高速鐵路的路基

1、3 高速鐵路的路基3.1 高速鐵路路基的特點路基是軌道的基礎，也叫線路下部結構。高速鐵路的出現(xiàn)對傳統(tǒng)鐵路的設計施工和養(yǎng)護維修提出了新的挑戰(zhàn)，在許多方面深化和改變了傳統(tǒng)的設計方法和觀念。高速鐵路路基應按土工結構物進行設計，其地基處理、路堤填筑、邊坡支擋防護以及排水設計等必須具有足夠的強度、穩(wěn)定性和耐久性，使之能抵抗各種自然因素作用的影響，確保列車高速、安全和平穩(wěn)運行。與普通鐵路路基相比，高速鐵路路基主要表現(xiàn)為以下三個特點：1高速鐵路路基的多層結構系統(tǒng)高速鐵路線路結構，已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的軌道、道床、土路基這種結構形式，既有有碴軌道也有無碴軌道。對于有碴軌道，在道床和土路基之間，已拋棄了將道碴層直接放

2、在土路基上的結構形式，作成了多層結構系統(tǒng)。圖3-1圖3-5分別為德國和法國高速鐵路一般路基基床的斷面型式，保護層的厚度為2530cm。圖3-6為日本高速鐵路板式軌道的基本結構型式之一，其把基床表層稱為路盤或強化路盤，厚30cm，強化路盤的表層為5cm厚的瀝青混凝土，其下為級配碎石（或高爐礦碴）。2控制變形是路基設計的關鍵控制變形是路基設計的關鍵，采用各種不同路基結構形式的首要目的是為高速線路提供一個高平順、均勻和穩(wěn)定的軌下基礎。由散體材料組成的路基是整個線路結構中最薄弱、最不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)，是軌道變形的主要來源。它在多次重復荷載作用下所產(chǎn)生的累積永久下沉（殘余變形）將造成軌道的不平順，同時其剛度對

3、軌道面的彈圖3-1 德國高速鐵路無碴軌道路堤的斷面型式之一圖3-2 德國高速鐵路有碴軌道路堤的斷面型式圖3-3 法國高速鐵路路堤的斷面型式（單位：m）圖3-4 法國高速鐵路路塹的斷面型式（基床土質(zhì)差）（單位：m）圖3-5 法國高速鐵路路塹的斷面型式（基床土質(zhì)好）（單位：m）圖3-6 日本高速鐵路板式軌道路基的斷面型式之一性變形也起關鍵性的作用，因而對列車的高速走行有重要影響。高速行車對軌道變形有嚴格的要求，因此，變形問題便成為高速鐵路設計所考慮的主要控制因素。就路基而言，過去多注重于強度設計，并以強度作為軌下系統(tǒng)設計的主要控制條件。而現(xiàn)在強度已不成為問題，一般在達到強度破壞前，可能已經(jīng)出現(xiàn)了過

4、大的有害變形。日本東海道新干線的設計時速為220km，由于其在設計中僅僅采取了軌道的加強措施，而忽略了路基的強化，以至從1965年開始，因為路基的嚴重下沉，致使路基病害不斷，線路變形嚴重超限，不得不對線路以年均30km以上的速度大舉整修，10年內(nèi)中斷行車200多次，列車運行平均速度也降到100110km/h。3在列車、線路這一整體系統(tǒng)中，路基是重要的組成部分變形問題相當復雜，是一個世界性的難題。日本及歐洲各國雖然實現(xiàn)了高速，但他們都是通過采用高標準的昂貴的強化線路結構和高質(zhì)量的養(yǎng)護維修技術來彌補這方面的不足。日本對此不惜代價，在上越和東北新干線上，高架橋延長米數(shù)所占比例分別為49%和57%，路

5、基僅占1%和6%。所以，變形問題是軌下系統(tǒng)設計的關鍵。由于普通鐵路行車速度慢、運量小，因此在以往的設計中，只孤立地研究輪、軌的相互作用，并把這種相互作用狹義地理解為輪、軌接觸部位的幾何學、運動學、動力學的關系，而忽略了路基的影響，其中各個部分的設計也只局限于本專業(yè)范圍內(nèi)。對于高速鐵路，輪軌系統(tǒng)應該是車輪、鋼軌、道床、路基各部分相互作用的整體。因為包括路基在內(nèi)的軌下系統(tǒng)的垂向變形集中反映在軌面上，而且又直接影響著輪軌作用力的大小。所以，在輪軌系統(tǒng)相互作用的研究中，必須把各部分作為一個整體系統(tǒng)來分析，建立適當?shù)哪Ｐ?，著眼于各自的基本參?shù)和運用狀態(tài)，進行系統(tǒng)的最佳設計，實現(xiàn)輪軌系統(tǒng)的合理匹配，盡可能

6、降低輪軌作用力，以保證列車的高速安全運行。德國著名的高速鐵路專家 Birmann指出：鐵路路基作為承受軌道和列車荷載的基礎，如果選擇了合理的剛度（彈性模量），則能明顯地影響輪載的分配，可以使軌面的最大支承力減小60%70%，而且還可以改善基床動應力分布，減弱重復荷載的動力作用，減少列車荷載對線路的不良影響。但這并不是要求路基不存在變形，因為列車不可能在一個絕對剛性的基礎上作高速穩(wěn)定的運行，只能依循著不平順的走行面和剛度有變化的軌道運行。因此，在高速鐵路技術研究中，無論機車車輛、軌道結構或路基、橋梁、隧道專業(yè)，都應當把自己的問題放在整個系統(tǒng)中去考察。設計中所采用的設計參數(shù)應當使系統(tǒng)的各個部分相互

