（道路与铁道工程专业论文）萧甬线提速区段路基强度条件及加固方法研究.pdf

摘要 摘要 路基作为轨道结构的基础，必须具有强度高、刚度大、稳定性和耐久性好， 并能抵抗各种自然因素的影响。拟提速的萧甬线其标准要满足时速1 4 0 k m h 1 6 0 k m h 要求。随着列车速度和行车密度的提高和货车轴重的增大，作用于基床 内的动应力必然会增加，因此必须对既有路基的质量，尤其是基床土的强度和承 载力进行评估，以保证改造好的铁路，在运营条件下将线路轨道的设计参数维持 在要求的精度范围内。本论文通过调研、理论计算，结合现场试验，对萧甬线提 速路基的强度条件和加固方法进行了研究，主要内容包括： 1 从动应力角度出发，考虑动应力沿深度的衰减规律，通过理论计算，提 出萧甬线其标准要满足时速1 4 0 k m h 1 6 0 k m h 要求的强度控制标准； 2 对萧甬线拟提速的区段进行了路基病害、填料调研，分析了基床病害产 生的原因； 3 用轻型动力触探( n ) 对萧甬线提速区段内的基床土承载力进行了检测， 评估其承载力； 4 根据基床土强度控制标准和基床土承载力检测结果，结合路基填料、路 基病害情况，分别提出了萧甬线时速1 4 0 k m h 、1 6 0 k m h 的加固区段、加固方法 和设计参数。 其次，深入分析了路基病害的分布规律和特点，并针对病害形成的机理分析， 提出整治和预防病害的原则方法。 最后，根据基床土承载力检测结果和基床土填料情况，结合收集的资料和现 场调研对路基土质量进行分析和评估，并提出加固方法和设计参数。 关键词：提速路基；强度条件；路基加固；土工格室；轻型动力触探试验； 设计参数 a b s t r a c t a st h ef o u n d a t i o no ft r a c k ，t h es u b g r a d em u s tb el l i g hs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，g o o ds t a b i l i t y a n dd u r a b i l i t ya n dc a nw i t h s t a n da l lk i n d so fn a t u r a lf a c t o r s t h ex i a o s h a n - n i n g b or a i l w a yw h i c h w i l lb er a i s e ds p e e dm u s tm e e tw i t ht h ec r i t e r i o no fr a i l w a ya t1 4 0 - 1 6 0 m p h w i t ht r a i ns p e e d i m p r o v e d , r a t eo ft 功伍cf l o wi n c r e a s e da n dg r o s sr a i ll o a do na x l ee n h a n c e d , t h ed y n a m i cs t l 岱s o nb e d d i n gw i l lb ea u g m e n t t c dn e c e s s a r i l y s ot h eq u a l i t yo ft h ee x i s t i n gs u b g r a d e ，e s i x 蚰d l yt h e m e n g t ha n db e a r i n gc a p a c i t ys h o u l db ee v a l u a t e dn e w l yt oa s s u r et h a tt h ed e s i g np a r a m e t e r o f t r a c kh a dr e b u i l d e dw i l lm a i n t a i ni nt h ep r e c i s i o no fr u l e t h ep a p e ra n a l y z e di n t e n s i o n c o n d i t i o na n dr e i n f o r c em e a s u r eo ft h es u b g r a a ei ns p e e d - r a i s i n gz o n eo fx i a o s h a n - n i n g b o r a i l w a yb yr e s e a r c h i n gi n f o r m a t i o n , t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n df i e l dt e s t 。