客貨共線鐵路路基基床底層承載力分析

王應(yīng)銘

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

客貨共線鐵路路基的基床總厚度為2.5 m［1］(基床表層厚0.6 m，基床底層厚1.9 m)，基床在路基結(jié)構(gòu)中處于路基結(jié)構(gòu)的最上部，是主要的受力結(jié)構(gòu)。路基基床直接承受著鐵路軌道結(jié)構(gòu)傳遞下來的列車動(dòng)荷載的反復(fù)作用，同時(shí)受溫度、降水、干濕循環(huán)及凍融循環(huán)等因素的影響，其工程特性易受以上因素的影響而發(fā)生變化，個(gè)別甚至?xí)霈F(xiàn)翻漿冒泥等基床病害，對(duì)行車安全和運(yùn)輸效率等產(chǎn)生影響。

為減少基床病害對(duì)鐵路運(yùn)輸產(chǎn)生的影響，減少運(yùn)營(yíng)期間的養(yǎng)護(hù)維修量和費(fèi)用，保證運(yùn)營(yíng)安全，在2005年發(fā)布實(shí)施的《新建時(shí)速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》［2］(鐵建設(shè)函［2005］285 號(hào))、《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)中，根據(jù)多年來的鐵路工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)低路堤、路塹基床底層的靜力觸探比貫入阻力值、天然地基基本承載力大小進(jìn)行了規(guī)定，但設(shè)計(jì)人員在使用上述規(guī)范的過程中提出了疑問，認(rèn)為兩指標(biāo)不完全匹配，并且對(duì)天然地基的承載力要求有點(diǎn)偏高。為落實(shí)該問題，借《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》全面修編的機(jī)會(huì)，想對(duì)基床底層的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探討完善，以使規(guī)范規(guī)定更趨合理。

1 基床標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

1.1 基床標(biāo)準(zhǔn)總體情況

經(jīng)對(duì)《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》、《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)兩標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)基床條文的對(duì)比分析，并結(jié)合具體鐵路項(xiàng)目的實(shí)際設(shè)計(jì)情況，目前基床的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)思路可以歸納如下。

(1)對(duì)路基面高于地面大于2.5 m(基床總厚度)的路堤，由于基床表層和底層全部位于地表以上，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定用合格填料進(jìn)行填筑，合格填料的具體要求和壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)范中有明確的規(guī)定。

(2)對(duì)路基面離地面的高度小于2.5 m(基床總厚度)的低路堤，路堤基床表層的填料類別和密實(shí)度必須滿足規(guī)定要求，基床底層(厚度1.9 m)的部分或全部位于地面以下，規(guī)范對(duì)地面以下部分基床底層范圍的天然地基提出了靜力觸探比貫入阻力ps、天然地基基本承載力σ0兩項(xiàng)判定指標(biāo)，如不滿足該兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，就應(yīng)進(jìn)行換填、改良或加固處理。

(3)土質(zhì)路塹的基床規(guī)定與路基面距地面小于2.5 m(基床總厚度)的低路堤的情況相同。

(4)在《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］中，為節(jié)約投資，對(duì)基床底層的換填厚度進(jìn)行了適當(dāng)限制。要求軟土路堤高度不宜小于基床厚度，并強(qiáng)調(diào)強(qiáng)膨脹土(巖)處理厚度應(yīng)大于氣候劇烈影響層且不宜小于基床底層深度外，其余不小于0.5 m或1 m。

1.2 低路堤基床底層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

對(duì)高度小于基床總厚度2.5 m的低路堤，其基床底層厚度范圍內(nèi)的天然地基要滿足以下條件之一。

(1)靜力觸探比貫入阻力Ps值:Ⅰ級(jí)鐵路不得小于1.5 MPa，Ⅱ級(jí)鐵路不得小于1.2 MPa。

(2)天然地基基本承載力σ0:Ⅰ級(jí)鐵路不小于0.18 MPa，Ⅱ級(jí)鐵路不小于0.15 MPa。

1.3 路塹基床底層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

路塹基床底層厚度范圍內(nèi)天然地基要滿足以下條件之一。

(1)靜力觸探比貫入阻力Ps值:Ⅰ級(jí)鐵路不得小于1.2 MPa(時(shí)速200 km為1.5 MPa)，Ⅱ級(jí)鐵路不得小于1.0 MPa。

(2)天然地基基本承載力σ0:Ⅰ級(jí)鐵路不小于0.15 MPa(時(shí)速200 km為0.18 MPa)，Ⅱ級(jí)鐵路不得小于0.12 MPa。

1.4 路基基床底層處理判定標(biāo)準(zhǔn)匯總及問題

現(xiàn)行基床底層換填等處理的判定標(biāo)準(zhǔn)匯總見表1。

表1 基床底層處理判定標(biāo)準(zhǔn)匯總

按照《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB10018—2003)所列出的天然地基基本承載力σ0與比貫入阻力ps的關(guān)系式進(jìn)行試算發(fā)現(xiàn):現(xiàn)行規(guī)定中的σ0與ps兩值的關(guān)系接近《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》所列黏性土(Q4)、軟土的關(guān)系式，但規(guī)程規(guī)定軟土的關(guān)系式對(duì)應(yīng)的ps值域?yàn)閜s=85～800 kPa，因此可視為原規(guī)定只針對(duì)黏性土(Q4)，其數(shù)值關(guān)系為σ0=5.8－46，按此式進(jìn)行反算發(fā)現(xiàn):當(dāng)σ0=120 kPa時(shí)，其對(duì)應(yīng)的ps=820 kPa，該值小于現(xiàn)行規(guī)定值ps=1.0 MPa，其余均滿足公式要求。此外，從表1中看出現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)路堤基床底層的規(guī)定高于路塹。

