高速路基设计

高速铁路路基设计技术,路基横断面,路基面形状应为三角形，并设计为由路基面中心向两侧4的横向排水坡。曲线加宽时，仍应保持路基面三角形形状。路基宽度：1路基稳定的需要：特别是浸水后路堤边坡的稳定性。一般路堤浸水后边坡部分土质软化，在自重与列车产生的震动加速度的共同作用下，容易发生边坡浅层坍滑，路肩较宽时，即使边坡发生坍滑，也不影响路堤的承载部分，从而可使因边坡坍滑而影响列车正常运行的事故大幅度减少。,2、满足养护维修的需要：在线路维修时，搁置或通行小型养路机械及维修作业，都需要有一定的宽度。3、确保人员安全避让距离的需要：尽管高速铁路是全封闭的，运行期间人员不能进入线路范围，但世界各国依然考虑人行的安全问题，德国在线路设计规范中把离线路中心3.5m以外作为安全区。此外，为路堤沉降（特别是高路堤和软弱地基地段）及道床边坡坍落适当留有余地，保持一定的路肩宽度是必要的。,根据国外高速铁路一些国家的路肩宽度设置来看，日本早期修建东海道新干线时，路肩宽度一侧为0.5m，另一侧为1.0m，但是1978年修订路基规范时，则提高到两侧路堤均为1.2m，路堑为1.0m；法国修建巴黎里昂TGV时，路肩宽为1.52.0m，大西洋TGV时就改为2.25m；德国两侧均为1.3m。因此，基于以上分析，同时考虑其它国家的经验，将路基两侧路肩宽度均定为1.4m。,高速铁路路基设计荷载,1、静荷载铁路路基面上作用有列车荷载和轨道荷载。列车荷载和轨道荷载是确定路基本体构造要求的一个重要依据。2、动荷载在列车动荷载作用下，路基保持长期稳定是列车高速运行的基础。要使路基保持长期稳定，不产生任何危及正常运行的过大有害变形，就必须了解列车在高速运行时通过钢轨、枕木、道床传到路基表面的动应力幅值及其频率，以及振动加速度及位移的大小。,1）高速铁路路基设计动应力幅值路基面动应力幅值是与列车速度、轴重、机车车辆动态特性、轨道结构、轨道不平顺、距轨底深度及路基状态有关的一个随机函数。基于以上的分析研究，提出了路基设计动应力幅值。按dl0.26P(1+V)(kPa)式中：高速铁路无缝线路=0.003准高速铁路无缝线路0.004P为机车车辆的静轴重（按ZK荷载）；(1+V)为冲击系数；高速铁路最大的冲击系数为1.9，即速度在300kmh以内时，按上式计算，超过300km/h时，按300km/h计。dl=0.26200(1+0.003300)=98.8kPa100kPa,2）路基面上的动应力沿线路纵向的分布在高速铁路路基设计中，不仅需要知道列车荷载通过钢轨、轨枕、道碴传递到路基面的动应力数值的大小，还需要了解其在路基面上沿线路纵向的分布情况。车辆最下方路基面动应力最大值及最大值沿线路纵向扩散距离存在如下关系式：L=max/(82.9+6.17max)0.1,列车动应力由轨道、道床传至路基本体，沿深度逐渐衰减。在路基某一深度处，列车荷载引起的动应力只占路基自重荷载的一小部分，在此深度以下，动荷载对路基的影响很小，高速铁路路基基床厚度按列车荷载产生的动应力与路基自重应力之比为0.2的原则确定。,计算结果表明：当动应力与自重应力之比为0.2时，深度约为3.0m，因此将基床厚度定为3.0m。,高速铁路路基基床表层设计,基床表层厚度强度控制法：0.8m变形控制法:0.7m基床表层应考虑防排水层。路基基床由表层和底层组成,表层厚度应为0.7m，底层厚度应为2.3m，总厚度为3.0m。