t h ef o l l o w i n ga r et h e m a i nc o n t e n t s f i r s t l y ，c o n s i d e r i n gt h ed y n a m i cs t r e s sa t t e n u a t i o na l o n gd e p t ha n db yt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nt h es t a n d a r do fi n t e n s i t yc o n t r o lo ft h eb e d d i n go ft h ez o n er a i s i n gs p e e dt o 1 4 0m p ha n d1 6 0 m p hi nx i a o s h a n - n i n g b or a i l w a ya r ep u t t e df o r w a r d ， s e c o n d l y ，t h ee x i s t i n gc o n d i t i o no fs u b g r a d ed i s e a s ea n db e d d i n gp a d d i n gi n s p e e d - - r a i s i n gz o n eo fx i a o s h a n - n i n g b or a i l w a ya r er e s e a r c h e da n dd i s e a s ec a s ew e r e a n a l y z e d t h i r d l y ，c a r r y i n gc a p a c i t yo fb e d d i n g i ns p e e d - r a i s i n gz o n e o f x i a o s h a n - n i n g b o r a i l w a yi si n s p e c t e da n de v a l u a t e db yl i g h td y n a m i cp e n e t r o m e t e rt e s t f i n a l y ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fc a r r y i n gc a p a c i t yt e s ta n dt h es t a n d a r do f i n t e n s i t yc o n t r o lo f t h eb e d d i n ga n di n f o r m a t i o no fb e d d i n g p a d d i n ga n ds u b g r a d e d i s e a s et h em e a s u r e m e n to fr e n o v a t i n ga n dd e s i g np a r a m e t e ro ft h ez o n er a i s i n gs p e e d t o14 0m p ha n d16 0 m p hi nx i a o s h a n n i n g b or a i l w a ya r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：s p e e d - r a i s i n gs u b g a d e ；i n t e n s i t yc o n d i t i o n ；s u b g r a d er e i n f o r c e m e n t ；g e o c e l l ； l i g h td y n a m i cp e n e t r o m e t e rt e s t ；d e s i g np a r a m e t e r i l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如 下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保 存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手 段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅 览服务：学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和 电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 k 矾 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 指导教师签名：学位论文作者签， 年月日各锑孰日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 尹0 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 提高列车速度，是当代世界铁路发展的大趋势。速度是衡量交通运输业发展 水平的主要标志，提高列车运行速度始终是铁路技术发展的主要目标之一。从 1 8 2 5 年英国建成世界上第一条铁路至今的1 8 2 年间，车速提高了1 0 倍以上。随着 我国经济的快速发展，人民生活水平的提高，人们对时间价值观念和旅行舒适度 的要求不断增强，提高客货列车的运行速度已成为提高运输质量的重要内容。