7、間有合理的匹配。對于路基來說，這些參數(shù)主要是彈性系數(shù)、阻尼、參振質(zhì)量、變形模量、動剛度、固有頻率以及與之相聯(lián)系的壓實度和含水量等。3.2 高速鐵路路基的設計荷載路基的荷載是指作用在路基面上的應力。它包含兩部分：一部分是線路上部結構的重量作用在路基面上的應力，即靜荷載；另一部分是列車行駛時輪載力通過上部結構傳遞到路基面上的動應力，即動荷載。常速鐵路路基設計需要考慮荷載的影響時，在計算中常把靜荷載和動荷載一并簡化作為靜荷載處理，即換算土柱法。高速鐵路的路基設計不能簡單地把動荷載作為靜荷載處理，必須進行動態(tài)分析，計算列車動荷載的作用在路基中所產(chǎn)生的動應力的大小和分布規(guī)律，如何計算靜荷載是簡單而明確的

8、，本節(jié)重點介紹高速鐵路路基的承受的動荷載。 靜荷載鐵路路基面上作用有列車荷載和軌道荷載。列車荷載與軌道荷載是確定路基本體構造要求的一個重要依據(jù)。我國的京滬高速鐵路有碴軌道結構軌道及列車荷載換算的土柱高度及分布寬度如表3-1所示。ZK荷載計算圖式和換算土柱圖式分別見圖3-7和圖3-8，ZK荷載通過軌道傳播到路基面上，在橫斷面上的分布寬度l0自軌枕底兩端向下按450擴散角計算，h0為換算土柱高度。表3-1 京滬高速鐵路軌道及列車荷載換算土柱高度及分布寬度列車活載種類設計軸重(kN)鋼軌(kg/m)軌枕(根/km)道床厚度（m）道床頂寬（m）道床坡度分布寬度（m）計算高度（m）土的重度（kN/m3）

9、1819202122ZK活載2006016670.353.61：1.753.43.02.82.72.62.4中|活載2206016670.353.61：1.753.43.43.23.02.92.8圖3-7 ZK荷載計算圖式 圖3-8 換算土柱圖式 動荷載在列車動荷載作用下，路基保持長期穩(wěn)定是列車高速運行的基礎。要保持路基長期穩(wěn)定，不產(chǎn)生任何危及正常運行的過大有害變形，就必須了解列車在高速運行時通過鋼軌、軌枕、道床傳到路基表面的動應力幅值及其頻率，以及振動加速度及位移的大小。在列車動荷載作用下，路基動應力的幅值與機車車輛運行情況、線路及基礎狀態(tài)等有關，因受諸多因素的影響，很難用簡單的數(shù)學模型來表

10、達，一般采取實測與理論分析相結合的方法來分析。1高速鐵路路基設計動應力幅值作用在軌道上的輪重實際上由兩部分組成：機車車輛靜軸重；機車車輛與軌道的相互作用而產(chǎn)生的附加作用力。前者對于特定的機車車輛是常數(shù)，后者是與諸多因素有關的一個隨機變量。確定路基設計動應力幅值的方法有兩種：一種是在高速條件下進行動應力實測，另一種是運用計算機模擬計算。由于高速鐵路路基面上的動應力大小及分布情況，目前我國尚無實測資料，主要參考國外資料及我國鐵路在準高速條件下獲得的實測數(shù)據(jù)。路基面動應力幅值是與列車速度、軸重、機車車輛動態(tài)特性、軌道結構、軌道不平順、距軌底深度及路基狀態(tài)有關的一個隨機函數(shù)?；谝陨系姆治鲅芯?，提出了

11、路基設計動應力幅值按下式計算： （3-1）式中 路基設計動應力幅值（kPa）；P機車車輛的靜軸重（kN）；速度影響系數(shù)，高速鐵路無縫線路，準高速鐵路無縫線路；列車運行速度，速度在300km/h以內(nèi)時以實際速度計，超過300km/h時按300km/h計。2路基面上的動應力沿線路縱向的分布在高速鐵路路基設計中，不僅需要知道列車荷載通過鋼軌、軌枕、道碴傳遞到路基面的動應力數(shù)值的大小，還需要了解其在路基面上沿線路縱向分布情況。大量實測的應力曲線表明，動應力在路基面上沿線路縱向的分布如圖3-9所示，圖中為車輪正下方路基面的動應力最大值。如沿線路縱向距該車輪L處路基面應力衰減為零，則L即為擴散距離。對大量

12、實測數(shù)據(jù)圖形的分析，發(fā)現(xiàn)車輪正下方路基面動應力最大值和最大值與沿線路縱向擴散距離L之比存在線性關系。其關系式如下： （3-2）式中 以kPa計，L以m計。3高速鐵路路基設計荷載當高速鐵路的設計速度為350km/h，最大軸重為200kN時，根據(jù)式（3-1）可求出設計動應力幅值為100kPa，在路基面上的分布面積為3.02.8m2，如圖3-10所示。圖3-9 動應力沿線路縱向在路基面的擴散情況圖3-10 高速鐵路路基面上設計動應力及分布圖（單位：m）4動應力沿深度的衰減列車荷載以動力波的形式通過道床傳遞到基床面，再向深層傳播。在動力波傳播的過程中要消耗能量，或者說由于阻尼作用，土要吸收能量，因此，

