高速鐵路路基結(jié)構(gòu)設(shè)計方法現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

葉陽升，蔡德鉤，張千里，魏少偉，閆宏業(yè)，耿 琳

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

中國已建成世界最發(fā)達(dá)的高速鐵路網(wǎng)。預(yù)計到2030年，我國高鐵運營里程將達(dá)到4.5 萬km，形成以“八縱八橫”為主通道的全國高速鐵路網(wǎng)絡(luò)［1-2］。高鐵具有運營密度大、運行速度高、乘坐舒適度要求高等特征，需要全線路具備高平順性和高穩(wěn)定性。路基工程是高鐵軌下基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。為了確保高鐵平穩(wěn)、安全和舒適運行，需要對路基結(jié)構(gòu)設(shè)計提出更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求［3-5］。

當(dāng)前，我國鐵路路基結(jié)構(gòu)采用級配碎石強化的層狀結(jié)構(gòu)體系。路基在填筑過程中，經(jīng)過多次振動碾壓成形，服役期不僅承受軌道結(jié)構(gòu)和附屬構(gòu)筑物傳遞的靜荷載，還要承受列車長期循環(huán)動荷載的作用［2，4-5］。目前，我國高鐵路基結(jié)構(gòu)設(shè)計采用等效動荷載分析法，考慮服役期動靜荷載作用；基于室內(nèi)試驗結(jié)果，考慮土體的非線性特征，依據(jù)土體實際應(yīng)變水平確定變形模量；將路基假定為彈性空間體，采用Boussinesq 公式，計算路基的動應(yīng)力與動應(yīng)變；結(jié)合實測數(shù)據(jù)，以控制往返荷載作用下路基不發(fā)生累積變形為目的，提出基于路基面動變形和基床底層動應(yīng)變控制的設(shè)計準(zhǔn)則［6］。傳統(tǒng)設(shè)計方法簡化了路基結(jié)構(gòu)建造與服役階段的動力過程，通過理論假定將動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為擬靜力學(xué)問題［5-6］，滿足工程需要，設(shè)計精細(xì)化程度總體不高。但TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中，對不同速度等級、不同類型的高鐵基床結(jié)構(gòu)只做了統(tǒng)一的籠統(tǒng)規(guī)定［6-9］。因此，建立基于全過程動力學(xué)分析、滿足路基功能要求的路基結(jié)構(gòu)設(shè)計新方法，將有助于進(jìn)一步完善和發(fā)展現(xiàn)行路基結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，優(yōu)化路基基床結(jié)構(gòu)，提高路基設(shè)計和施工水平［2，4，10］。

本文在系統(tǒng)梳理各國高鐵路基基床結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計方法及動力學(xué)理論研究的基礎(chǔ)上，指出目前我國高鐵路基設(shè)計存在的問題，分析了高鐵路基結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展趨勢。

1 高鐵路基基床結(jié)構(gòu)形式

高鐵路基基床狀態(tài)主要受基床厚度、填料及其壓實度、防排水構(gòu)造等因素的影響，并直接關(guān)系到列車的平穩(wěn)運行和速度提升。路基基床結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足強度和變形的要求，保證其在列車荷載、降水、干濕循環(huán)及凍融循環(huán)等多重因素作用下具有長期變形穩(wěn)定性［11-17］。

1.1 中國

中國高鐵路基基床結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，分為基床表層和基床底層［2，9，16-17］。無砟軌道基床表層厚0.4 m、基床底層厚2.3 m；有砟軌道基床表層厚0.7 m、基床底層厚2.3 m，如圖1所示。

圖1 中國高速鐵路路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖（單位：m）

基床表層填料為粒徑不大于60 mm 的級配碎石，基床底層填料為粒徑不大于60 mm 的礫石類、砂類土中的A，B 組填料或化學(xué)改良土。級配碎石、礫石類及砂石類土采用壓實系數(shù)K、地基系數(shù)K30及動態(tài)變形模量Evd作為基床壓實控制指標(biāo)，化學(xué)改良土采用壓實系數(shù)及7 d 飽和無側(cè)限抗壓強度作為基床壓實控制指標(biāo)?；脖韺雍突驳讓犹盍系膲簩崢?biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 基床表層、基床底層填料的壓實標(biāo)準(zhǔn)

