铁路路基工程课程设计(西南交大)

课程名称：铁路路基工程

设计题目：软土地基加固设计

专业：铁道工程

年级：

姓名：

学号：

设计成绩：

指导教师(签章)

西南交通大学峨眉校区

年月日

设计任务书

专业铁道工程姓名唐强学号20087125

开题日期：2011 年 5 月11 日完成日期：2011 年 6 月10 日

题目软土地基加固设计

一、设计的目的

通过设计，巩固所学的软土地基处理的基本知识，熟悉软土地基处理的原理和方法，从而加深对所学内容的理解，提高综合分析和解决实际工程问题的能力。（参考）

二、设计的内容及要求

1．路基边坡坡度及边坡防护设计

2．计算路堤极限高度

H，判断是否需要采用加固措施；

c

3．通过比选确定应选择何种加固方案；

4．掌握中轴线线下应力的计算和沉降量的计算；

5．固结度修正的计算；

6．绘制路基加固断面图；

三、指导教师评语

四、成绩

指导教师(签章)

年月日

一、设计目的

本课程设计的目的是使学生能综合应用《铁路路基工程》课程所学知识，并熟悉铁路路基设计的基本过程。

二、设计内容

1.路基边坡坡度的设计；

2.路基本体工程的设计；

3.路基边坡防护工程的设计；

4.基底设计（针对软土地区）。

三、设计资料

1.线路资料

常速，直线地段，单线路堤，路堤高m 7，路基面宽m 5.7，边坡坡度75.1:1:1=m ,线路等级按I 级次重型标准，活载换算高度m h 4.30=，宽m l 5.30=。 2.地基条件

地面以下m 13范围内为软土，灰黑色、流态；m 13以下为中砂层，地下水位与地面齐平。软土竖向固结系数为s cm C v /10323-?=，径向固结系数为

s cm C r /10

423

-?=；

变形模量为2/30cm kg ，泊松比4.0=μ，容重3

/3.17m kN =γ， kPa C u 18=，?=5.4u ?，?=20cu ?。

3.填料

用砂黏土填筑，夯实后容重容重3/18m kN =γ，kPa C u 25=，?=25?。 4.施工期限

填土时间为14个月，第一级填筑到3.5m （耗时6个月），然后间歇时间为2个月，再填筑到7.0m （再耗时6个月）；两级均为等比例加载。

四、设计及计算要求

1.按规范确定边坡的坡比；

2.按规范确定路基本体的压实要求；（略）

3.选择边坡防护的措施；

4. 计算路堤极限高度c H ,判断是否需要采用加固措施。

5.确定地基处理措施（建议采用普通砂井或袋装砂井或塑料排水板），并设计砂井地基，包括砂井的长度、直径及间距；边坡稳定允许的安全系数为10.1；

（1）假定地基平均固结度U =80%，用固结有效应力法检算路堤的稳定性（考虑通车情况，并列表计算），确定是否可以单独采用袋装砂井(或普通砂井、塑料排水板)进行加固。由于本工点资料较可靠，当全路堤的最小稳定系数

[]10.1min =K K ，可认为是稳定的。

稳定检算时，假设坐标圆点（0，0）取在路堤左边坡的坡脚处，X 轴向右为正，Y 轴向上为正，要求每位同学计算一个圆心，圆弧另一侧的交点分别取在荷载两个边缘点、线路中心处及右边坡。圆心的位置选取参考表2：

（2）用固结有效应力法确定袋装砂井井深(或普通砂井井深、塑料排水板长度)

参考尺寸：如袋装砂井井深8米，井径0.07米，井间距1.2米，梅花形排列。

（3）计算地基表面的接触应力和轴线上地基中各点（从地面算起）的自重应力，附加应力（列表计算）。

（4）计算地基固结沉降量和地基总沉降量（列表计算）。

（5）计算并绘制瞬时加荷ū-t 曲线及修正ū-t 曲线。（参考表3）

6.用1:200的比例绘制加固断面及约6米长内的袋装砂井(或普通砂井、塑料排水板)平面布置图。

7.应交文件

说明书、计算单及附图、附表并装订成册。 8.任务分配：

学号尾号为单数的同学：地基处理采用袋装砂井； 学号尾号为双数的同学：地基处理采用塑料排水板。

表3 固结度计算表

附：课程设计要求

1．先手写说明书后录入计算机并打印、装订成册；

2．表格：5个稳定系数计算表、1个沉降计算表、1个固结度计算表

3．图纸（附上标题栏）：

稳定性检算图（1：200，3个），路堤填土进度图（或路堤填土进度、固结度、沉降与时间关系曲线），砂垫层加打袋装砂井加固地基代表性横断面图（1：200），砂垫层加打袋装砂井加固地基代表性半平面图（1：200），

