专题二高速铁路路基基床.docx

1、专题二高速铁路路基基床高速铁路路基基床一、基床的作用与结构1.基床的作用基床是铁路路基最重要的关键部位，其作用主要有三个方面： (1)强度：应有足够的强度以抵抗列车荷载产生的动应力而不致破坏；能抵抗道碴压入基床土中，防止道碴陷槽等病害的形成；在路基填筑阶段能承受重型施工车辆走行而不形成印坑，以免留下隐患。 (2)刚度：在列车荷载的重复作用下，塑性累积变形很小，避免形成过大的不均匀下沉而造成轨道的不平顺，增加养护维修的困难；在列车高速行驶时，基床的弹性变形应满足高速走行的安全性和舒适性要求，同时还能保障道床的稳固。 (3)排水防渗：必须具备良好的排水性,以防止雨水浸入造成路基土软化，防止发生翻浆

2、冒泥等病害的发生。(4)在可能发生冻害的地区，还有防冻等特殊作用。2.基床的结构 一般情况，高速铁路路基基床是由基床表层和底层组成的两层结构。有的国家针对填料、气候、无碴轨道等不同线路情况，将基床表层再细分成两层或多层结构，每层使用不同材料或结构。最典型的是德国无碴轨道的线路结构，包括钢筋混凝土板连续板、混凝土绝热层和支持层、素混凝土、矿碴混凝土、填土、道碴等。日本在基床表层的表面铺设一层5cm厚的沥青混凝土，德国在有碴线路基床表层加设一层混凝土板和过滤层。我国的京沪高速铁路路基基床采用两层结构。 二、基床表层设计 基床表层是路基直接承受列车荷载的部分，又常被称为路基的承载层或持力层，因此基床

3、表层的设计是路基设计中最重要的部分。自20世纪50年代末日本开始研究东海道新干线路基以来，主要是研究强化的基床表层的设计及施工问题。在此之前，日本铁路并无基床表层。70年代，欧盟为了减少路基病害，提高路基适应大运量、高速度的运输需求，对路基上部的受力条件、结构、材料等方面进行了深入的研究。法国在制定TGV线路技术标准前以及德国在建设高速铁路时，都对基床表层进行了比较深入研究。 1.基床表层的作用 基床表层是铁路路基最重要的组成部分，是轨道的直接基础，担负着重要使命。基床表层的作用大致有以下几点： 增加线路强度，使路基更加坚固、稳定，并具有一定的刚度，使列车通过时的弹性变形控制在一定范围之内；

4、4mm 扩散作用到基床底层顶面上的动应力，使其不超出基床底层填料的临界动应力； 防止道碴压入基床及基床土进入道碴层； 防止雨水浸入基床使基床土软化，发生翻浆冒泥等基床病害，并保证基床肩部表面不被雨水冲刷； 防冻等。 实践表明，基床表层的优劣对轨道变形影响很大。不良基床表层引起的轨道变形是良好基床表层的几倍，而且其差距还随速度的提高而增大。这说明高速铁路设置一个良好基床表层是必不可少的。因此，需要对基床表层厚度、填料、结构及压实标准等多方面进行精心设计。2.基床表层厚度 基床表层厚度的确定是由变形控制因素决定的。计算方法有动强度控制法和弹性变形控制法两种。(1）动强度控制法 动强度控制法以作用在

5、基床底层表面上的动应力不超过基床底层填料的临界动应力为控制条件。其基本出发点是列车荷载通过基床表层扩散后，传递到基床底层顶面的动应力必须小于其填料的临界动应力。该方法的主要内容是：确定作用于路基面上的设计动应力幅值大小；确定路基基床底层填料的临界动应力。3-14 基床表层厚度的确定 填料的临界动应力可通过动三轴试验确定，其大小与填料的种类、密实度、含水量及围压大小、荷载的作用频率等紧密相关。试验结果表明，由散体材料组成的弹塑性土体在重复荷载的每一次加、卸载作用下都要产生不可恢复的塑性变形，塑性变形随重复次数的增加而累积。对于路基填土而言，存在一个特定的临界动应力，当实际动应力小于临界动应力时，

