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一种用于碎石道床加固的土工格栅
申请号	CN202310170367.7	申请日	2023-02-27	公开(公告)号	CN116024851A	公开(公告)日	2023-04-28
申请人	同济大学;			发明人	付龙龙; 周顺华; 王炳龙; 邱涌嘉; 郑悦箫; 代宁; 姜海波; 叶伟涛;
摘要	本发明涉及一种用于碎石道床加固的土工格栅，该土工格栅铺设在路基底层上的道砟层上，土工格栅在不同的道床横向区域内的网格密度不同，相邻两个不同网格密度的土工格栅区域间通过连接棒或整体一次成型相互连接，土工格栅还受道砟层和轨枕埋置，依据道砟细观运动和受力的联动关系以及道砟横向迁移特征，土工格栅分为枕心区、轨下区和砟肩区。与现有技术相比，本发明充分考虑了道砟细观运动和受力的联动关系以及道砟横向迁移特征，提出了采用三级差异化格栅密度的土工格栅加固设计方法，即枕心和砟肩区域的格栅密度较高、轨下区域的格栅密度较低，有助于改善碎石道床的长期动力稳定性和耐久性。
权利要求	1.一种用于碎石道床加固的土工格栅，该土工格栅铺设在路基底层上的道砟层上，其特征在于，所述土工格栅在不同的道床横向区域内的网格密度不同，相邻两个不同网格密度的土工格栅区域间通过连接棒或整体一次成型相互连接，所述土工格栅还受道砟层和轨枕埋置。 2.根据权利要求1所述的一种用于碎石道床加固的土工格栅，其特征在于，依据道砟细观运动和受力的联动关系以及道砟横向迁移特征，所述土工格栅分为枕心区、轨下区和砟肩区，所述枕心区、轨下区和砟肩区由线路中心线向道砟肩部依次轴对称分布，每个区域范围边界由动应力分布特征确定，所述轨下区动应力最大，所述砟肩区的轨下区动应力最小。 3.根据权利要求2所述的一种用于碎石道床加固的土工格栅，其特征在于，所述枕心区在线路中心线一侧范围为线路中心线高应力影响区域边界，所述枕心区在线路中心线一侧的宽度w1与轨枕型号有关。 4.根据权利要求3所述的一种用于碎石道床加固的土工格栅，其特征在于，所述枕心区的土工格栅单元的形状为正方形或正三角形，所述正方形的的边长为1.5～1.7倍的D50大小，所述正三角形边长为1.8～2.0倍的D50大小，其中D50为道砟的中位粒径。 5.根据权利要求2所述的一种用于碎石道床加固的土工格栅，其特征在于，所述轨下区在线路中心线一侧范围为轨枕斜边中点在土工格栅水平面上的投影至高应力影响区域边界，所述轨枕区一侧宽度w2与道床最外侧轨枕边缘之间的横向距离Ls、土工格栅的埋设深度h以及列车动荷载在轨底的扩散角θ有关，所述轨枕区一侧宽度w2的计算表达式为： w2＝0.5×LS+h×tan(θ)‑w1 式中，w2为轨枕区一侧宽度，w1为枕心区在线路中心线一侧的宽度。 6.根据权利要求5所述的一种用于碎石道床加固的土工格栅，其特征在于，所述轨下区的土工格栅单元的形状为正三角形，该正三角形的边长为3.5～4.0倍的D50大小，其中D50为道砟的中位粒径。 7.根据权利要求2所述的一种用于碎石道床加固的土工格栅，其特征在于，所述砟肩区一侧范围为轨下区边缘至道砟边缘，所述砟肩区在道床一侧的宽度w3取决于道床在土工格栅所在平面上的半长度w、枕心区一侧宽度w1和轨下区一侧宽度w2；所述砟肩区在道床一侧的宽度w3的计算表达式为： w3＝w‑w2‑w1 w＝0.5×w0+(h+h0)×λ 式中，w0为道床顶面宽度，h0为轨枕埋入道砟深度，h为土工格栅的埋设深度，λ为比例系数。 8.根据权利要求7所述的一种用于碎石道床加固的土工格栅，其特征在于，所述砟肩区的土工格栅单元的形状为矩形，该矩形的短边长选取为1.5～1.7倍的D50大小，长边长选取为3.0～3.4倍的D50大小，其中D50为道砟的中位粒径。 9.根据权利要求1所述的一种用于碎石道床加固的土工格栅，其特征在于，所述土工格栅位于距离轨枕底部15～20cm范围以内。 10.根据权利要求1所述的一种用于碎石道床加固的土工格栅，其特征在于，所述土工格栅的材质为高分子聚合物塑料。
