新型預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)與性能初探

冷伍明， 聶如松， 楊 奇， 趙春彥， 梅慧浩

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 高速鐵路建造技術(shù)國家工程試驗室， 湖南 長沙 410075)

鐵路和公路路基填筑有嚴格的質(zhì)量控制標準，但是達到現(xiàn)行設(shè)計與施工標準的路基，使用中產(chǎn)生病害甚至滑垮的情況仍很常見。與路基土體圍壓不足和(或)其邊坡無側(cè)向約束有關(guān)的路基病害有：邊坡溜坍(見圖1(a))、沖刷、坡面鼓脹(見圖1(b))、滑坡、基床外擠(見圖1(c))、路基面下沉(見圖1(d))以及因路基頂累積下沉導(dǎo)致的翻漿冒泥、道砟陷槽(見圖1(e))等，這些病害成了鐵路路基的煩疾[1]，往往累修(維修)累發(fā)(發(fā)生)，難以根治，如在2013年秋檢報告中，我國普通鐵路路基，邊坡溜坍統(tǒng)計數(shù)就達5 819處、基床翻漿冒泥達5 805處、滑坡達471處。對于高速鐵路(下稱高鐵)，盡管路基建造有更加嚴格的要求，但投入運營后的高鐵路基病害也在逐步顯現(xiàn)[2]，最早開通的京津城際高鐵出現(xiàn)局部地段路基沉降長期不穩(wěn)定導(dǎo)致過渡段差異沉降；武廣高鐵路基沉降導(dǎo)致支承層與基床表層脫空及開裂；合武、石武高鐵并線區(qū)段沉降超標；甬臺溫鐵路路基失穩(wěn)；石太高鐵路基發(fā)生沖蝕病害導(dǎo)致區(qū)段限速運行；滬杭高鐵出現(xiàn)沉降超標和局部無砟道床翻漿等，這些病害雖然還沒有或目前仍不致影響安全營運，但也急需采取有效措施進行處治。值得一提的是，在近二十年里，筆者有幸參與我國高鐵的前期研究、工程試驗、有關(guān)設(shè)計和施工方面的科研工作，面對路基工程變形沉降“算不準”，病害確實比其他基礎(chǔ)設(shè)施要多，而路基填料和壓實度標準已近無法再提高的現(xiàn)實，是否可以尋求出新的路基結(jié)構(gòu)來解決一點問題呢？通過深入學(xué)習(xí)、探討和分析，發(fā)現(xiàn)上述路基病害都可能與路基土圍壓不足，其邊坡又無側(cè)向約束有關(guān)，進而提出一種既能增加圍壓又能強制約束邊坡的預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)。

1 預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)型式

所提預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)見圖2，以新建鐵路路基為例，其構(gòu)筑步驟為：

Step1土層壓實后，在其土面垂直于線路方向，按預(yù)定間距設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋;

Step2然后按要求在上面松鋪填土，壓實后繼續(xù)鋪設(shè)第二層預(yù)應(yīng)力鋼筋(根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼筋的上下層間距，可能需要填筑若干層填土)；

Step3依此循環(huán)，分層完成所有預(yù)應(yīng)力鋼筋鋪設(shè)和整個路基的填土施工；

Step4對路基修坡，并清理出路基邊坡兩側(cè)的預(yù)應(yīng)力鋼筋端部；

Step5在路基兩側(cè)指定位置安裝鋼筋混凝土側(cè)壓力板；

Step6通過側(cè)壓力板的中心孔將連接器與預(yù)應(yīng)力鋼筋的端部正確連接；

Step7通過連接器將預(yù)應(yīng)力鋼筋的一端與側(cè)壓力板連接，而另一端直接與錨具對接;

Step8在側(cè)壓力板之間鋪設(shè)普通護坡板；

Step9通過錨具對預(yù)應(yīng)力鋼筋的拉拔作用，增大路基土的圍壓，并通過側(cè)壓板對路基邊坡施加強制約束，從而形成與路基協(xié)同作用的預(yù)應(yīng)力整體結(jié)構(gòu)。

對于產(chǎn)生有關(guān)病害或需要強化的既有路基，也可采用上述預(yù)應(yīng)力進行加固和強化，形成預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)，其構(gòu)筑步驟為：

Step1沿垂直于線路的方向，在路基的一個側(cè)面向路基內(nèi)鉆一個水平小孔，孔深要穿透路基;

