（道路与铁道工程专业论文）高速铁路红层泥岩路基基床填料物理力学特性试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 高速铁路对路堤特别是基床的填料有严格的要求 对于达成客货混运新 线 考虑其修筑线路长 地质条件复杂 沿线优质填料缺乏 如整条线路都使 用优质填料 无论从成本上还是从优质填料的确保上都存在着很大困难 因此 扩大可使用的填料范围 使c d 组填料用作高速铁路的路堤本体及基床底层 填料 这对于我国铁路建设具有重要意义 在以往的普通铁路 高速公路及普通公路的路基填筑中 不乏应用红层泥 岩的例子 但由于对红层泥岩的研究和认识不够深入 既有工程出现的病害较 多 随着我国高速铁路建设的兴起 对于那种缺乏优质填料 沿线又分布具有 广泛的红层泥岩的地区 想要使之能用于高速铁路的填筑 就必须进行系统的 物理力学特性试验研究 借以指导红层泥岩的设计和施工方法的改进 验证红 层泥岩用于高速铁路的可行性 红层泥岩用作高速铁路路堤本体填料 在遂渝线无砟轨道试验段首次得到 了成功的应用 然而 遂渝线无砟轨道中红层泥岩的使用仅仅限于路堤本体填 料 对于新建达成铁路 由于设计速度较高 载重大 高速铁路基床底层受列 车动力的反复作用并更易受到大气环境的影响 在列车运行时基床将承受较大 的动应力 然而将红层泥岩用作高速铁路基床底层填料 还没有实际的工程应 用例子 在遂渝线无砟轨道试验段一定范围内使用了红层泥岩作为路堤本体填料 的研究基础上 对比进行了红层泥岩的击实试验 承载比试验 自由膨胀率试 验 有 无 荷载膨胀率试验 软化试验 静三轴试验 对红层泥岩的物理力 学性质进行了详细的研究 得出了相应的应用成果 同时 为了研究红层泥岩 用作新达成铁路的路堤及路基基床底层填料的可行性 必须进行红层泥岩的动 力学特性试验研究 通过纽层泥岩的动三轴振动试验 得出了红层泥岩一系列 的动力学特性 如 循环动荷载作用下的累积应变特性 动强度 当量应变 动弹性模量及阻尼比特性 为最终确定在新建达成铁路中路基采用红层泥岩作 为路堤本体及基床底层填料提供了重要的动力学指标 为在红层地区修建高速 铁路及公路提供重要参考 关键词 红层泥岩 路基基床 物理力学特性 动三轴 高速铁路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i th a ss t r i c td e m a n d so nb e d d i n gf i l l i n gf o rh i g hs p e e dr a i l w a y a sf o rt h e d a z h o u c h e n g d up a s s e n g e r f r e i g h tm i x e dt r a n s p o r tl i n e l a c k i n go fh i g hq u a l i t y f i l l i n g i t i sn o tp o s s i b l et of i l lt h ew h o l eb e du s i n gh i g hq u a l i t yf i l l i n g e c o n o m i c a l l y s ow es h o u l dw i d e nt h e b o u n do ff i l l i n g i ft h ef i l l i n go fdi s v a l i d a t e db yt e s tt h a ti tc a nb eu s e da st h eb e d d i n gf i l l i n g i tw i l lc o n t r i b u t et ot h e c o n s t r u c t i o no fn a t i o n a lr a i l w a yg r e a t l y a st h ep a s ts t u d i e so nr e dm u d s t o n ea r en o te n o u g ha n dt h o r o u g h l y t h eb e d d i s e a s e st a k ep l a c e c o n t i n u a l l ye v e r yy e a r i nt h e p a s tr a i l w a yo rh i g h w a y c o n s t r u c t i o nu s i n gr e dm u d s t o n ea sf i l l i n g t h ea r e ai nw h i c hl a c k i n go fh i g h q u a l i t yf i l l i n gb u td i s t r i b u t i n ga b u n d a n to fr e dm u d s t o n e i fw ew a n tt ou s er e d m u d s t o n ea sb e d d i n gf i l l i n g i td e m a n d ss y s t e m i cs t u d yo fp h y s i c a la n dm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so nr e dm u d s t o