高速铁路路基工程设计说明书--本科毕业设计论文.doc

西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）某高速铁路D2K580+259.43-D2K580+315段路基工程设计 年 级:学 号:姓 名:专 业:指导老师: 2014 年 6 月西南交通大学本科毕业设计（论文） 第V页院 系 专 业 年 级 姓 名 题 目 某高速铁路D2K580+259.43-D2K580+315段路基工程设计 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕业设计（论文）任务书班 级 学生姓名 学 号 发题日期： 2014 年 2 月25 日 完成日期： 6 月 25 日题 目 某高速铁路D2K580+259.43-D2K580+315段路基工程设计 1、本论文的目的、意义 铁路工程的重要组成部分是路基工程设计。本毕业设计是我国西部某高速铁路的路基工程设计，具有较大的工程实际性意义，本次毕业设计的目的是加深学生们对本科阶段所学相关专业课的理解与认识，使得学生收集及运用文献的能力得以锻炼，并且能够初步具备铁路路基工程设计的能力，为将来的工作打下坚实的基础。 2、学生应该完成的任务 （1）路基横本体设计； （2）地基处理设计； （3）边坡加固设计； （4）边坡防护设计 （5）排水工程设计； （6）绘制横断面设计图、正面图、结构图； （7）编制设计说明书。 3、论文各部分内容及相应时间的分配：（共 16 周）（1）熟悉并收集资料； （2周） （2）路基本体设计； （1周） （2）地基处理设计（CFG桩）； （2周） （3）边坡防护与支挡结构设计； （2周） （4）排水工程设计； （1周) （5）横断面设计图、正面图、结构设计图； （2周）（6）土石方调配设计； （1周） （6）设计说明书编制； （2周）（7）外文翻译。 （1周） (8) 评阅及答辩 （2周） 备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日摘 要 路基工程作为铁道工程中的基础性工程，在铁路建设的发挥着极其重要的作用，所以理应引起设计者和建设者的高度重视。本论文以新建沪昆线高速铁路为工程背景，沪昆铁路是东西跨度最长的铁路，沪昆线的建成必将会极大地带动铁路沿线的经济发展，促进我国东西部之间的交流，方便人们的出行。沪昆铁路的全程均为电气化铁路，设计的速度为350公里/小时。 本设计通过查阅大量相关文献资料，根据线路纵断面图、线路平面图、代表性横断面及该区段的地形条件及地质状况，主要进行了以下几方面的工作。首先，根据铁路路基工程规范设计路基本体，并对路基填料及其压实标准做出了相应说明，由于水的存在将会对路基的稳定性造成极大的危害，在本设计中对排出地表水及地下水都采取了相应的措施。其次，路堑地段边坡高度较高处需要进行边坡稳定性分析计算，并对边坡稳定性不满足要求的地段按规定设置支挡结构，地层工程性质较差处要进行地基处理设计；同时，在设计中也要对路基边坡采取相应的防护措施，防护边坡受冲刷的同时还能美化环境；最后，根据路基的代表性横断面计算出土石方的填挖方量并做出合理调配。关键词 高速铁路；路基支挡；地基处理；边坡防护AbstractAs railway subgrade foundation engineering projects in railway construction play an extremely important role, so should lead designer and builder's attention. In this thesis, the new Shanghai-Kunming high-speed railway line engineering background, Shanghai-Kunming Railway is the longest railway span of things, the completion of the Shanghai-Kunming line will certainly greatly promote economic development along the railway line, to promote