袋装砂井平面布置图（1：50）

→至少用计算机出1张

A图

3

4．总分20分，用时4周（即12学时）；

5．若有抄袭现象（即两人一样）→均以2分计；

6．应交文件：手写说明书（即初稿）、计算单及附图、附表并装订成册。

软土地基加固设计

一、 设计依据

（1）线路资料：

直线地段，单线路堤，路堤高m 7，路基面宽m 5.7，边坡坡度75.1:1:1=m ,线路等级按I 级次重型标准，活载换算高度m h 4.30=，宽m l 5.30=。 （2）地基条件

地面以下m 13范围内为软土，灰黑色、流态；m 13以下为中砂层，地下水位与地面齐平。软土竖向固结系数为s cm C v /10323-?=，径向固结系数为

s cm C r /10

423

-?=；

变形模量为2

/30cm kg ，泊松比4.0=μ，容重3

/3.17m kN =γ， kPa C u 18=，?=5.4u ?，?

=20cu ?

（3）路堤填料

用砂黏土填筑，夯实后容重容重3/18m kN =γ，kPa C u 25=，?=25?。 （4）施工期限

填土时间为14个月，第一级填筑到3.5m （耗时6个月），然后间歇时间为2个月，再填筑到7.0m （再耗时6个月）；两级均为等比例加载。

二、 极限高度计算

u

c C 18H =5.52=5.52=5.5218

γ?

?

填

（m ）

路堤高度H=7m>c H ，路堤和地基必须加固，方能保证安全使用。

三、 加固措施比选

1、

采用换填土

优点：从根本上改善了地基的性质，效果甚佳。

缺点：软土地基厚度占13m ，工程量巨大，显然不经济。

2、

塑料排水板

优点：可克服普通砂井存在的缩颈现象，所用设备比较笨重，不便于在软弱地基上大面积施工等缺陷。

缺点：施工工序较多，施工较复杂，注意事项较多。 3、 采用袋装砂井

优点：可以克服普通砂井存在的缺陷。

缺点：施工中应把握好垂直度，砂料要求 ，聚丙烯编织袋应避免太阳光长时间暴晒，施工中沙袋易刮破等。

本例中采用普通砂井经行处理软土地基。

图3-1 设计断面示意图

（1） 验算单用砂井加固的可能性

根据路堤高度、施工期限和基底土壤的性质等，假设当路堤填至设计标高并立即通车时，地基土由于施打砂井后可能达到的固结度U =80%和假设砂井穿透整个软土层，用圆弧法检算其稳定性，找到最危险之圆弧的稳定系min K ，分别检算如图A 、B 、C 、D 、E 五点稳定性系数12345K K K K K 、、、、，采用36 法，找出圆心，列表分块计算。min 5K =K =1.86[]k

图3-2 稳定系数min K 计算示意图

（2） 砂井长度的假设

由于最危险圆心周围的几个圆心之稳定系数最小者切过基底的最小深度均在10m 以内，因此，初步决定砂井长度为10m 进行试算。 （3） 砂井直径和间距的决定

根据现有机具，决定砂井直径为d=0.25m ，填土时间为14月，两级加荷，中间间隔两个月，则固结时间为7个月，现求满足U =80%的砂井间距，假定砂井按照等边三角形排列，砂井间距为2.5m 。

32

2

2

310cm /7302460600.0544

(1000)

V V C T s s

T H

cm -???????=

=

=

9

表2 稳定性系数计算表

10

z1z 2

z12=

[3.5 3.4+7.5+3270.5]18

=

84.4632

0.9176.861.10

z kpa

p kpa σασσσα=

????====排水面压力不排水面压力

（）

查图得20%v U =

3

2

2

2

1.05

2.5 2.6252.62510.50.25

410/730246060 1.053

262.5

e r r e

d m n t cm s s

T c d

=?==

=??????=?