n e t h ef i r s ta p p l i c a t i o nu s i n gr e dm u d s t o n ea sb e df i l l i n ga p p e a r si nb a l l a s t l e s s r a i l w a yf o rs u i n i n g c h o n g q i n gl i n e h o w e v e li tj u s tl i m i t st ou s i n gr e dm u d s t o n e t of i l l e da st h ee m b a n k m e n ti n f r a s t r u c t u r e t h e r ei sn o tae x a m p l eu s i n gr e d m u d s t o n ef i l l e da st h es u b g r a d eb e d t h e r ei sd i s t r i b u t i n gh i g h e rd y n a m i cs t r e s si n t h es u b g r a d eb e db a s i n go nt h ep a s ts t u d i e s b a s i n go nt h es t u d i e so fr e dm u d s t o n ef o rs u i n i n g c h o n g q i n gl i n e w et a k e p a r a l l e lt e s t st os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so f r e dm u d s t o n ef o rd a z h o u c h e n g d ul i n e i nt h i sp a p e r i n c l u d i n gc o m p a c t i n g t r i a x i a ls h e a r c b r f r e es w e l l d y n a m i c t r i a x i a lt e s ta n ds oo n i tr e q u i r e sd y n a m i ct r i a x i a lt e s tt os t u d yt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ea r g u m e n t a t i o no fu s i n gr e dm u d s t o n ea st h ef i l l i n gi nb e d d i n g b o t t o m i tb e a r sg r e a tf r u i tb a s i n go nt h i st e s t s u c ha sc h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i c s t r e s s a c c u m u l a t i v es t r a i n d y n a m i cs t r e n g t h c r i t i c a ld y n a m i cs t r e s s d y n a m i c y o u n g sm o d u l u s c h a r a c t e r i s t i c so fd a m pa n ds oo n t h e s ef r u i t sc o n t r i b u t eg r e a t l y t ou s i n gr e dm u d s t o n ef i l l e da st h eb o t t o mo fs u b g r a d eb e da n db e d d i n g i n f r a s t r u c t u r ed u r i n gt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fd a z h o u c h e n g d ul i n e i ta l s o g i v e sa d v i c ef o rt h ec o n s t r u c t i o no fr a i l w a ya n dh i g h w a yi nt h ea r e ad i s t r i b u t i n g a b u n d a n to fr e dm u d s t o n e k e yw o r d s r e dm u d s t o n e s u b g r a d eb e d p h y s i c a l m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s d y n a m i ct r i a x i a lt e s t h i g hs p e e dr a i l w a y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和 借阅 本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密d 使用本授权书 请在以上方框内打 