随 着列车速度的提高和运量的增加，由此引发的问题越来越多。首先，提速后行车 密度加大，维修作业时间相对减少，加之提速对线路养护质量的要求高，工务部 门难以应付，久而久之，路基病害加剧，影响行车安全。其次，由于行车速度的 提高，列车对路基产生的动应力增加，特别是原有的路基病害处，动应力加大致 使病害加重，病害加重又致使轨道状态恶化，造成线路的恶性循环。 由于萧甬线修建较早，多种因素造成路基存在较多己经存在或潜在的病害问 题。路基作为轨道结构的基础，必须具有强度高、刚度大、稳定性和耐久性好， 并能抵抗各种自然因素的影响。拟提速的萧甬线其标准要满足时速1 4 0 k m h - - 1 6 0 k m h 要求。随着列车速度和行车密度的提高和货车轴重的增大，作用于基床 内的动应力必然会增加，因此必须对既有路基的质量，尤其是基床土的强度和承 载力进行评估，以保证改造好的铁路，在运营条件下将线路轨道的设计参数维持 在要求的精度范围内。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 提速现状 铁路列车提速的研究与实践，国外已有几十年的历史，我国近几年来也进行 了大量的工作，取得许多瞩目的成绩。 前苏联研究得出：对客货混运的既有线，旅客列车最高速度可在2 0 0 k m h 以 内，而有轨的机车车辆在客运专线上运行，技术上可以实现旅客列车最高速度在 第一章绪论 3 5 0 k m h 的范围内。 2 0 0 0 年，俄罗斯铁路研究开行优质服务列车的设计和适应提速要求的既有线 技术改造的具体方案，确定了快速和高速列车运行的最大速度目标值是：快速列 车1 4 0 2 0 0 k m h ：高速列车2 0 0 1 m h 及以上。制定t 2 0 0 0 年- 2 0 1 5 年旅客列车快速和 高速运输发展纲要及分阶段实施计划。 德铁对既有线改造的目的是获得更高的速度和更大的能力。根据市场对不同 线路所提出的不同运量和运输质量的要求，制定了不同的提速目标值，对于同一 线路的改造也遵循经济性的原则，根据线路的条件，提出不同的速度目标值，以 减少工程改造费用。对属于干线的既有线，主要采取改造线路基础设施的措施， 将速度提高至u 2 0 0 k m h ，对于支线，则采用先进的摆式列车，将速度提高到 1 6 0 k m h 。 目前世界上对繁忙干线的提速改造，速度目标值大多在1 4 0 - 1 6 0 k m h ，如华盛 顿一波士顿的东北走廊，伦敦一爱丁堡的东海岸干线和莫斯科一列宁格勒( 现圣彼 得堡) 干线，其距离分别为7 3 5 k m ，4 4 3 k m 和6 5 0 k m 。 对于我国，铁道部自1 9 9 7 年至2 0 0 7 年，短短1 0 年间全国铁路实行了六次大提 速。虽然我国实施铁路的提速战略时间较短，但国内学者对提速所涉及技术、组 织、管理等问题都有了较详细的研究，并取得了一些重要的成果。 速度意味着更高的效率、意味着更快的发展，尤其在这样一个快节奏的现代 社会，迅捷的交通对于社会生活的重要意义更是毋庸置疑。由于我国目前经济条 件还不富裕，为使有限的资金发挥最大的效益，在完善路网的同时，改造既有铁 路，提高既有铁路的技术装备水平和列车运行速度，对改善运输质量，提高铁路 的市场竞争能力，扩大铁路的市场份额，充分挖掘既有铁路的潜能，盘活固定资 产，提高铁路的整体效益，具有非常重要的意义。因此，既有铁路提速大有作为。 1 】c s 1 2 2 既有线路基面临的问题 铁路提速的主要手段就是进行既有线改建和修建客运高速线两种手段，两者 各有优缺点既有铁路改建需要的资金投入较少，工程量较小，工期短，适合现阶 段部分重点区段，尤其是短距离运输的提速需要。铁路既有线实施全面提速战略， 是一项开创性的事业，特别对于我们这样一个生产力水平较低、经济发展不均衡、 2 第一章绪论 铁路现代化程度还不高的国家来说，还有许多问题需研究解决。嘲巾1 路基是轨道结构的基础，要使轨道结构几何尺寸具有高度的平顺和稳定性， 则路基必须是强度高、刚度大，沿纵向变化均匀，路基要具有长久的稳定性。由 于路基量大、面广，较之桥隧等其他工程更易受到自然条件、施工因素及其它人 为因素的影响而变化，再加之我国铁路既有线由于受建设时期设计理论和施工技 术的限制，导致既有线路基已经存在着相当数量、且相当严重的病害。据工务部 门统计，随着列车运量的增加和运行速度的提高，既有线路路基的病害工点、病 害地段总长不断增加，路基病害的程度也越来越严重。嘲叫1 0 1 1 。2 3 既有线提速路基技术条件 铁路提速的主要手段就是进行既有线改建和修建客运高速线两种手段，两者 各有优缺点，修建高速客运专线则需要更多的资金和更长的工期，提速后的列车 运行速度大多定在2 0 0 k m h 以上，适合长距离、大运量的运输需求。而既有铁路改 建需要的资金投入较少，工程量较小，工期短，但提速后的列车运行速度大多在? 2 0 0 k m h 以下，适合现阶段部分重点区段，尤其是短距离运输的提速需要。所以， 在修建高速铁路的同时，仍应大力改造繁忙铁路干线，以建立和扩大本国、本地区 和国际的快速或高速旅客列车系统。 