exchanges between east and west China, convenient for people to travel. Shanghai-Kunming railway line was electrified railway, the design speed of 350 km / h.This design by referring to a large number of relevant literature, according to the line profile view, track plan, a representative cross-section of the geological and topographical conditions and the condition of the segment, mainly for the following aspects of the work. First, according to the railway embankment road engineering design specification basic body, and subgrade compaction standard packing and made the appropriate instructions, due to the presence of water will cause great harm to the stability of the embankment, in the design of the surface of the discharge water and groundwater have taken appropriate measures. Second, cutting the lot needs to be higher up the slope height slope stability analysis and calculation, and the lot does not meet the requirements of slope stability requirements set by retaining structures, poor strata of the nature of the works to be carried out ground treatment design; while , have taken in the design of the embankment slope appropriate protective measures, while the slope protection by erosion but also beautify the environment; Finally, according to a representative cross-section of embankment fill to calculate the amount of earthwork and excavation made rationally.Keywords high-speed-railway; subgrade settlement; slope-protection西南交通大学本科毕业设计（论文） 第VII页目录第1章 绪论11.1 高速铁路路基工程概要11.2 设计背景21.3 地质构造21.4 设计任务及意义32.1 路基横断面形式42.2 路基本体构造52.2.1 路基面52.2.2 路肩62.2.3 基床62.2.4 边坡82 2 5 基底9第3章 路基排水设计103.1 水的危害及排水的必要性103.2 地面排水10 3.3 地下排水12第4章 地基处理设计134.1 地基处理概述134.2 水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）144.2.1 CFG桩概述144.2.2 CFG桩的作用机理14 4.2.3 CFG桩设计计算15第5章 边坡支挡结构设计215.1 支挡结构概述215 2 支挡结构分类215 2 1 重力式挡土墙225.2.2 抗滑桩24第6章 路基边坡防护设计336.1 边坡防护工程概述33 6.1.1 植被防护336.1.2 圬工防护33第7章 路基土石方调配357.1 路基土石方调配概述357.2 区间路基土石方调配357.2.1区间路基土石方调配原则357.2.2 区间土石方调配原理及方法36结论39致谢40参考文献41西南交通大学本科毕业设计（论文） 第42页 第1章 绪论1.1 高速铁路路基工程概要 路基作为一种土工结构物，是铺设铁路轨道的基础。