高速铁路路基路基填筑与检测标准.ppt

中铁十四局培训班 高速铁路路基技术 专题讲座 主讲人罗强 教授 Tel:e-mail: 2007年12月10日 成都 九里校区 网络学院5110#,路基填筑主要技术标准与实施要点,桥梁,路基,隧道,轨道,结构地基,路基结构的最大特点：土既是结构地基，又是结构材料,结构地基 结构材料,结构地基 结构介质,土,路堤地基,路堤填料,隧道,隧道介质,隧道地基,隧道介质,桥梁地基,路基填筑主要技术标准与实施要点,路基结构,路基填料,路基压实,填料选择,分类分组,设计技术,检测技术,路基填筑主要技术标准与实施要点,1.路基填料分类与分组 1.1路基填料的分类与分组现状 1.2完善路基填料分类与分组的建议 1.3关于粗颗粒土粒径级配标准的讨论,2.路基压实与压实标准 2.1铁路路基压实及压实标准的发展 2.2公路路基压实及压实标准的变化 2.3国外高速铁路路基压实及压实标准的情况 2.4高速铁路路基压实及压实标准的思考,1.1分类与分组现状,为什么要进行土的工程分类 土在工程建设中的作用：建筑物地基，构筑物填料。前者是保持天然结构状态的土，后者是经由人工扰动或配制的土。 对不同工程用途的土，选取影响显著的指标，按其差异划分成类或组，给予合适的定名，可从土类和土名中初步了解其主要的工程特性。 当用作地基土时，可结合其它指标确定地基土的承载力，初步估计建筑物的沉降；当用于路基填料时，可初步评估填料的压实强度、透水性和稳定性，合理地选择施工方案。,1.1分类与分组现状,由于历史和专业的原因，我国铁路系统长期存在两种“土的工程分类”，即： 铁路路基设计规范中的“填料分类” 铁路工程地质技术规范中的“岩土分类” 两种分类方法服务于不同的工程目的，针对的是两种不同状态的土。,1.1分类与分组现状,“铁路工程岩土分类”的服务对象主要是自然界中保持天然结构状态的地基土，它的土性决定于土的地质成因、矿物成分、粒径组成和水的含量，将它们按一定的规律划分成类或组，其主要目的是确定地基土的承载力，初步估算构筑物的沉降，如： 用孔隙比和含水量等指标确定地基承载力； 用含水量确定淤泥质土地基承载力； 进行相关原位试验确定地基承载力。,1.1分类与分组现状,“路基工程填料分类”是针对天然结构已被破坏的扰动土，将其按粒径组成、按细粒含量和级配情况等划分成类和组，用以估算填料压实后的强度、可压实性和渗透性、冻胀性等。,1.1分类与分组现状,在土的粒组划分标准方面 两种分类方法在粒粒径划分和名称方面基本一致，只是在碎石和砾石的粒组界限不同，如表2-1所列。 一般认为，碎石的粒径从200mm到20mm范围太大，按200mm到60mm划分更合理，也与国内外大多数相关规范的粒组划分标准一致，如表2-4所列。,1.1分类与分组现状,1.1分类与分组现状,1.1分类与分组现状,在土的工程分类标准方面 铁路工程岩土分类标准是将试样按粒组由大至小进行重量累积，当累积到某一粒组、其重量超过总重量的50%或自定的某一界限时，就以该粒组定名，即所谓的“粒径累积法”。 进行重量累积定名后，将土按2mm、0.075mm界限分成碎石类土、砂类土和黏性土三大类。 砂类土和黏性土之间的过渡部分则定为粉质土。 碎石类土按粒径大小和形状细分成6种，砂类土按粒径大小细分为5种，黏性土按塑性指数IP分为2种，如表2-2和表2-3所列 。,1.1分类与分组现状,1.1分类与分组现状,用“粒径累积法”进行土的工程分类，简单易行，但分类指标单一，不能很好地反映土性。 对粗粒土分类时,只按大于某一重量的粒组大小定名，不能考虑土中其它粒径成分。 对于细粒土来说，只用塑性指数单一指标定名，没有考虑液限高低对土性的影响，而高液限土的强度低、压缩性大、水稳定性差，容易引起路基的各类病害。