对于既有线轨下基础的铁路路基与桥梁，由于其修建的年代久远，且当时修 建的技术要求相对较低，在提速条件下，既有线路基和桥梁要达到什么的技术条 件以及怎样达到所需的技术要求才能满提速列车的运行需求，这不仅关系到既有 线提速改造的费用，同时关系到提速后列车运行的安全性问题，有必要展开专题 研究。 对于拟将提速的既有线铁路路基而言，提速后机车车辆对线路结构的动力影 响将不可避免地增强，会给作为轨下结构的路基带来两个方面的问题，一是路基 基床的承载力是否满足提速列车运行的需要，二是路基承受的动应力增加将促使 路基产生新的附加沉降，尤其是当轨下结构有差异时会影响线路的平顺性，给线 路日常养护维修工作带来不利影响。n ”叫1 2 3 作为我国铁路发展的一项主要技术政策，铁路提速作为重大发展战略已列入 我国铁路发展计划之中，并将指导路网的改造和建设工作。今后的提速将更加系 统化和规范化，其范围和规模也将更大。在既有线提速的路基改造中，必然涉及 第一章绪论 到既有线路基设备能否满足提速要求这一问题。 我国既有线在不同时期修建，建设方法、使用状态、路基土质、气候环境等 方面差异很大，其上部结构和运行列车的不同也造成荷载条件的不同，这些都使 提速路基变得复杂。对于新线路基建设，我国还有标准可以依据，但对于既有路 基，在铁路路基的结构形式和要求上很难达到新线的标准，且既有线经长期运营， 路基土存在一定的结构特性，采用新线的标准也不尽合理。3 卜铂 1 2 4 既有线加固方法 既有线由于在长期运营中自然条件演变及一部分人为因素的影响，路基会有 较多病害产生，突出的病害型式主要为：路堑边坡坍塌、基床翻浆冒泥、路堤边 坡溜坍以及基床外挤、下沉、冻害等。这些路基病害不仅可能引起轨道不均匀下 沉，造成轨面状态严重不良，增加线路维修工作量，影响列车的正常运行，严重 时还可能危及到列车运行安全，是困扰铁路工务部门的主要难题之一。因此，提 速工程面临的既有线路基病害问题非常严峻，需要对我国铁路路基病害进行系统 的调研与分析，并分析加固处理的原理和适用范围，面对我国铁路分布范围广、 病害种类多等特点进行有针对性地加固、改造。n 印叫1 6 1 对提速路基而言，受动力影响最大的是基床表层0 0 5 m ，到路基面以下1 5 m 处，动应力影响已很小。因此对基床加固措施最直接的办法也就是增加提速路基 基床表层的稳定性，有减小路基面动应力、提高动静比值及增加路基面静承载力 三种方法。基床加固深度一般来说也不必超过1 - 5 m 。 从加固原理上讲，路基基床的加固方法有减小路基面动应力、提高动静比值 及增加路基静承载力等方法。由于既有线进行提速改造时，必须要做到不影响正 常行车，这就要求施工时避免采用碾压设备。也就是说，所采取的技术措施在不 经重型碾压的条件下，即能保证整治后的基床表层土的物理力学性能满足提速线 路的强度、稳定和排水要求。 结合国内外既有施工技术和经验，认为在正常行车条件下进行既有路基加固 可采用以下几种处理方法。 ( 1 ) 抬道 抬道可使基床与原基面之间增加一层厚度等于抬道量的碎石层，将上部传导 的荷载扩散，使作用在原基面的应力降低到能承受的水平，并增加基床刚度、减 4 第一章绪论 小基床所受动荷载时的弹性变形。 同济大学分析了不同速度情况下，道床厚度对路基面动应力的影响，结果表 明：随道床厚度的提高路基面动应力显著减小。根据秦沈试验结论进行推算，当 道碴厚度从4 5 c m 增加到5 5 c m 时，路基面的动应力从8 7 k p a 减小到7 6 k p a ，即道 床厚度每增加l o c m ，基面的竖向动应力可减小l o k p a 左右。 抬道施工简单快捷，在广深准高速铁路利用旧线技术改道时，5 5 4 的长度 采用抬道方法。京秦线提速改造工程中，有4 1 的线路进行了抬道处理。提速工 程中，抬道处理是最经济可靠的方法，但抬道量的大小受到既有线路桥涵标高的 限制，需综合考虑 。 ( 2 ) 基床换填 基床换填对于已发生下沉外挤或深陷槽( 道碴囊) 病害的软弱基床，可采用 基床表层换填方案，换填厚度视软弱层厚度而定，一般为5 0 6 0 c m ，换入填料 应为级配良好的碎石土或中粗砂，也可对原基床土进行改良形成改良土。 换填不仅提高基床表层强度，还可防治翻浆冒泥病害。据研究，换填厚度 5 0 c m 或以上时，可消除因土质不良引起的翻浆冒泥。若换填料为碎石土或中粗 砂等渗水土，须做好基床的横向排水坡，在换填层与浆砌片石路肩之间设置干砌 片石反滤层，路堑地段侧沟必要时还需加深改造。 对局部路段或没有条件抬道的路基，换填应该是最好的加固措施，但是换填 时要保证层变处设置可靠的隔离层，避免形成道碴囊。换填的缺点是施工强度大， 对既有线运营干扰大。1 阳叫1 9 1 ( 3 ) 挤密桩 广深线、京秦线和郑徐线提速改造中大量采用的是挤密桩加固法，即按复合 地基加固原理对路基基床进行加固处理，如水泥土挤密桩、石灰土挤密桩。这种 加固方法简便，对行车干扰相对较小。它是用机具在基床成孔，再分层装填水泥 土或石灰土，并用橄榄锤分层击实，从而使桩体和桩间土挤压密实，形成复合地 基，达到提高承载力的目的。 广深准高速铁路技改时，利用旧线路段长度的4 3 3 ( 无法抬道的地段) 采用水泥土挤密桩方案进行基床加固，取得良好效果。