1.2 日本

日本在進(jìn)行高速鐵路路基設(shè)計時，將其處理為結(jié)構(gòu)體系，整個體系自上而下劃分為基床表層、上部填土和下部填土［18］?；脖韺影瑸r青基床表層、混凝土基床表層和碎石基床表層3 類。其中，無砟軌道可選用瀝青和混凝土的基床表層，重要的有砟軌道可選用瀝青基床表層，一般的有砟軌道可選用碎石基床表層。

1.2.1 基床表層

1）瀝青基床表層

瀝青基床表層由瀝青混合物層上部基床表層和級配碎石層下部基床表層構(gòu)成。無砟軌道、有砟軌道的瀝青基床表層的瀝青混合物層基本結(jié)構(gòu)是相同的，但由于各自支承的軌道結(jié)構(gòu)不同，在設(shè)計思路上存在差異。

無砟軌道瀝青基床表層的瀝青混合物層，在設(shè)計上應(yīng)針對瀝青混合物層的疲勞破壞和基床的殘余變形進(jìn)行檢算，以確定優(yōu)化的瀝青混合物層厚度。無砟軌道瀝青基床表層橫斷面示意圖如圖2所示，縱斷面結(jié)構(gòu)如圖3所示，斷面尺寸見表2。瀝青混合物層壓實控制K≥0.95（取芯），級配碎石層K≥0.95（換砂）。

圖2 日本無砟軌道瀝青基床表層橫斷面示意圖

圖3 日本無砟軌道瀝青基床表層縱斷面結(jié)構(gòu)

表2 日本無砟軌道瀝青基床表層斷面尺寸

有砟軌道瀝青基床表層的瀝青混合物層在設(shè)計時，考慮基床條件和列車荷載，驗算瀝青基床表層表面位移，并對級配碎石的厚度進(jìn)行優(yōu)化。有砟軌道瀝青基床表層橫斷面示意圖如圖4所示，縱斷面結(jié)構(gòu)如圖5所示，斷面尺寸見表3。有砟軌道瀝青基床表層下部使用級配碎石、級配爐渣（MS）、水硬性級配爐渣（HMS）等碎石材料。

圖4 日本有砟軌道瀝青基床表層橫斷面示意圖

圖5 日本有砟軌道瀝青基床表層縱斷面結(jié)構(gòu)

表3 日本有砟軌道瀝青基床表層的斷面尺寸

2）混凝土基床表層

混凝土基床表層由鋼筋混凝土板和級配碎石構(gòu)成。無砟軌道混凝土基床表層橫斷面示意圖如圖6所示，縱斷面結(jié)構(gòu)如圖7所示，斷面尺寸見表4。鋼筋混凝土板的作用是向其下部傳遞軌道荷載，以其較大的抗彎剛度抑制變形，確?；脖韺用娴钠巾樞裕患壟渌槭淖饔檬侵С袖摻罨炷涟宀⑾蚧卜稚⒑蛡鬟f荷載。

圖6 日本無砟軌道混凝土基床表層橫斷面示意圖

圖7 日本無砟軌道混凝土基床表層縱斷面結(jié)構(gòu)

表4 日本無砟軌道混凝土基床表層斷面尺寸

3）碎石基床表層

碎石基床表層采用力學(xué)性能優(yōu)良的單一材料修筑而成，結(jié)構(gòu)如圖8所示。為了避免基床表層發(fā)生翻漿冒泥，宜將基床表層的厚度設(shè)為0.3 m。