13、動應力隨著深度的增加而衰減。動應力沿深度的衰減可從兩個方面進行探討：一是實測，二是理論計算。前者由于受測試設備、埋設傳感器的邊界條件等影響，數(shù)值較離散，加之深處測試也比較困難，因此大多采用后者。在理論計算中雖作了一些假設，會造成計算結果與實際有些出入，但對于路基填土設計而言，這樣的精度是可以接受的。在長方形均布荷載作用下（圖3-11），荷載中心點下深度z處的垂直應力可采用Boussinesq理論，按照半空間彈性理論公式進行計算： （3-3）式中 P0為荷載強度，m=a/b，n=z/b。如果長方形的長與寬如圖3-11所示，則動應力沿深度逐漸衰減可按式（3-3）計算，只是需要考慮基床表層與基床底層

14、填料的模量差異，計算結果見圖3-12所示。圖3-11 土中應力計算示意圖 圖3-12 動應力沿深度衰減曲線5基床厚度的確定列車動應力由軌道、道床傳至路基本體，然后沿深度逐漸衰減。一般將動應力影響較大的部分定義為路基基床。壓實土的動三軸試驗表明，當動靜應力比在0.2以下時，加載10萬次產(chǎn)生的塑性累積變形在0.2%以下，而且很快能達到穩(wěn)定。如果動靜應力比小于0.1，動荷載影響就相當微小了。因此，一般將動靜應力比1：5或1：10作為確定基床厚度的依據(jù)。我國對京滬高速鐵路路基的研究表明，動靜應力比為1：5時的深度約為3.2m，動靜應力比為1：10的深度約為4.2m，如圖3-13?？紤]到高速鐵路路基基床

15、部分的填料為優(yōu)質(zhì)填料，且壓實要求高，故一般采用動靜應力比1：5為確定基床厚度的標準，因此，確定的京滬高速鐵路路基基床厚度為3.0m。圖3-13 列車動應力與路基自重應力沿深度的變化曲線3.3 高速鐵路路基橫斷面表3-2為國外高速鐵路軌道及路基面寬度。我國京滬高速鐵路路線線間距根據(jù)所采用機車車輛類型、運行速度等因素確定為5.0m。高速鐵路路基面形狀應為三角形，并設有由路基面中心向兩側成4%的橫向排水坡。曲線加寬時，仍應保持路基面的三角形形狀。表3-2 國外高速鐵路軌道及路基面寬度 路肩寬度路肩雖不直接承受列車荷載作用，但它對保證路基受力部分的穩(wěn)固十分重要。路肩寬度選擇應同時滿足敷設接觸網(wǎng)支柱，安

16、放通信信號設備，埋設必要的線路標志，通行養(yǎng)路機具等要求。路肩寬度取決于以下幾個因素：1路基穩(wěn)定的需要，特別是浸水以后路堤邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)日本、德國的經(jīng)驗，在降雨量最大的地區(qū)，加大路肩寬度對于保證路線暢通有重要作用。一般路堤浸水后，邊坡部分土質(zhì)會軟化，在自重與列車荷載產(chǎn)生的振動加速度的共同作用下，容易產(chǎn)生邊坡的淺層滑坡。路肩較寬時，即使發(fā)生淺層坍滑。也不會影響路堤承受部分，從而可不影響列車的正常通行。此外，路肩部分需考慮設置電桿、電纜槽位置，路塹地段則需考慮為邊坡剝落物留有空地及開挖排水溝時不影響邊坡穩(wěn)定。2滿足養(yǎng)護維修的需要。高速鐵路雖說是高標準、高質(zhì)量的線路，但小型、緊急補修還是不可避免的

17、，因此仍需考慮線路維修時擱置或推行小型養(yǎng)路機械所必須的路肩寬度。3保證行人的安全，符合安全退避距離的要求（詳見第二章有關內(nèi)容）。4為路堤壓密與道床邊坡坍落留有余地。路堤在建成以后多多少少會發(fā)生一些沉降，特別是高路堤、軟弱地基路堤，即使施工質(zhì)量很好也會有壓密沉降。日本1964年修建東海道新干線時規(guī)定為一側設0.5m的人行道，另一側設1.0寬的作業(yè)通道。但經(jīng)運營實踐，修訂了路肩寬度標準。自山陽新干線以后制訂的路基標準規(guī)定，路堤的路肩寬度增加到1.2m，路塹為1.0m。法國修建東南線時，考慮到養(yǎng)護人員乘車行走，特別是電弧焊裝置使用的發(fā)動機組能在路肩上通過，雙側設1.2m寬的路肩通道。但在修建大西洋干

18、線時，修改為在接觸網(wǎng)支柱處設0.7m寬的SES馬道，馬道外再設寬0.9m的路肩，其結果使路基面寬度從13.0m增至13.9m。意大利羅馬佛羅倫薩高速鐵路沿線在軌道側安全限界邊設有高度超過人頭的基柱，兩側在基柱外各設1.0m通道。我國京滬高速鐵路路肩寬度亦根據(jù)所采用的機車外形、車輛幅寬、列車長度、行車速度等，參考其他國家的資料考慮了上述要求后，提出路基兩側均為1.4m（雙線）和1.5m（單線）的標準。 路基面寬度1直線地段路基面寬度我國京滬高速鐵路直線地段路基面寬度按照表3-3采用。表3-3 直線地段路基面寬度（m）單線雙線路堤路塹路堤路塹8.88.813.813.82曲線地段路基面加寬值我國京