4 学位论文作者签名 动犁珥 日期 勘q 酗 a 指导老师签名 磊毒害 b j 揭 2 曲8 鼍8 焉f bi 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在 文中作了明确的说明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 本学位论文的主要创新点如下 1 本文通过动三轴试验 测定了红层泥岩在最佳含水量下按最大干密度的 9 5 压实度压实的试样在特定围压下的动力特性 动力循环作用下的累积应变 特性 当量应变 动弹性模量及阻尼比特性 2 红层泥岩作为高速铁路路堤本体填料在遂渝线无砟轨道综合试验段得到 了成功应用 由于基床承受较大的动应力 红层泥岩能否作为高速铁路路基基 床底层填料还需进一步研究 故而通过对红层泥岩的室内动三轴试验研究 本 文得出红层泥岩在一定的压实度下 能够达到达成线客货混运高速铁路对路基 基床底层填料的强度及变形要求 为设计中采用红层泥岩作为基床底层填料提 供了重要的动力学参数指标 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 铁路是国民经济的大动脉 承担着繁重的客 货运输任务 为适应经济 快速发展 我国在既有线大面积提速的同时修建高速铁路客 货 运专线 1 9 9 4 年1 2 月 我国第一条准高速铁路 广深铁路正式开通运营 标志着中 国铁路向高速化迈出了一大步 秦沈2 0 0 k m h 客运专线 遂渝高速铁路客货 共线铁路相继运营 郑西 京津 温福 沪宁等客运专线已开始建设 京沪 高速铁路业已开工 预计到2 0 2 0 年 我国将初步形成 四纵四横 客运专线 包括 北京 上海 北京一武汉一广州一深圳 北京一沈阳一哈尔滨 大连 杭州一宁波一福州一深圳和徐州一郑州一兰州 杭州一南昌一长沙 青岛一 石家庄一太原 南京一武汉一重庆一成都 客运专线总规模将达到约1 2 5 万 公里 旅客列车运行时速普遍将达到2 0 0 公里以上 这表明我国已经迎来了 高速铁路建设高潮 高速铁路路基工程的特点 一般来讲 路基主要由松散的土或石质材料填筑而成 路基处在各种复 杂而变化着的自然条件之中 例如 地质 水 降雨 气候 地震等 而时 刻受到因自然条件变化引起的侵袭和破坏 路基材料是土等松散体构成 所 以路基本身的强度和稳定性也是常常变化的 其工程性质对自然条件变化十 分敏感 抵抗能力差 铁路路基同时受轨道自重静载和列车动载的作用 路基土体在重复动荷 载作用下将产生累积变形 土的强度会降低 表现出疲劳特性 作为铁道建 筑主体构筑物的路基土工结构 应具有足够的承载能力和抗变形能力 能经 受车辆荷载的反复作用而不产生结构性破坏和过量的沉降或膨胀变形 同时 还应具有较好的抗渗透性和水稳定性 降低水的浸入及软化能力 保证路基 长期处于稳定状态 改革开放以来 由于经济和技术的发展 铁路运输提出了大载重 高密 度 高速度的技术目标 为适应这一变化 必须提出与之适应的高标淮的路 基设计标准 并严格控制工程质量 6 0 年代第一条高速铁路在日本建成后 世界范围内出现了竞相修建高速 铁路的热潮 高速铁路的出现对传统铁路的设计 施工和养护维修提出了新 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的挑战 在许多方面深化和改变了传统的设计观念 对路基工程而言 表现 出以下三个特点 1 高速铁路的路基结构 不仅限于传统的轨道一道床一土路基这种结构 型式 出现了有碴和无砟两种 对于有碴轨道 在道床和土路基之间 已摒 弃了将道碴层直接放在土路基上的结构形式 作成了多层结构系统 2 控制变形是路基设计的关键 各种不同的结构型式的首要目的是为 高速线路提供一个平坦 均匀和稳定的轨下基础 达成新线有碴轨道的轨下 基础是散体材料组成的道床和路基 它是整个线路结构中最薄弱 也是最不 稳定的环节 是轨道变形的主要来源 它们在多次重复荷载作用下所产生的 不均匀累积永久下沉 残余变形 将造成轨道的不平顺 同时它们的刚度对轨 道面的弹性变形也起关键性的作用 因而对列车的高速走行条件有重要的影 响 高速行车对轨道变形有严格的要求 因此 变形问题便成为高速铁路路 基设计所考虑的主要控制因素 过去按强度破坏设计 现在强度已不是问题 了 往往地 在达到强度破坏前 就已出现了不能容许的过大有害变形 3 路基是列车一线路整体系统相互匹配的重要组成部分 变形问题的解决是一个世界性的难题 日 欧各国虽然实现了高速 但 他们是通过采用高标准的昂贵的强化线路结构和高质量的养护维修技术来弥 补这方面的不足 因此 变形问题是轨下系统特别是路基设计的难点 包括 路基在内的轨下系统的垂向变形集中反映在轨面上 它是车轮 钢轨 道床 路基整个系统各部分相互作用的结果 故而 在轮轨系统相互作用的研究中 必须把各个部分作为一个整体系统来分析 在系统中路基的参数 例如 能提 供多大的刚度 动模量等 对分析结果是十分重要的 在轮轨相互关系研究 的早期 一些力学模型基于过分简化的假定 把轨下系统当作一个绝对平顺 的刚性基础 德国著名的高速铁路专家b i r m a n n 针对此弊指出 不正确的简 化假设将导致不正确的理论条件基础上考察车辆走行的稳定性和振动特性 同时 他认为没有任何轮对能在一个刚性基础上作稳定的滚动 而只能依循 着不平顺的走行面和刚度有变化的轨道运动 因此不应当撇开轨下路基孤立 