軸重40 t重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)探討

張瑞國，羅 強，謝宏偉，蔣良濰，王騰飛

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031; 2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

大運量、高效率、低能耗的重載鐵路運輸技術(shù)是鐵路發(fā)展的主要方向之一[1]。增加軸重能有效提高鐵路運輸效率、增大鐵路運輸能力、平衡鐵路行車密度[2]。因此，普遍裝備大軸重的鐵道車輛、開行重載貨物列車，一直是近50年來世界各國鐵路運輸?shù)陌l(fā)展趨勢之一。目前，作為世界重載鐵路運輸技術(shù)首創(chuàng)國的美國，70%線路開行重載列車，軸重以35.4 t為主，也開行少量軸重38 t貨車，甚至在Fast環(huán)形試驗線上檢測性地試運行了軸重40 t車輛的安全性；澳大利亞鐵路的貨運品類較為單一，煤運列車以軸重30 t的車輛為主，部分礦山專用線已采用軸重40 t的礦石敞車進(jìn)行運輸；其他重載鐵路運輸較發(fā)達(dá)的國家，如巴西、瑞典等亦在一些線路上運行軸重30 t的重載車輛[3-4]。2000年以來，我國鐵路通過持續(xù)的大規(guī)模技術(shù)改造，已將重載鐵路的貨運車輛軸重由22～23 t逐漸增至25～27 t，瓦日鐵路和新近通車的浩吉鐵路設(shè)計軸重已達(dá)30 t；具有自主知識產(chǎn)權(quán)的40 t軸重轉(zhuǎn)向架與專用貨車技術(shù)也正在逐步向海外推廣[5-6]。但大幅提高列車軸重將加劇輪軌磨耗，導(dǎo)致線路狀態(tài)持續(xù)惡化，引起工務(wù)維修工作量明顯增加等技術(shù)問題[7]。路基作為重要的線下基礎(chǔ)設(shè)施，其設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)乎行車安全與效率。針對大軸重條件下的新工況，承受列車荷載長期作用的路基基床結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計至關(guān)重要[8]。

為持久保持鐵路路基的服役性能，對主要承受列車荷載的基床結(jié)構(gòu)進(jìn)行強化處理十分必要。為保證線路結(jié)構(gòu)的安全和軌道結(jié)構(gòu)的平順性，作為軌道基礎(chǔ)的路基基床必須具有足夠的結(jié)構(gòu)強度和支承剛度。其中，強度控制以結(jié)構(gòu)抗破壞能力分析為重點，要求由軌道系統(tǒng)傳遞至路基結(jié)構(gòu)的列車荷載不超過路基土層的允許動強度，如美國和法國鐵路等[9]；變形控制重點關(guān)注列車運行的平穩(wěn)性，要求路基結(jié)構(gòu)具有較高的支承剛度，需滿足由列車荷載引起的動變形的限值控制條件，如日本鐵路等[10]。重載鐵路的貨運車輛，因載重大和貨物容重高，具有大軸重、小軸距、短車長的技術(shù)特點。一方面，大軸重將使路基結(jié)構(gòu)承受的列車荷載急劇增加；另一方面，小軸距和短車長條件下路基結(jié)構(gòu)承受的列車荷載疊加效應(yīng)十分顯著；同時，大運量的長編組重載列車還會成倍增加路基結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)承受的列車荷載作用次數(shù)。與一般干線鐵路和高速鐵路相比，重載鐵路在列車荷載特征方面的變化最為明顯。工程建造中，應(yīng)充分考慮路基結(jié)構(gòu)在重載運輸條件下的荷載幅值及疊加效應(yīng)和作用次數(shù)等影響因素，完善我國鐵路路基技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