Step2通過連接器將預(yù)應(yīng)力鋼筋與鉆桿的一端固定連接;

Step3在鉆桿的引導(dǎo)下，把預(yù)應(yīng)力鋼筋從路基的一個側(cè)面橫穿路基;

Step4把預(yù)應(yīng)力鋼筋的兩端各自插入側(cè)壓力板的錨固孔內(nèi);

Step5將預(yù)應(yīng)力鋼筋的一端與側(cè)壓力板連接，另一端穿過側(cè)壓力板的錨固孔與錨具固定;

Step6通過錨具對預(yù)應(yīng)力鋼筋的拉拔作用，增大路基土的圍壓，并通過側(cè)壓板對路基邊坡施加橫向約束，從而形成與路基協(xié)同作用的預(yù)應(yīng)力整體結(jié)構(gòu)。

2 預(yù)應(yīng)力及其結(jié)構(gòu)對保障路基性能的論證與分析

與常規(guī)路基結(jié)構(gòu)相比，上述所提預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)的突出特點是：通過增加預(yù)應(yīng)力能使路基填土的水平圍壓增大，顯著改善路基土的應(yīng)力狀態(tài)、有效提高路基抗剪和抗變形能力；由于受到預(yù)應(yīng)力鋼筋的對拉作用，側(cè)壓力板能對路基邊坡形成強制約束，提高了路基邊坡的穩(wěn)定性；側(cè)壓力板、預(yù)應(yīng)力鋼筋與路基填土形成共同工作的整體結(jié)構(gòu)，抗動力作用的性能和抗震性將顯著增強。下面結(jié)合土力學(xué)理論和現(xiàn)有的有關(guān)研究成果，對其性能提高機制做些初步論證與探討。

2.1 常規(guī)路堤的初始應(yīng)力狀態(tài)與不足分析

路堤的強度和穩(wěn)定性受其初始應(yīng)力狀態(tài)影響顯著。常規(guī)路堤(兩側(cè)無支擋)的初始應(yīng)力狀態(tài)如何，很少有相關(guān)的研究報道。聶如松等[3]通過下面的有限元計算發(fā)現(xiàn)，如果不考慮施工對路基土體的應(yīng)力影響，會在路基頂面一定深度以下出現(xiàn)水平拉應(yīng)力，與岳中琦等報道[4]的結(jié)果相一致。顯然，路基土出現(xiàn)水平拉應(yīng)力將對路基抵抗豎向變形的能力和邊坡穩(wěn)定性都產(chǎn)生重大的不利影響。

通常認為自重應(yīng)力作用下，路堤中心處的土體單元處于K0狀態(tài)，單元豎向應(yīng)力為第一主應(yīng)力，水平兩個方向的應(yīng)力為第二和第三主應(yīng)力。下面通過路堤平面應(yīng)變有限元計算來探討路堤的初始應(yīng)力狀態(tài)。

在路堤有限元模型中，設(shè)路基面寬12.3 m，路堤高6 m，邊坡坡比為1∶1.5，路堤材料選用理想彈塑性模型，強度準則滿足摩爾-庫侖強度理論，地基假定為不發(fā)生變形的剛性地基，模型計算參數(shù)見表1。

表1 模型計算參數(shù)

處理計算結(jié)果時，取壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負。計算結(jié)果見圖3。在圖3中，σz為豎向應(yīng)力，σy為水平向應(yīng)力，z為計算點距路基面的垂直高度，A為σz/γz，B為σy/γz。橫坐標軸為路基橫剖面的路基寬度方向，原點為路基橫剖面的中心線，由于路基橫剖面的對稱性，只取一半路基寬度進行分析。

從圖3中可以看出，豎向應(yīng)力σz與路基的橫斷面形狀一致，呈等腰梯形分布，在路基面范圍內(nèi)，即中心線兩側(cè)各6.15 m范圍內(nèi)與γz的比值約為1.0。

水平應(yīng)力σy在路基中的位置不同，其值變化很大。z<2.4 m，σy為負值，處于拉應(yīng)力狀態(tài)，容易引起路堤開裂，對路基的穩(wěn)定性不利。