水泥土挤密桩纵距5 4 - - - 5 6 c m ( 设于枕木间隔中) ；横距6 0 c m ( 每枕间横向6 个桩，由线路中心向两侧均 第一章绪论 匀分布) ；桩径成孔时2 4 c m ，填料夯实后扩至3 0 c m 。桩体加固的基床形成一种强 度较高的复合地基。广深线的水泥土挤密桩，每桩桩周侧向挤密土体体积为桩体 成孔时的5 6 2 5 ，沿纵向每加固单元中，可置换体积2 3 8 、挤密体积8 6 ， 从而提高基床土的紧密程度与承载力，复合地基承载力为3 7 4 k p a 。 京广线在整治膨胀土基床下沉病害时，采用过石灰改性砂桩加固，使病害得 到根治。石灰改性砂桩纵距与水泥土挤密桩相同，横距5 0 c m ，桩径2 0 c m 。施工 5 年后开挖测试基床面的后期强度，桩体承载力达到1 3 0 0 k p a 、桩间土承载力达 到2 6 0 k p a 以上。 京秦线提速改造工程中，全线承载力较低的既有路基基床表层及路桥过渡段 都采用了水泥土挤密桩加固，全线加固路基的水泥挤密桩共2 3 1 万延米。桩径 2 4 - - - 3 0 c m ，单根长度0 8 - 2 5 m ，水泥土的配比为8 ：1 0 0 m 1 0 ：1 0 0 。试验段的 测试表明，经过水泥土挤密桩的加固，地基承载力由加固前的1 2 0 - - 一1 5 0 k p a 提高 到了加固后的2 2 0 k p a ，桩体的无侧限抗压强度在1 m p a 左右。 挤密桩方法施工相对简单，不封锁线路，适用于既有线基床土体的加固，但 是它只能起到提高承载力的作用，未能改变土质。对于细粒土填筑的路堤，以挤 密桩处理基床时，从计算和静载试验上看来满足静承载力的要求，但由于没有从 根本上解决桩间土的颗粒细度的问题，仍有可能产生翻浆冒泥等病害。 ( 4 ) 铺设土工膜封闭层 在基床翻浆冒泥地段，或基床土质不良( i ，1 2 ，w l 3 2 ) 而强度足够，具 备产生翻浆冒泥病害条件的地段，可在基床表层铺设土工膜封闭层。土工膜封闭 层的作用是阻隔地表水渗入基床土，减弱动荷对基床土的抽吸作用，因而可防治 翻浆冒泥病害。当地下水位较高时，要加深侧沟或设纵向渗沟降低地下水位。嘲 乜3 】 自氯丁橡胶类土工膜应用以后，其隔离、防渗、排水性能被绝大多数工程的 成功所验证，得到大家的认可。目前，氯丁橡胶板封闭基床是广州铁路局处理基 床翻浆冒泥病害的主要工程措施。据不完全统计，1 9 9 0 年以来应用氯丁橡胶土 工膜的数量达到3 8 6 5 0 0 m 2 以上。 采用土工膜整治基床翻浆冒泥的工程效果如何，关键在于土工膜的工程性能 指标。铺设土工膜的施工需采用架空轨道结合线路封锁( 如施工“天窗”) 或限 6 第一章绪论 速慢行的方式进行。其工程造价与基床换填渗水料( 含降沟) 的工程造价相比， 仅为6 0 ；且铺设土工膜封闭基床的方法设计简单、施工方便、寿命长、效果 好。适用于各种土质、石质基床的基面翻浆冒泥病害的整治，但基床土强度不够 时不宜采用土工膜封闭层。叫3 们 ( 5 ) 土工格室加固基床 土工格室作为土工合成材料的一种，是近几年发展起来的一种行之有效的整 治路基病害的方法。作为一种新型的立体土工合成材料，以其强度高、韧性好、 施工简易等特性，在铁路、公路路基病害的防治处理方面都取得了良好的效果。 土工格室可折叠，展开后为呈蜂窝状三维结构，见图1 - 1 。它由厚度为1 2 5 r a m 的经改性的共聚聚丙烯制成，耐老化、抗紫外线，具有很高的抗化学腐蚀性能， 展开后格间尺寸2 0 x 2 2 c m ，2 3 时的抗拉强度为2 5 6 m p a ，焊缝剥离强度 “7 4 n c m 。 图1 _ 1土工格室的结构 在道碴的底层或路基面顶层设置土工格室等，其作用就是分散应力，减少路 基面直接承受的动应力，并使传递的应力均匀，而且加筋材料在路基面顶层对填 土形成约束作用。口1 卜 铺设土工格室的施工需采用架空轨道结合线路封锁( 如施工“天窗”) 或限 速慢行的方式进行。其工程造价与基床换砂( 含降沟) 的工程造价相比，约为后 者的8 2 ，且前者的工期可节约5 0 ，对行车的干扰大为减小。 经实践证明，铺设土工格室整治基床下沉外挤病害的后期效果好，有效地减 少了线路维修养护工作量。因此，土工格室具有广阔的应用前景。 ( 6 ) 路基排水 排水不畅是路基病害产生、发展及承载力下降的主要因素，是保证路基稳定， 7 第一章绪论 减小路基病害发生的前提条件。京九线加固改造过程中，工务部门首先对路基面 宽度进行了帮宽处理，路肩的宽度增加到1 4 m ，并用水泥或石灰强化基面。边 坡采用带水槽的拱形骨架护坡和植物防护相结合的方法，在路肩外缘处设素混凝 土挡水设施，并每隔一定距离在边坡外设置排水出口，效果比较理想。 1 3 研究内容及方法 总结国内外既有铁路提速的发展状况，针对萧甬线铁路列车提速，多种因素 造成的病害问题。本文进行了以下方面的研究： 1 从动应力角度出发，考虑动应力沿深度的衰减规律，通过理论计算，提 出萧甬线其标准要满足时速1 4 0 k m h 1 6 0 k m h 要求的强度控制标准； 2 对萧甬线拟提速的区段进行了路基病害、填料调研，分析了基床病害产 生的原因： 3 用轻型动力触探( n 。) 