本文針對重載鐵路的列車荷載特點，在綜合考慮現(xiàn)有大軸重鐵道車輛技術(shù)參數(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出適應(yīng)40 t超大軸重重載鐵路路基的列車多軸荷載模式；依據(jù)列車荷載在路基中的分布規(guī)律及引起的路基累積變形效應(yīng)區(qū)擴展趨勢，闡明以荷載分布為主的 “路基工作區(qū)”和受軸載、填料共同影響的“路基累積變形效應(yīng)區(qū)”的技術(shù)內(nèi)涵和力學(xué)實質(zhì)，分析基床結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)隨列車荷載及路基填料的變化規(guī)律；通過強度、變形和長期穩(wěn)定性檢算，探討軸重40 t重載鐵路的基床結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。

1 路基承受的車輛荷載效應(yīng)分析

1.1 軸重40 t車輛的車型荷載模式

作用在鋼軌上的車輛軸載經(jīng)軌道結(jié)構(gòu)傳遞至路基面，其分布規(guī)律不僅與軌道結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)，還受到列車軸距等車輛參數(shù)的顯著影響。大軸重貨運列車的軸距普遍小于低軸重客運列車，前后車輛相鄰轉(zhuǎn)向架軸載通過軌道系統(tǒng)傳遞至路基面的疊加效應(yīng)顯著，見圖1[11]。

圖1 車輛荷載疊加效應(yīng)曲線

我國鐵路的重載列車以軸重23～25 t敞車為主，也有部分27～30 t的大軸重車輛。由于受線路狀況和機車車輛等客觀條件限制，目前我國還沒有軸重40 t的重載車輛應(yīng)用案例。因此，本文主要參考出口澳大利亞的軸重40 t礦石專用敞車技術(shù)參數(shù)，開展超大軸重列車荷載模式及路基應(yīng)力特征研究，具體包含三種礦石專用敞車類型，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，車輛編組的軸列分布見圖2。

表1 軸重40 t礦石專用敞車技術(shù)參數(shù)

圖2 礦石專用敞車編組的軸列分布

由于軸重40 t礦石專用敞車車輛的相鄰轉(zhuǎn)向架間軸距只有2 210～2 751 mm，非常接近轉(zhuǎn)向架軸距(1 829～1 950 mm)，導(dǎo)致路基面承受的列車荷載疊加效應(yīng)顯著且應(yīng)力幅值增大。因此，進(jìn)行路基承受車輛荷載效應(yīng)分析時，宜采用圖3所示的四軸車型荷載模式，其中，L1為固定軸距，Li為前后車輛相鄰轉(zhuǎn)向架間軸距。表2為依據(jù)3種車型的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)及組合情況得到的5類四軸車型荷載參數(shù)指標(biāo)。

圖3 重載列車四軸車型荷載模式

圖4 輪載力在軌枕間分布(單位:mm)

表2 重載列車四軸車型荷載參數(shù)

1.2 路基承受的軸重40 t車輛荷載分析

(1)輪載力在軌枕間的分布

鋼軌與軌下基礎(chǔ)之間的相互作用復(fù)雜，多采用連續(xù)或間斷彈性支承模型進(jìn)行描述[12]。一般情況下，單軸荷載的影響范圍在5～7根軌枕之間?；赪inkler模型，地基反力p(xi)服從Gauss分布[13]

(1)

式中：Δ為形狀參數(shù)；μ為位置參數(shù)；i為軌枕編號；xi為軌枕i與軸載位置的距離。

假定單軸載下的地基反力p(xi)在區(qū)間(-2Δ,2Δ)內(nèi)的合力等于分配給5根軌枕的荷載，同為95.44%，則形狀參數(shù)Δ與軌枕間距d間關(guān)系為4Δ=5d，代入式(1)可得

(2)

Gauss函數(shù)在軌枕間距d范圍的分布面積可用于描述相應(yīng)軌枕分擔(dān)軸載的比例，根據(jù)軌枕i的影響區(qū)域[xi-0.5d，xi+0.5d]確定分擔(dān)的軸載，通過標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)性質(zhì)或面積積分計算5根軌枕各自的初始分擔(dān)比，依次為9.23%、22.95%、31.08%、22.95%、9.23%。根據(jù)荷載相等原則，需將初始分擔(dān)比之和僅為95.44%的荷載按比例修正為100%，得到5根軌枕的最終分擔(dān)比為9.67%、24.05%、32.56%、24.05%、9.67%。將輪載力分配至軌枕的Gauss法，可較好反映不同軸載位置對軌枕受力的影響，是對傳統(tǒng)經(jīng)驗法按10%、20%、40%、20%、10%原則分擔(dān)的完善。