,1.1分类与分组现状,在土的工程分类标准方面 铁路路基设计规范的分类依据是除考虑土中的颗粒粒径大小和塑性指标外，在粗粒土定名时考虑了土中的细颗粒含量和粗颗粒级配等情况，在给细粒土定名时考虑了土中粗颗粒含量和细颗粒塑性指标，如表2-5和表2-6所列。 这样分类后能较清楚地了解每一种土的颗粒组成和土性，并对土的抗剪性、压缩性、可压实性、渗透性、抗冻性等进行初步评价，有利于对路基填料的正确选用。,1.1分类与分组现状,1.1分类与分组现状,“填料分类”定名后，即可根据填料的工程性质和适用性进行“填料分组”。 以填料的剪切强度、可压实性、压缩性、对气候环境的敏感性等为依据，将填料分为A、B、C、D、E共五组。 A组优质填料 B组良好填料 C组一般填料 D组不宜使用的差质填料 E组严禁使用的劣质填料,1.1分类与分组现状,A、B组填料多为强度较高、压缩性较小的块石、碎石、砾石、砂土和粗粒混合土等。 细粒土由于强度较低、压缩变形较大，均被归为C组和D组填料。 L40%时的黏土和粉土为C组填料。 L40%的黏土和粉土为D组填料。 有机土为E组填料。,1.1分类与分组现状,粗粒混合土中的细粒含量对填料性质有影响，采用5%、15%、30%划分。 细粒含量5%，混合土受水的影响小，没有冻胀性，可作为渗水材料使用。 细粒含量在515%，在混合土中它已填充了部分粗颗粒的空隙，使混合土的透水性、压实性有所改变。 细粒含量在1530%，混合土的性质受细粒含量的影响较大。 细粒含量30%时，混合土的性质基本受细粒土控制。,1.1分类与分组现状,与铁路工程岩土分类标准比较，尽管铁路路基设计规范的分类标准对传统的“粒径累积法”进行了部分修改，但仍存在下列问题： 没有考虑填料中粗细颗粒填充物的成分。粗粒混合土中的细粒成分对填料性质的影响较大。如果细粒成分是粉性土，这类填料的强度、抗变形、可压实性和水稳定性等工程性质比含黏性土时要好。同样，细粒混合土中的粗粒成分对填料性质的影响也较大。如果粗粒成分是未风化、不易风化、易风化、风化的软硬块石或漂石，这类填料的工程性质差异巨大。,1.1分类与分组现状,没有考虑填料中相邻粒组的含量。在给巨粒土定名时，未考虑相邻粗粒组的含量（指60mm土中砾和砂的土重量占土总重量的比例）的影响；同样，在给粗粒土定名时，未考虑相邻巨粒含量和细粒含量（细粒含量指在60mm的土中，小于0.075mm的土所占比例）的影响。当然，在给细粒土定名时，也未考虑相邻粗粒含量（粗粒含量指在60mm的土中，大于0.075mm的土所占比例）的影响。,1.1分类与分组现状,同组填料的工程性质差异性未得到验证。路基填料分组中，将颗粒大小、细粒成分等差异极大的的土放在了一组。如在A、B组填料中，从硬块石、不易风化的软块石到级配良好的中粗砂共有十几种，它们在试验的可击实性、施工的可控制性、碾压的均匀性等方面相差很大；同样，在C、D组填料中，将易风化、风化的软块石和细粒含量较大成分不同的粗细粒土放在一起，也会存在水稳定性、耐久性和可靠性显著不同的结果。因此，当用同一组填料填筑路基时，可能会产生不同的工程效果。,1.1分类与分组现状,现行的路基填料分类和分组标准有进行修改完善的必要。修改完善的最好途径是采用国内外大多数相关规范的分类标准，即“统一分类”体系进行填料分类定名分组，这样才能较合理地控制土性，同时也可向国内外土的工程分类总趋势靠拢，便于技术交流。 另一方面，路基填料分类和压实标准的研究，尤其是高速铁路路基的设计标准，许多国家已有相对成功成熟的工程应用经验，分类标准统一后，可借鉴各国的先进技术，开阔我们的思路，又好又快地建设我国的高速铁路。