由于土體拉應(yīng)力強度很低，所以在路堤邊坡和路基頂面部位，容易出現(xiàn)拉裂縫。這對路基抵抗豎向變形的能力和邊坡穩(wěn)定性都會產(chǎn)生重大的不利影響。因此增加路基土的圍壓和側(cè)向約束很有必要。

2.2 通過預(yù)應(yīng)力增大圍壓對路基土體力學(xué)性能的改善

2.2.1 圍壓增大對路基土強度的影響

( 1 )

若路基中豎向應(yīng)力σ1不變，如圖5所示，圍壓σ3從σ31增大到σ33時，對應(yīng)的應(yīng)力圓越來越小，與強度線的距離越來越遠，路基抵抗剪切破壞的安全系數(shù)隨之增加。假定路基土體的安全系數(shù)定義為土體抗剪強度與破壞面的剪應(yīng)力的比值，則安全系數(shù)SF可由式( 2 )求得

( 2 )

從式( 2 )中可以看出，σ1不變，σ3增大，安全系數(shù)SF增大，當(dāng)σ3=σ1時，理論上的安全系數(shù)趨于無窮大。

冷伍明[5]通過三軸不固結(jié)不排水(UU)試驗對朔黃鐵路低液限粉土路基填料的強度及變形特性進行研究，結(jié)果表明試樣破壞強度隨圍壓增大明顯提高。土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線隨著圍壓的增加由軟化型過渡到弱硬化型，該規(guī)律在低飽和度時表現(xiàn)得尤為明顯。彭麗云[6]對京九鐵路路基粉土用GDS三軸儀進行固結(jié)不排水剪切試驗，結(jié)果表明：隨著圍壓的增大，飽和和非飽和粉土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由應(yīng)變軟化逐漸向應(yīng)變硬化過渡，圍壓越高，硬化趨勢越明顯，峰值強度也逐漸提高。馬少坤等[7]在分析非飽和土的土水特征曲線試驗及三軸剪切試驗成果時發(fā)現(xiàn)圍壓越大，土體達到破壞狀態(tài)時對應(yīng)的豎向應(yīng)力越大。郭慶國[8]提出，粗粒土在低應(yīng)力水平下，強度包線可采用線性摩爾庫侖公式，粗粒土的強度隨圍壓的增大而增大。

土體的動強度也隨著圍壓的增大而增大。方亮[9]對低液限粉土進行一系列動三軸試驗。圖6為干密度ρd=1.86 g/cm3，飽和度Sr=1.00狀態(tài)下低液限粉土(ωL=23.9%，Ip=8.3)的動剪切強度(對應(yīng)ε=5%)與破壞振次關(guān)系曲線。由圖6可知，土的動剪強度隨圍壓的增大而增大。

圖7為劉軼[10]得到的粗顆粒土在不同圍壓、不同含水率條件下的動強度與破壞振次的關(guān)系圖。由圖7可知，粗粒土的動強度與圍壓具有正相關(guān)性。同時，動強度受含水率影響顯著，含水率增大，動強度明顯下降。

余周[11]通過一系列循環(huán)三軸試驗，詳細研究飽和粉質(zhì)黏土的動力特性。研究表明，飽和粉質(zhì)黏土的動強度隨圍壓的變化而變化。在破壞振次Nf一定時，隨著固結(jié)圍壓σ3c的增大，動應(yīng)力σd逐漸增大。飽和粉土的動彈性模量也隨圍壓的增大而增大。吳海生[12]對太原地區(qū)原狀粉土與重塑粉土的動力特性進行試驗研究，得到原狀粉土和重塑粉土的動強度隨圍壓增大而增大的結(jié)論。杜超[13]通過室內(nèi)動三軸試驗，探討飽和粉土和非飽和粉土的動模量和動強度的影響因素。研究結(jié)果表明，粉土的動彈模量和動強度隨圍壓增大而增大。

2.2.2 圍壓增大對路基長期變形性能的影響

路基土的變形性能與土的性質(zhì)(土的類型、密實度、含水率等)、所處應(yīng)力狀態(tài)(尤其是動應(yīng)力水平、圍壓應(yīng)力和偏應(yīng)力大小)所決定。路基土在交通荷載作用下總應(yīng)變由可恢復(fù)的彈性應(yīng)變和不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變兩部分組成。鐵路路基，特別是位于頂部的基床層，在反復(fù)行車荷載作用下的變形特性直接影響路基的工作性能，動彈性變形過大，使車輛和軌道結(jié)構(gòu)振動變大；而過大的累積塑性變形將導(dǎo)致路基永久沉降超標；即兩者過度都是路基病害的主要誘因。蔡英等[14]指出，路基結(jié)構(gòu)中最核心的基床層，由于圍壓小, 臨界動應(yīng)力小，而列車產(chǎn)生的動應(yīng)力相對更大，故容易產(chǎn)生較大的永久變形，因此，應(yīng)加強路基基床。