由于列車荷載的軸距參數(shù)指標(biāo)與線路軌枕鋪設(shè)間距沒有一致性的對應(yīng)關(guān)系，多軸輪載的作用將隨機分布于軌枕間的不同位置?？赏ㄟ^逐漸移軸得到最大軌枕分擔(dān)比來確定最不利列車荷載位置。車型1-1編組下最不利列車荷載位置及軌枕分擔(dān)比，見圖4。

(2)路基承受車輛荷載計算

將軌枕底面作為半無限體空間表面，分析路基承受列車荷載的空間分布規(guī)律。由于路基結(jié)構(gòu)層之間模量差異不大，可將其視為均質(zhì)體。利用Boussinesq理論計算路基結(jié)構(gòu)承受的列車荷載效應(yīng)[14-15]，由16根軌枕分擔(dān)的四軸車型荷載在路基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力σz，可根據(jù)軌枕i在路基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力σzi通過疊加原理計算獲得，即

(3)

1.3 四軸標(biāo)準(zhǔn)軸型荷載模式

軌枕的等間距布置和列車荷載軸距的不均勻變化導(dǎo)致輪載力在軌枕間的分布關(guān)系較為復(fù)雜且計算繁瑣。因此，對實際車型荷載的軸距按Ⅲ型軌枕標(biāo)準(zhǔn)鋪設(shè)間距600 mm的整數(shù)倍進(jìn)行微調(diào)，形成了圖5所示的轉(zhuǎn)向架軸距L1=1 800 mm、前后車輛相鄰轉(zhuǎn)向架軸距Li=2 400 mm的四軸標(biāo)準(zhǔn)軸型荷載模式(4Z1800/2400)。

圖5 4Z1800/2400荷載模式(單位:mm)

圖6對比了4Z1800/2400荷載模式與3種車型在5類編組情況下的路基附加應(yīng)力隨深度的衰減規(guī)律。計算表明，不同列車荷載模式下的路基附加應(yīng)力差異不大，在1.0～3.6 kPa之間小幅變化；其中，4Z1800/2400荷載模式產(chǎn)生的附加應(yīng)力在基床范圍還略大于實際車型荷載，用于基床結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載時偏安全。

圖6 路基承受車輛荷載沿深度的分布

1.4 列車運行對路基結(jié)構(gòu)的振動效應(yīng)

在擬靜力法計算中，通常采用動力系數(shù)φki考慮列車運行過程中振動效應(yīng)對路基結(jié)構(gòu)的影響，計算動輪載Pdi為

Pdi=Ps·φki

(4)

式中：Ps為靜輪載；i=1,2。

為表征長期運營條件下可能產(chǎn)生的列車荷載最大值Pd1，定義極限荷載動力系數(shù)φk1

φk1=1+α·v

(5)

式中：α為速度影響系數(shù)，重載線路一般取0.004；v為列車速度,km/h。

“常遇荷載”定義為服役年限內(nèi)出現(xiàn)頻次最高的荷載Pd2，對應(yīng)的常遇荷載動力系數(shù)為φk2，可用于評價長期運營條件下路基結(jié)構(gòu)的累積變形及劣化衰變。根據(jù)Gauss函數(shù)分布特性的3σ原則，φk2的速度影響系數(shù)按α/3取，即

φk2=1+α·v/3

(6)

動力系數(shù)φki與行車速度v密切相關(guān)。大軸重、長編組、大牽引質(zhì)量的重載鐵路，設(shè)計和運營速度都相對較低。仿真分析表明[16]，軸重40 t敞篷貨車按60 km/h速度運行時，輪軌間相互作用強烈，作用力已接近250 kN的限值，可將60 km/h作為最高設(shè)計速度。據(jù)此可得極限列車荷載Pd1下的極限動力系數(shù)φk1=1.24、對應(yīng)的路基附加應(yīng)力為極限附加應(yīng)力σmz；常遇列車荷載Pd2下的常遇動力系數(shù)φk2=1.08、相應(yīng)的路基附加應(yīng)力為長期附加應(yīng)力σlz。