,1.2完善分类与分组建议,土的工程分类的“统一分类法”，实际上是一种综合的多层次分类方法，其技术思想和理论框架最早由美国提出。 主要特点是将土的粒组和搭配情况划分得较细，首先考虑了粒组的主要成分，然后再用颗粒级配、细粒含量和塑性指标、颗粒成分和相邻粒组含量等参数对土性进行更深入的描述，并将其清晰地反映在定名里，用明确的标准符号表达出来。 目前，“统一分类法”被普遍认为是一种较为完善的分类方法，也是世界各国和国内大多数行业普遍采用的分类方法，如表2-7所列。,1.2完善分类与分组建议,1.2完善分类与分组建议,1.粒组划分 按粒组范围将土分为三组，即粒径大于60mm为巨粒组，600.075mm为粗粒组，粒径小于0.075mm的为细粒组，粗粒组与细粒组合称为小颗粒组，如表2-8所列。 当巨粒组土重量超过土总重量的50%时称巨粒土，在60mm以下的土中，当粗粒组超过土总重量的50%时称粗粒土，否则为细粒土。,1.2完善分类与分组建议,1.2完善分类与分组建议,2.分级定名 将土进行三级定名。 第一级以土的主成分定名，第二级以土的主成分级配和细粒含量加以描述，第三级以细粒成分和相邻粒组含量描述。 细粒土的第二级用塑性图定名，第三级考虑粗粒土的含量和成分。,1.2完善分类与分组建议,3.考虑相邻粒组含量的划分 给巨粒土定名时，需考虑粗粒组的含量（指60mm土中砾和砂的土重量占土总重量的比例），其标准为： 当粗粒组少于土全重量的25%时，定名时不予考虑； 当粗粒组为土全重量的25%50%时，定名为含砾（砂）的。,完善分类与分组建议,1.2完善分类与分组建议,3.考虑相邻粒组含量的划分 给粗粒土定名时，需同时考虑巨粒含量和细粒含量（细粒含量指在60mm的土中，小于0.075mm的土所占比例）。 巨粒含量的标准为：当巨粒含量少于土全重量的25%时，定名时不予考虑；当巨粒含量为土全重量的25%50%时，定名为含石的。 细粒含量的标准为：当细粒含量5%，定名时不予考虑；当细粒含量5%15%时，定名时为微含土（粉土或黏土）的；当细粒含量为15%30%时，定名时为含土质（粉土或黏土）的；当细粒含量为30%50%时，定名时为土质（粉土或黏土）的。,1.2完善分类与分组建议,1.2完善分类与分组建议,完善分类与分组建议,完善分类与分组建议,1.2完善分类与分组建议,3.考虑相邻粒组含量的划分 给细粒土定名时，需考虑粗粒含量（粗粒含量指在60mm的土中，大于0.075mm的土所占比例）。 粗粒含量的标准为：当粗粒含量25%时，定名时不予考虑；当粗粒含量为25%50%时，定名时为含砾（或砂）的。,1.2完善分类与分组建议,1.2完善分类与分组建议,1.3粗粒土级配标准的讨论,粗颗粒土的粒径级配是控制土性的主要指标之一。土的级配状况是根据土的粒径级配曲线，确定不均匀系数Cu和曲率系数Cc进行鉴别的。,1.3粗粒土级配标准的讨论,我国的标准为，当Cu5，Cc=13时，属良好级配，此时，土中细颗粒可充填粗颗粒间的孔隙，使土密实。当Cu5或者Cc13时，表示土粒级配范围窄或级配曲线不连续，呈台阶状，此时，压实不能密实，土中孔隙大，属于不良级配。 该标准与世界多数国家的土的粒径级配标准基本一致，只有日本的标准比较特别，如表2-13所列。,1.3粗粒土级配标准的讨论,1.3粗粒土级配标准的讨论,在实际的工程活动中发现，即使是满足规范要求的基床表层和过渡段用的级配碎石和级配砂砾石，其曲率系数Cc13的情况也存在，如表2-14所列。 同样的情况在近期填筑完成的某条无碴轨道试验段的A、B组填料（经过23次粉碎，最大粒径为100、80、60mm三种）级配评价中也有出现。,粗粒土级配标准的讨论,1.3粗粒土级配标准的讨论,对于宽级配范围的砾碎石类土，采用不均匀系数Cu5、曲率系数Cc=13的组合控制标准不一定合理，可能会将一部分级配良好的填料误判为级配不良的填料。