19、滬高速鐵路曲線地段路基面加寬值應在曲線外側按照表3-4的數(shù)值加寬。曲線加寬值應在緩和曲線內(nèi)漸變。表3-4 曲線地段路基面加寬值曲線半徑（m）路基外側加寬值（m）14000R110000.311000R70000.47000R55000.5 高速鐵路路基標準橫斷面圖圖3-14圖3-19為我國京滬高速鐵路路基的標準橫斷面圖。圖3-14 雙線路堤標準橫斷面示意圖（單位：m）注：聲屏障基礎埋深應根據(jù)計算確定。圖3-15 雙線路塹（硬質(zhì)巖石）標準橫斷面示意圖（單位：m）圖3-16 雙線路塹（土質(zhì)、軟質(zhì)巖石及強風化硬質(zhì)巖石）標準橫斷面示意圖（單位：m）注：基床表層頂面為0.050.1m厚的瀝青混凝土。其下

20、基床表層換填0.600.65m厚級配砂礫石或級配碎石。圖3-17 單線路堤標準橫斷面示意圖（單位：m）注：聲屏障基礎埋深應根據(jù)計算確定。圖3-18 單線路塹（硬質(zhì)巖石）標準橫斷面示意圖（單位：m）圖3-19 單線路塹（土質(zhì)、軟質(zhì)巖石及強風化硬質(zhì)巖石）標準橫斷面示意圖（單位：m）注：基床表層頂面為0.050.1m厚的瀝青混凝土。其下基床表層換填0.600.65m厚級配砂礫石或級配碎石。3.4 高速鐵路路基基床 基床的作用與結構1基床的作用基床是鐵路路基最重要的關鍵部位，其主要作用有以下幾個方面：（1）基床有足夠的強度，它能抵抗列車荷載產(chǎn)生的動應力而不使基床破壞，能抵抗道碴壓入基床土中，防止道碴陷

21、槽等病害的形成，在路基填筑階段能承受重型施工車輛走行而不形成印坑，以免留下隱患。（2）基床具有足夠的剛度，在列車荷載的重復作用下，塑性積累變形很小，能避免形成過大的不均勻下沉而造成軌道的不平順，增加養(yǎng)護維修的困難。在列車高速行駛時，基床的彈性變形應滿足高速走行的安全性和舒適性的要求，同時還能保障道床的穩(wěn)固。（3）基床具有良好的排水性，能防止雨水浸入造成路基土軟化，防止發(fā)生翻漿冒泥等病害。（4）在可能發(fā)生凍害的地區(qū)，基床還有防凍等特殊作用。2基床的結構一般情況，高速鐵路路基基床是由基床表層和底層組成的兩層結構。有的國家針對填料、氣候、無碴軌道等不同線路情況，將基床表層再細分成兩層或多層，每層使用

22、不同材料或結構。最典型的是德國無碴軌道的線路結構（圖3-1），包括鋼筋混凝土板連續(xù)板、混凝土絕熱層和支持層、素混凝土、礦渣混凝土、填土、道碴等。我國的京滬高速鐵路路基基床由表層和底層組成，表層厚度為0.7m，底層厚度為2.3m，總厚度為3.0m。其中，基床表層由510cm厚的瀝青混凝土和6560cm厚的級配碎石或級配砂礫石組成。 基床表層基床表層是路基直接承受列車荷載的部分，又常被稱為路基的承載層或持力層，因此基床表層的設計是路基設計中最重要的部分。自20世紀50年代末日本開始研究東海道新干線路基以來，主要是研究基床表層的設計及施工問題。在此之前，日本鐵路并無基床表層。70年代，歐盟為了減少路

23、基病害，提高路基適應大運量、高速度的運輸需求，對路基上部的受力條件、結構、材料等方面進行了深入的研究。法國在制定TGV線路技術標準前以及德國在建設高速鐵路時，都對基床表層進行了比較深入研究。1基床表層的作用（1）增加線路強度，使路基更加堅固、穩(wěn)定，并具有一定的剛度，使列車通過時的彈性變形控制在一定范圍之內(nèi)；（2）擴散作用到基床底層頂面上的動應力，使其不超出基床底層填料的臨界動應力；（3）防止道碴壓入基床及基床土進入道碴層； （4）防止雨水浸入基床使基床土軟化，發(fā)生翻漿冒泥等基床病害，并保證基床肩部表面不被雨水沖刷； （5）防凍等。實踐表明，基床表層的優(yōu)劣對軌道變形影響很大。國外鐵路工程實踐表明

24、，不良基床表層引起的軌道變形是良好基床表層的幾倍，而且其差距還隨速度的提高而增大。這說明高速鐵路設置一個良好基床表層是必不可少的。因此，需要對基床表層厚度、填料、結構及壓實標準等多方面進行精心設計。2基床表層厚度基床表層厚度的確定是由變形控制因素決定的。計算方法有動強度控制法和彈性變形控制法兩種。（1）動強度控制法動強度控制法以作用在基床底層表面上的動應力不超過基床底層填料的臨界動應力為控制條件。其基本出發(fā)點是列車荷載通過基床表層擴散后，傳遞到基床底層頂面的動應力必須小于其填料的臨界動應力。該方法的主要內(nèi)容是：確定作用于路基面上的設計動應力幅值大??；確定路基基床底層填料的臨界動應力。填料的臨界

25、動應力可通過動三軸試驗確定，其大小與填料的種類、密實度、含水量及圍壓大小、荷載的作用頻率等緊密相關。試驗結果表明，由散體材料組成的彈塑性土體在重復荷載的每一次加、卸載作用下都要產(chǎn)生不可恢復的塑性變形，塑性變形隨重復次數(shù)的增加而累積。對于路基填土而言，存在一個特定的臨界動應力，當實際動應力小于臨界動應力時，塑性變形隨重復作用次數(shù)的增加而累積，但塑性變形速率則是隨重復次數(shù)的增加而減少，最后塑性變形趨向穩(wěn)定。當實際動應力大于臨界動應力時，填料的累計塑性變形隨重復作用次數(shù)的增加而增加，且變形速率加快，最后因變形過大而失穩(wěn)。臨界動應力也是動強度的反映，通過不同的圍壓試驗，可以求得土的動強度指標，試驗結果