说明书全文	一种用于碎石道床加固的土工格栅技术领域 [0001] 本发明涉及土工格栅技术领域，尤其是涉及一种用于碎石道床加固的土工格栅。背景技术 [0002] 行车荷载会引起有砟轨道中道砟的横向迁移，从而引起道床变形、基床面应力升高、道床横向阻力减小等不利状态，进而可能诱发道砟陷槽、胀轨跑道等一系列危及列车运行安全的稳定性问题。 [0003] 随着铁路快速向重载化和高速化方向发展，上述问题的影响日益突出。现有研究表明，土工格栅能有效减少轨道沉降、并可以对道砟的侧向位移形成约束，同时还具有成本低、施工方便等优点，因此目前既有线维养时通过敷设土工格栅减小道砟横向流动，提高道床横向稳定性，新建线也开始预先敷设土工格栅进行加固。网格单元的几何型式和网格密度是土工格栅的两个关键设计参数。 [0004] 传统土工格栅一般由单一的方形或三角形单元组成，且无论哪种单元型式均采用均匀的格栅密度。大量研究在均匀格栅密度的前提下分析格栅设计参数对加固效果的影响，例如，三角形的网格对于控制道床竖向沉降的效果较好，方形网格对横向道砟位移的约束效果较为明显；相比于单向格栅，双向土工格栅的锁嵌效果更为明显，整体性更好；网格密度的设置应考虑道砟级配，过大和过小的孔径都会使得锁嵌效果减弱。 [0005] 由于道床中的竖向应力沿道床横向呈马鞍形分布(即竖向应力从大到小依次为轨下位置，枕端位置、道心位置和砟肩位置)，均匀的网格密度设计使得格栅加固效果在各区域的发挥程度不同，一定程度上加剧了道砟和格栅受力沿横向分布的不均匀性，从而给道床的长期稳定性和格栅耐久性带来潜在风险。发明内容 [0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在传统土工格栅一般由单一的方形或三角形单元组成，给道床的长期稳定性和格栅耐久性带来潜在风险的缺陷而提供一种用于碎石道床加固的土工格栅。 [0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： [0008] 一种用于碎石道床加固的土工格栅，该土工格栅铺设在路基底层上的道砟层上，所述土工格栅在不同的道床横向区域内的网格密度不同，相邻两个不同网格密度的土工格栅区域间通过连接棒或整体一次成型相互连接，所述土工格栅还受道砟层和轨枕埋置。 [0009] 进一步地，依据道砟细观运动和受力的联动关系以及道砟横向迁移特征，所述土工格栅分为枕心区、轨下区和砟肩区，所述枕心区、轨下区和砟肩区由线路中心线向道砟肩部依次轴对称分布，每个区域范围边界由动应力分布特征确定，所述枕心区的轨下区动应力最大，所述砟肩区的轨下区动应力最小。 [0010] 进一步地，所述枕心区在线路中心线一侧范围为线路中心线高应力影响区域边界，所述枕心区在线路中心线一侧的宽度w1与轨枕型号有关。 [0011] 进一步地，所述枕心区的土工格栅单元的形状为正方形或正三角形，所述正方形的的边长为1.5～1.7倍的D50大小，所述正三角形边长为1.8～2.0倍的D50大小，其中D50为道砟的中位粒径。 [0012] 进一步地，所述轨下区在线路中心线一侧范围为轨枕斜边中点在土工格栅水平面上的投影至高应力影响区域边界，所述轨枕区一侧宽度w2与道床最外侧轨枕边缘之间的横向距离Ls、土工格栅的埋设深度h以及列车动荷载在轨底的扩散角θ有关，所述轨枕区一侧宽度w2的计算表达式为： [0013] w2＝0.5×LS+h×tan(θ)‑w1 [0014] 式中，w2为轨枕区一侧宽度，w1为枕心区在线路中心线一侧的宽度。 [0015] 进一步地，所述轨下区的土工格栅单元的形状为正三角形，该正三角形的边长为3.5～4.0倍的D50大小，其中D50为道砟的中位粒径。 [0016] 进一步地，所述砟肩区一侧范围为轨下区边缘至道砟边缘，所述砟肩区在道床一侧的宽度w3取决于道床在土工格栅所在平面上的半长度w、枕心区一侧宽度w1和轨下区一侧宽度w2；所述砟肩区在道床一侧的宽度w3的计算表达式为： [0017] w3＝w‑w2‑w1 [0018] w＝0.5×w0+(h+h0)×λ [0019] 式中，w0为道床顶面宽度，h0为轨枕埋入道砟深度，h为土工格栅的埋设深度，λ为比例系数。 [0020] 进一步地，所述砟肩区的土工格栅单元的形状为矩形，该矩形的短边长选取为1.5～1.7倍的D50大小，长边长选取为3.0～3.4倍的D50大小，其中D50为道砟层的中位粒径。 [0021] 进一步地，所述土工格栅位于距离轨枕底部15～20cm范围以内。 [0022] 进一步地，所述土工格栅的材质为高分子聚合物塑料。 [0023] 与现有技术相比，本发明具有以下优点： [0024] (1)本发明结合道床宏观动力响应和道砟细观受力、运动的多尺度特征及其动态关联，从道砟运动和受力角度设计了一种用于碎石道床加固的土工格栅，靠近轨枕下方区域的土工格栅网格密度较小，减少道砟由于被限制转动而破碎加剧的情况，靠近枕心区域的土工格栅网格密度较大，提升区域支承刚度，靠近砟肩区域的土工格栅网格纵向密度较大，限制道砟的横向迁移导致的几何形位变化。 [0025] 三级差异化格栅密度设计更好的匹配了道床中应力的横向分布特征，使道床和格栅应力的横向分布更均匀，提升了道床长期运营的稳定性和格栅的耐久性，同时有助于减小道床病害发生的可能性和病害程度。 [0026] (2)轨下高应力区域采用较低的格栅密度以减小对颗粒转动的约束，从而有效发挥离散颗粒系统扩散和协调荷载的能力，降低颗粒间接触力水平，减小破碎、粉化； [0027] 枕心中等应力区域采用较高的格栅密度，有效约束颗粒转动，提升区域支承刚度，使道床和轨枕应力的横向分布更均匀； [0028] 砟肩低应力区域采用较高的格栅密度，有利于维持砟肩几何形位，提升道床中部的横向约束力。由于砟肩应力水平较低，该区域格栅的强度要求可低于枕心和轨下区域。本发明有助于改善碎石道床的长期动力稳定性和耐久性。附图说明 [0029] 图1为本发明实施例提供的一种用于碎石道床加固的土工格栅的俯视结构示意图； [0030] 图2为本发明实施例提供的一种用于碎石道床加固的土工格栅的俯视结构示意图； [0031] 图3为本发明实施例提供的一种用于碎石道床加固的土工格栅在碎石道床中使用时的横截面结构示意图； [0032] 图中，1、土工格栅，2、连接棒，3、道砟层，4、轨枕。具体实施方式 [0033] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。 [0034] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0035] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。 [0036] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0037] 需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。 [0038] 此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。 [0039] 实施例1 [0040] 如图1‑3所示，本实施例提供一种用于碎石道床加固的土工格栅，该土工格栅铺设在路基底层上的道砟层上，土工格栅在不同的道床横向区域内的网格密度不同，相邻两个不同网格密度的土工格栅区域间通过连接棒或整体一次成型相互连接，土工格栅还受道砟层和轨枕埋置。 [0041] 相当于，土工格栅的设置包括几何形式和位置，几何形式包括在不同道床横向位置的土工格栅网格密度和沿道床横向的格栅网格密度发生改变的位置，设置位置包括土工格栅的埋置深度。 [0042] 本发明通过分析变频、变幅动荷载作用下道床的宏观和细观多尺度响应，发现颗粒运动和受力间的关联特征：(1)行车荷载作用下道砟颗粒水平面内的旋转(累积转角)和竖平面内的滚动(可恢复转角)是其横向迁移的主要形式，而道砟颗粒的横向平动不明显；因此，通过限制颗粒转动可有效控制道砟颗粒迁移；(2)道砟颗粒的永久转动和可恢复转动能够有效耗散动能，不仅有利于减小颗粒间接触力水平，同时也减小了单点疲劳破坏的发生概率；因此，过度限制颗粒转动将增大颗粒间接触力，加剧道砟颗粒的破碎与粉化。进一步的研究发现，采用图1所示三级差异化格栅密度的土工格栅加固设计方法，能够更好的匹配道床中的马鞍形应力分布，有助于降低道床和格栅受力沿横向分布的不均匀性，从而改善碎石道床的长期动力稳定性和土工格栅的耐久性。 [0043] 优选的，如图1‑3所示，依据道砟细观运动和受力的联动关系以及道砟横向迁移特征，土工格栅分为三个区域，以线路中心线为轴对称分布，由线路中心线向道砟肩部依次为枕心区、轨下区和砟肩区，每个区域范围边界由动应力分布特征确定，轨下区动应力最大，其次是枕心区，砟肩区动应力最小。 [0044] 对于枕心区，枕心区在线路中心线一侧范围为线路中心线高应力影响区域边界，优选为在线路中心线一侧的分布范围为线路中心至枕斜边中点，枕心区在线路中心线一侧宽度为宽度w1，由范围划定依据可知，w1与轨枕采用的规格有关。枕心区应力水平中等，因此采用较高的格栅密度；同时由于该区域应力分布较均匀，因此可采用正方形或正三角形单元，正方形边长选取为1.5～1.7倍的D50大小，正三角形边长取为1.8～2.0倍的D50大小，D50为道砟层的中位粒径，从而有效约束颗粒转动，提升区域支承刚度。 [0045] 对于轨下区，轨下区在线路中心线一侧范围为轨枕斜边中点在土工格栅水平面上的投影至高应力影响区域边界，优选为轨枕斜边中点在土工格栅水平面上的投影至高应力影响区域边界，轨枕区一侧宽度w2与道床最外侧轨枕边缘之间的横向距离Ls、土工格栅的埋设深度h以及列车动荷载在轨底的扩散角θ有关，轨枕区一侧宽度w2的计算表达式为： [0046] w2＝0.5×LS+h×tan(θ)‑w1 [0047] 式中，w2为轨枕区一侧宽度，w1为枕心区在线路中心线一侧的宽度。 [0048] 轨下高应力区域采用较低的格栅密度以减小对颗粒转动的约束，格栅选用为正三角形，正三角形边长为3.5～4.0倍的D50大小,从而有效发挥离散颗粒系统扩散和协调荷载的能力，降低颗粒间接触力水平，减小破碎、粉化。 [0049] 对于砟肩区，砟肩区在线路中心线一侧的宽度由动应力分布特征确定，砟肩区一侧范围为轨下区边缘至道砟边缘，砟肩区在道床一侧的宽度w3取决于道床在土工格栅所在平面上的半长度w、枕心区一侧宽度w1和轨下区一侧宽度w2；砟肩区在道床一侧的宽度w3的计算表达式为： [0050] w3＝w‑w2‑w1 [0051] w＝0.5×w0+(h+h0)×λ [0052] 式中，w0为道床顶面宽度，h0为轨枕埋入道砟深度，h为土工格栅的埋设深度，λ为比例系数。 [0053] 砟肩低应力区域采用较高的格栅密度，选用矩形格栅，短边长选取为1.5～1.7倍的D50大小，长边长选取为3.0～3.4倍的D50大小，有利于维持砟肩几何形位，提升道床中部的横向约束力。 [0054] 另外，优选的，由于在枕心区可采用正方形或三角形的土工格栅，正方形边长取为轨下区正三角形土工格栅边长的倍，三角形边长取为轨下区正三角形土工格栅边长的倍，砟肩区主要为约束道砟横向位移，因此采用矩形土工格栅，其短边长取为正三角形土工格栅边长的倍，长边长取为取为正三角形土工格栅边长的倍。 [0055] 可选的，对于土工格栅的位置，土工格栅位于距离覆盖在土工格栅上的道砟层顶15～20cm处。 [0056] 作为优选的技术方案，的土工格栅材质为高分子聚合物塑料。 [0057] 进一步地，不同网格密度土工格栅在道床横向方向可选用以下两种连接方式： [0058] (1)根据碎石道床结构尺寸和敷设深度确定w1～w3和网格尺寸，一次成型加工三级差异化网格密度的土工格栅； [0059] (2)考虑一次成型加工难度和造价，可采用连接棒连接。 [0060] 下面对上述土工格栅提供一种具体的实施过程，如下： [0061] 某铁路线路施工工程拟采用本发明所设计的土工格栅，该工程所涉及的现场参数如下表所示： [0062] 表1现场参数 [0063]列车动荷载在轨底的扩散角θ 35° 坡度 1：1.75 轨枕选型 III(b) 轨枕4长度Ls 2600mm 道面宽度w0 3500mm 道砟D50 40mm [0064] 根据本发明所提出的新型土工格栅的设计方法，依据现场参数得到土工格栅参数。 [0065] 表2土工格栅参数 [0066] [0067] 在实际施工过程中土工格栅材质为高分子聚合物塑料，土工格栅在道床纵向方向以及不同网格密度土工格栅在道床横向方向需要连接时采用连接棒连接，如图2所示、在路基底层表面铺设道砟层3，道砟D50为4cm，填筑并压实至指定高度(如100mm)，确保平整。 [0068] 铺设土工格栅1，土工格栅1的总宽度为4847.6mm，其中枕心区半长度347.5mm，轨下区的半长度为1092.5mm，砟肩区的半长度983.8mm，枕心区网格的几何形式采用正方形，根据计算需要对土工格栅1进行连接，连接处用连接棒2进行连接，确保整体稳定、左右对称。 [0069] 继续填筑道砟层3，继续填筑并压实至指定高度(如100mm)的步骤两次，令土工格栅1的埋设深度为20cm，期间压实先轻后重防止土工格栅1被损坏。 [0070] 在指定位置放置混凝土轨枕4，轨枕4长260cm。布设完毕后在轨枕4周围填补道砟，增加水平抗力。 [0071] 保持道床顶面宽度3.5m，边坡坡度1:1.75。 [0072] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

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