圖8 日本碎石基床表層結(jié)構(gòu)形式

采用K30和K指標(biāo)，控制碎石基床表層結(jié)構(gòu)的壓實質(zhì)量，并且保證K30≥110 MPa·m-1或K≥0.95。

1.2.2 上部填土

施工基面以下3 m 深度的那一部分路堤統(tǒng)稱為上部填土，主要通過K30控制路基壓實狀態(tài)，并保證K30≥110 MPa·m-1。

1.2.3 下部填土

下部填土的細(xì)粒含量Fc小于20%，采用K控制壓實狀態(tài)時，需要確保K≥0.9。下部填土的細(xì)粒含量Fc大于20%時，可以選用氣隙率na控制壓實狀態(tài)。當(dāng)20%≤Fc≤50%時，要求na≤15%；Fc＞50%時，要求na≤10%。

1.3 法國

法國根據(jù)高鐵路基表層填料狀況、路基填料質(zhì)量，將路基劃分為良好、中等和不良路基。在道砟層與路基之間設(shè)立1 層調(diào)整的墊層（相當(dāng)于我國高鐵基床表層），路基頂層設(shè)置橫向傾斜的路基表層，斷面如圖9所示。

圖9 法國高鐵路基基床結(jié)構(gòu)

墊層頂面呈3%～5%的坡度［19］，由如下3 部分構(gòu)成。

（1）砟墊層：由純礫石（粒徑≥30 mm）構(gòu)成，K≥1.0，在任何時候，均需要鋪設(shè)砟墊層，其厚度隨軌枕、路基類型和運輸條件變化而發(fā)生改變。

（2）底基層：由級配的純礫石組成，K≥1.0，最小厚度為15 cm，土質(zhì)條件優(yōu)良時，可不設(shè)此層。

（3）防污層：防污層有時與1 層純砂土墊配合使用，或在路基表層上增鋪1層合成氈墊。若路基表層中包括一些能夠磨損或破壞氈墊的固體顆粒，需將氈墊放置于砂層中間。

路堤中，路基表層采用與填方路堤相同的土體或性質(zhì)良好的土料修筑而成，并且保證K≥0.95，路基表層也可根據(jù)工程實際采用砂漿處理。路塹中，路基表層的K≥0.95，厚度至少30 cm。同時，規(guī)定了只有路基表層的變形模量Ev2≥50 MPa 時，才能施工墊層，各部分的具體壓實標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 法國路基壓實標(biāo)準(zhǔn)

1.4 德國

德國高鐵路基結(jié)構(gòu)自上而下分別為保護層、防凍層、土路基層。路基保護層和防凍層與我國高鐵路基基床表層的功能一致，其總厚度根據(jù)路基保護層要求達(dá)到的變形模量值確定。土路基層與我國高鐵路基基床底層、路堤本體的功能保持一致。根據(jù)各個受力層的特征與填筑料的工程性質(zhì)，采用變形模量Ev2、動態(tài)變形模量Evd、壓實系數(shù)K和氣隙率na等多個綜合指標(biāo)，控制路基的壓實狀態(tài)，并評價相應(yīng)的壓實質(zhì)量［20］。德國路基的標(biāo)準(zhǔn)斷面和壓實標(biāo)準(zhǔn)分別如圖10 和圖11所示。圖中：KG1 和KG2分別為顆?；旌狭? 和顆粒混合料2；GW 為級配良好的礫石；GI為粒徑缺失的礫石；GE 為級配不好的礫石；SE 為級配不好的砂；SW 為級配良好的砂；SI 為粒徑缺失的砂；GU 為粉土質(zhì)礫石；GT 為黏土質(zhì)礫石；SU 為粉土質(zhì)砂；ST 為黏土質(zhì)砂；GU*，GT*，SU*及ST*分別為粒徑小于0.06 mm的顆粒含量在15%～40%的粉土質(zhì)礫石、黏土質(zhì)礫石、粉土質(zhì)砂及黏土質(zhì)砂；UL 為弱塑性粉土；UM 為中塑性粉土；TL 為弱塑性黏土。具體壓實標(biāo)準(zhǔn)見表6。