其中，基床表层由510cm厚的沥青混凝土和6560cm厚的级配碎石或级配砂砾石组成。,秦沈客运专线的试验和冻害问题提醒我们：级配碎石虽然是优质的基床表层填料，但是有限阻水的，具有一定的渗水性，如果基床底层的填料为细粒土或虽是粗粒土但细粒含量不均时，在雨季长时间的强降雨或冬季长时间低温和积雪融化的条件下，表水可能会渗入级配碎石以下的基床底层中，从而产生冻害或翻浆冒泥、基床变形等病害，影响轨道的平顺性。,根据暂规和沪宁段初步设计国际咨询的成果，并根据京沪高速铁路沿线降雨分布和气温变化等气候特点，经过分析认为基床表层的防排水问题应在设计中引起重视。2004年6月高速办组织召开“高速铁路路基沥青混凝土防排水层”专题会议，确定在路基基床表层增设510cm沥青混凝土防排水层，表层总厚度不变。另外,也可采用表层级配碎石掺入水泥、铺设复合土工布等防排水材料等其他措施,经过对比试验后确定。,基床表层填料我国高速铁路路基基床表层填料采用级配砂砾石和级配碎石级配砂砾石用粒径大小不同的粗、细砾石集料和砂各占一定比例的混合料，其颗粒组成符合密实级配要求，其中包括一部分塑性指数较高的黏土填充孔隙并起粘结作用，经压实后形成密实结构。其强度的形成是靠集料间的摩擦力和细粒土的粘结力。,级配曲线应接近圆滑，某种尺寸的粒径不应过多或过少。为了提高承载能力，还要求颗粒中扁平及细长颗粒含量不超过20%，黏土团及有机物含量不超过2%。形状不合格的颗粒含量过多时，应掺入部分合格的材料。为了防止道碴嵌入或基床底层填料进入基床表层，级配砂砾石与上部道床及下部填土之间应满足D154d85（太沙基(Terzaghi)反滤准则）。当与基床底层填料之间不能满足该要求时，基床表层应采用颗粒级配不同的两层结构，或在基床底层表面铺设土工合成材料。粒径小于0.5mm的细集料的液限应小于28%，其塑性指数应小于6。,级配砂砾石指标要求,级配砂砾石级配要求,级配碎石,由粒径大小不同的粗、细碎石集料和石屑各占一定比例的混合料，并且其颗粒组成符合密实级配要求。级配碎石可由未筛分碎石和石屑组配成。未筛分碎石是指控制最大粒径(仅过一个规定筛孔的筛)后，由碎石机轧制的未经筛分的碎石料。它的理论粒径组成为050mm，并且具有较好的级配，可直接用作高速铁路基床表层填料。石屑是指实际颗粒组成常为010mm的筛余料，并具有良好的级配。,级配碎石与上部道床碎石及下部填土之间应满足D154d85；针状，片状碎石含量不大于20%；质软，易破碎的碎石含量不得超过10%；材料必须清洁，泥及有机物含量不得超过2%；坚硬、耐磨、耐久，磨耗率30%(洛杉矶磨耗率)；碎石比重2.45，吸水量3.0%。,级配碎石指标要求,5,级配碎石级配要求,基床表层结构,上层较薄，大多为0.20.3m，要求变形模量高，有时还对颗粒的耐磨性提出要求，因此在选用砂石料时应采用石英质母岩。其次，为了提高该层的刚度，颗粒的最大粒径可适当提高，粗颗粒含量增加。下层的作用偏重于保护，颗粒粒径应与基床底层填料匹配，使基床底层填料不能进入基床表层，同时要求渗透系数小，至少要小于10-4m/s。,基床表层压实标准,Evd：55MPa，45MPa,注：基床表层的K30、Evd、n三项指标要求同时检测，均必须满足压实标准。,基床底层压实标准,基床底层,在填筑基床底层时，对粗粒土填料，细砂一般不宜直接填筑。中砂以上砂、砾应级配良好，其不均匀系数Cu20。对不符合上述要求的填料，可采取改良措施，并应与远运土进行技术经济比较。