圍壓增大，能有效地降緩路基累積變形的發(fā)展。周文權(quán)和冷伍明等[15]通過對鐵路路基粗顆粒填料進行大型動三軸試驗研究，圖8為粗顆粒土(含水率ω=9.3%，σd=100 kPa)在不同圍壓條件下的累積塑性應(yīng)變與振次的關(guān)系圖。從圖8中可以看出，圍壓愈大，累積塑性應(yīng)變增長的越緩慢。

李冬雪等[16]認為路基土永久變形的影響因素是復(fù)雜多樣的，其中圍壓σ3、偏應(yīng)力(σ1-σ3)和循環(huán)應(yīng)力是最重要的因素之一。蔡英[14]等通過三軸試驗揭示，列車荷載重復(fù)作用產(chǎn)生的路基動應(yīng)力是路基產(chǎn)生變形的根源，只有控制路基動應(yīng)力在填土的臨界動應(yīng)力以下，才能控制路基的永久變形和防止路基長期緩慢下沉。

2.2.3 圍壓增大能顯著提高路基填料的臨界動應(yīng)力

臨界動應(yīng)力是路基設(shè)計中一個非常重要的技術(shù)參數(shù)。當(dāng)動應(yīng)力小于臨界動應(yīng)力時，路基土塑性應(yīng)變速率隨振次增加而減小，土體的累積塑性應(yīng)變最終趨于穩(wěn)定；當(dāng)動應(yīng)力大于臨界動應(yīng)力時，路基土塑性變形隨振次的增加而不斷累積，及至破壞。因此，為防止路基產(chǎn)生過大的累積塑性變形，在設(shè)計時首先應(yīng)避免路基土所處的動應(yīng)力水平超過其臨界動應(yīng)力，另外，需嚴格控制在重復(fù)荷載作用下路基土的累積塑性變形量。

圖9[15]為粗顆粒土大型動三軸試驗得到的臨界動應(yīng)力與圍壓的關(guān)系曲線。從圖9中可以看出，圍壓增大，臨界動應(yīng)力呈線性增加，即圍壓增大，能顯著提高路基填料的臨界動應(yīng)力。在低圍壓下，臨界動應(yīng)力與圍壓近似為線性關(guān)系[16]。

張勇等[17]通過室內(nèi)不排水動三軸試驗，研究循環(huán)荷載作用下飽和重塑軟黏土的累積塑性應(yīng)變發(fā)展規(guī)律。結(jié)果顯示飽和重塑軟黏土的臨界動應(yīng)力隨著圍壓的增加而增大，大致可用線性方程擬合；并提出含動應(yīng)力幅值、固結(jié)圍壓、靜偏應(yīng)力和循環(huán)周次等影響因素的累積塑性應(yīng)變擬合模型。劉曉紅[18]研究循環(huán)荷載作用下原狀紅黏土動應(yīng)變隨振次的變化規(guī)律，獲得原狀紅黏土的臨界動應(yīng)力。研究表明，當(dāng)固結(jié)比為1.0時，隨著圍壓的增大，原狀紅黏土的臨界動應(yīng)力近似正比例增大，增大速率隨含水率的減小而增大。

綜上所述，增加路基土的圍壓能有效減小或控制路基的永久變形和防止路基在工作中長期緩慢下沉。

2.2.4 圍壓增大對路基變形模量的影響

(1) 圍壓對路基土變形模量的影響

圍壓σ3增大，能顯著提高土體的變形模量，即能夠減小土體的彈性變形或增大土體抵抗變形的能力。圖10為代表性的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。當(dāng)路基土的豎向應(yīng)力σ1基本不變時，圍壓σ3增大，主應(yīng)力差(σ1-σ3)減小，土體的切線模量(即變形模量)增大，其抗變形能力增強。

在Duncan-chang雙曲線模型中，初始切線模量E0與σ3有關(guān)，即

( 3 )