对萧甬线提速区段内的基床土承载力进行了检测， 评估其承载力； 4 根据基床土强度控制标准和基床土承载力检测结果，结合路基填料、路 基病害情况，分别提出了萧甬线时速1 4 0 k m h 、1 6 0 k m h 的加固区段、加固方法和 设计参数。 第二章萧甬线提速区段路基土强度条件 第二章萧甬线提速区段路基土强度条件 萧甬线既有路基基本是路堤，填土高度一般不大于4 m ，大都在2 5 m 以下。 全线地基土主要为软土，软土厚度变化较大，淤泥质土的p 。值一般介于0 3 至 0 7 m p a 之间，三轴不固结不排水强度c 一般仅在1 0 - 1 2 k p a ，由。一般在2 5 。 左右，压缩模量e 。一般在2 5 m p a ，基本承载力仅5 0 - - - , 8 0 k p a ，具有低强度、高 压缩性、沉降变形大且历时长以及不均匀沉降等特点。 萧甬线老线修建于上世纪三十年代，路基填料来自二侧取土坑，土质较差， 软土地基未经加固处理，自建成通车后，因路基病害严重，曾几度停用。1 9 5 9 年全线恢复通车以来，几十年间不断维修加固，至今仍有路基下沉、翻浆冒泥等 病害。上世纪九十年代修建萧甬线复线，土源大都开山取土，填料相对较好，并 行老线的复线，软土地基采用粉喷桩加固，绕行段采用排水固结法处理，地基处 理效果良好，但基床翻浆冒泥病害仍然存在。因此，从这个意义上来说，也必须 对萧甬线的路基质量进行检测和评估，提出加固方法，保证路基质量，满足设计 行车速度要求。 基床是铁路路基最重要的关键部位。基床的作用以及对基床的要求主要有强 度要求、刚度要求和防渗防冻要求。由于基床表层直接承受着列车传递的荷载， 因此对基床表层需特别加强。对既有线，常采用加固的方法。 2 。1 路基动应力 主要干线旅客列车和货物列车的速度都有了较大的提高，如此速度无疑对铁 路路基尤其是路基基床的承载能力提出更高的要求。提速条件下，对路基影响主 要因素是应力及应力频率变化。因此，如何考虑机车车辆、轴重、列车速度对路 基中动应力的影响以及动应力沿深度方向的衰减规律的研究显得十分重要。 2 1 1 路基动应力与机车车辆、轴重、列车速度的关系 路基动应力主要是指在列车运行时通过钢轨、轨枕、道床传到路基表面的动 应力幅值和频率。列车提速后，既有线上路基所受动应力的变化决定路基技术条 件的提高。在列车荷载作用下，路基动应力的幅值受诸多因素影响，尤其是机车 9 第二章萧甬线提速区段路基土强度条件 车辆类型、轴重、列车运行速度和线路状态等。图2 1 为典型的路基动应力波形， 车辆的类型有客车和货车两种类型。对于客车编组，机车轴重比车辆轴重大得多， 因此路基动应力的最大值都是由机车引起的。对于货车编组，机车较车辆引起的 路基动应力仍然要大，但差别不大。 l i | l u |l ， r，7 一， t)rt坝，气一t a 客车机车和车辆引起的动应力 山l 一厶“l il h l lf j ，_1f 1i ；、 1 f 、- 1ul 、， t b 货车机车和车辆引起的动应力 图2 - 1 不同车辆类型引起的动应力波形 路基面动应力与轴重、列车速度的关系，可用下述公式计算 仃d 20 2 6xp ，( 1 + 口y ) ( 2 - 1 ) 式中，q 系数，对高速无缝线路，q = o 0 0 3 ；对中速无缝线路，a = o 0 0 4 ； 对普通铁路q = o 0 0 5 。 od - 路基面动应力( k p a ) ： p s _ 机车车辆静轴重( k n ) ； v 二设计速度( k m h ) ，若v 3 0 0 ，仍按3 0 0 计。 在既有线路基动应力计算中，可以参照上述公式，所不同的是既有线上道床 厚度为4 5 c m ，由于道床厚度增加，机车轴重一般为p = 2 2 - - - 2 3 t ，路基面动应力改 写为： 万d = 4 8 3x(1+口y)(2-2) 对萧甬线，速度系数q = 0 0 0 4 ，按最高车速v = 1 4 0 k m h 1 6 0 k r n h ，计算得 0 山。= 7 5 4 k 7 9 2 k p a 1 0 第二章萧甬线提速区段路基土强度条件 2 1 2 路基动应力沿深度方向的分布 我国在既有线及秦沈线上作过大量的路基动应力实测，由于各次测试的动应 力绝对值相差较大，采用动应力沿深度的衰减系数来反映比较合理。图2 2 为路 基动应力测试结果汇总。可以看出，路基动应力随深度增加逐渐减小，其中基床 表层内动应力衰减较快，路基面下1 m 处应力约为路基面应力的1 3 左右，动应 力与深度呈指数变化的关系瞄劓。 o 1 0 0 墨2 0 0 越 鬟3 0 0 蒜 峨、4 0 0 5 0 0 6 0 0 0 动应力褒谢睡甄数 一 0 20 4 0 6 0 8 1 图2 2 路基动应力衰减系数沿深度变化 经铁科院等单位研究，采用b o u s s i n e q 公式对路基动应力沿深度衰减进行理 论计算，其曲线形式同统计值基本一致。表2 - 1 为不同表层深度或模量比应力计 算结果。基床的动应力水平，受道床及基床表层深度和模量的影响，基床表层模 量与底层之比越大，动应力的衰减越快，就是说，表层强度越高，就能承担更多 的动力。 