主要表现在不均匀系数Cu5数值偏低，曲率系数Cc=13范围偏窄。 日本采用的Cu10、1CcCu（或 ）的粒径级配标准可能更适应评价级配碎石和级配砂砾石类土的粒径级配，值得作进一步的研究和试验验证。,1.3粗粒土级配标准的讨论,德国铁路将填料的级配分为三种情况 Cu6、1Cc3的为级配良好（GW、SW） Cu6、3Cc1的为不连续级配（GI、SI） Cu6的为级配不良（GE、SE） 在填料应用时，不连续级配填料（GI、SI）与级配良好填料（GW、SW）使用无差异,2.1铁路路基压实与压实标准发展,在路基的填筑过程中，路基的压实度与路基土工结构的承载能力、抗变形能力、对气候环境的适应能力等性能密切相关，因此，为了提高路基土工结构的使用性能和长期稳定性，均须对其的碾压密度进行有效控制。 此外，路基土工结构的密实程度还与线路上部结构的使用寿命或维修工作量之间存在所谓的“指数”关系，对无碴轨道结构更是如此，使得对路基的压实及压实标准问题更加关注。,2.1铁路路基压实与压实标准发展,控制路基填土的压实质量，传统的方法是所谓的“密度检测法”。采用标准击实试验来确定细粒土的最大干容重d和最佳含水量wopt，或采用相对密度试验来确定粗粒土的最大孔隙比emax（最小干容重min）和最小孔隙比emin（最大干容重max），然后再以细粒土的压实系数K和粗粒土的相对密度Dr作为路基设计及施工控制的填土压实质量指标。,2.1铁路路基压实与压实标准发展,自二十世纪70年代以来，一些经济发达和技术先进国家，为了更有效地对高稳定性要求路基的压实质量进行控制，开始了采用强度和变形指标作为路基填土质量的控制参数，即所谓的“抗力检测法”。其中，美国采用的CBR标准、德国和法国等欧洲国家采用的静态变形模量EV2（含EV1）标准、日本采用的地基系数K30标准等最具代表。,2.1铁路路基压实与压实标准发展,由于K30和EV2等试验标准具有设备笨重、操作复杂、耗时费力、成本偏高等缺陷，不能较好地实现快速、简便、高效的技术追求。 另一方面，K30、EV2都是采用直径30cm的平板载荷试验仪，通过施加静压测得。并不能较好反映列车在高速运行条件下所产生的动应力对路基的真实作用状况。,2.1铁路路基压实与压实标准发展,为了解决K30和EV2等检测指标存在的问题，自80年代开始，欧美日等国开发研制了平板载荷动态变形模量Evd和动态地基系数KFWD标准，即所谓的“落锤检测法”。 在K、K30、EV2等基础上，增加反映车辆荷载作用特点的Evd标准或KFWD标准，将使路基的压实标准更全面和符合实际，已成为高速铁路路基压实质量控制标准的发展方向。,2.1铁路路基压实与压实标准发展,由于铁路轨道是一种工作期间可进行大规模修整的结构物，其结构也比较松散，适应变形的能力较强，因此，我国铁路路基的压实在很长一段时间一直采用“自然沉落”法施工。 从50年代开始，铁路路基的压实逐步在推进“压密沉落”法施工，至7080年代，开始针对不同类型的填料，分别采用Ks和Dr单指标来控制施工碾压质量，对碎卵砾石土则采用现场鉴定的定性方法。,2.1铁路路基压实与压实标准发展,1984年制定的大秦重载铁路路基设计原则与标准中，对路基的压实在原有标准的基础上，首次针对不同的填料类型增加了地基系数K30的标准。 随后制定的规范都采用了K、Dr、K30等多指标来控制路基压实质量，实现了细粒土用K和K30、粗粒土用Dr和K30的双指标控制，块碎卵石土采用K30单指标控制的技术标准。,2.1铁路路基压实与压实标准发展,19982003年间，京沪、秦沈及200km/h客货共线铁路路基压实标准采用了细粒土用K和K30、粗粒土（含级配碎石和碎石土）用n和K30的双指标控制。 