圖10 德國高鐵有砟軌道路基的標(biāo)準(zhǔn)斷面和壓實標(biāo)準(zhǔn)（單位：m）

圖11 德國高鐵無砟軌道路基的標(biāo)準(zhǔn)斷面和壓實標(biāo)準(zhǔn)（單位：m）

表6 德國路基壓實標(biāo)準(zhǔn)

1.5 各國異同

綜上，為滿足使用上的需求，各國高鐵路基基床表層一般采用分層強化結(jié)構(gòu)體系，如德國針對有砟軌道將其分為保護層、防凍層，無砟軌道分為水硬層、防凍層；法國分為砟墊層、底基層和防污層；日本分為瀝青、混凝土和碎石的基床表層。為了確保傳力路徑明確、施工簡便，中國基床表層采用的是單一結(jié)構(gòu)體系。

填料方面，中國采用級配碎石修筑基床表層，級配碎石的顆粒級配、防滲性等特性與法國、德國基本保持一致。

控制路基壓實質(zhì)量方面，中國綜合選用壓實系數(shù)、地基系數(shù)和動態(tài)變形模量等作為指標(biāo)，評價采用級配碎石、礫石類及砂石類土修筑路基的壓實質(zhì)量；對此，日本使用地基系數(shù)和壓實系數(shù)，法國和德國采用壓實系數(shù)和變形模量。所有國家針對壓實系數(shù)的使用是一致的，具體見表7。

表7 各國壓實參數(shù)種類和使用情況

2 高鐵路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

2.1 中國

中國高鐵路基基床一般采用從下到上逐漸強化的結(jié)構(gòu)。基床表層厚度設(shè)計是基床結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心，對控制基床變形和保護下部填土具有重要作用。中國鐵道科學(xué)研究院［7，16，21-22］開展了大量的現(xiàn)場和室內(nèi)試驗，系統(tǒng)剖析了高鐵路基荷載的分布規(guī)律，研究了基床動應(yīng)力與動變形的基本規(guī)律，為了避免列車反復(fù)荷載作用下路基發(fā)生累積變形和累積孔壓效應(yīng)，確定了路基面動變形、基床底層動應(yīng)變的雙重控制準(zhǔn)則，發(fā)展了基于應(yīng)變控制的基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

2.1.1 動應(yīng)變臨界值的確定

高速鐵路路基動應(yīng)力和動變形計算時，列車軸重及軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取較為一致，而對結(jié)果影響較大的填料模量的選取則存在很大不同。根據(jù)試驗獲取的剪切模量比G/Gmax（實際剪切模量與最大剪切模量的比值）與應(yīng)變γ的關(guān)系如圖12所示。由圖12 可見，填料模量隨應(yīng)變的增大呈現(xiàn)非線性衰減趨勢?？紤]到變形模量與剪切模量之間的等比換算關(guān)系，變形模量的計算參數(shù)取值應(yīng)基于壓實檢測指標(biāo)和填料非線性特性確定。為避免基床出現(xiàn)累積變形，基床應(yīng)變應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。不產(chǎn)生體積效應(yīng)的臨界應(yīng)變對應(yīng)的臨界剪切模量比約為0.65，一般介于圖中2 條近似水平的虛線之間，所以變形模量應(yīng)取最大模量的0.65倍。

圖12 剪切模量比與應(yīng)變的關(guān)系

2.1.2 道床初始動荷載的確定

在計算有砟軌道路基動荷載時，將動輪載按比例分擔(dān)到軌枕上，按照式（1）計算道床頂面上的動荷載［15］，并將軌枕的有效支承面積處理為荷載的分布面積，如圖13所示。圖中：b為軌枕平均寬度；e'為軌枕平均有效支承長度；Fd為動軸重。

圖13 列車荷載在道床頂面的分布

Fd=Fs(1+av)（1）式中：Fs為靜軸重，kN；α為速度影響系數(shù)，高鐵取0.003；v為設(shè)計速度，km·h-1。

在計算無砟軌道路基動荷載時，將路基動荷載分布進(jìn)行簡化處理，1 個轉(zhuǎn)向架的2 個軸載視作集中力，并乘以相應(yīng)的動力系數(shù)，作為列車設(shè)計動荷載。

