第九章高速重载铁路路基解析Word文件下载.docx
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德国著名的高速铁路专家Eisenmann指出：
铁路路基作为承受轨道和列车荷载的基础，如果选择了合理的刚度，则能明显地影响轮载的分配，可以使轨面的最大支承力减少60%～70%，而且还可改善基床动应力的分布，减弱重复荷载的动力作用，减少列车荷载对线路的不良影响。
第二节高速铁路路基的主要技术标准
一、路肩宽度
路肩虽不直接承受列车荷载，但对保证路基受力部分的稳固十分重要。
高速铁路的路肩宽度除满足一般路基的要求外，还应考虑高速铁路维修机具和维修方式的特点以及在路肩上待避作业人员安全待避限界的要求。
高速铁路虽说是高标准、高质量的线路，但小型维修、紧急补修还是不可避免的，因此仍需考虑临时搁置小型养路机具及零星工具的位置。
高速铁路的区间较长，不能使用轨道摩托车，因此，必要时，路肩宽度还要考虑使用摩托车的需要。
虽说高速铁路是全封闭的，但养护维修人员在列车经过时还是要在路肩上待避的，高速列车经过时会产生较大的风压，直接影响到在路肩上待避的养护维修人员的安全。
关于作业人员的安全待避距离，日、法等国均做过大量试验，日本的试验结果认为，速度为250km/h时距车体0.8m安全的；
法国的试验结果认为，速度为350km/h时距车体1.0m安全的。
由于高速、重载铁路对路堤的填筑密度及强度均有较高要求，为达到要求，必须采用重型碾压机械，为满足施工要求，路肩也应有足够宽度。
此外，路肩宽度还应为路堤下沉与道床边坡坍落留有适当余地。
广深准高速铁路的路肩宽度为：
路堤0.8m，路堑0.6m；
大秦重载铁路的路肩宽度为：
路堤不小于0.8m，或一侧不小于1.0m，另一侧不小于0.6m，路堑不小于0.6m。
我国高速铁路路肩宽度根据行车速度、机车外形等，通过现场试验并参考其他国家的资料确定为：
路堤一侧为1.0m，另一侧为1.4m或两侧均为1.2m；
路堑两侧均为1.0m。
其他国家高速铁路路肩宽度见表3-2。
二、路基面形状及宽度
高速铁路一般为双线，路基面形状一般为三角形，设有由中心向两侧的4%的排水坡。
在曲线地段，路基加宽时，仍保持三角形路基面形状不变。
路基面宽度与轨道类型、正线数目、道床肩宽、边坡以及线间距、路肩宽度等因素有关。
由于高速铁路采用重型轨道结构，加大了线间距和路肩宽度，因此高速铁路路基面宽度较一般铁路宽。
《京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定》要求直线地段的双线路基面宽度，路堤为13.4m，路堑为13.0m，标准横断面如图3-1所示。
曲线地段的高速铁路路基面宽度应根据曲线半径的大小按表3-1进行外侧加宽，加宽值在缓和曲线内渐变。
表3-1曲线地段路基面加宽（m）
曲线半径（m）
曲线外侧加宽值（m）
14000≥R≥11000
0.3
11000≥R≥7000
0.4
7000≥R≥5500
0.5
5500>
R
0.6
广深准高速铁路直线双线地段路基面宽度为：
非渗水土地段路堤宽不小于11.8m，路堑宽不小于11.4m；
渗水土地段路堤宽不小于10.8m，路堑宽不小于10.4m。
其他国家高速铁路双线直线地段的路基面宽度见表3-2。
表3-2国外高速铁路轨道及路基宽度
国别
日本
法国
德国
意大利
线名
项目
东海道
山阳
东北
上越
北陆
东南
大西洋
曼海姆-
斯图加特
汉诺威-
维尔茨堡
罗马-
佛罗伦萨