式中：Pa為標準大氣壓，單位與σ3相同；K、n為試驗常數(shù)。

任意一點位置的切線模量Et用式( 4 )表示

( 4 )

式中：φ為土體的內(nèi)摩擦角;c為黏聚力;Rf為破壞比，連同K、n由試驗獲得其具體數(shù)值。

由式( 4 )可以看出，如果保持σ1不變，Et與σ3直接相關(guān)，σ3越大，Et也增大。進一步說明圍壓增大對提高土體的切線模量具有重要的作用。

黃斌等[19]引用曾國熙提出的初始彈性模量Ei與圍壓σ3的關(guān)系式，即Ei=kσ3，經(jīng)研究推導(dǎo)，得到土的初始彈性模量Ei與圍壓σ3、孔隙比e以及超固結(jié)比OCR的綜合關(guān)系式

( 5 )

式中：m、n為試驗常數(shù)；e為孔隙比；OCR為土樣的超固結(jié)比；λ為e-lnp坐標平面上的壓縮曲線斜率；κ為e-lnp坐標平面上的回彈曲線斜率。從上式可以看出，初始彈性模量與孔隙比成反比，與超固結(jié)比和圍壓成正比。

史萍[20]針對武漢地區(qū)具有代表性的粉質(zhì)黏土進行真三軸試驗，發(fā)現(xiàn)對于同一類型的應(yīng)力路徑，隨著固結(jié)壓力的增大，其應(yīng)力-軸應(yīng)變曲線的起始坡度變陡，即隨著固結(jié)壓力增大，土的初始彈性模量增大。

(2) 圍壓對路基土回彈模量的影響

在公路路基設(shè)計中，回彈模量(MR)是描述路基土力學(xué)特性的一個重要參數(shù)?；貜椖Ａ渴窃谒矔r沖擊荷載作用下，動偏應(yīng)力與相應(yīng)的回彈應(yīng)變的比值。國內(nèi)外對回彈模量進行系列研究。凌建明等[21]對粉土和黏土進行一系列回彈模量測試，發(fā)現(xiàn)回彈模量隨圍壓和壓實度的提高而增大，隨循環(huán)偏應(yīng)力和含水率的增大而減小。Ibrahim[22]對低塑性黏土進行系列回彈模量試驗，其測試結(jié)果見圖11。由圖11可知，回彈模量的大小與圍壓成正比，與偏應(yīng)力成反比。

Kim[23]和Butalia 等[24]通過開展相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，隨著含水率的增加，有效圍壓對黏性土回彈模量的影響逐漸降低。Ooi 等[25]對粉土開展三軸測試，研究發(fā)現(xiàn)，回彈模量與偏應(yīng)力成反比，不同土質(zhì)情況下，圍壓對回彈模量的影響程度不同，高塑性粉土的回彈模量受圍壓影響程度小，而低塑性粉土的回彈模量受圍壓影響程度大。

(3) 圍壓對土體的動彈性模量的影響

圍壓提高，能有效地提高土體的動彈性模量。圖12[9]為低液限粉土(飽和度Sr=1.00，壓實度K=0.93，固結(jié)比Kc=1.0)在不同圍壓狀態(tài)下動彈性模量與動應(yīng)變的關(guān)系曲線。由圖12可知，土體的動彈性模量隨圍壓的增大而增大。

早在1986年，中國鐵道科學(xué)研究院[26]對廊坊路基土的動三軸試驗研究中發(fā)現(xiàn)路基土的動彈性模量與應(yīng)力水平呈非線性關(guān)系，隨著側(cè)限壓力的提高而增大。石兆吉等[27]通過開展共振柱試驗，探討土動壓模量的影響因素，研究表明，圍壓越大，土的最大動壓縮模量也越大，并且兩者在雙對數(shù)坐標軸上存在著線性相關(guān)。賀建清[28-29]對大量動三軸試驗結(jié)果進行總結(jié)分析表明，圍壓越大，石灰土填料的動彈模量越大，最大動彈性模量與圍壓符合指數(shù)遞增關(guān)系。吳懷忠等[30]通過開展砂卵石的動三軸試驗，指出，土動強度和動模量受圍壓和固結(jié)應(yīng)力比的影響顯著。

(4) 圍壓對動剪切模量G的影響

( 6 )