表2 - 1 表层与底层填料的不同模量比时的动应力衰减 深度( m )o0 3 50 5o 61 o1 52 o2 53 0 模量比1 ：1 10 6 7o 5 8o 5 40 4 0 0 2 9o 2 20 1 70 1 4 模量比1 5 ：1 1 o 6 4o 5 5o 5 10 3 80 2 80 2 10 1 60 1 3 模量比2 ：110 6 1o 5 2o 4 80 3 70 2 70 2 00 1 6o 1 3 2 2 路基基床强度条件 路基的强度应能承受路基上部结构重量应力及列车运行产生的动应力，即路 第二章萧甬线提速区段路基土强度条件 基的强度稳定应满足两个条件： q 【q 】 q d 眈】 ( 2 3 ) 式中：q 、q o 分别是路基动应力、静应力； q 、 q 。 是一定条件下路基允许的静强度、动强度。 动强度不易直接求出，目前常通过静强度乘以折减系数确定，称为动静比。 动静比大小取决于土的类型和性质，一般认为，粉黏土和黏土的动静比为0 6 ， 砂砾石填料的动静比为0 5 4 。 对于既有铁路，经过数十年的运营，路基基本稳定。但对于提速线路，与新 线相比，其动静比应大一些。如果没有基床病害，列车提速后路基面的动应力变 化不大，应力频率都增加许多，也就是说土颗粒受到扰动的次数显著增加，如果 土体颗粒比较细，颗粒之间粘结能力较差，那么其抵抗扰动能力就差，动静比值 就较小，因此对同样的土，不同的列车速度，应采用不同的动静比。 萧甬线既有老路基都为黏性土填筑，此时，动静比取为0 6 ，轨道荷载约为 1 5 k p a ，按路基面的设计动应力进行计算，得到1 4 0 k m h 速度时路基不同深度处 的静承载力值见表2 - 2 。 表2 - 2 列车速度1 4 0 k m h 时路基不同深度处的值 基床表层下动应力衰减列车荷载动列车荷载折基床自重应总应力0 的深度( m )系数r l应力( k p a )算静应力力。出( k e a ) ( 1 p a ) od ( k p a ) 01 0 07 5 41 2 5 6 1 5 1 4 0 6 o 3 5o 6 14 6 07 6 72 l9 7 7 0 5o 5 2 3 9 ，2 6 5 32 48 9 3 o ，6o 4 83 6 26 0 32 68 6 3 1 oo 3 72 7 94 6 53 37 9 5 1 - 5o 2 72 0 43 4 04 27 6 o 2 oo 2 01 5 12 5 15 27 7 1 2 5o 1 61 2 12 0 16 08 0 1 计算结果表明，1 4 0 k m h 速度路基强度控制条件为：基床表层0 0 3 m 应满 1 2 第二章萧甬线提速区段路基土强度条件 足1 4 0 k p a 的承载力要求，对应的n l o 击数为2 0 ；0 3 - - 0 6 m 应满足1 0 0 k p a 的承 载力要求，对应的n 1 0 击数为1 5 。 根据1 6 0 k m h 提速区段路基技术条件规定，基床表层0 o 5 m 承载力要求 1 6 0 k p a ，对应的n ，。击数为2 2 ：基床底层0 5 1 5 m 承载力要求1 2 0 k p a ，对应的 n ，o 击数为1 8 ，这个规定是充分考虑到了各线路状态的不同，有相当的安全系数。 在京秦线提速的路基评估中，曾用n 。来评判路基质量，基床表层( o 0 5 m ) 承载力不小于1 6 0 k p a ，相应于n 。击数大于2 2 击；基床底层( o 5 1 5 m ) 承 载力不小于1 0 0 k p a ，相应于n 。击数大于1 5 击。 由于萧甬线既有老路基道碴厚度普遍有0 5 - - - 0 6 m ，建议路基土强度控制条 件为：提速至1 4 0 k m h 时，基床表层0 - - 0 3 m 的n ，。击数为2 0 ；0 3 - - - , 0 6 m 的 n ，。击数为1 5 ：提速至1 6 0 k m h 时，基床表层0 - - - 0 3 m 的n 。击数为2 2 ；0 3 - 0 6 m 的n 。击数为1 8 。 第三章萧甬线基床病害调研 第三章萧甬线基床病害调研 3 1 基床病害的主要类型 常见的路基病害，一种表现为在列车动荷载的反复作用下，路基基床面破坏， 自然降水无法排出道床，泥浆通过道床道碴向上涌出，称为翻浆冒泥。另一种表 现为在列车动荷载的反复作用下，路基基床面破坏，自然降水无法通过道床排出， 加之基床承载力不足，道碴往下运动并深人基床，产生下陷碴囊，或者泥浆通过 道床两侧薄弱处挤出，特征为道床外侧鼓包，称为下沉外挤。 翻浆冒泥是路基常见病去基床翻浆冒泥是指土质基而或风化石质基而被水 侵蚀软化。在列车动力作用下液化成泥浆后挤压冒出，基床产生了永久变形，致使 道床整体上板结硬化、失去弹性。发生翻浆冒泥的原因主要有道床脏污、基床土 质软化、排水不畅、养护作业不当以及列车的动力作用等。翻浆冒泥多发生在多 降水地区。 路基基床下沉外挤是基床在反复荷载作用下道床被压入基床而造成线路变 形的现象。路基松软与路基下沉主要是由于路基的强度与刚度不足造成的。与填 料的级别、压实标准与质量有关。 此外，还有路肩冲刷等病害。路肩冲刷多发生在多降水地区。由于路肩排水 设施不当，会造成水的汇流与囤积，水的流动作用会带走路肩上的土质。这不仅会 增加维修作业的难度，还会大大降低路基整体稳定性。