粗粒土宜用物理改良方法，以改善其粒径级配。改良后的粗粒土其级配曲线应接近圆顺，不均匀系数Cu20。细粒土可采用物理改良方法或化学改良方法，当采用化学改良方法时，应根据不同性质填料选择适宜的掺合料，并进行不同配合比的室内物理、力学试验，优化配合比，满足最不利气候条件下的（如干湿、冻融循环后饱和）动应力要求，提出改良后的主要技术参数（如无侧限抗压强度qu等）。,基床底层填料改良,物理改良目的：对填料的颗粒组成及级配进行改善，即在一种填料种掺入另一种填料，拌合均匀后使其级配改善，成为物理力学性质有所提高的新填料。途径：掺入粗粒料（中粗砂），改善其级配条件；掺入较细颗粒（粘粒），通过提高其粘粉比增强其强度指标。,基床底层填料改良,化学改良通过对填料加入掺入料，促使土与掺入料之间发生化学作用，从而使土的结构与性质发生较大的变化。掺入料为石灰、水泥、粉煤灰、土壤固化剂及其他有机及无机材料。水泥宜适用于改良不均匀系数Cu10，Ip12且WL40%的粘性土。石灰宜改良粘粒含量大于10%及Ip12的粘性土。,基床底层填料改良,改良土的物理力学性质重型击实试验最优含水量与最大干密度土样制备：对于水泥土，按不同含水量配土后浸润一昼夜，于试验前加入掺合料，立即拌合均匀，完成土样制备，击实试验应在加入掺合料后1小时以内完成。对于石灰土，先将掺合料加入土中拌匀然后加水配土至一定含水量，浸润一昼夜后方可进行试验。,基床底层填料改良,无侧限抗压强度试验,基床底层填料改良,改良土的渗透性渗透试验采用南55型渗透仪装置，按变水头法对土部分配比改良土试件进行了渗透系数测定。试件养生龄期28天。改良土的水稳性改良土的水稳性，也称耐水性，是指其遇水时的稳定性及抵抗因水分侵蚀而产生破坏的能力。进行水稳性试验主要是由于干湿循环和抗冻性试验中均有浸水的过程，通过水稳性试验一方面可粗略比较素土和改良土水稳性的优劣，另一方面可以初步判断干湿循环和抗冻性试验能否顺利进行。,干湿循环试验改良土的耐干湿循环能力是指其抵抗自然环境中水分变化产生破坏的能力.它是改良土耐久性最重要的指标之一。美国标准规定，经12次干湿循环后，某种改良土的重量损失不能超过规定值，满足要求的改良土中的固化剂掺量即为安全用量。冻融循环试验改良土的抗冻性是指其抵抗自然环境中冻融产生破坏的能力，它也是评价改良土耐久性的关键指标之一。改良土的动力特性应用振动三轴仪对改良土分别进行了动强度和动模量试验，得出了各种改良土的临界动应力、动模量、动静比等重要参数，为最优配比设计提供了可靠依据。,改良土浸水饱和28d固结不排水剪静强度,安全系数1.52.0,干湿循环静强度损失系数,动静比（临界动应力比静强度）,7天无侧限抗压强度,高速铁路路堤,高速铁路基床以下路堤填料要求在列车和路堤自重荷载作用下，路堤能保持长期稳定；路堤本体的压缩沉降能很快完成；其力学特性不会受其他因素(水、温度、地震)影响而发生不利于路堤稳定的变化。,在填筑基床以下路堤时，部分粗粒土填料和粉、细砂一般不宜直接填筑。中砂以上砂、砾应级配良好，其不均匀系数Cu应大于12。对不符合上述要求的填料，可采取改良措施，并应与远运土进行技术经济比较。粗粒土宜用物理改良方法，以改善其粒径级配。改良后的粗粒土其级配曲线应接近圆顺，不均匀系数Cu应大于12。C组细粒土中的粉黏土应使其黏粉比（黏粒重量/粉粒重量）22，同时应满足其无侧限抗压强度qu160kPa（或黏聚力65kPa）。