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、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；能抵抗道殖压入基床土 中，防止道磴陷槽等病害的形成；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)=1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。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

2、止发生翻浆冒泥等病 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、 无殖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 的是德国无磴轨道的线路结构，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、矿確 混凝土、填土、道磴等。日本在基床表层的表面铺 设一层5cm厚的沥青混凝土，德国在有確线路基床 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

3、的承载层或持力层，因此基床表层的 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 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：1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

4、变形控制在 一定范围之内；4mm23防止道磴压入基床及基床土进入道磴层；4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；5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0 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o(1)动强度控制法确定作用于路基其基本出发点是列车荷载通过基床表层扩散后

5、，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： 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。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，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

6、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。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，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06的折减系数来替代。当基床土的压实系数能够 达

7、到100%,则基床表层厚度约需0.6m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,将引起道確的侧向流动, 从而加速线路状态的恶

8、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) o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180MPa,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. 7mo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

9、降水的排出，基床表层和基床底层顶面都 应设置4%的横坡。V1 + w2 + n x q3 - m式中Po为荷载强度；m = ； i = y; 9 =豊。So 荷载中心点处的下沉量;2a荷载的长边；2b荷载的短边；Po荷载强度,路基面应力; “一泊桑比，通常取03;h基床表层厚度；E,基床衷层的变形模量； Ez基床下层的变形模量。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

10、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，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釆用（1）级配砂砾石=1 各种砂砾石是欧洲铁路

11、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， 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

12、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多时，应掺入部分合格的材 料。为了防止道磴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 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35 砂砾石的级配范围级配 编号通过筛孔质量百分率（）5040302010520.50.075110090 10065 8545-7030-5515-3510-20

13、4-10210090-10075 9550 7030 5515 351020410310085 10060-8030-5015 3010 2028（2）级配碎石级配碎石是我国高等级公路上普遍釆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36 碎石的级配范

14、围级配编号通过筛孔质量百分率（）50403025201552.50.50-075110090-10060*9030-6520-5010 30210210095 10060-9030-6520-5010-30210310095 10055-8530-6520 5010-30210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 足几V4血；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，有机物含量不得超过2%；坚硬、耐磨、耐 久，磨耗率W30%（洛杉矶磨耗率）；碎石比重 2. 45,吸水量W3.0%。4.基床表层结

15、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，日本釆用了沥青混凝 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，在使用级配砂三1-1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，

16、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，至少要小于WWso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 床底层部分釆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Zj O表37 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(MPa/m)孔隙率力(%)级配砂砾石0.7M19019018路堤级配碎石0. 55M190130110130M150压实系

17、数尿M0. 95孔隙率刀(%)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重型击实试验一一最优含水量与最大干密土样制备：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

18、，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 CBR改良土由于添加固化剂后所发生的固化反应是随时间的延续逐渐进行的,其强度 也是逐渐增长的，所以我国规范中规定改良土试件从试模中脱出并称量后，一般应立即放入密封湿气箱和恒温室内进行保温保湿养生，整个养生期间的温度应保 持202C；养生的最后1天，应将试件浸泡在水中，水的深度应使水面在试件 顶上约2. 5cm；在整个养生期间，试件的垂量损失根据其尺寸的不同，不得超过 相应的规定值（如t）50mm X 50

19、mm试件不得超过lg）（叭 浸水养生的目的主要是考虑到实际工程中自然条件下水对改良土强度的影响。43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。44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

20、生期满后，将试件 取出，称重量尺寸，而后放入202C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过5%.4. 5干湿循环试验内一般参照美国ASTM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，D 559-44和AASHO T 136-45 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。47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。