最高设计速度（km/h）
220
260
300
250
货120客250
最高运营速度（km/h）
210
230
240
270
轴重
15t（100系）
>
12t（300系）
动车
16.8t（250km/h）
拖车
16.0t（250km/h）
机车
21.0t（210km/h）
22.5（120km/h）
动车19.5t
拖车13.5t
12.5t
（ETR450）
18t
（ETR500）
轨道
有碴54%
有碴12%
板式50%
有碴5%
板式90%
有碴1%
板式95%
板式
有碴
钢轨（kg/m）
52～60
60
UIC60
轨枕
长2.4m混凝土枕，1700根/km
长2.3m双块式混凝土枕，1667根/km
长2.6m混凝土枕，1667根/km
长2.6m
混凝土枕
道床
枕下30cm
枕下35cm
线间距（m）
4.2
4.3
4.7
4.0
路基面宽度
（m）
10.7
11.60
11.60（11.20）
13.00
13.50～13.70
11.00,新建线增至13.00
路肩宽度
一侧0.5
另侧1.0
1.20
SES马道外0.9
1.3
安全限界基柱外1.0
三、高速铁路路基的设计荷载
铁路路基面上作用有列车荷载和轨道荷载。
列车荷载和轨道荷载是确定路基本体构造要求的一个重要依据，其大小是按铁路等级和道床结构来确定的。
我国的高速铁路采用有碴轨道结构，其标准与《铁路路基设计规范》（TBJ1-96）中的I级重型轨道相近，钢轨为60kg/m，轨枕为
型混凝土枕，枕长2.6m，1600～1680根/km，道碴厚≥35cm，碴肩宽50cm。
轨道及列车荷载换算的土柱高度及分布宽度如表3-3所示。
表3-3轨道和列车荷载换算土柱高度及分布宽度
列车活载种类
设计轴重（kN）
钢轨（kg/m）
轨枕
（根/km）
道床厚度（m）
道床顶宽（m）
道床坡度
分布宽度（m）
计算高度（m）
填料容重（kN/m3）
18
19
ZK标准荷载
1667
0.35
3.6
1:
1.75
3.4
2.9
2.8
中-22活载
3.2
在高速运行的列车荷载作用下，路基保持长期稳定是保证列车高速运行的基础。
要使路基保持长期稳定，不产生任何危及正常运行的变形，就必须了解列车在运行时通过钢轨、枕木、道床传到路基面的动应力幅值及其频率，以及震动加速度及位移的大小。
在列车荷载作用下，路基动应力的幅值与机车车辆运行情况、线路及其基础状态等有关，受诸多因素的影响（如机车车辆类型、轴重、运行速度、线路结构及状态、线路平面、纵断面、线路平顺情况、钢轨类型、枕木类型及间距、道碴种类及厚度、路基土质及稳定程度等），而无法用简单的数学模型来表达，应采取实测与理论分析相结合的办法来分析。
（一）高速铁路路基设计动应力幅值
作用在轨道上的轮重实际上由两部分组成：
①机车车辆（包括货物）静轴重；
②机车车辆与轨道的相互作用而产生的附加作用力。
前者对于特定的机车车辆是一个常数，后者是与诸多因素有关的一个随机变量。
大量的实测表明，轮轨作用力的大小可以用下述关系式表达：
（3-1）
式中：
P0——静轮重；
β——动力影响系数，与机车车辆和轨道的平顺性、轨道结构类型及货物偏载等因
素有关；
——速度影响系数，与列车运行速度有关；
——列车运行速度。
确定路基设计动应力幅值的方法有两种。
一种是在高速条件下进行动应力实测，另一种是运用计算机模拟计算。
