有軌電車整體道床路基病害與失效模式分析

杜先照　杜浩

（1.武漢地鐵集團有限公司，湖北武漢430030　2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室上海市201804）

有軌電車整體道床路基病害與失效模式分析

杜先照1杜浩2

（1.武漢地鐵集團有限公司，湖北武漢4300302.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室上海市201804）

對有軌電車整體道床-路基的病害類型及其成因進行了歸納分析，并從土質(zhì)條件、路基含水率、物理力學條件等角度對路基病害的影響因素進行了研究；在對整體道床失效模式分析的基礎(chǔ)上，提出了疲勞荷載作用下支承板底的容許彎拉應(yīng)力建議值。

軌道交通；整體道床；路基；病害；失效模式

1　整體道床路基典型病害

路基病害對線路運營狀態(tài)與行車安全均構(gòu)成影響，因此客觀評價和描述路基病害，并對路基病害進行分級，研究路基病害與整體道床性能之間的關(guān)系是十分必要的。目前，軌道交通中采用整體道床的主要有高速鐵路與地鐵線路兩類，這兩類在軌道交通中的典型路基病害及其對整體道床所構(gòu)成的有害影響，對采用整體道床的有軌電車路基設(shè)計具有一定借鑒價值。圖1所示為某軌道交通整體道床路基結(jié)構(gòu)示意。

圖1　某軌道交通整體道床路基結(jié)構(gòu)示意圖

整體道床路基指支承整體道床結(jié)構(gòu)的換填層、處治土層及原狀土層，在高速鐵路中整體道床板下還會設(shè)置15 cm左右的瀝青或水泥混凝土層。該結(jié)構(gòu)層通常也視為路基結(jié)構(gòu)的一部分。軌道交通中將路基結(jié)構(gòu)分為基層與路基本體兩部分，基層分為上基層與下基層，在高速鐵路中將道床板（支承板）底以下3.0 m范圍視為基床部分，道床板（支承板）下0.7 m范圍視為上基床，基床即可視為高速鐵路的路基工作區(qū)。

對軌道正常運營構(gòu)成影響的病害也基本發(fā)生在基床中，因此基床病害應(yīng)是路基病害的研究重點。依據(jù)既有工程經(jīng)驗，路基病害可分為四大類，即：翻漿冒泥、路基下沉、路基外擠、路基凍害。其中，翻漿冒泥是最為常見的路基病害，尤其在有砟軌道中，無砟軌道中若排水處治不良同樣易出現(xiàn)翻漿冒泥現(xiàn)象。

2　與路基性能有關(guān)的整體道床典型病害

整體道床結(jié)構(gòu)直接鋪設(shè)于路基之上，通常為板與板之間不傳力的自由板，并承受列車動載的反復作用，荷載作用下板底呈現(xiàn)拉應(yīng)力。整體道床剛度大，對路基變形適應(yīng)能力差，路基的永久變形會引起道床板附加應(yīng)力。整體道床病害指在列車動載（疲勞荷載）的作用下，整體道床板出現(xiàn)開裂、掉塊、整體下沉、混凝土松動等問題，導致軌道結(jié)構(gòu)幾何線形發(fā)生改變，列車無法正常運營。整體道床病害主要有以下4種類型。

（1）下沉變形

在列車重復荷載作用下，道床板整體或局部出現(xiàn)下沉。當一塊道床板整體下沉時，會與相鄰道床板形成高度差，繼而引起軌道不平順或軌道附加應(yīng)力；當?shù)来舶寰植肯鲁習r，可導致道床板傾斜，改變軌道結(jié)構(gòu)的幾何線形。路基永久變形是引起道床板下沉變形的主要原因，路基塑性累積變形、路基震陷、路基翻漿冒泥、填料不良、地基不良等均引起路基永久變形，特別是基床性能對路基永久變形具有至關(guān)重要的影響。

提高路基抵抗塑性累積變形能力，有效控制路基含水率，減少大氣降水滲入路基，是控制道床板下沉變形的主要方法。其中，路基塑性累積變形的影響因素眾多，既有研究成果表明，提高路基壓實度、降低路基含水率、選用級配良好填料是減少路基塑性累積變形的有效手段［1-3］。

地下水與大氣降水是影響路基性能，導致道床板下沉的重要因素，應(yīng)合理設(shè)置止水、排水設(shè)施，盡量減少大氣降水滲入路基。路基填料優(yōu)選具有弱毛細作用的填料，以減少因毛細作用引起更多的地下水進入路基。當?shù)叵滤桓撸ǖ叵滤痪嗦坊?.5 m）時，路基底部應(yīng)填筑滲透系數(shù)高，并且水穩(wěn)定性強的材料。