6、塑性变形随重复作用次数的增加而累积，但塑性变形速率则是随重复次数的增加而减少，最后塑性变形趋向稳定。当实际动应力大于临界动应力时，填料的累计塑性变形随重复作用次数的增加而增加，且变形速率加快，最后因变形过大而失稳。 图3-15 基床容许弹性变形值图 3-16 满足变形条件的基床表层厚度与 基床表层、基床底层填料变形模量的关系临界动应力也是动强度的反映，通过不同的围压试验，可以求得土的动强度指标，试验结果表明，动强度约为静强度的5060%。如果把荷载动应力沿深度的衰减曲线与路基土动强度随深度增加的曲线叠加同一张图上，它们的交点则表示所要求的基床表层深度，如图3-14所示。在此交点以上的基床范围，

7、荷载的动应力大于土的临界动应力，需要进行加固处理或换填优质填料，以提高临界动应力。这就是基床表层厚度的确定原则。由于确定土的临界动应力的试验工作量很大，常用静强度乘以0.6的折减系数来替代。当基床土的压实系数能够达到100%，则基床表层厚度约需0.6 m左右。如果压实系数只能达到95%，则需要基床表层厚度在0.8 m以上。（2）弹性变形控制法 弹性变形控制法是日本铁路在设计强化路基及床表层时提出的。日本强化路基基床表层是沥青混凝土，厚5cm。参照公路沥青混凝土路面设计，路面回弹变形折角不应大于2.5，故根据日本铁路基床荷载分布情况(图3-15)，应控制基床表层弹性变形不应大于2.5mm，否则沥

8、青混凝土面层将开裂，影响基床表层的特性。 对于非沥青混凝土表面的基床表层，弹性变形控制法同样适用。许多现场调查资料表明，若基床表面的弹性变形大于4mm，将引起道碴的侧向流动，从而加速线路状态的恶化。因此，有关研究提出将3.5mm作为京沪高速铁路路基基床表层的弹性变形控制值。 根据Boussinesq理论，长方形均布荷载作用在双层弹性地基(基床表层和基床底层)上，均布荷载中心点的沉降可用公式(3-4)计算。 根据公式(3-4)就可以算出在不同基床底层填料回弹模量和基床表层材料回弹模量的基础上，满足路基变形条件的基床表层厚度(图3-16)。我国铁道部科学研究院研究表明,基床表层材料的回弹模量取为1

9、80MPa，基床底层填土模量采用30 MPa时，需要的基床表层厚度约为0.7m。 综合强度控制与变形控制两方面的计算结果，京沪高速铁路路基基床表层的厚度取为0.7m。为有利于自然降水的排出，基床表层和基床底层顶面都应设置4%的横坡。 3.基床表层填料 从日、法、德三国和我国铁路以前进行的少量强化基床的试验研究来看，基床表层使用的材料大致有以下几类：级配砂砾石、级配碎石，级配矿物颗粒材料（高炉炉渣）和各种结合料（如石灰、水泥等）的稳定土。 级配矿物颗粒材料，特别是水硬性的级配高炉炉渣是很好的基床表层材料。它的主要成分是氧化钙、二氧化硅、三氧化铝，其成分与水泥的成分相似。施工后很长时间内会继续硬化

10、，承载能力相应提高，这显然是非常有用的。这种材料的无侧限强度在1200kPa以上，弹性模量在300MPa以上。但也有一些不利的地方。它必须以炼铁厂为中心进行再加工，对矿渣碎石的品质要求高，否则水硬性的特点就得不到发挥。矿渣碎石对施工工艺要求严格，使用不当时，其含有的硫化钙、氧化钙还会污染环境。这种材料在日本已大量使用，欧洲也有少量使用，我国铁路还很少用。从我国现有的施工条件来看，采用这类材料难度较大。我国高速铁路路基基床表层填料采用级配砂砾石和级配碎石。（1）级配砂砾石各种砂砾石是欧洲铁路基床表层普遍使用的材料，我国公路上也已大量使用。它是用粒径大小不同的粗、细砾石集料和砂各占一定比例的混合料