2.1.3 模量的確定

基床表層及道床的計算模量在缺少實測試驗資料時，級配碎石基床表層取180 MPa，碎石道床可取300 MPa。基床底層的計算模量選取，應(yīng)考慮應(yīng)變水平對模量的非線性影響。K30試驗時路基填料的應(yīng)變水平平均約為0.18%，依據(jù)彈性假定，當(dāng)泊松比μ＝0.21，得到變形模量E=0.23K30。依據(jù)圖9 可計算出填料變形模量Emax。由于設(shè)計需要偏于安全，取基床底層計算模量等于臨界應(yīng)變對應(yīng)的模量，即E=0.65Emax。

2.1.4 路基動應(yīng)力與動變形

確定上述路基頂面的動荷載、填料的模量后，路基處理為彈性均質(zhì)半空間體，利用布辛尼斯克解析解，得到路基的動應(yīng)力和動變形。

2.1.5 基床表層厚度

設(shè)定不同的基床表層厚度，采用布辛尼斯克公式計算基床動應(yīng)力及動變形，得出的結(jié)果需要小于路基面動變形與基床底層動應(yīng)變的臨界限值，并以此確定基床表層厚度。

上述高鐵路基結(jié)構(gòu)設(shè)計方法已納入TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》。

2.2 日本

日本高鐵強化基床結(jié)構(gòu)采用路基頂面變形量控制方法［18］。基于公路瀝青路面的有益工程經(jīng)驗，采用撓曲角θ控制基床表層的結(jié)構(gòu)變形不宜過大，以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生撓曲開裂，如圖14和圖15所示。

圖14 公路路面撓曲角控制標(biāo)準(zhǔn)

圖15 高鐵路面撓曲角控制標(biāo)準(zhǔn)

基于有限元方法，進(jìn)行不同基床強化結(jié)構(gòu)性能的檢算：①混凝土基床表層要進(jìn)行破壞安全性、疲勞破壞安全性及使用性的檢算；②瀝青基床表層需要分別針對由瀝青混合物層的疲勞破壞決定的使用壽命及瀝青基床表層表面的位移進(jìn)行檢算。對應(yīng)瀝青混合物層疲勞破壞的允許荷載次數(shù)，由瀝青混合物層底面的應(yīng)變求得，日本采用有限元法來求算瀝青混合物層應(yīng)變。若檢算結(jié)果不能滿足預(yù)期的使用壽命，則應(yīng)增加瀝青混合物的厚度。也可考慮增大軌枕尺寸、降低軌道墊板彈性、強化基床或采用高品質(zhì)的瀝青混合物等措施。

2.3 德國

德國按路基頂面變形模量要求，確定高鐵基床表層厚度［19］。高鐵路基保護層厚度設(shè)計要保證整個承載體系具有足夠的承載力，且不受冰凍的不利影響。保護層需要分別進(jìn)行承載力設(shè)計計算和防凍害設(shè)計計算。通過這2 種設(shè)計，確定保護層的最大厚度。

無砟軌道中，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，將保護層劃分為水硬性和非水硬性2 種類型，分別進(jìn)行厚度的設(shè)計與計算。有砟軌道中，作為承載層的保護層厚度與路基土或原地基表面的變形模量EEPL、修筑保護層的填料變形模量E0、保護層路基表面的變形模量EPL有關(guān)。基于德國聯(lián)邦鐵路實施指南DS 836《土工建筑物規(guī)范》中路基保護層厚度計算圖（圖16），根據(jù)路基土承載力和要求的路基承載力，確定作為承載層的保護層厚度。保護層路基表面變形模量EPL依據(jù)Ev2確定。作為防凍層的保護層厚度，依據(jù)大氣冷量總和與年平均溫度進(jìn)行設(shè)計計算。