不應(yīng)使用軟土、濕陷性土、鹽漬土、有機土、可液化土等不良巖土作為路基填料，禁止使用上述填料填筑基床。禁止使用強濕陷性土，其它濕陷性土經(jīng)改良后可作為基床表層以外部分填料。

當路塹為不良地質(zhì)時應(yīng)將基床部分進行換填或進行改良，基床以下的濕陷性土應(yīng)設(shè)置隔水防滲措施。當?shù)鼗鶠檐浲?、濕陷性土、鹽漬土、有機土等不良地基時，應(yīng)對地基進行處理，并優(yōu)先采用低填方路基，以控制路基頂沉降。

（2）隆起變形

道床板整體或局部隆起，導致道床板局部上鼓破損或整體隆起。這類病害主要由路基膨脹，或地基出現(xiàn)涌水、泉水等不良地質(zhì)情況引起。

路基膨脹是因為路基填料具有膨脹性，因此在有軌電車整體道床路基中盡量避免采用膨脹土作為路基填料，強膨脹土不能作為路基基床填料。優(yōu)質(zhì)填料匱乏地區(qū)，可使用具有中等或低膨脹性土，改良后用于路基填筑，改良后總脹縮率不超過0.5%。

當路塹為膨脹性巖土，基床范圍內(nèi)應(yīng)進行換填，對地下水發(fā)育、運營期間修復困難的路段應(yīng)加深換填深度0.5～1.0m。邊坡設(shè)計與防護可依據(jù)現(xiàn)行公路路基設(shè)計規(guī)范。

（3）開裂失效

在列車重復荷載作用下，道床板底彎拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度開裂，或道床板邊開裂掉塊，影響道床板的力學性能，無法繼續(xù)為軌道提供有效支承作用。道床板開裂與路基有關(guān)的一部分原因是路基模量低，不能為道床板提供足夠剛度，列車荷載作用下道床板出現(xiàn)過大彎拉變形；另一部分原因是路基出現(xiàn)永久變形，對道床板構(gòu)成附加應(yīng)力。

影響路基模量的因素主要包括以下幾方面：路基填料性質(zhì)、路基壓實度、路基含水率。路基應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)填料，滿足設(shè)計壓實度，有效控制路基含水率。路基永久變形的原因與應(yīng)對方法同引起路基沉降變形的路基永久變形相同，引起道床板開裂失效的路基永久變形是局部的。

（4）道床板受路基腐蝕導致強度降低

路基對道床板的腐蝕來自路基中的自由水與路基土礦物兩方面。這類病害可通過控制路基填料性質(zhì)、減少地下水與道床板接觸等與路基相關(guān)的方法來減少對道床板的腐蝕。

3　整體道床路基病害影響因素

基于前文對整體道床典型病害的分析，與整體道床典型病害相關(guān)的路基病害主要體現(xiàn)為路基變形過大與強度不足兩方面。路基病害防治分析對優(yōu)化整體道床路基設(shè)計方案與提供路基病害整治方案都具有重要意義。不同病害有不同誘因和不同的表現(xiàn)形式，通過分析各病害類型的特點，提出具有針對性的設(shè)計優(yōu)化措施和病害整治技術(shù)，對整體道床路基的設(shè)計與施工均具有重要作用。下面從路基的物理特征入手來分析病害發(fā)生原因，從土質(zhì)、含水率與物理性質(zhì)三方面入手討論防治路基病害的基本要求，從而探尋新型有軌電車路基設(shè)計中應(yīng)采取的指標與標準，以避免路基病害出現(xiàn)。

（1）土質(zhì)條件分析

土質(zhì)條件涵蓋填料種類、粒徑級配、雜質(zhì)含量（有機物、鹽等）以及表征土質(zhì)特性的物理指標。在進行整體道床路基設(shè)計時，應(yīng)首先解決填料種類問題。軌道交通中路基承受振動荷載作用，因此嚴禁采用易液化填料，粉質(zhì)黏土應(yīng)首先進行抗液化能力試驗，合格后才可用于填筑新型有軌電車路基。其它不良土質(zhì)，如有機土、鹽漬土、膨脹土等均不可用于新型有軌電車路基填料。在季凍區(qū)，新型有軌電車路基填料應(yīng)采用非凍融敏感性土，路基填料凍融敏感性分類可依據(jù)美國陸軍工程兵師團的土組凍融敏感性分類系統(tǒng)，如圖2與表1所示［4］。