式中：f(e)為孔隙比的函數(shù)；n根據(jù)圍壓的不同可取0.5或0.6。

Park對前人的研究成果進行總結(jié)分析，得出各類土的初始動剪切模量與圍壓的表達式[31]

( 7 )

式中：A為系數(shù)；n為系數(shù)，取值范圍0.4～0.6。

1970年Seed和Idriss[32]通過實驗建立砂土最大動剪切模量的經(jīng)驗公式，并分析得出砂土的動剪切模量與靜平均正應(yīng)力的平方根成正比。

羅飛等[33]對都江堰地區(qū)粉質(zhì)黏土開展試驗，分析圍壓對其動力學(xué)參數(shù)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，圍壓越大，最大動剪切模量和阻尼比越大，最大動剪切模量與圍壓呈線性關(guān)系，隨著圍壓的增大，剪應(yīng)變幅逐漸降低。蔡輝騰[34]對福州地區(qū)的6類典型土開展共振柱試驗，詳細探討圍壓大小、土的性質(zhì)對這6類典型土的動剪切模量G的影響。試驗結(jié)果顯示動剪切模量G均隨著圍壓的增加而增大，二者均具有良好的線性關(guān)系，其表達式為

Gmax=A+Bσ3

( 8 )

式中：A、B為試驗常數(shù)。

綜合上述，通過預(yù)應(yīng)力增大路基圍壓，能提高土體的抗剪強度、動剪切強度和承載力，能提高土體的變形模量、回彈模量、臨界動應(yīng)力和動彈性模量，能顯著降緩?fù)馏w彈性變形和累積塑性變形的發(fā)展，從而顯著增強路基抵抗變形的能力。

2.3 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)對保障路基邊坡穩(wěn)定性的作用

岳中琦等[4]分析指出，斜坡工程土體受到張拉作用，從而產(chǎn)生孔隙率增大、土體強度降低的根本原因是坡面土體缺少圍壓作用，且土體強度參數(shù)隨含水率的增加而顯著降低，因此，隨著時間和降雨次數(shù)的增加，斜坡土體的強度逐漸降低，甚至達到臨界破壞狀態(tài)，而土體的重力等下滑力對土體的破壞作用卻不會降低，甚至逐漸增大，最終導(dǎo)致斜坡工程發(fā)生滑坡事故。顯然，具有自由表面的路基邊坡也完全屬于這種情況，并且還有交通荷載形成的反復(fù)動力與振動作用。雨水沖刷及下滲軟化和動力振動的不利影響完全大大超出土體休止角甚至斜坡比值安全系數(shù)對穩(wěn)定斜坡的保障作用，這一點文獻[4]分析得很透徹：比值安全系數(shù)對強度的增加量難以對土體的抗拉與抗剪強度產(chǎn)生根本影響，土體破壞時所需的剪切應(yīng)力與重力下滑分量成正比，且數(shù)值很小，極易滿足，基于此，工程斜坡巖土體易產(chǎn)生細微裂隙，最終發(fā)生整體垮塌。

因此，預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)能顯著改善路基坡面缺少圍壓的現(xiàn)狀，有效防止斜坡土體發(fā)生張拉作用、孔隙率增大和強度降低等現(xiàn)象。預(yù)應(yīng)力鋼筋和與其對拉的側(cè)壓力板對路基邊坡產(chǎn)生有效的側(cè)向約束，邊坡的局部和整體穩(wěn)定性都將得到保障，并且具有擋雨和防止坡面沖刷的作用。

3 預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景分析

3.1 預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)的特點

與常規(guī)路基結(jié)構(gòu)相比，預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點是：路基兩側(cè)邊坡受到側(cè)壓力板的約束作用，能增大路基的水平圍壓，提高路基土的抗剪強度和抵抗變形的能力，從而增強路基邊坡的穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)與路基成為協(xié)同作用的整體，抗震性能也明顯提高；對于新建路基，預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)可使路基采用較大的坡率(可由常規(guī)坡率1∶1.5提高到1∶0.75)，可大幅度節(jié)約土地同時減少路堤下地基的處理面積。對既有路基，除上述優(yōu)點外，還具有加固施工時不需要中斷行車，這一點對重大干線的運行非常重要，極具經(jīng)濟和社會效益。