圖16 保護層厚度的設(shè)計計算圖表（單位：MPa）

根據(jù)路基變形模量的要求，確定基床保護層厚度的方法來源于公路路基設(shè)計。測定公路路基面變形模量的試驗荷載與使用荷載相似。當(dāng)滿足試驗荷載要求時，便也滿足使用荷載。但是，高鐵中由于變形模量的試驗荷載與使用荷載在作用范圍上存在較大差異，雖然表面達(dá)到相同變形模量的路基，但使用時可能表現(xiàn)出差異性的工作性能，這也造成確定不同等級鐵路路基表層變形模量限值，缺乏必要的依據(jù)。

2.4 美國和南非

美國和南非等通過控制基床表層下填土強度，確定高鐵道床和墊層厚度。為了保護下部填土，要求作用在下部填土上的應(yīng)力小于其允許應(yīng)力［23］。允許應(yīng)力的確定有多種衍生形式，有采用靜強度進(jìn)行計算，也有采用動強度進(jìn)行計算。各種強度的確定方式多種多樣。該方法適用于重載鐵路路基基床病害等基床破壞性問題，而對高鐵變形有嚴(yán)格要求的情況卻難以實施。在微小變形要求下，強度的定義及確定方法成了難以突破的問題。

2.5 各國異同

綜上，目前各國高鐵路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法包括：路基頂面變形量控制方法、路基底面變形模量控制方法、基床表層下部填土強度控制方法等。我國以路基面動變形、基床底層動應(yīng)變?yōu)榭刂浦笜?biāo)，進(jìn)行設(shè)計。這些設(shè)計方法未考慮真正意義的循環(huán)振動荷載，且假定路基為彈性半空間體，簡化了路基結(jié)構(gòu)建造與服役階段的動力過程，將動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題。設(shè)計方法假定條件過多，設(shè)計精細(xì)化程度相對不足，且無法計算循環(huán)列車荷載對路基變形的累積效應(yīng)。

3 高鐵路基累積變形預(yù)測方法研究現(xiàn)狀

我國高鐵主要采用的是無砟軌道形式，對路基沉降提出嚴(yán)格要求，明確規(guī)定路基工后沉降不超過15 mm。高鐵運行速度快、密度高、運量大，長期列車運行荷載作用下路基不可避免發(fā)生累積沉降變形，對高鐵運營造成影響。目前高鐵路基設(shè)計方法未直接考慮列車循環(huán)動載對路基的累積變形，國內(nèi)外在這一領(lǐng)域進(jìn)行了研究［24-26］，但尚未形成相對完善的高鐵無砟軌道列車荷載下路基累積變形的計算方法。

3.1 循環(huán)荷載作用下路基土累積變形

蔡英等［27］開展了黏土三軸循環(huán)荷載作用試驗，得到累積塑性應(yīng)變與荷載作用次數(shù)的關(guān)系曲線，并通過在半對數(shù)坐標(biāo)下曲線的“凹凸”性判定法，將累積應(yīng)變曲線劃分為發(fā)展型和衰減型，2 類曲線分別向著破壞和穩(wěn)定趨勢發(fā)展。王龍等［28］基于三軸試驗結(jié)果，將累積塑性變形曲線劃分為穩(wěn)定型、衰減型和破壞型，并以累積塑性應(yīng)變不超過4%作為路面結(jié)構(gòu)可接受的變形為依據(jù)。Werk?meister 等［28］將不同應(yīng)力水平下路基累積塑性應(yīng)變曲線，分為塑性安定、塑性螺變和增量破壞等階段。Minassian［29］根據(jù)累積塑性應(yīng)變，將路基劃分為3 個狀態(tài)：穩(wěn)定狀態(tài)、臨界狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)。Hoff 以平均累積應(yīng)變速率劃分累積塑性變形狀態(tài)：彈性狀態(tài)、塑性狀態(tài)和破壞狀態(tài)?？梢姡S著荷載作用次數(shù)的增加，不同應(yīng)力水平下粗粒土的累積塑性變形表現(xiàn)出不同的狀態(tài)。