2 確定基床結(jié)構(gòu)厚度

2.1 路基累積變形效應(yīng)區(qū)

一般認(rèn)為，基床主要承受列車荷載，其厚度由列車荷載及分布確定。文獻(xiàn)[17]試驗表明，施加荷載的動靜應(yīng)力比低于0.2時試樣的累積變形將快速趨于穩(wěn)定且不高于0.2%，此時動力作用效應(yīng)可忽略，并提出了將動靜應(yīng)力比0.2作為基床厚度設(shè)計的控制條件，即應(yīng)力比值法。

對于重載鐵路，列車荷載存在軸重大、軸距小、相鄰轉(zhuǎn)向架間距窄的技術(shù)特點，由其引起的路基附加動應(yīng)力將大幅增加且疊加效應(yīng)顯著，按動靜應(yīng)力比0.2確定的基床厚度深達(dá)4～5 m；根據(jù)力學(xué)分析，路基產(chǎn)生累積變形的效應(yīng)區(qū)范圍不僅與結(jié)構(gòu)承受的荷載幅值有關(guān)，還受填料性質(zhì)的顯著影響。因此，應(yīng)力比值法的實質(zhì)是路基承受列車荷載影響的范圍，可考慮為“路基工作區(qū)”，而由列車荷載引起的路基累積變形效應(yīng)區(qū)范圍可定義為基床，其厚度主要依據(jù)列車荷載和路基填料性質(zhì)綜合確定。

2.2 路基累積變形效應(yīng)區(qū)范圍與基床厚度

(1)路基填料累積變形狀態(tài)參數(shù)

在模擬的列車荷載循環(huán)作用下，大型模型試驗的路基累積變形速率V與循環(huán)次數(shù)N之間呈現(xiàn)出負(fù)冪函數(shù)的衰減規(guī)律[18]

V(N)=C·N-λ

(7)

式中：λ為冪指數(shù)；C為常數(shù)。

將冪指數(shù)λ作為判別指標(biāo)，可將路基累積變形狀態(tài)劃分為四類，分別為λ≥2的快速穩(wěn)定狀態(tài)、1<λ<2的緩慢穩(wěn)定狀態(tài)、0<λ≤1的緩慢破壞狀態(tài)、λ≤0的快速破壞狀態(tài)。圖7為壓實系數(shù)K=1.0、K30=380 MPa/m條件下，路基模型試驗冪指數(shù)λ隨循環(huán)荷載p的變化規(guī)律。

圖7 冪指數(shù)λ與荷載水平p的關(guān)系曲線

由冪函數(shù)特性可知，λ=2條件下的變形速率快速衰減至零，路基累積變形無時間效應(yīng)，基本處于彈性狀態(tài)[19]。為滿足鐵路建設(shè)的技術(shù)先進(jìn)性和工程經(jīng)濟性要求，應(yīng)針對軌道類型和鐵路等級合理確定路基的變形狀態(tài)，采用適宜控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于重載鐵路普遍采用有砟軌道結(jié)構(gòu)，對運行舒適性的要求也不高，容許路基在服役期產(chǎn)生一定的變形。因此，可進(jìn)一步將處于緩慢穩(wěn)定狀態(tài)的1<λ<2區(qū)間，細(xì)分為變形效應(yīng)微弱、較小、明顯的三個亞狀態(tài)，得1.67≤λ<2為緩慢穩(wěn)定狀態(tài)的變形效應(yīng)微弱區(qū)域，可視為準(zhǔn)彈性狀態(tài)，相應(yīng)的循環(huán)荷載閾值[σl1]=83 kPa，見圖7。路基模型試驗的允許靜承載力[σ0][20]及[σl1]與[σ0]關(guān)系分別為