26、表明，動強度約為靜強度的50%60%。如果把荷載動應力沿深度的衰減曲線與路基土動強度隨深度增加的曲線疊加于同一張圖上，它們的交點則表示所要求的基床表層深度，如圖3-20所示。在此交點以上的基床范圍，荷載的動應力大于土的臨界動應力，需要進行加固處理或換填優(yōu)質(zhì)填料，以提高臨界動應力。這就是基床表層厚度的確定原則。由于確定土的臨界動應力的試驗工作量很大，常用靜強度乘以0.6的折減系數(shù)來代替。當基床土的壓實系數(shù)K=1.0時，則基床表層厚度約需0.6m左右。如果壓實系數(shù)K=0.95時，則需要基床表層厚度在0.8 m左右。圖3-20 基床表層厚度的確定（2）彈性變形控制法彈性變形控制法是日本鐵路在設計強化

27、路基基床表層時提出的。日本強化路基基床表層采用的是瀝青混凝土，厚5cm。參照公路瀝青混凝土路面設計，路面回彈變形折角不應大于2.5%，故根據(jù)日本鐵路基床荷載分布情況，應控制基床表層彈性變形不應大于2.5mm，否則瀝青混凝土面層將開裂，影響基床表層的特性。對于非瀝青混凝土表面的基床表層，彈性變形控制法同樣適用。許多現(xiàn)場調(diào)查資料表明，若基床表面的彈性變形大于4mm時，將引起道碴的側向流動，從而加速線路狀態(tài)的惡化。因此，有關研究提出我國高速鐵路路基基床表層為級配碎石或級配砂礫石，屬柔性材料，不同于日本使用的剛度很大的水硬性高爐爐渣，可以將3.5mm作為京滬高速鐵路路基基床表層的彈性變形控制值。研究表

28、明，當基床表層材料的變形模量為180MPa，基床底層填土變形模量為34MPa，基床表層厚度為0.7m時，能夠滿足3.5mm的控制條件。綜合強度控制與變形控制兩方面的計算結果，京滬高速鐵路路基基床表層的厚度取為0.7m。為有利于自然降水的排出，基床表層和基床底層頂面都應設置4%的橫坡。基床表層的防排水問題應在設計中引起重視，應在路基基床表層增設510cm瀝青混凝土防排水層，表層總厚度不變。3基床的表層填料從日、法、德三國和我國鐵路以前進行的少量強化基床的試驗研究來看，基床表層使用的材料大致有以下幾類：級配砂礫石、級配碎石、級配礦物顆粒材料(高爐爐渣)和各種結合料(如石灰、水泥等)的穩(wěn)定土。級配礦

29、物顆粒材料，特別是水硬性的級配高爐爐渣是很好的基床表層材料。它的主要成分是、，其成分與水泥的成分相似。施工后很長時間內(nèi)會繼續(xù)硬化，承載能力相應提高，這顯然是非常有用的。這種材料的無側限強度在1200kPa以上，彈性模量在300MPa以上。但也有一些不利的地方。它必須以煉鐵廠為中心進行再加工，對礦渣碎石的品質(zhì)要求高，否則水硬性的特點就得不到發(fā)揮。礦渣碎石對施工工藝要求嚴格，使用不當時，其含有的硫化鈣、氧化鈣還會污染環(huán)境。這種材料在日本已大量使用，歐洲也有少量使用，我國鐵路還很少用。從我國現(xiàn)有的施工條件來看，采用這類材料難度較大。我國高速鐵路路基基床表層填料采用級配砂礫石和級配碎石。（1）級配砂礫

30、石各種砂礫石是歐洲鐵路基床表層普遍使用的材料，我國公路上也已大量使用。它是用粒徑大小不同的粗、細礫石集料和砂各占一定比例的混合料，其顆粒組成符合密實級配要求，其中包括一部分塑性指數(shù)較高的黏土填充孔隙并起粘結作用，經(jīng)壓實后形成密實結構。其強度的形成是靠集料間的摩擦力和細粒土的粘結力。公路部門的經(jīng)驗表明，只要保證組成材料質(zhì)量，使混合料具有良好級配，并控制好細粒土的含水量及塑性指數(shù)，在施工過程中將混合料攪拌均勻，在最佳含水量下壓實，達到要求的壓實度，就能形成較高的力學強度和一定的水穩(wěn)性。作為高速鐵路路基基床表層材料的級配砂礫石的顆粒粒徑、級配應符合表3-5要求。級配曲線應接近圓滑，某種尺寸的粒徑不應

31、過多或過少。為了提高承載能力，還要求顆粒中扁平及細長顆粒含量不超過20%，黏土團及有機物含量不超過2%。形狀不合格的顆粒含量過多時，應摻入部分合格的材料。為了防止道碴嵌入或基床底層填料進入基床表層，級配砂礫石與上部道床及下部填土之間應滿足太沙基（Terzaghi）反濾準則，即D154d85（D15為粗粒土級配曲線上相應于15%含量的粒徑，d85為細粒土級配曲線上相應于85%含量的粒徑）。當與基床底層填料之間不能滿足該要求時，基床表層應采用顆粒級配不同的兩層結構，或在基床底層表面鋪設土工合成材料。粒徑小于0.5mm的細集料的液限應小于28%，其塑性指數(shù)應小于6。表3-5 級配砂礫石篩孔質(zhì)量百分比