目前，很難定量計算累積塑性變形。在滿足工程使用要求范圍內(nèi)，路基不發(fā)生塑性累積變形的前提條件下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，仍是可行的方法。由于高鐵軌下基礎(chǔ)變形要求嚴(yán)格，如何科學(xué)、合理進(jìn)行往返循環(huán)荷載作用下基床結(jié)構(gòu)累積塑性變形狀態(tài)分類、判別與控制等，仍需要做深入系統(tǒng)的研究。

3.2 列車運行引起路基累積塑性變形計算模型

估算累積塑性變形是循環(huán)荷載作用下路基土變形特性研究的重要內(nèi)容之一。鐵路發(fā)展過程中，已提出多種路基循環(huán)累積沉降計算模型，大致分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蛷椝苄粤W(xué)理論模型，其中有些模型已用于實際工程中［26］。

3.2.1 經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

初期，常采用動三軸試驗結(jié)果，以應(yīng)力水平、荷載作用次數(shù)等為變量，建立經(jīng)驗的路基累積沉降模型［24，26］，譬如指數(shù)、對數(shù)和冪函數(shù)模型等，并以Monismith［31］提出的指數(shù)模型應(yīng)用最為廣泛。這些模型具有形式單一、參數(shù)少和應(yīng)用便利等特點。應(yīng)該說，如果有很好的試驗結(jié)果，采用這些模型時，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測路基累積變形發(fā)展趨勢。由于不同應(yīng)力水平下，路基累積塑性變形差異較大，很難采用某一個特定模型準(zhǔn)確描述。

隨后，Li和Selig［32］引入土體強度參數(shù)和應(yīng)力條件，建立了交通荷載作用下路基土體沉降計算公式。隨后，Chai 和Miura［33］基于Li 和Selig 的模型，建立了考慮初始靜偏應(yīng)力的指數(shù)經(jīng)驗公式。陳穎平等［34］采用三軸試驗結(jié)果，考慮了固結(jié)壓力、循環(huán)振次、動靜偏應(yīng)力的影響，修改Li 和Selig 經(jīng)驗公式，據(jù)此建立了應(yīng)變預(yù)測模型，很好地描述土樣破壞前變形規(guī)律。但是，采用該模型計算隨著循環(huán)次數(shù)增加得到應(yīng)變也趨于無限大，這與當(dāng)循環(huán)荷載比小于某個臨界動應(yīng)力時土體因振密、變形趨于穩(wěn)定值不吻合。Wichtmann 等［35］利用動三軸試驗結(jié)果，修正Niemunis 等的砂土累積變形的HCA 模型，提出了適用非黏性土體的累積變形模型，能夠描述復(fù)雜邊界的路基累積變形規(guī)律。邊學(xué)成等［36］基于路基土體動三軸試驗結(jié)果，建立了不同加載循環(huán)次數(shù)作用下土體累積塑性應(yīng)變增量的計算公式。

3.2.2 彈塑性模型

Abdelkrim等［37］、Chazallon等［38］和Karg等［39］通過建立基于安定性理論的彈塑性本構(gòu)模型，是準(zhǔn)確預(yù)測循環(huán)荷載下土體累積變形的一種方法。該類方法具有通用性強的優(yōu)勢，能夠準(zhǔn)確獲得不同復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下累積塑性變形。但是，一般需要試驗確定并提供較多的計算參數(shù)，計算量很大，而且若計算參數(shù)不夠準(zhǔn)確時預(yù)測誤差偏大。王娟和余海歲［40］基于理想彈塑性理論，獲得了安定極限值的下限解。張宏博［41］引入合理的硬化定律和剪脹公式，提出無黏性土體累積塑性變形的循環(huán)本構(gòu)模型。Degrande 等［42］修改了表述滑動摩擦和體積壓密變形機理的屈服函數(shù)與塑性應(yīng)變表達(dá)式，建立了適用小幅荷載作用下顆粒土循環(huán)累積變形模型。