地研究轮轨相互作用 轮轨系统的相互作用不应当狭义地理解成仅仅直接发 生于轮轨接触部位的几何的和力学的关系 而应当广义地理解为车一路系统及 其相互作用 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 高速铁路的路基基床结构与动力特性 2 1 路基的设计荷载 路基的荷载是指作用在路基面上的应力 它包含两部分 一是线路上部 结构的重量作用在路基面上的应力 即静荷裁 二是列车行驶时轮载力通过 上部结构传递到路基面上的动应力 即动荷载 普通速度的铁路路基设计需要考虑荷载的影响时 在计算中常把静荷载 与动荷载一并简化作为静荷载处理 即通常的换算土柱法 高速铁路的路基 设计不能简单地把动荷载作为静荷载处理 必须进行动态分析 计算列车动 荷载的作用在路基中所产生的动应力的大小和分布规律 计算静荷载比较简 单 这里就不赘述 高速铁路路基承受的动荷载需要按照动荷载的分布规律 以及沿深度的衰减规律等计算 2 2 基床的结构及其动力特性 2 2 1 基床结构 基床即路基表面以下路基上部承受轨道 列车动力作用 并受水文 气 候变化影响而具有一定厚度和强度的土工结构 路基基床分为表层和底层 1 基床的作用及对基床的要求 基床是铁路路基最重要的关键部位 根据以往的研究资料 路基面以下 3 0m 范围内受列车动荷载的影响很大 把该深度范围内定为基床 对基床的 要求主要有三个方面 1 强度要求 基床应有足够的强度以抵抗列车荷载产生的动应力而不致破坏 能抵抗 道碴压人基床土中 防止道碴陷槽等病害的形成 在路基填筑阶段能承受重 型施工车辆上行而不形成印坑 以免留下隐患 2 刚度要求 要求在列车荷载的重复作用下 累积变形很小 避免形成过大的不均匀 下沉造成轨道的不平顺 增加养护维修的困难 在列车高速行驶时 基床的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 弹性变形应满足列车高速走行的安全性和舒适性要求 能保障道床的稳固 3 防渗要求 能够防止雨水浸入造成路基土体软化 防止发生翻浆冒泥等病害 4 在可能发生冻害的地区 还有防冻保护等特殊要求 2 基床结构和材料 基床结构基本上可分为两种型式 1 二层系统 传统的普速铁路一般都是道床和土质路基直接相连的二层系统 即土基 床 土基床要求采用优质填料填筑 2 多层系统或强化基床结构 路基设计规范对基床的土质及填筑标准均有明确的要求 但事实上我国 既有线的基床病害不仅十分严重 而且年复一年不断发展 究其原因 除了 一些客观因素外 不仅不严格控制填料质量 又不重视压实质量应该是最需 要吸取教训的地方 由于病害的困扰 人们对防治基床病害进行了长期的研 究和实践 认识到了基床表层的重要性 即在道床和土路基之间设置一层过 渡层 称为路基保护层或垫层 实践证明 设置保护层对提高路基承载力 消除基床病害的根本是有效措施 保护层的厚度在2 5 c m 3 0 c m 之间 2 2 2 基床表层厚度 如果把基床荷载动应力沿深度的衰减曲线与路基土动强度随深度增加的 曲线叠加在同一图上 它们的交点则表示所求基床表层深度 在此交点以上 的基床范围 荷载的动应力大于土的临界动应力 需要进行加固处理或换填 优质填料 以提高临界动应力 这就是基床表层厚度的确定原则 确定土的临界动应力的试验工作量很大 常用静强度乘以0 6 的折减系 数来替代临界动应力 一般情况下 基床表层的厚度为0 6 0 8 m 京沪高 速铁路线桥隧站设计暂行规定 中基床表层的厚度为0 7 m 而秦沈客运专线 基床表层厚度为0 5 0 7 m 铁路路基设计规范 规定 i 级铁路表层厚度 为0 6 m 底层厚度为1 9 m 总厚度为2 5 m 新达成线的路基基床按 铁路路 基设计规范 设计 表2 1 为国外部分铁路基床厚度 由表可见 除了日本 以外 我国基床表层的厚度皆大于国外的基床表层厚度 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 表2 一l 国外部分铁路基床厚度 m 国别日本美国德国前苏联法国 基床表层 o 5 0 8设计确定0 50 3 t o 5o 6 厚度底层 2 5 2 2 1 2 2 1 31 o 2 2 3 基床的动力特性 基床的动力特性有两方面内容 一方面指基床对列车动荷载的响应 涉 及应力场 应变场 加速度场 幅频特性等内容 另一方面指基床土的疲劳 特性与临界动应力概念 它们对指导基床设计和既有线基床病害的整治具有 重大意义 铁路路基 尤其是高速铁路路基需对基床表层特别加强 以提供较大的 刚度和强度 对既有线基床病害的整治也需要考虑适当的加固范围 因此 从技术和经济上确定一个合理的基床表层厚度是十分重要的 过去 对于普 速铁路的设计 基床表层厚度的确定是不明确的 实践中基本上是以经验方 法为主 由于高速技术的发展 已认识到路基设计中考虑路基动态特性的重 要性 英国学者h e a t h 于1 9 7 2 年提出的按临界动应力控制路基设计的思想 基床土承受的荷载是列车产生的长期重复作用的动应力 在这种动应力 作用下 基床的破坏或过大的有害变形不是短期发生的 而是长期累积发展 的结果 这就是典型的疲劳破坏的表现形式 h e a t h 在研究土的疲劳特性时 用伦敦粘土试样在动三轴仪上做三轴重复 加载试验 根据调试结果整理了累积应变与荷载重复次数的关系 试验及以 往经验表明 1 0 