度分析，就需要引入系統(tǒng)可靠度分析方法，才能反映軟土地基處理可靠度的全貌。 極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)的意義及轉(zhuǎn)軌思路 軟土地基處理極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)的意義極限狀態(tài)法與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比是一個(gè)很大的進(jìn)步，標(biāo)志著解決可靠度問題從以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的定性分析階段進(jìn)入以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的定量分析階段。極限狀態(tài)法作為路基設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，美國、歐盟、日本、俄羅斯等國家和地區(qū)的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范均采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，繼續(xù)采用安全系數(shù)法設(shè)計(jì)給國際技術(shù)交流

7、帶來了困難，不利于我國鐵路技術(shù)在國際上的推廣應(yīng)用。我國于1992年頒布了工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（gb50153），2008年又進(jìn)行了全面修正，目前建筑、港口、水利及公路部門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法；2010年交通運(yùn)輸部頒布的港口工程地基規(guī)范（jts147-1-2010）將極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法引入地基規(guī)范9-10。我國20世紀(jì)80年代開始鐵道部門一直在進(jìn)行相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作，近年來對高速鐵路開展了系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，積累了大量勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，已基本形成高速鐵路工程建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，為地基處理極限狀態(tài)設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。開展鐵路工程地基處理極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法研究不僅意義重大，而且是必要的、

8、可行的。雖然已經(jīng)有一些成果，但距離實(shí)用階段還有一段距離，有必要結(jié)合鐵路路基工程的特點(diǎn)系統(tǒng)開展地基處理極限狀態(tài)設(shè)計(jì)研究。軟土地基處理極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軌的思路由于影響軟土地基處理可靠性的因素復(fù)雜，且軟土地基處理方法、種類多，各種方法有不同的特點(diǎn)，軟土地基處理設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的定值設(shè)計(jì)法轉(zhuǎn)軌為極限狀態(tài)法是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，推進(jìn)極限狀態(tài)法在地基處理設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，必須以平穩(wěn)過渡為準(zhǔn)則。首先應(yīng)遵循可靠度校準(zhǔn)法，通過極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)重現(xiàn)定值設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的可靠度等級。完成形式轉(zhuǎn)軌，在此基礎(chǔ)上開展工程試設(shè)計(jì)，研究優(yōu)化設(shè)計(jì)模型、確定設(shè)計(jì)各分項(xiàng)系數(shù)，建立極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系，確保轉(zhuǎn)軌的平穩(wěn)過渡?？傮w采用三結(jié)合、兩

9、步走的極限狀態(tài)方法導(dǎo)入路徑，科研與設(shè)計(jì)相結(jié)合，專業(yè)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合，國內(nèi)研究與國外調(diào)研相結(jié)合，分“形式轉(zhuǎn)軌”和“建立體系”兩大步驟推進(jìn)轉(zhuǎn)軌工作。(1)形式轉(zhuǎn)軌階段。確定轉(zhuǎn)軌實(shí)施方案的主要原則，擬定轉(zhuǎn)軌工作實(shí)施方案。對國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研，掌握國內(nèi)其他行業(yè)及國外地基處理有關(guān)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)體系和技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，根據(jù)需要開展相關(guān)支撐科研工作。對地基處理極限狀態(tài)法和定值設(shè)計(jì)法的理論體系進(jìn)行系統(tǒng)分析，制訂目標(biāo)可靠指標(biāo)，建立分項(xiàng)系數(shù)與可靠性指標(biāo)之間的關(guān)系，研究制定分項(xiàng)系數(shù)，編制轉(zhuǎn)軌暫行規(guī)定，在設(shè)計(jì)中同時(shí)采用暫行規(guī)定和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)檢算，及時(shí)將遇到的問題匯總。(2)建立體系階段。選取既有鐵路工

10、程地基處理的代表性工點(diǎn)，結(jié)合工程現(xiàn)狀進(jìn)行反演分析，對比現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)結(jié)果，調(diào)整目標(biāo)可靠指標(biāo)、分項(xiàng)系數(shù)，建立極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式。在新建鐵路工程中，同時(shí)開展地基處理的安全系數(shù)法和極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)，對比分析安全系數(shù)法和極限狀態(tài)法的設(shè)計(jì)結(jié)果，校核和完善極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)方法，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測參數(shù)，優(yōu)化分項(xiàng)系數(shù)。建立工程數(shù)據(jù)收集、處理、統(tǒng)計(jì)分析平臺，為及時(shí)掌握工程動態(tài)，完善設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及可靠度指標(biāo)提供支撐。實(shí)現(xiàn)軟土路基地基處理的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)體系，完成編制并頒布極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)規(guī)范。 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法是軟基地基處理設(shè)計(jì)方法的變革。要實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，須重點(diǎn)研究以下問題：（1）巖土參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析方法、分布型

11、式及數(shù)字特征。巖土參數(shù)本身的變異性比人工材料的大得多，這就需要大量實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量做支撐，而實(shí)際工程中的某些參數(shù)的樣本數(shù)量有限，如何根據(jù)有限的樣本數(shù)量對參數(shù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，是工程師面對的一大問題。從另一個(gè)方面說，采用何種勘察方法才能與極限狀態(tài)設(shè)計(jì)配套，也是值得深入探討的問題。（2）極限狀態(tài)方程的建立。軟土地基處理各種方法有不同的特點(diǎn)，其質(zhì)量保證水平差異很大，且其不確定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)工程或建筑基礎(chǔ)工程，這是地基處理采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，必須針對排水固結(jié)、水泥土樁、cfg樁等不同的地基處理方法，分析各參數(shù)變異性對地基處理措施可靠性的影響程度，確定隨機(jī)變量，建立極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方程。（3）目標(biāo)可靠度指標(biāo)的確

12、定。由于巖土工程的復(fù)雜性，目前確定目標(biāo)可靠度還需要依賴傳統(tǒng)的安全系數(shù)。在這種情況下，應(yīng)該結(jié)合多年來設(shè)計(jì)所積累的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行廣泛的統(tǒng)計(jì)分析，對現(xiàn)行的鐵路地基處理規(guī)范進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)算，以初步確定目標(biāo)可靠度指標(biāo)。（4）分項(xiàng)系數(shù)及設(shè)計(jì)表達(dá)式的建立。在理論研究、實(shí)驗(yàn)分析、計(jì)算統(tǒng)計(jì)以及校準(zhǔn)計(jì)算的基礎(chǔ)上，廣泛調(diào)研國內(nèi)既有鐵路復(fù)合地基資料，并進(jìn)行反演計(jì)算，最后提出鐵路軟土地基概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的分項(xiàng)系數(shù)及設(shè)計(jì)表達(dá)式。 結(jié)論 （1）目前鐵路地基處理采用的定值設(shè)計(jì)法以總安全系數(shù)k衡量地基的可靠性，不考慮設(shè)計(jì)參數(shù)的變異性，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性相對較差，影響設(shè)計(jì)質(zhì)量。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法以概率論為基礎(chǔ)、以可靠度指標(biāo)衡量可靠性、以分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠全面反映影響安全的各項(xiàng)因素，應(yīng)用可靠度理論全面修訂設(shè)計(jì)規(guī)范是國際發(fā)展趨勢。（2）由于巖土工程性質(zhì)復(fù)雜，不確定因素多，導(dǎo)致巖土工程可靠度研究發(fā)展緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于結(jié)