由于我国目前还没有高速铁路，因此铁道部科学研究院分别在其环形试验基地和广深准高速铁路上进行了实测，然后利用计算机进行动力有限元分析，将车辆简化为一个转向架，轨道、轨枕、道床、路基分别用弹簧、阻尼来模拟，计算机车通过高速铁路所允许的线路不平顺（如三角坑、错台等）对轨道产生的动应力，最后提出如下路基设计动应力幅值计算式：
（3-2）
——速度影响系数，高速铁路无缝线路
＝0.003，准高速铁路无缝线路
=0.004；
P——机车车辆的静轴重（t）；
dl——路基设计动应力幅值（kPa）；
——列车运行速度，对于高速铁路，
速度在300km/h以内时以实际速度计，超过300km/h时按300km/h计（图3-2）。
（二）作用在路基面上的动应力
在高速铁路路基的设计中，不仅需要知道列车荷载通过钢轨、轨枕、道碴传递到路基面的绝对数值的大小，还需要了解其在路基面上是如何分布的。
大量的应力曲线表明，动应力在线路纵向路基面上的分布如图3-3所示，图中
为车轮正下方路基面的应力值。
如沿线路纵向距该车轮L处路基面应力衰减为零，则L即为扩散距离。
车轮正下方路基面动应力最大值和最大值与沿线路纵向扩散距离L之比存在线性关系，其关系式如下：
（3-3）
式中:
的单位为kPa，L的单位为cm。
（三）高速铁路路基设计荷载图形
当高速铁路的设计速度为350km/h，最大轴重为220kN时，根据式（3-2）可求出设计动应力幅值为100kPa，在路基面上的分布面积为260cm
280cm，如图3-4所示。
（四）动应力沿深度的衰减
动应力沿深度的衰减可从两个方面进行探讨。
一是实测，二是理论计算，两者各有优缺点。
前者由于受测试设备、埋设传感器的边界条件等影响，数值较离散，加之深处测试也较困难，因此大多采用后者。
在理论计算中虽作了一些假设，会造成计算结果与实际有所出入，
但对于路基填土设计而言，这样的精度是可以接受的。
理论计算一般都采用布辛纳斯克（Boussinesq）理论。
如图3-5所示，在长方形均布荷载作用下，荷载中心下深度Z处的垂直应力可用下式计算：
（3-4）
PO为荷载强度，m＝a/b，n=z/b。
如果长方形的长与宽如图3-5所示，则动应力沿深度的衰减可按式（3-4）计算，只是需要考虑基床表层与基床底层的模量差异。
计算结果见图3-6所示。
四、路堤边坡坡度
综合各国高速铁路路基横断面来看，虽然迄今为止路堑外形变化不大，路堤则逐渐演变成多级平台型，改变在路堤坡面上设变坡点的做法，在坡面上加设平台，这样做可以减少雨水对路堤坡面的冲刷，并增强边坡的稳定性。
由于高速铁路路堤一般均采用较好的填料，因此世界各国高速铁路路堤的边坡坡度基本上都比较接近。
表3-4列出了几个国家高速铁路路堤边坡的有关规定。
我国广深准高速铁路的路堤边坡坡度：
填土高度小于6m时为1:
1.5，填土高度大于6m时，在6m处设一1.5m的平台，其下边坡坡度为1:
1.75。
表3-4几个国家高速铁路路堤边坡坡度
国家
填料
堤高（m）
边坡坡度
附注
粒径范围宽分布均匀的砂石
粒径范围分布较窄的砂石
级配不好的砂
0～12
1.5
1.7
2.0
粗细粒混合土，含黏土、砂、砾
0～6
6～9
9～12
1.6
1.8
0～9
9～15
＞15
1：
2.3
路肩以下3m设平台，以下每隔6m设平台，平台宽1.5m
国际铁路联盟
可作填料的土
1.5～1:
摩擦角大的填石
1.0～1:
1.25
为进一步提高路堤安全储备，《京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定》建议的路堤边坡坡度如表3-5所示。
表3-5我国高速铁路路堤边坡坡度
填料种类
边坡高度（m）