總之，高鐵路基亟須發(fā)展精度和計算效率更高的路基累積變形計算模型。經(jīng)驗?zāi)Ｐ碗m然可以用于實際工程中，但是一般難以滿足計算精度要求［24，26］?；诖诸w粒填料彈塑性動本構(gòu)模型，建立路基全過程累積彈塑性模型是一個發(fā)展趨勢［36，43］。這類模型中，如何考慮塑性累積效應(yīng)與硬化特征、顆粒破碎規(guī)律和能量耗散特征等便成為亟須認(rèn)真對待的技術(shù)難點。

4 結(jié)論及發(fā)展趨勢

上文系統(tǒng)總結(jié)并分析了中國、日本、法國、德國和美國等國家高鐵路基基床結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計方法，指出該設(shè)計方法存在的一些問題，得到如下基本認(rèn)識與結(jié)論。

（1）各國高鐵路基基床普遍采用層狀的強化結(jié)構(gòu)，為了滿足使用的高要求，基床表層常采用統(tǒng)一的雙層、多層結(jié)構(gòu)。我國高鐵基床表層為單一結(jié)構(gòu)體系，填料采用級配碎石，施工簡便、傳力路徑清晰。壓實質(zhì)量控制方面有多種檢驗參數(shù)，各國的控制指標(biāo)與各自理解和習(xí)慣有關(guān)，其目的均是為了有效控制填土質(zhì)量。各國高鐵均采用壓實系數(shù)作為壓實質(zhì)量控制指標(biāo)。我國采用壓實系數(shù)、地基系數(shù)和動態(tài)變形模量，評價高鐵路基級配碎石、礫石類和砂石類填料的壓實狀態(tài)。

（2）各國高鐵路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法主要包括：路基頂面變形量控制方法、路基底面變形模量控制方法、基床表層下部填土強度控制方法等。我國，采用路基面動變形和基床底層動應(yīng)變控制的設(shè)計方法。這些設(shè)計方法，假定路基為彈性半空間體，將動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題，均未考慮列車循環(huán)振動荷載?？傮w上，設(shè)計方法過于粗略，精細(xì)化程度相對不足，且無法計算循環(huán)列車荷載引起路基的累積變形效應(yīng)。

（3）隨著荷載作用次數(shù)增加，不同應(yīng)力水平下粗粒土的累積塑性變形呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。針對動載作用下填料累積塑性變形，國內(nèi)外開展了大量研究工作，構(gòu)建了經(jīng)驗性模型和彈塑性理論模型。但是，目前尚未建立理論相對完備的高鐵路基累積變形計算方法與設(shè)計理論。

由對高鐵路基結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀梳理與分析可以看出，未來高速鐵路路基設(shè)計有如下發(fā)展趨勢。

（1）路基基床結(jié)構(gòu)優(yōu)化與完善。如針對目前高鐵路基封閉層易開裂滲水造成凍脹、翻漿等病害，提出基于瀝青級配碎石全斷面封閉的新型路基結(jié)構(gòu)型式，即在基床表層設(shè)置瀝青級配碎石層作為防水層和強化層，起到隔水、改善基床受力及減震降噪的目的。

（2）采用粗顆粒填料彈塑性本構(gòu)模型，發(fā)展路基全過程累積塑性應(yīng)變計算方法，是提高路基累積變形計算精度的需要，也是路基設(shè)計的發(fā)展趨勢。

（3）建立高速列車-軌道-路基理論分析模型，發(fā)展考慮建造、運營荷載激勵的高鐵路基結(jié)構(gòu)全過程動力學(xué)設(shè)計方法，是路基結(jié)構(gòu)設(shè)計由半理論、半經(jīng)驗轉(zhuǎn)向精細(xì)化設(shè)計的理論基礎(chǔ)，是實現(xiàn)高鐵路基基床結(jié)構(gòu)優(yōu)化的必要前提，也是路基設(shè)計的發(fā)展趨勢。