累积应变或该临界弹性应变相对应的动应力就是i 临界动应 力 如果基床动应力小于该临界动应力 则基床累积永久变形便会得到有效 的控制 这个概念启发我们 各种不同的基床结构型式包括道床的厚度和基 床加固深度的设计都应该使基床土的动应力控制在临界动应力的范围内且远 小于临界动应力 临界动应力与土的种类 含水量 密实度 围压大小 荷载的作用频率 等因素有关 其中围压大小相当于埋深 荷载频率相当于列车速度 并且实 践和经验表明 临界动应力随加载频率的提高而减小 因此对路基而言 当 列车速度低时 路基病害较少 随着列车速度的提高 路基病害迅速增加 这己被既有线的实际情况所证实 试验结果表明 临界动应力与围压大致呈 线性关系 即随深度而增加 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 临界动应力也是动强度的反映 通过不同围压的试验 可以求得土的动 强度指标 根据有关的试验数据 动强度约为静强度的5 0 一6 0 这给了我 们一个启示 荷载的动应力小时虽然满足静强度 但小应力的多次重复作用 可能导致两种不利后果 一是动强度不足而破坏 二是虽不破坏 但变形不 断发展 结果累积永久下沉很大 可见 传统的按静强度为标准的设计方法 是不恰当的 只不过因为普通铁路速度低 路基变形的问题不突出而己 对于高速铁路而言 频繁出现过大的累积下沉是不允许的 必须以动力 学理论作为指导进行路基基床设计 2 3 路基的变形与控制标准 控制路基的变形是高速铁路路基工程的关键技术之一 也是一个长期困 绕工程界的难题 要想从理论上圆满解决 需要大量的试验及理论研究和实 际工程的支持 但是 针对具体的工程 如何将此变形控制在一定的范围内 还是做得到的 要控制路基的变形首先要预估其下沉量 路基的下沉量主要有三类 列车行驶时路基面的弹性变形 运营阶段由行车引起的基床累积下沉 路基本体及地基自身的压密下沉 2 3 1 列车行驶时路基面的弹性变形 在列车荷载的作用下 路基的变形既有弹性变形 同时又有塑性变形 弹性变形是列车通过时列车荷载短时作用而产生的 主要发生在路基的基床 部位 尤其是基床表层 路基的弹性变形最终将反映在轨面的弹性变形之中y 如果弹性变形过大 车速就不可能提高 当上部结构和道床的技术条件确定 之后 影响轨面弹性变形的因素就主要是路基了 路基弹性变形的大小是由路基的动刚度决定的 表征路基动刚度的指标 动弹性变形系数 即动弹性模量 是整个列车一线路系统垂向动力特性的重要 参数之一 路基的刚度反映路基的质量 当我们在确定对路基的质量要求对 应把路基放到整个列车一线路大系统中去考察 这时 应考虑三个方面的问题 通过列车一线路大系统的动力学分析和计算 判定路基所提供的刚度能否满 足高速行车安全性和舒适性的要求 路基的刚度低 其弹性变形就大 将 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 对道床和轨道上部结构的稳定性产生影响 因而必须对路基的刚度及其相应 的弹性变形进行控制 当基床表层采用特殊的结构型式时 如日本强化基 床表层采用的沥青混凝土 必须控制其弹性变形不致引起表层结构的开裂破 坏 在解决了这三个问题后 就可对路基的填料和压实标准提出要求 若基床表层是由级配砂砾石等散体材料构成的柔性结构 其弹性变形的 容许值完全可以放宽 但是 基床较大的弹性变形会导致道床的流动 增加 轨道养护维修的困难 根据日本的经验 基床的弹性变形宜控制在4 m m 以内 路基主要影响列车一线路大系统的竖向振动特性 列车荷载作用下 路 基面产生的弹性变形是列车与线路大系统中各组成部分相互作用的结果 可 通过动力学分析和试验 揭示高速列车运行时路基刚度与车体振动加速度 轮重减载率和路基面弹性变形等动态响应参数之间的相关关系及变化规律 日本的有关资料认为 即使容许有较大的弹性变形 对列车的远行不会 产生较大的影响 在分析的不同路基刚度值中 最低的为4 0 删 m 该值在 德 日等国家均认为是较差的填料 相当于土路基的刚度 在这里需要特别 说明的是 绝对不能认为可以按该刚度值进行基床的设计 因为在确定基床 的设计标准时 还必须保证基床的累积下沉小和强度高 并能抵抗道碴嵌入 和雨水侵入等不利因素的影响 实际上 这些要求已在基床的结构设计部分 进行了考虑 日本强化基床表层的弹性变形的限值约为2 5 m m 该值是保证沥青混凝土 受荷载后不产生开裂破坏而考虑的 如仅从道床的稳定性 减小道碴的侧向 流动考虑 则认为应控制在4 m m 以内 由此看来 如道床的厚度较大 道碴的材质较好 道床的弹性变形对道 床的影响就相对较小 容许值就可大些 但另一方面 道床不稳会使维修工 作量增加 而高速铁路是不容许进行频繁维修的 因此 变形限值的确定还 应考虑养护维修的能力 成本和模式等因素 由于我国目前尚无这些方面的 经验 在确定控制值时应以保证上部建筑物的稳固为第一原则 根据动力学 分析和有限元计算的结果 暂行规定所确定的路基设计标准的弹性变形值均 在2 3 m m 左右 故目前以4 m m 作为变形限位较合适 2 3 2 运营阶段由行车引起的基床累积下沉 这部分路基下沉是由列车通过道床传递到路基面的动荷载引起的 对于 有碴轨道结构 可通过起拨道进行调整处理 这类下沉是一个长期累积的过 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 程 为使列车安全远行和保持乘车的舒适性 