=

=

查图得100%r U =

1(10.2)(11)100%vr U =---=

比前面假设的80%大，所以砂井间距可适当调整为4.0m ，任然按照等边三角形排列。

3

2

4.21.05 4.0 4.2,16.8

0.25

410

730246060

0.411

420.5

e r d m n T -=?===??????=

=

查表得80%r U =

1(10.155)(10.8)83.1%vr U =---=

与前面的假设80%相接近，故砂井间距取4.0m 。 （4） 砂井底部以下部分固结度的计算

按双面排水：

2

3

2

2

0.6925

4

2

1310 1.52310

730246060

0.6925

150

8

185.3%

v v v H m c t T H

U e

π

π

--

?-=

=???????=

=

==-

=

表3 固结度计算表

上表中：

2

4

()

2

2

01

23

8

2

22

()22

,

4

832

1,1

,1

31

ln() 1.625

14

r

n

v v v

N

v v

v

T

F

r

r r

e

n

t

N T T C

H

U e T U e

t

T C U e

d

n n

F n

n n

π

π

ππ

-

-

-?

==

=-=-

=?=-

-

=-=

-

图3-3 路基进度图

（5） 砂井长度的决定

分别将砂井部分固结度83.1%vr U =和砂井以下的固结度85.3%v U =带入通过砂井以下的圆弧求最危险圆弧之稳定系数min 1.239[]K k =>。

取最左侧坡脚处为圆心（0,0），取地面为x 轴，竖直向上为y 轴，取（0,10）为危险圆弧的圆心，如图：

图3-4 稳定性检算简图

4、

砂井地基沉降量计算

在软土地基修筑路堤，由于沉降量大，为确保后期运营有足够宽度，故必须进行沉降计算，以便提出在施工过程中预留宽度。 计算依据：

机车轴重：18 3.4 3.5214.2/P KN m =??= 路堤高度：H=7.0m 边坡率： m=1.75 路基面宽：2b=7.5m

表4 圆弧法稳定系数计算表

14

①地基顶面中点处应力计算

图3-5 荷载计算草图

000002

002

2

3.75 2.141.75

7 2.149.14arctan 1.75 1.053()

214.218 2.14 3.7569.75(/)69.7

189.14169.66/1.75()9.14(1.053)

11 1.75

9.14 1.7515.995b h m

m H H h m

rad P P h b K N m P q H K N m m H m

a m

αγγα=

===+=+====-=-??==+

=?+

=++

?+

++=?=

②中轴线上各点应力z σ的计算见下表：

表5 中轴线上各点应力计算表

应力系数I 查图，应力曲线见下图，应力单位为2/()KN m kpa 或。 ③垂直沉降计算见下表：

砂井范围内沉降量计算32.37cm S =砂

表6 垂直沉降量计算表

图3-6 各深度应力曲线示意图

④侧向变形引起的沉降计算

根据已知资料变形模量 E=3000kpa ，泊松比0.4μ= q=169.66kpa

9.14 1.75

08.0022

13 1.625

8.00

a B

b m

z B ?=+=+

==

=

查图得F=0.8

169.66800

0.836.193000

d qB S F cm

E ?=?

=?

=

总沉降量39.2836.1975.47c d S S S cm =+=+= ⑤加荷完毕沉降量计算

砂井范围0.83132.3726.90t vr S U S cm ∞==?= 砂井以下0.853 6.92 5.90t v S U S cm ∞=?=?= 侧向变形引起的沉降量36.19d S cm = 所以26.90 5.9036.1968.99t S cm =++=

⑥施工期内因基底沉降而增加的土方数量

⑦路基面每侧预留宽度

(0.5~0.6)()0.6()0.6(75.4768.99) 1.75 6.804()

t t W S S m

W S S m cm ?=-??=?-?=-?=

设计砂井的平面及立面布置图如下：

图3-6 设计立面布置图

3

2220.6899215.99514.71()

33t V S a m ?=??=???=

图3-7 砂井平面布置图

图3-8 砂井局部放大图