32、級配編號通過篩孔質(zhì)量百分率（%）5040302010520.50.0751100901006585457030551535102041021009010075955070305515351020410310080100608030501530102028（2）級配碎石級配碎石是我國高等級公路上普遍采用的用作路基基層的填料。它是由粒徑大小不同的粗、細碎石集料和石屑各占一定比例的混合料，并且其顆粒組成符合密實級配要求。級配碎石可由未篩分碎石和石屑組配成。未篩分碎石是指控制最大粒徑(僅過一個規(guī)定篩孔的篩)后，由碎石機軋制的未經(jīng)篩分的碎石料。它的理論粒徑組成為050 mm，并且具有較好的級配，可直接用

33、作高速鐵路基床表層填料。石屑是指實際顆粒組成常為010 mm的篩余料，并具有良好的級配。級配碎石的顆粒粒徑、級配范圍和材料性能應符合現(xiàn)行鐵路碎石道床底碴規(guī)定，并且在變形、強度等方面應滿足高速鐵路路基基床表層的有關技術條件。為了防止道碴嵌入或基床底層填料進入基床表層，級配碎石與上部道床及下部填土之間應滿足D154d85。當與基床底層填料之間不能滿足該要求時，基床表層應采用顆粒級配不同的兩層結構，或在基床底層表面鋪設土工合成材料。4基床表層結構高速鐵路路基基床表層一般均由兩層結構組成，日本、德國、法國、西班牙均如此。上層大多要求填料變形模量大，滲透系數(shù)小。但這兩個要求的統(tǒng)一是較難滿足的。因此，日本

34、采用了瀝青混凝土，它可以滿足這些要求。由于基床表層接近軌道，受較大動荷載作用，即使在厚度不足1m的范圍內(nèi)，上下部分產(chǎn)生的動應變也有相當大的差距，上層受到的動應變比下層要大得多。因此，在使用級配砂礫石的國家，一般都把基床表層分成上下兩部分。上層較薄，大多為0.20.3m，要求變形模量高，有時還對顆粒的耐磨性提出要求，因此在選用砂石料時應采用石英質(zhì)母巖。其次，為了提高該層的剛度，顆粒的最大粒徑可適當提高，粗顆粒含量增加。下層的作用偏重于保護，顆粒粒徑應與基床填料匹配，使基床底層填料不能進入基床表層，同時要求滲透系數(shù)小，至少要小于10-4m/s。如果不得已，只能采用經(jīng)改良的黏性土作為基床底層填料時，

35、需考慮在基床表層的底面鋪設土工合成材料。如果基床底層部分采用粗顆粒滲水性填料，則不僅基床表層厚度可以減小，而且可以考慮采用一層。5基床表層的壓實標準高速鐵路路基基床表層的壓實標準如表3-6所示。表3-6 基床表層的壓實標準填料厚度（m）壓實標準地基系數(shù)K30（MPa/m）動態(tài)變形模量Evd（MPa）孔隙率n級配碎石、級配砂礫石0.60.651905518%注：基床表層的K30、Evd、n三項指標要求同時檢測，均必須滿足壓實標準。 基床底層高速鐵路路基基床底層填料只能用A、B組填料或改良土，其壓實標準如表3-7所示。表3-7 基床底層壓實標準填料厚度（m）壓實標準改良細粒土砂類土及細礫土碎石類及

36、粗礫土A、B組填料及改良土2.3地基系數(shù)K30（MPa/m）110130150壓實系數(shù)K0.95孔隙率n28%28%3.5 高速鐵路路堤 基床以下路堤填料要求高速鐵路基床以下路堤填料應滿足下列三個基本要求：在列車和路堤自重荷載作用下，路堤能長期保持穩(wěn)定；路堤本體的壓縮沉降能很快完成；其力學特性不會受其他因素（水、溫度、地震）影響而發(fā)生不利于路堤穩(wěn)定的變化。因此，只要土質(zhì)經(jīng)過處理后能滿足上述要求，就可以用作基床以下路堤填料。對于高速鐵路而言，使用的填料應該是最好的。這樣既可以減少工后沉降，又可以有較高的安全儲備以保證路堤的穩(wěn)定，并保證不產(chǎn)生病害。因此，首先應采用現(xiàn)行鐵路路基設計規(guī)范所要求的優(yōu)質(zhì)材

37、料。實際觀測表明，采用優(yōu)質(zhì)級配良好的粗顆粒可以大大減少路基的工后沉降。然而，由于線路很長，通過地段的地質(zhì)條件變化復雜，都使用優(yōu)質(zhì)填料的可能性不大。特別是京滬線，現(xiàn)在進行的調(diào)查表明，優(yōu)質(zhì)填料組缺乏，組填料和組塊石、碎石、礫石類填料也不多，否則就需要遠運。這樣長的線路必然需要大量的路堤填料，為了解決這一難題，顯然要擴大可用填料范圍，即組填料細粒土經(jīng)改良后也可以作為高速鐵路基床以下路堤填料。其實，缺乏優(yōu)質(zhì)填料不僅在我國，世界各國都存在這個問題。因此，各國都在滿足基本要求的前提下，努力是可用作填料的范圍擴大。法國就曾在東南線的高路堤中試驗使用含水量較高的黏土，其直接的目的是為了降低造價。目前，世界主要