一般细粒土
0～8
8～12
超过12m时于12处设边坡平台，宽2m。
平台以下边坡坡度1:
碎石土、卵石土、粗粒土
（细砂、粉砂、黏砂除外）
12～20
超过20m时于20处设边坡平台，宽2m。
2.0。
五、路堤的地基条件
现代铁路修筑经验表明，支承路堤的地基不允许发生基底破坏，也不允许发生不能满足使用要求的过大沉降。
路堤的以往设计标准，只考虑强度要求，而对变形的要求没有给予重视。
我国铁路路基下沉的病害，除因填土质量和密实度不够造成外，也有不少是因地基变形所引起的。
由于高速铁路对轨道与路基的变形均有严格的要求，因此它对路堤的地基除有强度要求外，还有变形条件的要求。
日本东海道新干线建成后，由于软土地基的沉降，造成轨道状态不良，行车速度不能达到设计要求。
吸取东海道新干线的教训后，日本国铁对路堤的地基条件提出了要求，如表3-6所示。
表3-6日本新干线路堤要求的地基条件
区分
细分区
支承路堤的地基条件
基岩
无条件
土层
洪积层
砾粒土
砂粒土
细粒土
火山灰质黏粒土
N≥3
冲积层
N≤10，地震时无液化层
N≥4时无条件
4≥N≥2，厚度≤3m
N＜2，厚度≤2m
注：
1．N为标准贯入试验的贯入击数；
2．支承路基的地基深度方向是指由地表面起至约为路基宽度的2倍（以25m为限）的深度范围。
当地基不符合要求时应采取有效的措施进行加固以减少后期沉降。
除日本国铁外，许多国家也对路堤（尤其是低路堤）的基底强度和土质提出了较高的要求，不符合要求者要采取措施进行加固处理。
前联邦德国在地基条件差的地方修筑新线路基时，要求采用各种加固措施，如振动捣固、化学加固、换土、砂桩等。
日本国铁同时还规定，对于路堑及低路堤，除应满足上述要求外，施工路基面以下3.0m范围内不得夹杂N值小于4的软弱冲积细粒土。
当不满足上述条件时，应对地基进行改良。
我国现行《铁路路基设计规范》中没有明确提出路堤的地基条件。
大秦重载铁路首次提出对地基的要求，如表3-7所示。
当地基不符合上列条件时，应采取措施对地基进行处理。
广深准高速铁路对深度为1.5倍路堤宽度范围内的地基要求如表3-8所示。
《京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定》提出，高速铁路路堤基底以下25m范围内的地基必须满足表3-9的要求。
在此情况下一般不作沉降检算。
但对于黏性土地基，则应根据路堤高度作工后的沉降量计算。
当工后的沉降量超过允许值（一般地段不应大于10cm，桥台台尾过渡段不应大于5cm）时，需采取加固措施。
对于高度小于3.0m的路堤，除需满足表3-9要求外，还需满足基床的要求。
同时，基床范围内应无软弱土夹层（即Ps＜1.5MPa或[σ]＜0.18MPa的土层），否则应对地基进行改良或加固。
表3-7大秦铁路路堤要求的地基条件
地层及土质
可作为路堤地基的必要条件
基岩
洪、冲积层土
砾、砂、低塑性细粒土
高塑性细粒土
Ps>
1.0MPa或N>
3
1．Ps为静力触探端阻；
2．N为标准贯入试验的贯入击数
表3-8广深准高速铁路路堤要求的地基条件
地基条件
砾、砂
低塑性细粒土
1MPa或N>
砾
砂
Ps≥5MPa或N≥10且无液化危险
4
1MPa>
Ps≥0.6MPa或4≥N≥2，但厚度小于3m
Ps<
0.6MPa或N<
2，但厚度小于2m，且可保证稳定
表3-9高速铁路路堤要求的地基条件
岩土类别
土石名称
路基地基条件
各类岩石
碎石类土
块石土、碎石土、卵石土、圆砾土、角砾土
砂类土
砾砂、粗砂
中砂、粉细砂