[σ0]=2.4K30+15

(8)

[σl1]=0.09[σ0]

(9)

λ=1為累積變形收斂與發(fā)散的界限，對應(yīng)的循環(huán)荷載為長期強度閾值[σl2]=168 kPa，見圖7。不同壓實程度的路基模型試驗表明，[σl2]與K30近似呈線性變化規(guī)律[18]

[σl2]=0.38K30+27

(10)

利用式(8)、式(10)可分別計算得到K30從70 MPa/m 漸增至150 MPa/m對應(yīng)的[σ0]和[σl2]，取[σl2]/[σ0]的平均值，得

[σl2]=0.23[σ0]

(11)

由式(8)、式(9)、式(11)，計算可得[σ0]、[σl1]、[σl2]隨K30的變化情況，如表3所示。

表3 累積變形狀態(tài)參數(shù)

(2)基床厚度控制方程

列車荷載在路基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力沿深度逐漸衰減，而路基土層的強度因重力環(huán)境的影響沿深度逐漸增加，根據(jù)應(yīng)力與強度的關(guān)系，可知由列車荷載引起的路基累積變形效應(yīng)區(qū)將主要分布于路基上部土層，其厚度范圍即為基床?？梢?，基床厚度與路基荷載和填料密切相關(guān)，在線路等級明確的條件下，直接受基床以下填料性質(zhì)的影響。針對重載鐵路的技術(shù)特點，依據(jù)控制基床以下路基累積變形效應(yīng)處于微弱亞狀態(tài)原則(λ≥1.67)，建立基床厚度控制方程式(12)，即基床以下路基承受的常遇列車荷載附加應(yīng)力σlz不大于填料累積變形效應(yīng)微弱狀態(tài)對應(yīng)的循環(huán)荷載閾值[σl1]。

σlz≤[σl1]

(12)

3 基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

3.1 設(shè)計原則及檢算方程

重載列車往往引起較大的路基動應(yīng)力，首先應(yīng)檢算極限列車荷載下的基床結(jié)構(gòu)強度，確保結(jié)構(gòu)安全；其次，還應(yīng)對常遇列車荷載下，路基內(nèi)產(chǎn)生的影響運行平穩(wěn)性的循環(huán)變形和影響長期穩(wěn)定的累積變形進(jìn)行控制。

(1)結(jié)構(gòu)強度檢算

要求基床厚度范圍承受的極限列車荷載附加應(yīng)力σmz不超過基床填料的允許動強度[σd]，且具有一定的安全儲備，其路基結(jié)構(gòu)強度檢算方程為

σmz≤[σd]/K

(13)

[σd]=0.45[σ0]

(14)

式中：K為安全系數(shù)，一般取1.5。

(2)循環(huán)變形檢算

路基工作區(qū)循環(huán)變形檢算方程為常遇列車荷載下的路基應(yīng)力σlz引起的循環(huán)變形S不大于限值[S]，即

S≤[S]

(15)

現(xiàn)場實測和理論分析表明[21-23]，軸重20～23 t車輛通過時的路基變形約為1.0 mm，軸重30 t時約為1.5 mm；由典型填料構(gòu)筑的路基模型試驗表明[18-19]，列車模擬荷載與循環(huán)變形呈近似線性關(guān)系。因此，取軸重40 t下限值[S]=2 mm。

(3)長期穩(wěn)定性檢算

基床結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定檢算控制常遇列車荷載下的路基應(yīng)力σlz不大于填料長期強度閾值[σl2]，即

σlz≤[σl2]

(16)

3.2 主要設(shè)計檢算步驟

(1)基于控制方程式(12)，確定基床厚度或明確基床以下路基設(shè)計參數(shù)；

(2)選定基床底層填料，根據(jù)式(13)和式(16)檢算結(jié)構(gòu)強度和長期穩(wěn)定性，確定強化基床表層最小厚度；

(3)依據(jù)動靜應(yīng)力比0.2 確定路基工作區(qū)范圍，采用分層總和法計算循環(huán)變形S，由式(15)進(jìn)行檢算。

3.3 循環(huán)變形模量估算

土體在循環(huán)荷載下的剪切模量比Gd/G0隨動剪應(yīng)變γd增大呈逐漸衰減的基本規(guī)律，并存在以下關(guān)系[24]