因此在多降水水地区，应当 适当加宽路肩，选用优质路基填料，严格控制压实质量，并且做好防水及排水设施 a s j 3 2 基床病害产生的机理分析 基床土质差是产生病害的物质条件，线路横向和纵向排水不畅是引发病害的 诱因，列车提速和密集加剧加速了病害发展。提速后，基床表层承受列车动荷载 大，粘土在动荷载作用下易液化，强度大大丧失。先产生基床冒泥，冒泥后道碴 下陷形成陷槽，引发更深部的基床土吸水膨胀、软化如此恶性循环，在道床下 1 4 第三章萧甬线基床病害调研 形成厚度不等的软卧层。随着软卧层向路基更深部发展，病害还会进一步加剧。 3 2 1 基床土的特性对基床病害的影响 ( 1 ) 土的颗粒组成 砂粘土、粉质粘土和粘土及风化严重的石质基床多发生基床病害，研究表 明土或石的粘粒含3 0 以上，粉粒含4 0 以上，风化严重的石质基床3 0 以上是存在 基床病害地段颗粒组成的特征。叫3 们 ( 2 ) 土的矿物组成 研究和工点调查表明，蒙脱石、伊利石含量较多的土是产生基床病害的重要 因素之一，其矿物成分均属高岭土( 铝土矿物) 及伊利石等粘土矿物含量相对较 高，均在3 0 以上，而这类矿物质的亲水性很强，遇水易软化膨胀变形，强度 降低，在外荷载的作用下必将导致路基变形下沉、侧沟挤裂。啪卜1 ( 3 ) 土的可塑性 土的可塑性指标指土的液i j l i ! w k 及塑性指数i p ，它反映了土的颗粒形状、比表 面大小及土的亲水性。对土质及石质基床工点的大里试验资料分析表明，产生基 床病害的地段基床大的液限w l 大于3 2 ，塑性指数i p 大于1 2 ，低于这一指标的粘性 土，在类似的水文、气候和运输条件下，一般不会发生病害。m 1 3 2 2 水和温度对基床病害的影响 基床病害的产生和发展，水是最重要的条件之一，仅只有产生基床病害的土 质、岩性因素，若没有足够的水的影响和作用，基床病害也不会发生。而温度及 其变化往往是形成路基基床病害的直接原因之一，在寒冷地区温度的变化使基床 土产生冻融循环：软的岩质基床，气温的变化和基床中含水量的改变促进表层加 速风化、湿化和软化，从而形成日益严重的基床病害。 3 2 3 列车荷载对形成基床病害的影响 列车荷载是形成基床变形，造成基床病害的另一个重要因素。作为基床上作 用的列车振动荷载，其主要特点是：动应力大，且分布不均衡：振动加速度大：对 基床土作用延时长、频率高。另外，在列车振动荷载作用下，当道床排水不良， 脏污产生的抽吸作用会加速翻浆冒泥的发展：而在列车动荷载的作用下，压实密 度较低的基床土产生附加压缩变形，砂性土基床容易振动液化，粘性土的动力强 度降低，这些都是基床病害的表现。“1 3 第三章萧甬线基床病害调研 上述基床土、水和温度、动荷载的不利组合是基床产生各种病害的最终原因， 而各种因素之间又有着相互关联的关系。因此，对基床病害的整治必须根据具体 条件，针对其关键因素确定工程措施，以达到整治基床病害的目的。 3 2 4 目前整治基床下沉病害存在的问题 以往曾对铁路路基基床下沉病害进行过大量的研究，并提出了换填土、垫沙、 或用沥青胶沙、石灰土、水泥掺料做封闭层等整治措施，这些措施无疑对控制病 害的发展起到了积极的作用。近年来，随着我国的铁路运输事业的发展，运量、 列车速度和轴重、行车密度也随之相应的提高，形成了运输荷载强度不断增大而 可用于养护维修时间愈来愈少的局面。一些旧的整治措施如在既有线上换填，施 工周期长，对运营干扰大，又如沙垫层，由于运量和轴重的增大，有效期不够长， 土工格室整治基床下沉病害的试验分析刚性或半刚性封闭常因施工质量不佳，强 度控制不当，过高或过低时就开通线路造成后期开裂而失效等，致使运营线上的 病害工点不断出现，基床下沉病害总长度有增无减。同时，基床下沉病害的存在 也极大的影响了铁路运输能力的提高，因而探索新的整治基床下沉病害的方法是 很有必要的。 3 3 萧甬线基床病害分析 在铁路路基设计规范t b l 0 0 0 1 9 9 版中要求，基床表层应优先选用h 组 填料，其次b 组填料：当选用b 组填料的砂粘土时，在年降雨量大于5 0 0 r a m 地区， 其塑性指数不得大于1 2 ；当不得不使用c 组填料时，在年平均降雨量大于5 0 0 r a m 地区，其塑性指数不得大于1 2 ，液限不得大于3 2 。在新线1 6 0 k m h 、2 0 0 k m h 设计暂规中都有要求级配碎石作为基床表层，目的就是强化基床表层，减少路基 病害的产生。 从我国既有线的路基病害调查表明，基床病害与填料的关系十分密切。当基 床表层采用a 、b 组填料时，路基病害较少，主要是排水不良引起的少量病害。 而基床病害为d 组填料时，产生翻浆冒泥和基床下沉病害较多，提速后造成的病 害较多，引起的维修工作量也大。当基床表层为c 组填料时，路基状态与土性、 降雨量、压实度等因素有关。 萧甬线老线修建于上世纪三十年代，路基填料来自二侧取土坑，填料属c 1 6 或d 类， 软土地基也未处理，路基下沉、翻浆冒泥等病害较多。上世纪九十年 代修建的萧甬线复线，填料土源大都开山取土，主要有石英质粉砂岩、红色泥质 粉砂岩、黏土岩，采用石英质粉砂岩填筑的路基，不易风化，路基承载力高，因 此，无路基下沉、翻浆冒泥病害。而采用红色泥质粉砂岩、黏土岩填筑的路基，