使轨道结构处于良好的几何形 位和动力状态 需经常进行轨道的维修作业 所以 累积下沉量的大小关系 到轨道的维修模式和成本 为了预测路基的累积下沉量 各国都十分重视下沉规律的研究 做了许 多室内外试验 并对既有线进行了大量的调查 在此基础上提出了各种经验 公式 其中最有代表性的是日本的佐藤吉彦和平野雅之提出的估算轨道下沉 量 包括道床和路基两部分 的方法 事实上 各种各样的估算方法都很不准 确 也很难区分开道床和路基各占多少比例 一般认为 对于良好路基的情 况 累积下沉的大部分是由道床引起的 路基所占的份额很小 约占总下沉 量的2 0 3 0 对于路基不良地段 路基变形则能占到3 0 7 0 9 6 路基的累积下沉属于塑性变形 对于由散体材料填筑的路基基床不让其 产生塑性变形是不现实的 但可采取一定的措施进行有效的控制 因此 世 界各国都致力于寻求一种合理的基床结构型式 根据日本的资料 对于强化基床表层结构 当基床表层 1 5 0m p a m 时 道床嵌入基床的下陷量很小 当基床底层的 6 8 6 1 0 8 m p a m 荷载 作用次数为1 5 0 万次 相当于日本主要干线一年的作用次数 时 累积下沉 量约为l 2 5 m m 同一般土质基床相比约小1 0 倍 实验结果 关于在动应力作用下路基面的累积下沉变形规律 我国还缺乏高速条件 下的实测数据 不过在基床的结构设计中已考虑了按临界动应力来进行控制 因此 累积下沉量在经过一段时间行车后 约1 年 便能逐渐趋于稳定而不会 继续发展 2 3 3 路基填土的压密下沉 1 路基填土下沉量的一般数值范围 路基填土的压密下沉属永久下沉 它是由填土的自重 包括线路上部建 筑 引起的 它发生在两个时间段 一是施工阶段的下沉 二是施工完成后 的所谓工后下沉 施工阶段的下沉一般不必计较 它不影响实际的工程实施 因为最终会填到设计标高 故而最重要的是工后下沉 它对后期的运营将产 生较大的影响 由散体材料填筑而成的路基本体产生一定的压密下沉是正常的 但如果 下沉量较大 说明填土的压实密度不足 强度低 容易形成不均匀变形 过 大的下沉还会破坏路基面的排水条件以至不能保持良好的横向排水坡度 为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 了确定一个控制标准 作为路基设计的依据 可根据国内外的有关资料 实 测数据和分析计算对路基填土下沉量的大致进行分析 目前世界各国关于路堤填土的压密下沉通常都是通过压实密度予以保证 的 日本对填土的压实质量采用k 值作指标 为了保证填土具有足够的强度 规定了 7 0 m p a m 的控制标准 并对满足此条件的许多工点进行了实测 日本铁路的实测表明 高6 m 的填土 压实系数在9 0 以上 经计算其最终下 沉量约为1 0 c m 并在1 年内渐趋稳定 日本的经验认为 路堤本体的压缩下沉约为填土高度的0 1 0 3 砂性 土 及0 5 2 粘性土 我国普速铁路的经验表明 平均压实系数达到0 9 时 下沉约为路堤高度的o 1 平均压实系数达到o 8 5 时 下沉约为路堤高 度的0 5 1 o 但5 0 年代对质量一般的工点进行测试表明 发现其下沉量 可达路堤高度的1 0 3 o 2 路堤填土压密下沉量的控制值及工后下沉值的估算 一般情况下 高速铁路路堤的高度约为3 7 m 根据前面的分析计算结果 对应的路堤填土压密下沉量大约在0 5 2 2 c m 范围内 大致相当于路堤高度 的0 3 因而可将此值作为路堤压密下沉量的控制值 路堤坝土的总压密下沉量中有相当一部分是在施工期间就完成了 对于 剩下的工后下沉部分 目前还没有较好的计算方法 除了饱和地基以外 大 多都是些很粗略的经验公式 从以往的经验数据看 施工中完成的部分在7 0 左右 或者说工后下沉大概只占1 3 另外 对于工后沉降 德国和日本还采用了一个经验公式进行估算 s h 2 3 0 0 0 式中 s 路堤工后沉陷值 m h 路堤高度 m 该公式估算的工后沉降与路堤高度的比值s h h 3 0 3 路堤的填料与压实度要求 对于高速铁路路堤 应尽量使用优质的填料 这样既可以减少后期的沉 陷 又可以获得较高的安全储备保证路堤的稳定 保证不产生病害 因此 首先应该采用目前路基规范所要求的填料类型 实际观测表明 采用优质级 配良好的粗颗粒可以大大减小路堤的后期沉降 故高速铁路路堤填料在可能 的条件下应优先选用a b 组填料 然而 大多数线路由于线路很长 通过地段的地质条件变化复杂 都使 用优质填料的可能性不大 而如果沿线分布着广泛的d 类填料 如红层泥岩 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 扩大填料的范围 将部分c d 类填料用作路堤本体及基床底层填料 是经济 的也是必要的 达成新线的情况就是如此 用于路堤部分的填料需满足以下三个方面的基本要求 在列车与路堤 自重荷载作用下能使路堤保持长期的稳定性 路堤本体的压密沉降能较快 完成 约1 年左右 填料的力学性质不受其它因素 如水 温度 地震等 的影响而发生不利于路堤稳定的变化 因此 只要经过处理与改良后能满足 上述要求的填料均可用于路堤填筑 为了确保路堤的稳定 减少压密下沉 增加耐久性 除应选用优质填料 外 含改良土 对填料的压实度也要有明确要求 日本标准为路堤下部的压 实度应 9 0 重型击实 下同 粗颗粒孔隙l 匕 5 0 时 或 1 5 