为了确保列车能够安全、平稳地运行，路基应当具有强度高，刚度大，稳定性及耐久性良好，不易变形等优良特性。路基主要是由松散的土（石）材料构成，或直接以土（石）作建筑材料（例如路堤）；或者直接铺设在地层上（例如路堑）。因此，路基的强度和稳定性与土的成因、成分、结构、构造以及土的各种力学性质，并与路基所在的地层的各种地质条件都有着非常密切的关系。路基是以天然土石修筑而成的条形建筑物，分布在广阔的地区，处在各种地质、水文、气候等及其复杂的自然条件下，它的强度及稳定性受到地质条件以及雨、雪、水流、气温等自然因素的影响。路基的工程数量非常庞大，需用大量的劳动力、工程建设材料、施工机具及建设资金。高速铁路运行速度快、技术标准较高，对轨道变形有着严格的要求，路基是轨道的基础，控制路基的变形已成为高速铁路路基工程的最大的特点。因此，高速铁路对路基的地基条件、填筑材料、压实标准、基床以及路桥过渡段的刚度均提出了更高要求。路基工程的各种病害和变形的产生，都与地表水和地下水的浸湿和冲刷等破坏作用有着密切的关系，要保证路基的稳定性，提高路基的抗变形能力，必须采取合理的排水措施，来消除或减轻地面水及地下水的危害，使得路基处于干燥状态，从而保证安全行车。路基上方、基身和下方，为完成各自的排水任务，就必须把各种排水设备组成一个完整的排水系统。路基的排水系统的布置应当与桥涵、隧道、站场等排水设施密切衔接配合，并具有足够的排水能力。在铁路路基工程中，为了防止填土或者土体变形失稳，进而承受侧向土压力，通常采用挡土墙或抗滑桩等支挡结构进行加固处理，本设计体现了了挡土墙和抗滑桩在铁路路基工程中的综合使用。路基工程通常是大面积暴露在自然中的土工构筑物，长期受各种自然因素的强烈影响，如冲刷、日晒、风、霜、雨、雪等作用，会使得路基岩体的物理性质发生变化，加快岩体的风化，进而影响路基的正常使用和列车的正常行车。因此，路基边坡的防护就显得非常的重要，通常采用的防护措施有圬工防护和植被防护方法。1.2 设计背景 本设计以新建沪昆线为工程背景，沪昆高速铁路是国家中长期铁路网规划中“四纵四横”的快速客运通道之一，途中经过上海、杭州、南昌、长沙、贵阳、昆明等6座省会城市，铁路全长2264公里，客运专线需要将路基作为一种土工结构物来进行设计和施工，对填筑材料、压实标准、变形控制等均较现行铁路有较高的要求；同时应强化基床结构，特别是基床底层。基床表层是路基直接承受列车荷载的部分，它是路基中的最重要的部分。基床表层不仅给轨道提供了一个坚实的基础，同时，也对其下面的土体路基提供保护作用，因此基床表层必须有足够的强度及刚度，同时还要有足够的稳定性和耐久性。在高速运行的情况下，路基在重复荷载的作用下产生的累计沉降将会严重地影响列车的运行速度和乘客的舒适度，因此，必须严格控制工后沉降以及沉降速率。不同的结构物在强度、刚度、变形等方面都有着较大的差异，这将引起轨下基础的刚度的不平顺，因此在路桥、路涵、路隧、路堑与路堤等相连的地段，纵向基础刚度的变化以及沉降差必然会破坏了系统刚度的均匀性，增大了对轨下基础的动力作用，影响行车的平稳与安全。客运专线由于其列车运行速度的提高，对路基平顺过渡提出了更高的要求，因此，对铁路路基的横向、纵向刚度的均匀过渡应进行合理的设置计算，进而确保列车行车的安全与旅客的舒适度。1.3 地质构造本设计为新建沪昆线D2K580+259.43D2K580+315段路基工程设计，该区段属于侵蚀构造低中山区地貌，枝状沟谷发育较多，地形起伏较小，地面坡度较低，地面相对高程范围为720726m，路肩设计高程范围为722.254723.357m。斜坡上基岩大量裸露，覆土层较厚，为红粘土，坡面上杂草丛生，灌木生长较多。线路附近有散落村庄，线路附近设有便道，便道和国道相连，交通比较便利。 