38、高速鐵路國家對路堤填料有如下規(guī)定：法國高速鐵路禁用QS0級土，包括有機質(zhì)土、淤泥占15%以上的疏松潮濕土質(zhì)、觸變性土，含可溶物質(zhì)（如巖鹽、石膏等）類土，含有害于環(huán)境的物體類土（如工業(yè)垃圾、礦物和有機質(zhì)土的混合物）。日本禁用D2組土，包括含有機質(zhì)土的砂性土（SO）、有機質(zhì)黏性土（OL）、有機質(zhì)黏性土（OH）、有機質(zhì)火山灰土（OV）、纖維質(zhì)高有機土（Pt）、淤泥（Mk）。路堤下部填料除D2組土及下述土原則上不能使用外，其他均可經(jīng)過改良后使用：膨潤土、高嶺土、溫泉變質(zhì)土等膨脹性土（巖）；會吸水膨脹風化嚴重的蛇紋巖、泥巖；含大量有機質(zhì)的高壓縮性土；凍土。德國鐵路禁用富含動植物殘留物的有機質(zhì)土（OH，O

39、K）、泥炭土（HN，HZ）和淤泥（F）。由這些國家的有關規(guī)定可以看出，除性質(zhì)不穩(wěn)定，隨時間或受各種因素影響其力學性質(zhì)會發(fā)生顯著變化的土外，包括含有一定數(shù)量有機質(zhì)的土（OU，OT），易風化軟巖，液限含水量高于80%的火山灰質(zhì)黏性土（VH1，VH2），都可以經(jīng)過一定處理后作為填料使用。因此，可作為填料的土類還是比較多的。當然，都需要經(jīng)過改良處理以后才能使用。 基床以下路堤填料的壓實標準按日本標準，基床以下路堤的壓實系數(shù)應該大于0.90，粗顆粒空隙率n50%時）和15%（細顆粒含量為20%50%時），K30 70MPa/m。德國要求壓實系數(shù)為0.950.97，粗粒土的空隙率n12%。法國要求壓實系數(shù)

40、達到0.95。由此可見，歐洲國家對填土密實度的要求比日本還高。這也可能是日本為了滿足基床表層的變形要求，而對基床表層材料變形模量提出較高要求的原因。德國要求細粒土填料的模量Ev245MPa，比日本的34MPa（48.7K30）高得多。室內(nèi)試驗結果表明，填土的壓實系數(shù)除與路堤的自然壓縮量關系密切外，還與填土的水穩(wěn)定性有關。目前，關于這兩方面的研究資料不多。但從已有的試驗資料看，壓實系數(shù)從0.85提高到0.90，相對壓縮量可減小70%；從0.90提高到0.95，又可減小35%40%。因此，為了保持高速鐵路路基的變形穩(wěn)定性，提高碾壓壓實度是非常必要的。高速鐵路對于路基基床強度有著較高的要求，為保證路

41、基基床強度，當路堤高度小于基床厚度時，軟弱天然地基往往需要通過采取換填等措施加固后才能滿足，同時還需要加強排水以避免基床被水浸泡引起強度降低。而且軟弱天然地基往往位于平原及低洼地區(qū)，排水條件比較困難，容易留下產(chǎn)生路基病害的隱患。但對于路堤高度低于基床厚度也能夠保證基床強度的硬質(zhì)巖等良好地基條件，就無需限制路堤高度；同時由于特殊條件限制，如堤塹過渡處等，路堤高度小于基床厚度的情形又不能夠完全避免。對既有鐵路路基病害分析表明，平原區(qū)的低路堤，尤其是軟弱地基和地下水位高的地段的低路堤與一定高度路堤相比，其排水不良、翻漿冒泥、下沉等基床病害更普遍，軌道狀態(tài)保持更加困難。1路堤高度大于3.0m路堤高度大

42、于3.0m時，我國高速鐵路路堤（基床以下）填料壓實標準質(zhì)量要求如表3-9所示。表3-8 高速鐵路路堤下部的壓實標準填料壓實標準改良細粒土砂類土及細礫土碎石類及粗礫土A，B，C（不含細粒土、粉砂及易風化軟質(zhì)巖）組填料及改良土地基系數(shù)K30（MPa/m）90110130壓實系數(shù)K0.90孔隙率n(%)31312路堤高度小于3.0m高度小于3.0m的路堤，其基床應滿足表3-6、表3-7的要求?；卜秶鷥?nèi)的地基應無Ps1.5MPa或1.0MPa或N3京滬高速鐵路設計暫行規(guī)定要求當路堤基底以下壓縮層范圍內(nèi)（一般不小于25m）的地基土不符合路堤地基技術條件表3-12要求時，應作工后沉降分析。表3-12 京

43、滬高速鐵路路堤要求的地基條件地層地基條件基層無條件碎、卵、礫石類無條件砂類土Ps5.0MPa或N10，且無地震液化可能黏性土Ps1.2MPa或0.15MPa根據(jù)日本的經(jīng)驗，工后沉降標準小于10cm時，路堤基底以下25m范圍內(nèi)的地基應符合表3-10條件，否則應作工后沉降分析。但沉降量與路堤高度、地基土性質(zhì)和壓縮層厚度密切相關，一般情況下，軟土地基壓縮層厚度按附加應力等于0.1倍自重應力確定。由于京滬高速鐵路沿線地基條件變化較大，工后沉降分析時壓縮層厚度不應籠統(tǒng)確定，同時京滬高速鐵路設計速度比日本新干線高，必須對各種地層進行詳細地質(zhì)勘察和地基土的各項參數(shù)的現(xiàn)場勘察和原位試驗及室內(nèi)試驗分析，詳細劃分