2004年以来，客运专线有碴轨道路基压实标准增加了动态变形模量Evd的指标，即：在基床部分，细粒土用K、K30、Evd，粗粒土（含级配碎石和碎石土）用n、K30、Evd等三指标进行控制。基床以下路堤仍采用双指标控制。,2.1铁路路基压实与压实标准发展,无碴轨道的设计，基于消化引进国外先进技术的原则，路基压实标准又增加了变形模量Ev2的指标，即：在基床部分，细粒土用K、K30、Evd、Ev2，粗粒土（含级配碎石和碎石土）用n、K30、Evd、Ev2等四指标进行控制。基床以下路堤，细粒土用K、K30、Ev2，粗粒土（含级配碎石和碎石土）用n、K30、Ev2等三指标控制。,2.1铁路路基压实与压实标准发展,近二十几年，尤其是近十年来我国铁路路基压实与压实标准发展变化有以下主要技术特点： 1）在检测指标方面，由单指标控制向多指标（双指标、三指标、四指标）控制变化，由单一的压密检测指标向同时检测压密、抗力指标发展，由静态指标检测向同时检测静动态指标发展。,2.1铁路路基压实与压实标准发展,2）在压实标准方面，压实系数由轻型击实试验标准向重型击实试验标准变化，压实质量检测值由低标准向高标准变化，压实标准随线路等级而逐渐提高，地基系数K30控制值随填料类型变化，碎砾石土的检测由现场鉴定法的定性检测变为抗力检测法的定量检测。,2.1铁路路基压实与压实标准发展,3）在技术思想方面，由物理性质检测向物理力学性质检测变化，由静态性质检测向动态性质检测发展；通过提高填料而不是压实标准来实现路基质量提高；路堤浸水、桥涵缺口及过渡段部位的填筑由单纯提高压实标准向提高填料和压实标准变化；粗粒土不具击实特性，不能获得压实系数，用体积比指标表述密实程度；粗粒土的压实密度检测由控制填料的相对密度转而控制填料的孔隙率。,2.2公路路基压实及压实标准变化,与铁路的情况一样，为了提高公路路基和路面的使用寿命和使用性能，需采用压实机械对路基和路面进行认真碾压，以提高路基土、路面结构层和路基路面的整体强度，增加其稳定性，减小其在行车作用下可能产生的变形，以及减小甚至避免路面可能产生的多种早期破坏现象。,2.2公路路基压实及压实标准变化,50年代及以前，公路路基施工中极少采用人工压实的措施，主要依靠自然沉陷和行车碾压来提高路基的密实度、强度和稳定性。 80年代以前，由于路面等级不高，交通量较小，无重型车辆通行，路基的压实度以轻型击实试验为标准。 随着经济的发展和交通量的增加，以及大型重载车辆的使用，从1982年开始，在新建和改建一、二级公路的工程中，以及在稍后的高速公路工程建设中，普遍采用了重型压实标准。,2.2公路路基压实及压实标准变化,近二十几年，尤其是近十年来我国公路压实与压实标准发展变化有以下主要技术特点： 1）在检测指标方面，较早就采用由压密指标和强度指标组成的双指标体系，其中，一般填料由压实系数和CBR值组成，无机结合料类由压实系数和无侧限抗压强度组成。,2.2公路路基压实及压实标准变化,2）在压实标准方面，压实系数较早就开始采用重型击实试验，压实标准随公路等级而逐渐提高，相同等级公路的压实系数提高明显，而填料最小CBR值基本未变化，无侧限抗压强度qu控制值随结合料类型有变化。,2.2公路路基压实及压实标准变化,3）在技术思想方面，物理性质检测主要用于现场压实密度检测，力学性质测试主要用于实验室填料选择或结合料设计；通过增加填料压实标准而不是填料标准来实现路基质量的提高；粗细粒土及级配碎砾石等均具击实特性，普遍采用压实系数指标来表述密实程度。,2.3国外高速铁路压实标准情况,高平顺性的线路是高速铁路的基本特征之一。高平顺性的线路必然要求具有高稳定性的路基作为基础。