,既有铁路建设经验表明，一般C组细粒土水稳性差，易被冲蚀，边坡稳定性差，路基病害较普遍，且一般难以达到高速铁路路堤下部压实标准，需要改良，故高速铁路路堤不宜直接采用C组细粒土土填筑。路堤下部填料应优先选用A、B组填料和C组块石、碎石、砾石类填料；当选用C组细粒土填料时，应根据填料性质进行改良后填筑。C组中粉砂及易风化软质岩填料不应直接作为下部填料，必须改良。细粒土可采用物理改良方法或化学改良方法，当采用化学改良方法时，应根据不同性质填料，选择适宜的掺合料，并进行不同配合比的室内物理、力学试验，优化配合比。提出改良后的主要技术参数（如无侧限抗压强度qu等）。,基床以下路堤（h3m）填料的压实标准,路堤高度小于3.0m情况基床范围内的地基应无Ps1.5MPa或0.18MPa的土层。不能满足时应采取地基加固处理等措施。（1）0.7mh3.0m时：当地基为黏性土时，应挖除表层0.30.5m，并回填整平碾压至K0.95。如地层地下水位较高(丰水期地下水位距地表0.5m)，应于基底填渗水性填料，厚0.5m，并碾压至K30130MPa/m。当地基为砂类土时，应将地表整平碾压至K30130Mpa/m。当地基为砾卵石(碎石)类土时，应将地表整平碾压至K30150Mpa/m。当地基为岩石时，视其风化程度分别按上述要求处理，坚硬岩石可不处理，直接在其上填筑。,（2）当路堤高度h0.7m时：当地基为黏性土时，在基床表层下换填渗水性填料，厚0.5m，并碾压至K30130MPa/m。当地基为砂类土时，应将地表整平碾压至K30130Mpa/m。当地基为砾卵石(碎石)类土时，应将地表整平碾压至K30150Mpa/m。当地基为岩石时，视其风化程度分别按上述要求处理，坚硬岩石可不处理，直接在其上填筑。,路基工后沉降量不应大于5cm，年沉降速率应小于2cm/年。桥台台尾过渡段路基工后沉降量不应大于3cm。,高速铁路路基的工后沉降,注：N标准贯入试验锤击数,作为支承路堤的地基，不仅应有足够的强度，能安全地支承路堤，不发生基底破坏，同时，还应具有一定的刚度，使地基不致发生过量下沉。此外，即使发生地震，也不致发生破坏和下沉。为确保上部轨道结构的平顺性，并减少养护维修工作量，高速铁路必须严格控制沉降变形，因此，对地基的要求相应较高。,日本对东海道新干线在经过10年运营后，对路堤基底的下沉量、路堤地基的状况、线路维修量多少及难易程度进行了分类调查，根据调查结果，提出了由地表起到约为路基宽度的2倍(以25米为限)的深度范围内支承路堤的地基的必要条件。满足这些条件的地基其路堤处于良好状态，没有发生有问题的下沉现象(下沉量10cm)，作为支承路堤的地基是合适的，并纳入了规范。,为使列车高速、安全、舒适运行，并尽可能减少维修，严格控制路基的变形、沉降是很重要的因素。路堤建成后发生的变形、沉降主要有：路堤（主要是基床）在列车荷载作用下发生的变形；路堤本体在自重作用下的压密沉降；支承路基的地基压密沉降。在路堤填料的材质与施工质量有保证的前提下，前两部分的数值是有限的，路堤填土的压密沉降主要通过压实密度来控制。当路堤以粗粒土、碎石类土填筑时，约为路堤高度的0.10.3%；当以细粒土填筑时，约为路堤高度的0.30.5%。该部分沉降一般在路堤竣工之后一年左右完成。,因此控制路堤沉降主要是控制地基的工后沉降。对软土地基来说，由于软土的压缩性大，渗透系数小等特性，路堤建成后，不仅沉降量大而且需延续较长时间才能完成。路基工后的累计沉