2 基床底層標(biāo)準(zhǔn)修改的設(shè)想

在《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》全面修編中，有必要對(duì)以下兩種判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。

(1)天然地基基本承載力σ0判定指標(biāo)

保留天然地基基本承載力σ0判定指標(biāo)，取消靜力觸探比貫入阻力Ps，并對(duì)天然地基基本承載力σ0的具體值進(jìn)行計(jì)算重新核對(duì)。

(2)用基床底層范圍內(nèi)的天然土質(zhì)、密實(shí)度滿足規(guī)范要求作為判定標(biāo)準(zhǔn)

比照基床表層的規(guī)定，基床底層范圍內(nèi)的所有填料類別和壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該滿足規(guī)范要求，不滿足時(shí)應(yīng)全部采用換填等處理措施。采用該標(biāo)準(zhǔn)可以徹底解決基床病害問題，但會(huì)增加一定的工程投資。

3 基床底層基本承載力計(jì)算確定

3.1 列車荷載(圖1)

圖1 “中—活載”圖式(單位:m)

3.1.1 v≤120 km/h客貨共線鐵路輪荷載

《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］規(guī)定，車輪動(dòng)荷載以當(dāng)量靜荷載最大可能值表達(dá)，直線地段垂直當(dāng)量靜荷載按下式計(jì)算

式中 Q——車輪作用于鋼軌上的垂直當(dāng)量靜荷載，kN;

P0——靜輪重，kN;

v——行車速度，km/h;

α——速度系數(shù)，α=0.6v/100。

3.1.2 120 km/h＜v≤160 km/h客貨共線鐵路輪荷載

式中 Q——車輪作用于鋼軌上的垂直當(dāng)量靜荷載，kN;

P0——靜輪重，kN;

v——行車速度，km/h;

α，α1——速度系數(shù)，α=0.6v/100，α1=0.3Δv1/100。

3.1.3 v=200 km/h客貨共線鐵路輪荷載

《預(yù)應(yīng)力混凝土枕設(shè)計(jì)方法》按下式計(jì)算Ⅲ型軌枕上的動(dòng)壓力

式中 Q——車輪作用于鋼軌上的垂直當(dāng)量靜荷載，kN;

P0——設(shè)計(jì)軸重;

α——綜合動(dòng)載系數(shù)，重載軌道取1.5。

3.1.4 德國(guó)鐵路最大輪荷載

《鐵路土工建筑物手冊(cè)》［5］介紹的德國(guó)鐵路最大輪荷載計(jì)算式為

式中 Q——考慮車輪在曲線上運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生附加荷載后的單輪荷載Q=1.2Qstat，kN;

Qstat——單輪靜荷載，kN;

S*——上部建筑的狀態(tài)、行車速度影響系數(shù)S*=nφ

n——上部建筑和軌道質(zhì)量的差異系數(shù):n=0.10(很好)，n=0.20(好)，n=0.30(中等);

φ——速度系數(shù)，取決于列車的速度和列車的類型，見表2。

表2 速度系數(shù)φ

3.2 軌枕底部壓力分布

王其昌主編的《高速鐵路土木工程》［6］介紹的荷載分擔(dān)情況見圖2，對(duì)v=200 km/h客貨共線鐵路車輪正下方的軌枕分擔(dān)荷載大于0.4Q，為0.48Q。

圖2 荷載分擔(dān)示意(單位:m)

軌枕底部壓力分布見圖3。

圖3 枕底壓力分布

3.3 路基基床范圍的承載力計(jì)算結(jié)果

按以上所述計(jì)算出不同行車速度對(duì)應(yīng)的軌枕底部的動(dòng)壓力，然后采用布辛尼斯克(Boussinesq)法算出軌枕底部動(dòng)壓力傳至基床底層頂面、頂面下0.5、1.0 m及其底面處的動(dòng)壓力σd，再計(jì)算出鋼軌、軌枕、道砟及填土自重在基床底層頂面、頂面下0.5、1.0 m及其底面處產(chǎn)生的靜壓力σj，將動(dòng)應(yīng)力σd的2倍(根據(jù)有關(guān)資料介紹，動(dòng)強(qiáng)度約為靜強(qiáng)度的50% ～60%)與靜壓力σj之和作為最小承載力特征值σ0≥2σd+σj，其計(jì)算結(jié)果見表3。

3.4 擬采用的基床底層天然地基承載力新標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果重新確定的基床底層天然地基承載力新標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表3 基床底層最小承載力特征值計(jì)算結(jié)果 kPa

表4 基床底層天然地基基本承載力σ0控制新標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

(1)對(duì)低路堤和路塹的基床底層天然地基基本承載力計(jì)算方法進(jìn)行了探討，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)既有標(biāo)準(zhǔn)提出了具體修改意見。

(2)200 km/h基床底層表面處基本承載力應(yīng)滿足σ0≥180 kPa，120 ～160 km/h 應(yīng)滿足 σ0≥150 kPa。基床底層換填0.5 m處的基本承載力應(yīng)滿足σ0≥110 kPa，120 ～160 km/h 應(yīng)滿足 σ0≥100 kPa。

(3)具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，要應(yīng)盡量使路堤高度不小于路基基床總厚度2.5 m，以確?；蔡幱谟欣奈恢?，同時(shí)可節(jié)省一些不必要的處理費(fèi)用。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10001—2005，鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)函［2005］285號(hào) 新建時(shí)速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10082—2005 鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10082—2005 鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［5］Prof.Dr.－Ing.habil.claus G?bel，Prof.Dr－Ing.Klaus Lieberenz.鐵路土工建筑物手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

［6］王其昌.高速鐵路土木工程［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2000.