3.2 預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)在高速和重載鐵路的應(yīng)用前景分析

客運高速、貨運重載是當(dāng)今世界鐵路的發(fā)展趨勢。高速鐵路，由于運行速度很快，對軌道的平順性要求很高，因此對路基的總沉降、不均勻沉降以及過渡段路基縱向剛度的變化具有嚴格的規(guī)定。要實現(xiàn)軌道的高平順性，需嚴格控制路基的工后沉降、不均勻沉降，并保障路基的穩(wěn)定性，而這需以路基強度高、剛度大、穩(wěn)定性好為前提。由于高速鐵路對路基的變形要求到毫米級，而目前巖土力學(xué)理論關(guān)于變形計算方法仍無法滿足這種精度要求，針對這種現(xiàn)實，開發(fā)能“克服”毫米級累積變形或不產(chǎn)生塑性變形、且比較經(jīng)濟的路基新結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實意義。由于高速鐵路路基的填料和壓實度采用的標準已很高，若再采取改善填料和壓實度的方法提高路基的性能已不可取，而采用預(yù)應(yīng)力措施增加圍壓和側(cè)向約束可能不失為一種好方法。

與高速鐵路路基要求高標準控制變形不同，重載鐵路路基的問題是，由于列車的軸重和牽引的噸數(shù)要大得多，重載列車對路基作用的動荷載強度大，路基動力響應(yīng)加劇，目前現(xiàn)場實測和研究分析表明，當(dāng)列車軸重超過25 t后，若再增大，路基荷載特點將發(fā)生明顯變化，其幅值受車輛軸重的影響十分顯著，再加上前后車輛相鄰轉(zhuǎn)向架間距的縮小也使動荷載的作用深度顯著增加，荷載的增加也影響邊坡的穩(wěn)定；另外，單趟列車編組超過150節(jié)，甚至更長，導(dǎo)致對路基的連續(xù)重復(fù)荷載作用次數(shù)增加，也將導(dǎo)致新的基床問題。如果軸重和編組進一步提高，特別是軸重超過30 t，路基的變形穩(wěn)定性及其影響會變得非常突出。如我國大秦線、朔黃線在重載列車運行條件下，(目前運行軸重僅23～25 t)，橋涵過渡段路基下沉、區(qū)間路堤和路塹地段下沉、基床外擠、坡面鼓脹和邊坡坍塌、基床翻漿冒泥及道砟陷槽(道砟囊)等多種病害(見圖1)已逐漸顯現(xiàn)，需要經(jīng)常加固處理。我國重載鐵路以提高軸重，增大牽引質(zhì)量和行車密度為發(fā)展趨勢，在此背景下，既有重載鐵路路基的服役狀態(tài)將更加惡化。而目前的加固措施要么要中斷行車或?qū)π熊囉绊懞艽?，要么造價偏高。因此，路基預(yù)應(yīng)力加固措施對重載鐵路同樣適用。

預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)既可用于新建鐵路，也適用于既有鐵路路基加固和強化，對于后者，如前所述，加固或強化施工時可在路基旁側(cè)進行，無需中斷行車，這對運輸繁忙的重大干線非常重要，極具經(jīng)濟和社會效益。另外，經(jīng)初步比較，用它來對既有路基進行加固的直接費用比斜向水泥土樁法[1](也是一種可不中斷行車對路基加固的方法)要經(jīng)濟20%～50%。

4 結(jié)束語

路基及其邊坡的許多常見病害與路基土圍壓不足、其邊坡又無側(cè)向約束直接相關(guān)，所提預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)，能有效增加路基土的圍壓，能較好地改善路基的受力變形性能，同時對其邊坡有強制約束和保護作用，能提高路基邊坡防沖刷滲透能力，改善路基的抗震性能，增強路基邊坡的整體穩(wěn)定性。既可用于新建鐵路，也適用于既有鐵路路基加固和強化，用于后者，無需中斷行車，這對運輸繁忙的重大干線非常重要，極具經(jīng)濟和社會效益。

本文僅介紹預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑方法，并基于土力學(xué)理論和現(xiàn)有成果對其性能進行論證分析，其工作機理和具體設(shè)計計算方法包括構(gòu)造參數(shù)優(yōu)化有待進一步開展系統(tǒng)深入研究。由于對新型預(yù)應(yīng)力路基結(jié)構(gòu)的研究尚處于起步階段，有大量工作待開展，期與大家交流和共同探索，以推動這方面工作的進一步開展。

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