在高速铁路的建设中，如何实现路基土工结构的高稳定性和长期耐久性是一个重大的技术难题，尤其是在铺设无碴轨道的条件下，更具挑战性。 了解并掌握铁路先进国家高速铁路路基压实及压实标准的基本情况，特别是几个高速铁路技术原创国家的技术思想，是实现建设世界一流高速铁路的基础。,2.3国外高速铁路压实标准情况,通过几十年的建设发展和交流融合，世界上高速铁路的主要国家已基本建立了适合各自国情和发展状况，各自独立和各具特点的路基压实与压实标准技术体系。,2.3国外高速铁路压实标准情况,世界上几个主要高速铁路国家路基压实与压实标准有以下主要技术特点： 1）在检测指标方面，以压密指标和抗力指标组成的双指标体系为主，其中，日本由压实系数和地基系数组成，欧洲由压实系数和变形模量组成。韩国采用压实系数单指标控制。对于基床以下路堤多数国家也采用压实系数单指标控制。对于基床表层，德国采用了压实系数、静态变形模量和动态变形模量三指标控制。对于细粒土或含细粒的填料，日本和德国均在控制压实系数的基础上，增加了含气率指标的控制。,2.3国外高速铁路压实标准情况,2）在压实标准方面，压实系数以重型击实试验标准为主，使用轻型击实试验标准控制的填料压实程度也与重型标准基本一致。有碴与无碴轨道路基比较，日本在填料和压实标准两方面提高明显，德国仅在填料方面有微小调整。德、西、意等国十分重视路堤下部的压实，路基由上至下各结构层的压实标准变化不大。法、韩等国的有碴轨道路基表层压实密度高，路基表层和底层的压实差异较大。,2.3国外高速铁路压实标准情况,3）在技术思想方面，物理性质检测主要用于现场各填筑土层压密程度的检测，力学性质测试则主要用于路基各结构层表面的整体强度检测。粗细粒土及级配碎砾石等均具击实特性，普遍采用压实系数指标来表述密实程度（西班牙用空隙率控制砂砾土和块石土的密实程度）。日本更趋向依靠通过提高填料标准而不是压实标准来实现路基质量的提高，欧洲国家正好相反。,2.4高速铁路压实标准思考,对国内外铁路和公路压实标准的发展变化规律分析，以及目前高速铁路路基工程填筑检测的最新特点，就京沪高速铁路路基压实有如下看法与思考： 1）中国铁路处于有史以来发展变化最快的时期，路基压实与压实标准变化剧烈，正处在吸收、融合先进成熟技术，博采众长，系统集成的初级阶段，达到稳定、成熟还有较长的路要走。,2.4高速铁路压实标准思考,2）由于历史的原因，在80年代以前，中国铁路路基压实及压实标准延续了较多前苏联的技术标准。近二十几年来，吸收了大量日本铁路的技术。近年来，由于无碴轨道的建设，又引进了德国铁路的技术标准。由此产生了目前世界上最为复杂的高速铁路路基压实检测体系。主要表现在：指标多，标准杂，成本高，效率低。,2.4高速铁路压实标准思考,3）采用压密指标和抗力指标组成的双指标控制符合路基压实与压实标准发展的规律，但在具体使用时应注意：公路压实的CBR值检测多在实验室进行填料选择时使用，现场压实基本上只检测压实系数；欧洲各国的现场压实也基本上以压实密度检测为主，变形模量检测多在路基结构层面进行（主要在基床结构），工作量小了很多。,2.4高速铁路压实标准思考,4）提高路基的填筑标准可通过两种途径实现，一个是提高填料标准，另一个是提高压实标准。日本更趋向通过提高填料标准而不是压实标准来实现路基质量的提高，欧洲国家和我国公路正好相反。我国铁路目前似乎更接受日本的做法。针对京沪高速铁路沿线优质填料缺乏的特点，采取何种技术政策是一个战略问题，需在技术风险和经济效益之间取得平衡。,2.4高速铁路压实标准思考,5）采用压实系数来描述包括级配碎砾石在内的粗粒土的压实程度，在世界各国得到了普遍应用。我国高速铁路已大规模采用级配碎石和A、B组等粗粒