表1-1 地层物理参数表 设计指标岩土名称及编号密度(g/cm3)凝聚力c(Kpa)内摩擦角(°)压缩模量固结系数渗透系数基底摩擦系数基本承载力0(Kpa)边坡率临时永久<4-3>红黏土（膨胀土）硬塑1.85 3010/0.301501:1.51:1.75<6-4>红黏土（膨胀土）硬塑1.85 3010/0.301501:1.51:1.75<75-1>白云岩(ol)W32.3 /45 /0.453501:0.51:0.75W22.5 /65 /0.608001:0.31:0.51.4 设计任务及意义 本设计中涵盖路基本体设计、地基处理设计、边坡加固设计、边坡防护设计、路基排水设计、土石方调配设计、施工组织与预算编制等路基工程相关内容。本设计的目的在于系统地强化学生的路基工程专业知识，锻炼学生收集及运用文献资料、综合运用理论知识进行解决工程问题的能力。通过本次毕业设计，学生可以系统地模拟高速铁路路基工程设计，进一步提高对高速铁路 路基工程的认识，并能够初步具备独立地进行高速铁路路基工程设计的能力。第2章 路基本体设计2.1 路基横断面形式 在铁路工程中，常见的路基的横断面形式有路堤、路堑、半路堤、半路堑、半路堤半路堑及不填不挖形式，常见的路基段面形式见下图： （a） （b） （c） （d） （e） （f） 图2-1 常见的路基横断面形式 （a）路堤断面; （b）路堑断面; （c） 半路堤断面;（d） 半路堑断面;（e）不填不挖;（f）半路堤半路堑断面2.2 路基本体构造 路基面、路肩、基床、边坡、基底等几个部分组成通常组成路基本体的，以下逐一介绍路基本体的各个组成部分： 图2-2 路基本体（路堤）2.2.1 路基面直接在其组成上部分和肩上的路基轨道的顶面，将其简称为路基面。在该设计中，铁路为双线高速客运专线铁路，故由规范可知路基面的宽度应设计成13.6米，铁路路基宽度设计规范如下表2-1所示：表2-1 区间路基面宽度规范表列车的设计行车速度线别路堤(m)路堑(m)线间距(m)350km/h无砟轨道新建双线13.613.65.0新建单线8.68.6注：a、高速双线路基的综合电缆槽设备通常情况下都是设在两侧路肩范围之内，包括通信、信号、电力电缆槽，并且常常将三者合为一体。）；轨道中心到接触网支柱基础内侧的距离通常设计为3m。 b、如果对轨道的结构形式，接触网立柱等的设置有着特殊的要求时，就应该根据具体实际的情况来计算确定。2.2.2 路肩在路基的顶面，路肩通常是指路基面的两侧的部分。防止道渣流失，保持路基排水的侧面等都是是路肩的作用，道路维护人员轻松步行支撑线标识等，以及各种通信铺设，因此，路肩起着非常重要的作用，因此要将路肩保持一定的宽度，以实现上述功能，从而实现正常的列车的运营以及通信等工作的正常进行。2.2.3 基床 位于路基面下方的受列车、水文气候影响的范围的部分通常都被称为基床。路面和填料床堤基要求D15<4d85底部之间应满足的，当这个要求不能的到满足时，通常情况下在底面铺设基床土工膜层进行加固处理，从而能够满足基床的正常要求。根据“高速铁路设计规范”（TB10621 - 2009），为确保正常承受荷载及保证正常安全行车，无砟轨道的基床表层厚度通常设计为0.4米，有砟轨道基床表层厚度通常设计为0.7米，因为本设计中的高速铁路为无砟轨道，故将基床表层设计为0.4m。级配碎石表面填料填充和级碎石压实标准应满足下表中所示的标准： 表2-2 基床表层的材料的组成及其压实标准表 填 料厚度 (m)压实标准备注地基系数K30(MPa/m)动态变形模量Evd(MPa)压实系数K级配碎石0.40190550.97注： 无砟轨道通常情况下也可以采用K30或Ev2两个标准，如果采用Ev2，则标准就会发生变化，变为Ev2120 MPa并且 Ev2/Ev12.3。按照规范规定，铁路路基基床底层的厚度设计为2.3m，则基床的总厚度就为2.7m；有砟轨道的基床表层厚度为0.7m，而基床底层地厚度2.3m，则有砟轨道基床的总厚度为3.0m，由于在本设计中为沪昆高速铁路（无砟轨道），故基床的设计总厚度为2.7m，基床底层的顶部和基床以下填料部分的顶部应设4%人字形排水坡，底层填料填筑A、B 组填料，且A、B组填料的材料组成及压实标准应满足如下表所示标准： 表2-3 路基基床底层材料组成及压实标准 填 料厚度(m)压实标准化学改良土砂类土及细砾土碎石类及粗砾土A、B组填料或改良土2.3地基系数K30(MPa/m)130150动态变形模量Evd(MPa)4040压实系数K0.950.950.957d饱和无侧限抗压强度(kPa)350注. 