[发明专利]一种高速铁路地基毛细水上升高度波动区间计算方法

说明书

本发明公开了一种高速铁路粉质粘土地基毛细水上升高度波动区间计算方法，所计算的粉质粘土包括粉质粘土等效球形颗粒处于最松散堆叠与最密实堆叠两种状态时的情况；粉质粘土等效球形颗粒处于最松散堆叠状态时所形成的毛细过水断面湿周采用星形内摆线方程进行表征，粉质粘土等效球形颗粒处于最密实堆叠状态时所形成的毛细过水断面湿周采用三尖瓣形内摆线方程进行表征。本发明推导出了粉质粘土中毛细水上升高度的波动区间，为高速铁路建设者们结合地基粉质粘土的实际赋存状态开展路基临界高度确定和防排水处治措施设计提供科学依据。该方法操作快捷，计算简便，满足工程需要，弥补了现有技术的短板。

技术领域

本发明涉及高速铁路路基防排水技术领域，特别是涉及一种基于内摆线线形过水断面的高速铁路粉质粘土地基毛细水上升高度波动区间计算方法。

背景技术

在高速铁路路基建设中，通常采用填料土质、级配优化、压实度控制、路基排水横坡设置等措施，并辅以全断面铺设复合土工隔水材料、水泥基或沥青混合料等防水结构层等措施，极大地减少了路基填料因地表降雨浸入而产生软化变形。然而，诱发路基土湿度变化的水分除了地表降雨入渗水外，还有来自地基的毛细水。粉质粘土具有强烈的毛细作用，地下水将在毛细作用下不断向基底迁移和积聚，导致粉质粘土地基表层土体的湿度随着铁路运营年限的增加而持续增大，使地基在列车动载与增湿软化共同作用下引起路基整体持续性缓慢深陷变形。由于高速铁路无砟轨道对路基在运营期间的变形要求极为严格，轨道扣件可调整的沉降量仅为15mm。对于低路堤或路堑基床，基底软化沉陷极易传导至无砟轨道板底面，引起轨道板下基础支撑刚度不足而降低列车行驶的平顺性，甚至会因路基过大沉陷变形而导致轨道板出现悬空、开裂等严重病害，极大地危及行车安全。

为此，通过计算粉质粘土的毛细水上升高度，使得在地基加固处理时确保毛细水理论上升高度小于地基影响范围下界限与地下水位之间的距离时，避免在地基影响范围内形成稳定毛细渗流使土体湿度持续增加，即可有效消除高速铁路路基因毛细水上升而产生得基底沉陷变形问题。

毛细水上升高度计算方法主要有经验统计法、基于球形颗粒堆积体的等效圆柱形毛细管模型的计算方法、基于片状毛细管模型的计算方法等。其中，经验统计法缺乏理论依据，片状毛细管模型普适性尚在研究中，而工程中广泛使用的毛细水上升计算方法主要是基于球形颗粒堆积体的等效圆柱形毛细管模型，即将土体中毛细水的上升通道等效为圆柱形毛细管，其直径d通常取土颗粒有效粒径d₁₀。然而，在土体微观结构按球形颗粒简化几何模型考虑，且球形颗粒直径为D时，圆柱形毛细管模型存在的主要问题是其假定的过水断面与毛细水的实际过水断面差异较大，这是因为：(1)若使等效圆柱形毛细管壁与等效球形土颗粒的表面相切，如图1所示，则等效圆柱形毛细管过水断面忽略了管壁与球形颗粒最大投影间的空隙部分，等效毛细管模型过水面积小于实际过水断面，使理论推导的毛细液-气界面内外压力差偏大，导致毛细水上升高度计算结果将明显偏高；(2)若等效圆柱形毛细管直径与等效球形土颗粒直径相等，则等效圆柱形毛细管过水断面与土颗粒等效球形颗粒最大投影之间存在较大重叠部分，将导致基于该假定的毛细水上升高度计算结果偏小。

能否准确计算出粉质粘土毛细水上升高度的波动区间，直接影响高速铁路路基填土的临界高度及其防排水处治措施。可见，该领域存在技术不足，迫切需要提出一种更贴近实际过水断面的高速铁路粉质粘土地基毛细水上升高度计算方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高速铁路地基毛细水上升高度波动区间计算方法。

本发明所采用的技术方案是：一种高速铁路粉质粘土地基毛细水上升高度波动区间计算方法，包括以下步骤：

步骤1：基本假定：假定粉质粘土颗粒形状为等直径球体，等效毛细管模型在竖直方向上为等截面柱状体，毛细管中的毛细水渗流满足达西渗流定律，毛细管中的液-气弯液面满足圆液面假设；所计算的粉质粘土包括粉质粘土等效球形颗粒处于最松散堆叠与最密实堆叠两种状态时的情况；