11、，其颗粒组成符合密实级配要求，其中包括一部分塑性指数较高的黏土填充孔隙并起粘结作用，经压实后形成密实结构。其强度的形成是靠集料间的摩擦力和细粒土的粘结力。公路部门的经验表明，只要保证组成材料质量，使混合料具有良好级配，并控制好细粒土的含水量及塑性指数，在施工过程中将混合料搅拌均匀，在最佳含水量下压实，达到要求的压实度，就能形成较高的力学强度和一定的水稳性。 作为高速铁路路基基床表层材料的级配砂砾石的颗粒粒径、级配应符合表3-5要求。级配曲线应接近圆滑，某种尺寸的粒径不应过多或过少。为了提高承载能力，还要求颗粒中扁平及细长颗粒含量不超过20%，黏土团及有机物含量不超过2%。形状不合格的颗粒含量过

12、多时，应掺入部分合格的材料。为了防止道碴嵌入或基床底层填料进入基床表层，级配砂砾石与上部道床及下部填土之间应满足D154d85。当与基床底层填料之间不能满足该要求时，基床表层应采用颗粒级配不同的两层结构，或在基床底层表面铺设土工合成材料。粒径小于0.5mm的细集料的液限应小于28%，其塑性指数应小于6。表3-5 砂砾石的级配范围（2）级配碎石级配碎石是我国高等级公路上普遍采用的用作路基基层的填料。它是由粒径大小不同的粗、细碎石集料和石屑各占一定比例的混合料，并且其颗粒组成符合密实级配要求。级配碎石可由未筛分碎石和石屑组配成。未筛分碎石是指控制最大粒径(仅过一个规定筛孔的筛)后，由碎石机轧制的未

13、经筛分的碎石料。它的理论粒径组成为050 mm，并且具有较好的级配，可直接用作高速铁路基床表层填料。石屑是指实际颗粒组成常为010 mm的筛余料，并具有良好的级配。 表3-6 碎石的级配范围级配碎石的颗粒粒径、级配范围如表3-6所示。要求： 级配碎石与上部道床碎石及下部填土之间应满足D154d85；针状，片状碎石含量不大于20%；质软，易破碎的碎石含量不得超过10%；材料必须清洁，泥及有机物含量不得超过2%；坚硬、耐磨、耐久，磨耗率30%(洛杉矶磨耗率)；碎石比重2.45，吸水量3.0%。 4.基床表层结构 高速铁路路基基床表层一般均由两层结构组成，日本、德国、法国、西班牙均如此。上层大多要求

14、填料变形模量大，渗透系数小。但这两个要求的统一是较难满足的。因此，日本采用了沥青混凝土，它可以满足这些要求。由于基床表层接近轨道，受较大动荷载作用，即使在厚度不足1 m的范围内，上下部分产生的动应变也有相当大的差距，上层受到的动应变比下层要大得多。因此，在使用级配砂砾石的国家，一般都把基床表层分成上下两部分。上层较薄，大多为0.20.3 m，要求变形模量高，有时还对颗粒的耐磨性提出要求，因此在选用砂石料时应采用石英质母岩。其次，为了提高该层的刚度，颗粒的最大粒径可适当提高，粗颗粒含量增加。下层的作用偏重于保护，颗粒粒径应与基床底层填料匹配，使基床底层填料不能进入基床表层，同时要求渗透系数小，至