圖2　土的類型與顆粒尺寸對于土的凍結(jié)敏感性圖［5］

表1　美國陸軍工程師團土組凍融敏感性分類系統(tǒng)［5］

路基結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定剛度與強度，在列車動荷載作用下，確保道床板底彎拉應(yīng)力在允許范圍內(nèi)；路基結(jié)構(gòu)還應(yīng)壓縮系數(shù)較低，特別是在路基平衡濕度條件下應(yīng)具有一定抵抗塑性變形的能力，以防止因出現(xiàn)過大工后沉降引起道床板底脫空。在水系發(fā)達地區(qū)路基結(jié)構(gòu)應(yīng)具備一定水穩(wěn)定性，在高含水率下路基剛度、強度和抵抗塑性變形能力均應(yīng)滿足道床板底彎拉應(yīng)變與軌道平順性的要求，當素土填料無法滿足工程需求時，可采用處治土。另外，在水系發(fā)達地區(qū)，特別是大氣降水豐富地區(qū)應(yīng)充分保證路基排水設(shè)施的有效性與合理性。在季凍區(qū)為了控制路基內(nèi)自由水向上遷移量，可適當提高路基壓實度，并結(jié)合路基內(nèi)排水技術(shù)來達到減少凍害的目的；在素土或處治土層上部鋪設(shè)級配碎石層，用以調(diào)整凍脹后土質(zhì)路基頂面的不平整，減少凍脹對道床板的影響，另外，級配碎石還可在一定程度上起到隔溫作用，從而可減少土質(zhì)路基的凍脹量。

（2）路基含水率影響分析

路基含水率狀態(tài)與翻漿冒泥、路基下沉、路基外擠、路基凍害均有密切關(guān)系，也是上述病害出現(xiàn)的主要條件。因此，有效控制路基濕度，降低路基含水率可避免或減少新型有軌電車路基病害。由于土質(zhì)的差異，含水率與路基病害間的關(guān)系有所不同，路基病害與自由水在路基中的分布同樣有關(guān)。因此，在進行路基含水率對路基病害影響分析時，應(yīng)首先確定以下資料：（1）路基中含水率分布；（2）填料界限含水率；（3）凍脹臨界含水率。為了確定不同含水率狀態(tài)下路基的剛度、強度與抵抗塑性變形能力，應(yīng)進行填料模量、抗剪強度、壓縮系數(shù)隨含水率變化關(guān)系的室內(nèi)試驗分析。

路基內(nèi)的自由水來于地下水或大氣降水。地下水對路基的影響受控于地下水位與毛細作用兩方面，在高地下水位地區(qū)應(yīng)慎用毛細作用強烈的填料。大氣降水可通過邊坡入滲進入路基，可通過截水溝等排水措施來減少大氣降水對路基濕度的影響。地下水與大氣降水對路基內(nèi)濕度的影響并不是各自孤立的，大氣降水通過地表深入地下后，會提高地下水位；在高地下水位地區(qū)大氣降水也較豐富。因此，多數(shù)情況應(yīng)做到地下水與大氣降水“同防”，路基內(nèi)排水與路基外排水綜合設(shè)計。

最終影響路基工作性能的是路基平衡含水率，既有研究表明路基平衡含水率與路基填料、自然區(qū)劃、地下水位分布、路基高度、路基形式等均有關(guān)系［6］。在進行路基設(shè)計前應(yīng)依據(jù)工程特點進行路基含水率預估，結(jié)合擬選填料物理力學指標，制定相應(yīng)路基壓實控制指標與排水設(shè)計方案。

（3）物理性質(zhì)分析

路基的大部分物理力學性質(zhì)是由土質(zhì)條件與路基含水率決定的，物理力學指標也是路基不同土質(zhì)與不同含水率狀態(tài)的綜合表征手段，可形成控制路基病害出現(xiàn)的量化指標。常采用的物理性質(zhì)參數(shù)包括：界限含水率、干密度、孔隙比、壓縮系數(shù)、彈性模量、壓縮模量、塑性應(yīng)變、導熱系數(shù)、熱容等。

（4）綜合分析

上述三類與路基病害相關(guān)的分析對象各具特點，在實際工程中應(yīng)結(jié)合其特點綜合利用。土質(zhì)條件常作為路基設(shè)計時的選擇性條件，在當?shù)鼐哂谐渥懔己锰盍瞎┙o的前提下選擇力學性質(zhì)佳的填料。實際工程中常受制于當?shù)貎?yōu)質(zhì)填料匱乏，這種情況下應(yīng)綜合對比填料外運與填料改良的可行性和經(jīng)濟成本，以及二者可能帶來的能源消耗和環(huán)境污染問題，比如大量填料外運必然帶來運輸過程中的能源消耗，而地下水位較高和降水量大的石灰改良土會帶來周邊水土環(huán)境的污染，影響植物生長。