细颗粒含量为2 0 5 0 时 7 0 m p a m 德国规范要求压实度为 9 5 9 7 粗粒土的孔隙比 1 2 法国规范要求压实度 9 5 由此可见 欧洲国家对填土密实度的要求比日本高 这很可能就是日本为满足基床表层 的变形要求 而对基床表层材料的弹性模量提出较高数值的原因之一 室内试验研究表明 填土的压实度与路堤的自然压密下沉量关系密切 与填土的水稳性也有关 虽然 目前这两方面的研究资料还不多 但从已有 的试验数据看 压实度从8 5 提高到9 0 相对压缩量可减小7 0 从9 0 提 高到9 5 又可减小3 5 4 0 因此 为了保证高速铁路路基的变形稳定性 提高碾压密实度是非常必要的 为此 设计暂行规定制订了路堤下部填料及 压实标准 土质改良后应该达到什么样的技术指标 是一个需要继续研究的课题 根据日本的研究 如果土质改良以后的无侧限抗压强度能够大于0 5 m p a 且 在水稳性和动力稳定性方面均能满足要求 施工时要求的 ll o m p a m 4 路堤沉降动态控制技术 高速铁路对地基沉降的要求甚严 在设计使用年限内 一般规定路基面 的工后沉降量应小于1 0c m 路桥过渡段应小于5 c m 同时要求线路平顺 不 容许出现人工构造物与路堤衔接处产生差异沉陷 以免引起列车与线路剧烈 地相互作用及线路的频繁养护维修 为此 必须对路基的工后沉降量进行严 格控制 精确掌握路堤的最终沉降量 并求得在不同加载强度下地基的固结 度 在设计阶段 总沉陷量及其工后沉陷量的大小是通过沉陷固结计算求得 的 估算结果是否与实际情况相符 涉及很多因素 建议实际工程中 应加 强施工前后的验算与推算 施工时的沉降监控 以及监控数据及时调整施工 工艺 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 2 3 4 路基工后沉降控制标准 高速铁路对路基的工后沉降有着极其严格的要求 法国高速铁路的要求 是在基床滤水层施工验收后最初沉降值应小于2 c m 并且在最后一次捣固作 业之后第一列高速铁路列车运行之前 或最晚在滤水层验收后1 8 个月内沉降 应完全稳定 但是实际情况中 尤其是在软土地基段 路基的工后沉降是不 可能为零的 在国际咨询中 德国专家认为除非在很长的距离上很均匀地沉 降 在列车开始运行后 总的沉降量不应大于l c m 每年不应超过0 2 e r a 应避免在短距离内发生不均匀沉降 列车开始运行后 在桥台附近不得有任 何沉降 根据德国 日本的经验 无砟轨道路基工后沉降控制标准均匀沉降 2 0 m m 其它要求如下 1 桥 隧与路基连接处的差异沉降不大于5 m m 2 桥 隧与路基过渡段或任意两段路基的折角不大于1 1 0 0 0 3 任意路基地段2 0 m 长度范围的不均匀沉降不大于2 0 m m 2 0 m 表2 2 路基残余变形 工后沉降及沉降差 控制标准 工后沉降不均匀沉降差异沉降折角 5 2 0 m m立o m m 2 0 m 5 m m 1 10 0 0 m m 日本对有碴轨道路基工后沉降的限值是1 0 c m 沉降速率应小于3 e r a 年 桥台尾过渡段路基工后沉降量不应大于5 c m 新建时速2 0 0 2 5 0 公里客运 专线铁路设计暂行规定 中客运专线有碴轨道工后沉降控制标准如表2 3 所 示 表2 3 工后沉降控制标准 设计速度一般地段工后沉降 路桥过渡段工后沉降沉降速率 k m h m m m m m m 年 v 2 0 01 5 0 8 0 4 0 2 0 0 以2 5 01 0 05 03 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 3 研究背景 3 1 工程概况 新建达成客货混运重载铁路 东起达州西至成都 途经达川 南充 遂宁 大英 新都等1 0 多个西南地区的区 县 市 全线约3 2 0 k m 最高设计时速 2 0 0 k m 采用电气化全封闭全立交模式 其中遂宁站到成都站此段新建双线与 旧线形成双向三线格局 遂宁站到襄渝铁路三汇站新建一条线路与旧线形成 双向两线格局 新线路基段采用有碴轨道模式 按i 级铁路标准设计 该沿线 有很广泛的红层泥岩分布 由于缺乏a b 组填料和为了降低成本 如能够对 沿途的红层泥岩进行研究 使之能用于该线路路基基床以下的路堤本体及基 床底层填料 则可节省大量工程投资 同时减少了大量弃方 保护了环境 具有显著的社会效益与经济效益 然而 遂渝线无砟轨道试验段中仅仅将红 层泥岩作为路堤本体填料进行了试验研究 由于基床将承受较大的列车动荷 载 故而在使用红层泥岩作为基床底层填料之前 有必要进行红层泥岩的物 理力学特性及动力特性试验研究 3 2 红层软岩地区铁路 公路工程中的病害问题 红层泥岩地区铁路 公路建设中产生的病害较多 主要有红层软岩开挖 工程病害 包括开挖路堑边坡工程病害和开挖隧道工程病害 红层软岩路堤 填筑工程病害 包括斜坡路堤填筑失稳和填筑路堤变形 红层软岩桥涵构造 物工程病害 在红层软岩的工程建设中 开挖工程病害比较突出 尤其是在路堑边坡 工程中 容易引起各类滑坡 边坡岩体开裂变形等灾害 在边坡开挖完成后 容易产生风化剥落 浅层垮塌及危岩落石 在红层软岩地区路堤填筑采用挖方材料 一方面挖方材料填筑路堤本体 由于填筑路堤击实度以及路基基底的不均匀性等问题 经常引起路堤的开裂 另一方面在斜坡上的填筑路堤容易产生整体滑动 红层软岩地区的桥涵构造病害 主要是由于构造物基础的斜坡地形和基 