15、少要小于10-4m/s。如果不得已，只能采用经改良的黏性土作为基床底层填料时，需考虑在基床表层的底面铺设土工合成材料。如果基床底层部分采用粗颗粒渗水性填料，则不仅基床表层厚度可以减小，而且可以考虑采用一层。 5. 基床表层压实标准高速铁路路基基床表层的压实标准如表3-7所示。表3-7 高速铁路路基基床表层的压实标准填 料厚度（m）压 实 标 准注地基系数K30（MPa/m）孔隙率n（%）级配砂砾石0.719018级配碎石0.719018路堤级配碎石0.5519018当为软质岩、强风化的硬质岩及土质路堑时中粗砂0.1513018 三、基床底层设计 1、高速铁路路基基床底层填料只能使用A、B组填料

16、或改良土。 2、高速铁路路基基床底层压实标准如表3-8所示。表3-8 高速铁路基床底层的压实标准填 料厚度（m）压实标准细粒土粗粒土碎石类A、B组填料及改良土2.3地基系数K30（MPa/m）110130150压实系数Kh0.95孔隙率n（%）28283、填料改良 CFG3.1 物理改良目的：对填料的颗粒组成及级配进行改善，即在一种填料种掺入另一种填料，拌合均匀后使其级配改善，成为物理力学性质有所提高的新填料。途径：掺入粗粒料（中粗砂），改善其级配条件；掺入较细颗粒（粘粒），通过提高其粘粉比增强其强度指标。3.2 化学改良通过对填料加入掺入料，促使土与掺入料之间发生化学作用，从而使土的结构与性

17、质发生较大的变化。掺入料为石灰、水泥、粉煤灰、土壤固化剂及其他有机及无机材料。4改良土的物理性质 4.1重型击实试验最优含水量与最大干密度 土样制备：对于水泥土，按不同含水量配土后浸润一昼夜，于试验前加入掺合料，立即拌合均匀，完成土样制备，击实试验应在加入掺合料后4小时以内完成。对于石灰土，先将掺合料加入土中拌匀然后加水配土至一定含水量，浸润一昼夜后方可进行试验。 4.2无侧限抗压强度试验 CBR4.3改良上的渗透性 渗透试验采用南55型渗透仪装置，按变水头法对土部分配比改良土试件进行了渗透系数测定。试件养生龄期28天。4.4改良土的水稳性 改良土的水稳性，也称耐水性，是指其遇水时的稳定性及抵

18、抗因水分侵蚀而产生破坏的能力。进行水稳性试验主要是由于干湿循环和抗冻性试验中均有浸水的过程，通过水稳性试验一方面可粗略比较素土和改良土水稳性的优劣，另一方面可以初步判断干湿循环和抗冻性试验能否顺利进行。 改良土水稳性试验的主要步骤是： （1）按无侧限压强度试验方法备料和制件。 （2）7d保温保湿不浸水养生期满后，将试件取出，称重量尺寸，而后放入202水中浸泡，水深应没过试件2.5cm以上，记录试件浸水后的试验现象。若试件浸水后，较短的时间内在水中散解，则记录其散解时问，并停止试验。 (3）每浸水7d将试件取出，称重、量尺寸，计录其变化情况，而后继续浸水,直至达到预定的浸水期限或试件的重量损失超

19、过5. 4.5干湿循环试验 改良土的耐干湿循环能力是指其抵抗自然环境中水分变化产生破坏的能力.它是改良土耐久性最重要的指标之一。目前，国内一般参照美国ASTM D 55944和 AASHO T 13645“压实水泥土干湿试验标准方法”，测定干湿循环造成改良土的重量损失。美国标准规定，经12次干湿循环后，某种改良土的重量损失不能超过规定值，满足要求的改良土中的固化剂掺量即为安全用量。 4.6冻融循环试验 改良土的抗冻性是指其抵抗自然环境中冻融产生破坏的能力，它也是评价改良土耐久性的关键指标之一。4.7改良土的动力特性应用振动三轴仪对改良土分别进行了动强度和动模量试验，得出了各种改良土的临界动应力、动模量、动静比等重要参数，为最优配比设计提供了可靠依据。