路基含水率與其它物理性質(zhì)可作為保障路基不出現(xiàn)病害、正常運營的量化指標。各指標的制定應(yīng)因地制宜，依據(jù)所處環(huán)境、所采用的路基結(jié)構(gòu)形式、路基高度、荷載情況等合理選取。

4　整體道床失效分析

有軌電車整體道床包括道床板與道床板下的支承板兩部分，如圖1所示。該道床結(jié)構(gòu)中，支承板底彎拉應(yīng)力約比道床板底彎拉應(yīng)力大30%。若支承板破損，道床板底的支承剛度將大幅降低，導致列車荷載作用下鋼軌撓度增大，影響行車舒適性，并增大道床板底彎拉應(yīng)力，在列車動荷載作用下道床板會很快發(fā)生破壞。因此，將支承板底彎拉應(yīng)力作為路基頂當量動態(tài)回彈模量設(shè)計的判定指標。

《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D40—2011）中水泥混凝土彎拉強度經(jīng)驗參考值中C25水泥混凝土的彎拉強度約為2.0 MPa。有軌電車道床板承受疲勞荷載作用，因此支承板底彎拉強度也應(yīng)采用疲勞強度?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）對混凝土抗壓與抗拉疲勞強度設(shè)計值的修正系數(shù)做出了表2所示的建議，表中p是混凝土疲勞應(yīng)力比值，通過式（1）計算。

表2　混凝土疲勞強度修正系數(shù)

C25混凝土疲勞應(yīng)力比范圍通常介于0.25與0.40之間，因此將γp取為0.84，所以支承板底疲勞彎拉強度為1.68 MPa。水泥混凝土板底應(yīng)力計算應(yīng)考慮溫度翹曲應(yīng)力的不利影響，文獻［7］提供了水泥混凝土板溫度翹曲應(yīng)力計算方法。經(jīng)計算，板底最大溫度疲勞應(yīng)力為0.29 MPa，因此疲勞荷載作用下支承板底的容許彎拉應(yīng)力為1.39 MPa。

5　結(jié)語

結(jié)合工程經(jīng)驗，將軌道交通中路基病害分為四大類，即翻漿冒泥、路基下沉、路基外擠、路基凍害；將與路基性能相關(guān)的整體道床病害歸納為下沉變形、隆起變形、開裂失效、道床板受路基腐蝕導致強度降低等4種類型。對路基和整體道床的病害類型及其成因進行了歸納分析，并從土質(zhì)條件、路基含水率、物理力學條件等角度對路基病害的影響因素進行了研究；在對整體道床失效模式分析的基礎(chǔ)上，提出將支承板底彎拉應(yīng)力作為路基頂當量動態(tài)回彈模量設(shè)計的判定指標，并提出了疲勞荷載作用下支承板底的容許彎拉應(yīng)力建議值。

［1］ H B Seed， R L McNeill. Soils Deformation in Normal Compression and Repeated Loading Tests［J］. HRB Bulletin， 1956， 141：44-53.

［2］ A J Puppala， L N Mohammad， A Allen. Permanent Deformation Characterization of Subgrade Soils from RLT Test［J］. Journal of Material in Civil Engineering， 1999， 11（4）： 274-282.

［3］ Y S Zhao， N D Dennis， R P Elliott. Prediction of Subgrade Permanent Strain Using Simple Soil Properties［C］. Los Angeles：Geotechnical Engineering for Transportation Projects： Proceedings of Geo-Trans， 2004， 1076-1085.

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［5］ GB/T 50123—1999，土工試驗方法標準［S］.

［6］ 李聰. 路基平衡濕度及回彈模量調(diào)整系數(shù)預估方法研究［D］. 上海： 同濟大學， 2011.

［7］ JTG D40—2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范［S］.

圖17　貨運組織圖

4　結(jié)語

產(chǎn)業(yè)園的開發(fā)建設(shè)常常是在一些開發(fā)較少甚至幾乎沒有任何開發(fā)的基礎(chǔ)上建設(shè)起來的，因此有更好的條件在規(guī)劃階段布局合理的交通網(wǎng)絡(luò)，為產(chǎn)業(yè)園提供良好的交通支撐。交通系統(tǒng)是一個復雜的綜合系統(tǒng)，一個適應(yīng)產(chǎn)業(yè)園發(fā)展的綜合交通規(guī)劃需要考慮多個方面的內(nèi)容，以形成一個具有適應(yīng)性、前瞻性的綜合交通網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)園的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

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U482.1

A

1009-7716（2015）05-0038-05

2015-03-15

杜先照（1977-），男，湖北洪湖人，碩士，工程師，主要從事地鐵施工管理工作。