在无砟轨道的设计中，通常情况下也可以采用K30或者Ev2进行控制，如果采用Ev2时，则其控制标准变为Ev2不小于80 MPa并且Ev2/Ev1不大于2.5。2.2.4 边坡 边坡是指路基横断面两侧的边线，边坡与路基顶面的交点称为顶肩。边坡与地面的交点，在路堤中称为坡脚；在路堑中称为路堑顶边缘，其高程与路肩高程的差为路堑边坡高度。路堤的边坡高度为路肩高程与坡脚高程之差。路基段面通常采用梯形横断面，详细的设置如表2-4所示：表2-4 路堤边坡坡度规范表填料种类边坡高度（m）边坡坡度备注一般细粒土、易风化软块 石、改良土081：1.5超过8m时，于8m处设边坡平台，平台宽2m8121：1.75碎石土、卵石土、不易风化的软块石土、粗粒土（细砂、粉砂、粘砂除外）081：1.5超过8m时，于8m处设边坡平台，平台宽2m8151：1.75不易风化的硬块石土081：1.5超过8m时，于8m处设边坡平台，宽2m 路堤边坡高度一般不宜超过10m，特殊路堤边坡高度不大于6m，超过的应考虑与桥作技术经济比较。浸水路堤地段边坡原则上通常设置二级边坡。路基边坡设计是路基横断面设计的重要内容，包括路基边坡形状的设计和边坡坡率的设计，在进行路基边坡设计时必须保证所设计的边坡的稳定性，而边坡是否稳定，通常是通过结合具体的地质条件进行检算和评价，在本设计中采用理正岩土软件进行边坡稳定性分析。路堤边坡坡率应根据实际的填料的物理性质、边坡高度、轨道和列车的荷载、基底的工程地质条件确定，土质路堑边坡的形式及坡度应根据工程地质条件、水文地质条件、土的性质、边坡高度、排水措施、施工方法，并结合自然稳定山坡和人工边坡的调查及力学分析进行综合确定。在本设计中，所给横断面大多为路堑路基形式，根据具体的工程地质实际将边坡的坡率均设计为1:1.5，并在其上采取相应的边坡防护措施。2.2.5 基底路堤的地基就是基底，亦即路堤填土的天然地面以下的受填土自重和轨道及列车荷载的土体部分。基底部分的稳定性对于整个路基本体的稳定性及轨道行车部分的稳定性都是极为关键的，因此在进行路基本体设计时候应对基底进行妥善处理，以免影响正常的行车与运营。本设计中D2K580+259.43D2K580+300区段内因基底部分为红粘土，且土层厚度较大，经验算不能满足工后沉降要求，所以要进行地基处理。地基处理设计及其计算详详见第4章。第3章 路基排水设计3.1 水的危害及排水的必要性路基工程的各种病害和变形的产生，都与地面水和地下水的浸润及冲刷有着密不可分的关系，地面水渗入路基土体，会极大地降低土体的抗剪强度，并成为地下水的补给来源；地面水的流动，也是造成路基边坡及坡脚冲刷的原因，气温的变化，水通常也能够造成严寒地区的路基冻害，由此可见，水对路基的稳定性会产生及其严重的危害，所以要保证路基的稳定性，提高路基的抗变形能力，必须采取合理的排水措施，妥善的处理产生的地面水和地下水，以消除或减轻地面水和地下水的危害，使路基处于干燥状态，防止对路基的冲刷而引起的基床病害。路基应该有良好的、完善的排水系统。排水设备应设置合理，与桥涵、隧道、站场等合理地衔接，且必须具有足够的过水能力，此外，在进行路基排水设备设计的时候，应该与农田的水利工程的综合利用密切配合，以达到最好的生态效果。一是路基轨面标高以上的水，要进行拦、截、排等措施，不能任其冲击道床及路基；二是轨面以下的水，要尽快地采取相应措施排出路基坡脚之外，不能任其冲刷路基，；三是与线路平行的地表水，不能将其汇集到线路附近。设计时要合理地选用边坡防护的措施，重视边坡防护及排水工程的系统性及其完整性。3.2 地面排水地面排水是指对路基存在危害的地表水，通过设置线间沟、集水井、侧沟、排水沟等设备，将水拦截并引排至路基范围之外，防止水流对路基的冲刷。轨道混凝土支承层基础下设置为水平面，支承层边缘以外设向两侧的4%的横向排水坡，并设10cm后的细石混凝土封闭层。路基的基床底层顶面、基床以下的路基面向两侧设置4%的横向排水坡。采取以上措施能够将地面水引排出路基面以外，基床以下两侧进行设置4%的排水坡的目的是将从基床下渗的地表水通过盲沟排出。常见的地面排水设备主要有排水沟、侧沟、天沟、截水沟等。