44、地層，計算壓縮層厚度一般不應小于25m，并應取得沉降計算深度范圍內(nèi)所需的各項計算參數(shù)和指標，使沉降計算更合理、準確。為使列車高速、安全、舒適運行，并盡可能減少維修，嚴格控制路基的變形、沉降是很重要的因素。路堤建成后發(fā)生的變形、沉降主要有：路堤（主要是基床）在列車荷載作用下發(fā)生的變形；路堤本體在自重作用下的壓密沉降；支承路基的地基壓密沉降。在路堤填料的材質(zhì)與施工質(zhì)量有保證的前提下，前兩部分的數(shù)值是有限的，路堤填土的壓密沉降主要通過壓實密度來控制。京滬高速鐵路路堤的壓實要求與國外主要高速國家對路堤的壓實要求基本相同。根據(jù)國外高速鐵路的經(jīng)驗和實測資料，路堤填土壓實沉降量，當路堤以粗粒土、碎石類土填筑

45、時，約為路堤高度的0.l%0.3%；當以細粒土填筑時，約為路堤高度的0.3%0.5%。該部分沉降一般在路堤竣工之后一年左右完成。因此控制路堤沉降主要是控制地基的工后沉降。對軟土地基來說，由于軟土的壓縮性大，滲透系數(shù)小等特性，路堤建成后，不僅沉降量大而且需延續(xù)較長時間才能完成。例如，日本良好地基的有碴軌道路堤填筑后一般放置1個月以上，地基不良地段路堤放置6個月以上；黏土地基上的板式軌道路堤放置6個月以上，其他地基放置3個月以上；同時，進行必要的沉降觀測，并測算沉降穩(wěn)定時間。法國和德國強調(diào)要進行詳細地質(zhì)勘察，一般安排路堤施工工期比較長，以保證預壓時間，達到穩(wěn)定時間和沉降要求。根據(jù)日本和法國及德國的

46、經(jīng)驗，滿足高速鐵路的軌道平順性除要嚴格控制路基的均勻沉降外，不均勻沉降控制更為關鍵。路基與橋臺及路基與橫向結構物過渡段、地層變化較大處和不同地基處理措施連接處，是不均勻沉降容易產(chǎn)生的常見部位，故在地基處理和路堤設計中應采取逐漸過渡的方法，減少不均勻沉降，以滿足軌道平順性要求。法國高速鐵路規(guī)定：濾水層驗收后最初沉降應小于2cm，最后一次搗固之后和運行第一列高速列車前，或最晚在濾水層驗收后18個月內(nèi)沉降完全穩(wěn)定；短距離內(nèi)的沉降值要比長距離范圍內(nèi)的沉降值更難確定，規(guī)定30m范圍內(nèi)每年的最大沉降差為4mm，200 m范圍內(nèi)每年的最大沉降差為10mm。日本新干線規(guī)定：有碴軌道路基下后沉降量一般地段不應大

47、于 10 cm，沉降速率應小于 3 cm/年，橋臺臺尾過渡段路基工后沉降量不應大于5cm；板式軌道路基容許下后沉降量在扣件調(diào)整范圍內(nèi)即小于30 mm，折角小于 4/1000，沉降應觀測至沉降穩(wěn)定結束為止。德國無碴軌道路基最大容許工后沉降對30mm ；有碴軌道，每年沉降不超過 l2cm，橋墩周圍不應有不均勻沉降，路基不均勻沉降造成的軌道變形按軌道豎向過渡曲線半徑Ra0.4v2控制，如v350km/h，在10m內(nèi)不超過2mm。借鑒國外高速鐵路經(jīng)驗，為了滿足京滬高速鐵路設計速度的要求，必須嚴格控制路基的工后沉降量，規(guī)定有碴軌道路基工后沉降量一般地段不大于5 cm。橋臺與臺尾路堤的沉降不同，將造成軌道

48、不平順，導致輪軌動力作用加劇，因而影響軌道結構的穩(wěn)定，影響列車高速、安全、舒適運行，因此對臺尾過渡段工后沉降量控制較一般地段更為嚴格，要求工后沉降量不大于 3 cm。因為沉降速率過快，即在短時間內(nèi)沉降過大，會造成維修困難而危及行車安全。同時，維修量加大會影響線路的通過能力，故還規(guī)定了年工后沉降速率應小于2cm。3.7 高速鐵路路基與橋梁過渡段 設置過渡段的原因鐵路線路是由不同特點、性質(zhì)迥異但又相互作用、相互依存、相互補充的構筑物(橋、隧、路基等)和軌道構成的。由于組成線路的結構物強度、剛度、變形、材料等方面的巨大差異，因此必然會引起軌道的不平順。為了滿足列車平穩(wěn)舒適且不間斷地運行，必須將其不平順控制在一定范圍之內(nèi)。軌道的不平順有靜不平順和動不平順之分。靜不平順是指輪軌接觸面不平順，如鋼軌軌面不平順、不連續(xù)(接頭、道岔)、車輪不圓順等；動不平順是指軌下基礎彈性不均勻，如扣件失效、枕下支承失效、路基不均勻以及橋臺與路基、路堤與路塹、路基與隧道等過渡段的彈性不均勻等。與橋梁連接處的路堤一直是鐵路路基的一個薄弱環(huán)節(jié)，由于路基與橋梁剛度差別很大，一方面引起軌道剛度的變化，另一方面，路基與橋臺的沉降也不一致，在橋路過渡點附近極易產(chǎn)生沉降差，導致軌面發(fā)生彎折。當列車高速通過時，必然會增加列車與