础所在岩体的不均匀性引起的 在斜坡上修建的桥涵 挡墙基础 基础底面 一侧为软风化基岩 另一侧常为强风化基岩或覆盖土层 因此地基常产生不 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 均匀变形 导致上部结构物变形 开裂 当构造物修建在斜坡上 斜坡体整 体稳定度较低 在人为工程活动的干扰下稳定度降低 斜坡体滑移 导致桥 涵结构物变形移位 1 红层软岩开挖工程病害主要有以下几方面 根据滑坡地质结构及路线与岩层产状的关系 红层软岩滑坡可以划分 为单斜地层顺层滑坡 单斜地层切层滑坡 近水平岩层顺层滑坡 由于红层软岩斜坡上常有第四系堆积物 堆积层滑坡也比较常见 边坡开挖后 在开挖卸荷和地表水等作用下 边坡岩体常沿软弱结构 面 层面 结构面等发生变形 在边坡上常形成拉裂缝 但岩体尚未构成大 规模滑动 红层中的泥岩 粉砂质泥岩等在温度变化 水的作用下容易风化 崩 解 因此红层软岩边坡风化剥落现象较为普遍 红层中的砂泥互层坡体在长期差异风化因素作用下 砂岩岩体下部常 常悬空形成危岩 在继续风化及人为扰动等影响下常形成崩塌及落石灾害 洞口开挖扰动 诱发洞口上部斜坡岩体变形滑移 形成滑坡 并有可 能引起洞内支护结构变形破坏 2 红层泥岩路堤填筑工程病害主要有 在红层地区斜坡上填筑路堤 或半填半挖路堤 由于斜坡表面常为地 表水活动的通道 填筑路堤土体容易沿斜坡表面发生滑动 形成填筑路堤滑 坡 在红层软岩地区利用开挖红层软岩填料的填筑路堤 一方面由于填料 压实度不足引起填筑路堤开裂变形 另一方面路堤基底底面在纵向及横向上 常有一定的坡度 填筑路堤在纵向和横向产生不均匀沉降 引起路堤开裂 3 红层泥岩桥涵构造物工程病害主要有 由于构造物等基础建在斜坡上 斜坡整体稳定性较低 在人为活动的 干扰下稳定度降低 斜坡体整体滑移 造成结构物变形移位 由于构造物基础的斜坡地形和存在岩体的不均匀性 当基底为斜坡时 基底常产生不均匀变形 从而导致上部结构物变形 开裂 3 3 研究目的 在我国 考虑修筑高速铁路时其线路长 地质条件复杂 优质填料缺乏 整条线路都使用优质填料 无论从成本上还是从优质填料的确保上都存在着 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 很大困难 因此扩大可使用的填料范围 使c d 组填料或其改良土也可以用 作高速铁路的路堤填料 对我国的铁路建设具有重要意义 由于对软岩类材 料工程性质的研究相对缺乏 加上采用不合理的路基结构型式及技术指标 修筑的路堤常出现沉降过大或边坡坍塌等病害 所以软岩类材料较少用作高 标准铁路路基的填料 红层泥岩作为一种特殊材料 在四川地区有广泛分布 其颗粒易破碎 强度低 遇水后易崩解与软化 表现出与一般填料不同的工 程力学性质 以前 针对红层的研究主要集中在红层地质危害 岩体结构特 性 岩体力学特性 风化 渗透性等内容 而以红层泥岩作为高速铁路路基 特别是基床填料的研究则相对较少 因此 开展红层泥岩填筑高速铁路有碴轨道路堤本体及基床底层的适应 性及工程技术的相关研究 籍此指导路基结构的设计和施工 可以在以后的 工程建设中节省大量工程投资 同时减少大量的弃方 保护环境 具有显著 的社会效益与经济效益 红层泥岩用作高标准铁路路堤本体填料 在遂渝线无砟轨道试验段首次 得到了成功的应用 根据文献 3 其采用c b r 平均值为4 4 的红层泥岩 用 作无砟轨道路堤本体填料路段 自路堤填筑完成后半年内路堤顶面总沉降为 5 2 m m 且沉降已经基本达到了稳定 远远小于设计说明书要求的工后总沉降 3 0 r a m 很好的满足了无砟轨道高速铁路对路堤沉降的要求 h 儿幻 然而 遂渝线无砟轨道中红层泥岩的使用仅仅限于路堤本体填料 对于 新建达成铁路 由于设计速度较高 载重大 而且根据以往的研究表明 在 列车运行时基床将承受较大的动应力 但是将红层泥岩用作路堤基床底层填 料 还没有实际的工程应用例子 这有待进一步研究其动力特性 新建达成客货混运铁路沿线红层泥岩分布广泛 本文在遂渝客货混运新 线试验段一定范围内使用了红层泥岩作为路堤本体填料的研究基础上 研究 红层泥岩填料的动力学性质 论证其用作新建达成铁路路堤填料特别是基床 底层填料的可行性 为在红层地区修建高速铁路及公路提供参考 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 4 高速铁路对填料的要求及红层泥岩的一般特性 4 1 高速铁路路基对填料的一般性要求 鉴于高速铁路路基的特点 高速铁路路基填料应具有易压实 密度大 强度高 变形小 稳定性和耐久性好 经济等特点 填料应容易压实 具有 足够的密实性 若最大干密度小 其强度一般较低 发生的残余变形就大 还要具有较高的强度 一般可通过三轴剪切试验测定其在不同围压 对应不 同埋深 下的强度变形特性 判断土体不会因为强度不足发生剪切破坏或发 生较大的应变 高速铁路路基受环境的影响较大 在四川等西南地区主要为 降雨等天气影响 因此研究压实填料的浸润稳定性具有重要的意义 主要是 浸润后的强度及强度折减情况 另外 用于路基的填料膨胀性应很小 表4 1 各国路基填料使用情况对比 项目法国 德国日本 中国 基床覆盖层 级配碎石 路基保护层 水硬性 k g l k g 2 沥青混凝土 级配矿 沥青混凝土 表层 封堵层 级配碎石防冻层k g 2级配碎石碴碎石级配碎石 a 类