(17)

式中：Gd為循環(huán)剪切模量；G0為初始剪切模量；γr為參考應(yīng)變。

循環(huán)荷載下的土體動剪應(yīng)變γd超出體積剪應(yīng)變閾值γtv時，土體骨架將開始產(chǎn)生累積變形[25]，對應(yīng)的剪切模量比約為0.65，而文獻(xiàn)[26]認(rèn)為典型路基填料的γtv=130×10-6，故由式(17)可得γr=241×10-6。

根據(jù)K30試驗，可估算路基填料的變形模量E0為

(18)

式中：泊松比μ=0.21；承載板直徑d=300 mm；p/s=K30。

對式(18)作進(jìn)一步簡化，得

E0=0.225K30

(19)

由K30值反映的平均應(yīng)變約為1.875 ‰；按動靜應(yīng)力比0.2 確定的40 t軸重路基工作區(qū)深度4.2 m，相對于循環(huán)變形限值2 mm的平均應(yīng)變僅有0.0476%；兩者的應(yīng)變差異顯著，分別代入式(17)可得，對應(yīng)于路基循環(huán)變形與K30試驗條件下的Gd/G0為0.114和0.336，即K30試驗條件下的變形模量E0與反映路基工作區(qū)應(yīng)變水平的一次加載變形模量Ev1有近似關(guān)系

Ev1=2.95E0=0.66K30

(20)

在列車荷載的重復(fù)作用下，路基工作區(qū)變形以可恢復(fù)的彈性變形為主，循環(huán)變形模量Ed與一次加載變形模量Ev1存在較大差異，較接近二次加載變形模量Ev2，可根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系進(jìn)行估算

Ed≈Ev2=2Ev1=1.32K30

(21)

4 基床結(jié)構(gòu)設(shè)計示例

4.1 設(shè)計參數(shù)

(1)荷載模式

重載40 t四軸標(biāo)準(zhǔn)軸型荷載模式(4Z1800/2400)，見圖5。

(2)軌道結(jié)構(gòu)

有砟軌道，75 kg/m標(biāo)準(zhǔn)鋼軌；Ⅲ型枕,長2.6 m，枕間距0.6 m，底寬0.32 m，質(zhì)量320 kg；彈條扣件，自重0.171 kN/套；道砟容重17.5 kN/m3，砟坡1∶1.75，道床頂寬度3.6 m，厚0.35 m或0.5 m。

(3)路基填料

基床表層級配碎石K30=190 MPa/m，容重γ1=21 kN/m3；基床表層以下路基可選用A、B、C組填料，70 MPa/m≤K30≤150 MPa/m，容重γ2=20.5 kN/m3。

4.2 路基應(yīng)力計算

“4Z1800/2400”四軸標(biāo)準(zhǔn)軸型荷載模式作用下的最大軌枕分擔(dān)比為33.72%，位于 2號軸和3號軸附近的5號和11號軌枕，見圖5。表4為相應(yīng)軌枕斷面左右鋼軌下，極限和常遇列車荷載的路基應(yīng)力沿深度分布。

表4 路基極限和常遇荷載分布

4.3 基床厚度確定

根據(jù)式(12)的試算，可得圖8所示的基床厚度與基床以下路基K30的關(guān)系曲線。

由圖8可知，通過提高壓實密度或優(yōu)選填料等工程措施，增加路基的K30值，能有效控制路基累積變形效應(yīng)區(qū)范圍，基床厚度設(shè)計值可相應(yīng)減??；反之，基床厚度設(shè)計值則相應(yīng)增大。對于道床厚度0.35 m或0.5 m的40 t軸重重載鐵路，若路基的K30值由一般填料的70 MPa/m逐漸增至優(yōu)質(zhì)填料的150 MPa/m，發(fā)生累積變形效應(yīng)的基床厚度可由5.15 m或5.0 m大幅降至2.55 m或2.4 m；同理，當(dāng)基床厚度為常用的3.0 m時，要求基床以下路基K30值不小于130 MPa/m，指標(biāo)明顯偏高。

