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

田曉濤

摘要：高鐵鐵路路基結(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)等因素的影響下具有長期穩(wěn)定性。本文主要描述 了高速鐵路路基設(shè)計主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，探究了國內(nèi)高鐵路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、累積變形預(yù)測方法研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;路基工程;基床結(jié)構(gòu);設(shè)計方法;研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

引言：

從十九世紀鐵路和蒸汽機車的出現(xiàn)到現(xiàn)在，鐵路的發(fā)展已橫跨三個世 紀，帶動了全球經(jīng)濟的發(fā)展，同時伴隨著經(jīng)濟的繁榮和蕭條，鐵路也經(jīng)歷 了高潮和低谷。隨著高速鐵路的出現(xiàn)，鐵路的發(fā)展又進入了一個新的時期，鐵路路基工程也有了新的發(fā)展。

一、高速鐵路路基設(shè)計主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

路基工程是鐵路軌下基礎(chǔ)工程的重要組成部分，要承受軌道和列車荷 載以及各種自然因素的作用，要具有足夠的穩(wěn)定性，使其不致在路基本體 或其他地基產(chǎn)生破壞和位移。因此國內(nèi)相關(guān)部門遵循以人為本、系統(tǒng)優(yōu)化 的建設(shè)理念，根據(jù)鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系的要求，為統(tǒng)一鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，提高鐵路路基設(shè)計水平，在原有路基設(shè)計規(guī)范的基礎(chǔ)上，總結(jié)近年我國鐵 路實踐經(jīng)驗和科研成果，借鑒國外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定編制出《鐵路路基設(shè)計 規(guī)范》（TB10001-2016） [1]。其中高速鐵路設(shè)計速度分為 250km/h、300km/h 及 350km/h 三級，其符合國內(nèi)鐵路發(fā)展的實際需求，可還是存在一定的不 足，還需在實踐過程中不斷優(yōu)化、創(chuàng)新、完善。

高速鐵路路基工程設(shè)計應(yīng)按照結(jié)構(gòu)的功能要求和設(shè)計使用狀況采用相?應(yīng)的組合，設(shè)計檢算采用不同的安全系數(shù)。其采用的填料及土工合成材料、 路基邊坡高度及坡率，應(yīng)根據(jù)其類型、特征、地質(zhì)條件等綜合確定?；?地層范圍內(nèi)的天然地基基本承載力均不小于 180kPa，若不滿足條件則需要?采用合適的地基處理措施，從而滿足工后沉降要求[2]?；矤顟B(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。基床結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，分為基床表層和基床底層。無砟軌道基床表層厚 0.4 m、基床底層厚 2.3m;有砟軌道基床表層厚 0.7m、 基床底層厚 2.3m，如圖 1 所示。

二、高速鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

中國高鐵路基基床一般采用由下至上逐漸增強的路基結(jié)構(gòu)?；脖韺?填料及厚度是基床結(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。為了避免列車反復(fù)荷載作用下路基發(fā)生累積變形和孔壓效應(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 模量的確定

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=0.23 K30，計算出填料變形模量 Emax。由于設(shè) 計需要考慮安全系數(shù)，取基床底層計算模量等于臨界應(yīng)變對應(yīng)的模量，即 E=0.65 Emax。

2.2 路基動應(yīng)力與動變形

迄今工程中采用的方法，通常都是用簡化的方法。在地基變形計算中，附加應(yīng)力分布采用半無限空間的彈性理論計算方法。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，利用布辛內(nèi)斯克?解析解，得到路基的動應(yīng)力和動變形。

2.3 基床表層厚度

設(shè)定不同的基床表層厚度，采用布辛內(nèi)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。

三、高速鐵路路基累積變形預(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，對路基沉降提出嚴格要求，明 確規(guī)定路基工后沉降不超過 15 mm，橋臺臺尾過渡段不超過 5mm。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)域進行了研究，但尚未 形成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)荷載作用下路基累積變形

開展黏土三軸循環(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，兩類曲線分別向著破壞和穩(wěn)定趨勢發(fā)展?；谌S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)。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、塑性蠕變和增量破壞等 階段。根據(jù)累積塑性應(yīng)變，將路基狀態(tài)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)。根據(jù)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)。

3.2 列車運行引起路基累積塑性變形計算模型

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)驗路基累積沉降模型，如指數(shù)、對數(shù)和冪函數(shù)模型等，其中指數(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)用方便等特點。如 果能夠獲得良好的試驗結(jié)果，采用這些模型能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測路基累積變 形發(fā)展趨勢。但由于不同應(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，引入土體強度參數(shù)和應(yīng)力條件，建立了列車荷載作用下路基土 體沉降計算公式，并建立了考慮初始靜偏應(yīng)力的指數(shù)經(jīng)驗公式。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，修改經(jīng)驗公 式并建立了應(yīng)變預(yù)測模型，很好地描述土樣破壞前變形規(guī)律。但采用該模 型計算時，隨著循環(huán)次數(shù)增加，得到的應(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。因此利 用動三軸試驗結(jié)果，修正砂土累積變形的 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[3]。

3.2.2 彈塑性模型

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較強的優(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?；诶硐霃椝苄岳碚摚@得了安定 極限值的下限解。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。

四、結(jié)論及發(fā)展趨勢

通過對高鐵鐵路路基結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀分析可以總結(jié)出以下結(jié)論及發(fā)展趨 勢。

（1）為了滿足使用的要求標(biāo)準(zhǔn)，我國高鐵基床表層填料采用級配碎石，施工簡便、應(yīng)力路徑清晰。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)[4]。

（2）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)計方法精細化程度相對不足，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）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。

（4）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。

參考文獻：

[1]中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司. TB 10001-2016《鐵路路基設(shè)計 規(guī)范》[S].中國鐵道出版社，2016.

[2]趙文輝. 高速鐵路泡沫輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)性能及施工技術(shù)研究[D]. 西南交通大學(xué)，2018.

[3]李鵬. 重載鐵路路基動力響應(yīng)與長期累積變形特性[D].哈爾濱工業(yè) 大學(xué)，2018.

[4]中鐵四局集團有限公司. Q/CR 9602-2015《高速鐵路路基工程施工 技術(shù)規(guī)程》[S].中國鐵道出版社，2015.