5MPa或N>
10
黏性土
（细粒土）
Q3砂黏土、黏土
Q4砂黏土
1．0MPa≥Ps≥0.8MPa或4≥N≥2
Q5砂黏土
0.8MPa或N<
2
第三节高速铁路路基基床及过渡段
一、高速铁路路基基床
基床是路基上部受列车动荷载作用和自然因素影响较大的部分。
它是轨道的基础，应满
足以下三方面的要求：
1．强度要求。
基床的强度应足够承受列车荷载产生的动应力的作用，防止道碴压入基床，以杜绝道碴陷坑和翻浆冒泥的产生。
2．刚度要求。
在列车荷载作用下，弹性变形和累计塑性变形要小。
同时，还应具备一定的弹性以减弱轮轨动力作用。
3．排水及水稳定性要求。
基床应具备良好的排水性和水稳定性，以防雨水浸入和因水的浸入而使基床软化。
（一）基床的结构形式
高速重载铁路路基基床一般由表层和底层两层组成。
有的国家针对填料、气候和轨道条件，将基床表层再细分成两层或多层，每层使用不同的材料。
最典型的是德国的无碴轨道结构，如图3-7所示，在其轨底至填土间由钢筋混凝土连续板、混凝土绝热层及支持层、素混凝土和矿渣混凝土四层组成。
日本在基床表层上铺设5cm厚的沥青混凝土。
德国的有碴轨道结构在基床和道床间加设混凝土板和过滤层。
我国京沪高速铁路、秦沈客运专线、广深准高速铁路和大秦重载铁路均采用双层结构，即由基床表层和底层组成。
（二）基床厚度
列车动应力由轨道、道床传至路基并随深度的增加而逐渐衰减。
一般将动应力影响较大的部分定义为基床。
压实土的动三轴试验表明，当动静应力比在0.2以下时，加载10万次产生的累计塑性变形的应变在0.2%以下，而且很快达到稳定。
如果动静应力比小于0.1，动荷载的影响就相当小了。
因此，一般将动静应力比为0.1或0.2作为确定基床厚度的依据。
考虑到高速铁路路基基床部分的填料较好，密实度要求高，一般采用动静应力比0.2作为确定基床厚度的依据。
日本新干线的基床厚度为3.0m。
德国高速铁路路基基床和下部填料较好，能达到较高的密实度，因此，其基床厚度定为2.0m。
京沪高速铁路路基基床厚度为3.0m（表层0.7m，底层2.3m）；
秦沈客运专线基床厚度为2.5m（表层0.5～0.7m，底层1.8～2.0m）；
广深准高速铁路基床厚度为2.5m（表层0.6～0.7m，底层1.8～1.9m）；
大秦重载铁路2.5m（表层0．6m，
底层1.9m）。
二、基床填料及压实标准
由于基床表层和底层受列车动荷载作用和自然因素的影响是不同的，并基于经济上的考虑，基床表层的填料优于基床底层，压实标准也比基床底层的高。
从已建成的高速铁路来看，基床表层使用的材料大致有以下几类：
级配碎石、级配砂砾石和级配高炉炉渣。
我国广深准高速铁路和京沪高速铁路也都采用级配砂砾石和级配碎石作基床表层填料。
基床底层则既可以采用粗粒土、碎石类土也可以采用细粒土作填料。
填料压实标准的控制指标，对于碎石和粗粒土一般用K30、Dr和孔隙率来控制，对于细粒土则用K30、压实系数K和孔隙率来控制。
表3-10、表3-11列出了我国《京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定》和《时速200公里新建铁路线路桥隧站设计暂行规定》给出的基本填料及压实标准。
根据大秦线一期工程铁路路基修建实践，我国制定了重载铁路路基基床填筑标准，如表3-12。
表3-10基床表层填料及压实标准
压实标准
备注
K30（MPa/m）
孔隙率（%）
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