4.4 基床表層與底層結(jié)構(gòu)設(shè)計

在明確了基床厚度與基床以下路基的K30后，通過3.1節(jié)設(shè)計原則及檢算方程，可獲得基床結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)，如表5所示。

設(shè)計計算過程反映，路基常遇列車荷載作用下的結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定為完備性檢算中的主要控制因素；基床底層填料強度對需強化處理的基床表層厚度有顯著影響，通過設(shè)計選用優(yōu)質(zhì)填料、施工增加碾壓密度、完善防排水措施等技術(shù)方案，提升并可靠保持基床底層的K30值，則基床表層的設(shè)計厚度可相應(yīng)減薄，對優(yōu)化基床結(jié)構(gòu)設(shè)計具有參考價值。圖9為道床厚度0.35 m條件下的基床兩層結(jié)構(gòu)指標(biāo)變化曲線。

圖8 基床厚度與K30關(guān)系曲線

表5 基床結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)(道床厚0.35、0.5 m)

注：虛線標(biāo)出的為建議的基床結(jié)構(gòu)方案。

圖9 基床結(jié)構(gòu)指標(biāo)變化曲線

文獻(xiàn)[27]提出適用于軸重30 t的基床結(jié)構(gòu)指標(biāo)，要求基床表層采用厚0.7 m、K30≥190 MPa/m的碎(礫)石類A組填料填筑，基床底層應(yīng)采用厚2.3 m、K30≥150 MPa/m的A、B組碎石類或K30≥130 MPa/m的粗粒土填筑，基床以下路基應(yīng)選用K30≥130 MPa/m的A、B、C組碎石類或K30≥110 MPa/m粗粒土或K30≥90 MPa/m的細(xì)粒土填筑。對比可知，軸重40 t下，基床表層采用0.7 m厚的級配碎石強化處理，基床表層以下路基采用K30≥130 MPa/m的 A、B組填料，仍能滿足3 m基床厚度條件的設(shè)計要求；若基床以下路基選用分布廣泛的C組填料，并通過加強碾壓和防排水等措施，持久保證K30≥110 MPa/m，基床厚度僅需加厚至3.5 m，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟性，見圖10。

圖10 基床結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)(軸重40 t)

5 結(jié)論

通過分析重載車輛多軸荷載模式下的路基結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特性，基于工程設(shè)計的強度、變形、長期穩(wěn)定性控制要求，開展了軸重40 t條件下的基床結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)研究，有以下主要結(jié)論：

(1)針對軸重40 t重載車輛的技術(shù)參數(shù)特征，提出的“4Z1800/2400”四軸標(biāo)準(zhǔn)軸型荷載模式能較好反映路基承受重載列車荷載的顯著疊加效應(yīng)及沿深度分布規(guī)律，可用于重載鐵路基床結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算。

(2)針對傳統(tǒng)確定基床厚度采用應(yīng)力比值法主要考慮荷載因素的不足，提出了考慮列車荷載和路基填料綜合影響、路基累積變形效應(yīng)不超過基床范圍的設(shè)計方法。計算表明，在線路等級確定的條件下，基床厚度隨路基填料強度降低而增大。

(3)針對軸重40 t重載鐵路的基床結(jié)構(gòu)設(shè)計計算表明，超大軸重列車荷載下的長期穩(wěn)定是完備性檢算中的主控因素；基于結(jié)構(gòu)與填料匹配的技術(shù)經(jīng)濟最優(yōu)原則，提出了基床結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)建議，即：基床厚度3.5 m，基床以下路基K30≥110 MPa/m，基床底層K30≥130 MPa/m，基床表層厚度0.7 m，采用高強度的級配碎石進(jìn)行強化。