在本设计中，地面排水的措施有如下两点：（1）在本设计区段为路堑地段，所以应在路基两侧设置侧沟进行排水。侧沟与路基之间通常设2m长的平台，侧沟的设计规格为：宽为0.6m，深为0.8m，壁厚0.2m。此外，为了排除路基面内的地表水，应将路基面边缘设计为4%的边坡，基床表层的底部及基床底层的底部均设计为4%的横坡，其目的是将下渗的地表水排水路基面，再从侧沟将水排出。图3-1 地表排水设计图（2） 在本设计中，因为该区段为路堑地段，线路右侧存在路堑边坡，故采取天沟进行地表排水，将从山坡上流向线路的水从天沟排出，引向农田。天沟的横断面为梯形截面。在本设计中，天沟的位置设置在距离堑顶边缘5m处。天沟布置示意图图见下： 图3-2 天沟布置示意图3.3 地下排水路基地下水的存在，将会对路基的安全及稳定性形成严重的安全隐患，所以在进行排水设计时，不仅要设计合理的地表排水设备，而且要应根据地下水含水层的地下水埋深，选择合理的地下水排水装置。在本设计中，主要采取了以下措施进行地下排水：（1） 该段为路堑地段，应加强路堑基床排水，地下水对路基基床存在不利的影响时，设置纵向盲沟进行排水。盲沟通常情况下采用具有透水性的土工布包裹洗净的砂、卵、砾石等；在盲沟内应设有200mm钢筋混凝土花管。盲沟的设计位置见下图： 图3-3 盲沟设计布置图（2） 在该段的右侧采用了挡土墙支挡结构，挡土墙的反滤层采用土工合成材料泄水孔当按上下左右间隔为23m，并且进行交错布置。第4章 地基处理设计4.1 地基处理概述地基是指基础直接放置于其上的岩土层。从岩土力学的角度来讲，地基是指由于建筑物荷载作用产生的应力、应变所不能忽略的岩土层。任何建筑物的荷载最终将传递到地基上，由于上部结构材料的强度很大，而地基土的强度很低，压缩性比较大，因此设置一定结构形式的基础才能够解决这个问题。地基必须具有一定的强度、稳定性、较低的压缩性，才能够满足上部荷载的要求。地基处理工程的设计和施工将直接关系到建筑物的安全，如果处理不得当，往往会发生较大的工程事故，并且补救时困难较大。因此，对于地基处理工程，要严格地保证工程的质量。地基处理通常是指用于改善支承建筑物的地基的承载能力或者抗渗透能力而采取的工程技术措施，可以分为基础工程措施和岩土加固措施。地基处理的目的就是利用换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋等工程方法对地基土进行加固，进而改善地基土的工程性质。地基处理的目的主要包括：提高地基土的抗剪强度、降低地基土的压缩性、改善地基土的透水性质、改善地基土的动力性质、改善特殊土的不良地基特性、提高地基土的抗震能力、减小土的沉降及不均匀沉降。在本设计中，区间D2K580+259.43D2K580+300区间内地基软弱土体层较厚，初步拟定要进行地基处理设计。然后根据计软件计算，对沉降不能满足要求的地段进行CFG桩加固法。地基处理的设计，需要使用软件对基床中心沉降进行计算，如果工后沉降不能满足要求（大于15mm），该地基将不得不处理。下面以D2K580 +265断面为代表性截面的计算说明：此部分调查区属于一个积极的低中山构造地貌，河谷枝状生长，地面起伏不平，交通便利。该区段的底层为：<4-3>红粘土（膨胀土），<6-3>红粘土（膨胀土），<75-1>白云石（膨胀土），测区路基处理技术采用CFG桩加固方法，CFG桩直径50厘米，采用三角形的布局方法，桩间距为1.5m，加固路基坡脚的宽度超过2米的地方，在桩顶设置扩大桩头，并铺设0.6米厚垫，它的作用是使得各种受力均匀，从而达到最佳的地基处理效果。4.2 水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）4.2.1 CFG桩概述水泥粉煤灰碎石桩又简称CFG桩，是在碎石桩的基础上加入适量的石屑、粉煤灰及水泥，加入水和制而成的一种具有一定粘结强度的桩，CFG桩与周围地基土体形成复合地基。它比一般的碎石桩复合地基的承载能力较高、变形量较小。CFG桩是由水泥、粉煤灰、石子、石屑加水拌和制而形成的混合料灌注而成，它们的含量的多少都对桩体的强度、和易性都着较大的影响。水泥的掺量对桩体的强度和变形更是有着较大的影响，水泥掺入量较少时，桩体的强度较小，而水泥的掺入量较高时，能够极大地提高桩体的强度。粉煤灰是燃煤电厂排出的一种工业废料。CFG 桩的骨料为级配碎石