客运专线路基笔记.doc

第一章 概述第一节 国内外铁路发展趋势国际铁路联盟（UIC）将新建时速250km/h以上，既有线改造时速200km/h以上的铁路称谓高速铁路。2004年通过的中长期铁路规划网提出，实施客货分线，专门建设客运专线。1.“四纵” 客运专线（1）北京-上海客运专线，贯通京津至长江三角洲东部沿海经济发达地区；（2）北京-武汉-广州-深圳客运专线，连接华北和华南地区；（3）北京-沈阳-哈尔滨客运专线，连接东北和关内地区；（4）杭州-宁波-福州-深圳客运专线，连接长江、珠江三角洲和东南沿海地区。2.“四横”客运专线（1）徐州-郑州-兰州客运专线，连接西北和华东地区；（2）杭州-南昌-长沙客运专线，连接华中和华东地区；（3）青岛-石家庄-太原客运专线，连接华北和华东地区；（4）南京-武汉-重庆-成都客运专线，连接西南和华中地区。3.三个城际客运系统环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区城际客运专线，覆盖区域内的主要城镇。第二节 客运专线铁路特点与需要研究的问题一 客运专线铁路特点1. 快捷、准时、节省旅客的出行时间2. 安全、舒适、提高旅客的出行质量3. 节能、省地，有利于环境保护和可持续发展4. 运量大、经济和社会效益明显二 客运专线铁路路基建设重点研究的问题（一） 重点研究的问题1. 路基填筑标准高且具有强化的基床结构路基的结构形式、填料的选择和改良是客运专线的研究重点之一2. 路基沉降变形控制严格如何控制路基的工后沉降及沉降速率3. 轨下基础刚度必须平顺过度纵横向刚度的均匀过渡很重要4. 高度重视路基质量如何对路基的施工质量进行客观的评估与评价，是另一个关键问题第三节 客运专线的轨道结构和路基设计荷载一 客运专线轨道结构为保证轨道有持久稳定的高平顺性，客运专线要求正线轨道应铺设跨区间无缝线路。一是短轨过渡方案，另一种是，一次铺设无缝线路方案。客运专线的轨道结构主要分有砟轨道和无砟轨道二 客运专线路基设计荷载客运专线主要承受轨道静载和列车活载。列车活载采用我国客运专线标准荷载-ZK荷载。1. 轨道和列车荷载换算2. 动应力第二章 路基结构设计第一节 路基结构强度控制设计客运专线基床表层厚度的确定，强度控制法：列车荷载作用下通过基床表层传给基床下部填土的动应力必须小于其允许强度。该法的主要内容：确定动应力在基床表层随深度的衰减规律和确定路基填土的允许使用动应力。一 应力衰减规律应力沿纵向的扩散距离L动应力沿深度的衰减可由两个方面来探讨：实测、理论计算二 确定填土的允许动强度由土的动三轴试验确定三基床表层厚度设计根据动应力沿深度的衰减曲线及填土动强度线，填土动应力必须小于其允许动强度的要求，如果压实度达到100%，基床表层厚度约需0.6m左右。如果压实度只有95%，则需0.8m左右。四 基床厚度设计动应力与自重应力之比1/5做为确定基床厚度的依据，300km/h速度时路基基床厚度可以采用3.0m。第二节 路基结构变形控制设计一 路基变形控制值的确定1. 路基变形控制因素列车荷载作用下，路基变形有塑性和弹性变形。弹性变形主要发生在基床表层，弹性变形大，车速就不能提高。确定路基的弹性变形控制值要考虑两个因素：基床表面不发生结构破坏；由于基床表面的弹性变形导致轨面的弹性变形（钢轨挠度）应满足高速行车的舒适度和安全要求。填料的物理力学性质和压实度决定路基的动弹性模量（动刚度的指标）2. 国内外高速铁路路基弹性变形的控制值日本的强化基床结构，基床表层为沥青混凝土。他们采用挠曲角的概念来控制变形，计算的与该挠曲角相应的挠度值是2.5mm。这就是沥青混凝土强化基床的弹性变形控制值。3. 客运专线路基弹性变形的控制值的确定基床表层采用级配碎石材料设计计算时可采用路基挠度3.5mm作为控制条件。二 路基变形值（挠度）的计算根据布氏理论计算：基床表层弹性模量和基床底层弹性模量，基床表层厚度三 基床表层厚度设计当速度为300km/h，基床表层弹性模量取210Mpa,级配碎石填筑，基床底层弹性模量34时，基床层厚度取70cm.第三节 路基结构形式与压实标准一 基床表层1 国内外基床表层 填料应用情况基床表层使用的材料大致有：级配砂砾石、级配碎石、级配矿物颗粒材料（高炉矿渣）。我国客运专线基床表层一般采用级配碎石和砂砾石填筑。2.客运专线基床表层二基床底层基床底层应填筑A、B组填料或改良土。1. 基床底层检测方法对于检测方法和压实度，我国采用压实度K、相对密度Dr、以及地基系数K30（土体表面在平面压力作用下产生的可压缩性的大小）由静压平板荷载试验计算得出，单位是Mpa/m，能过直观的表征路基刚度和承载能力。检测方法：密实程度检测和刚度检测：填料的填筑密实程度（压实度K、相对密度Dr）；刚度控制指标（地基系数K30），其目的是保证路基基床底层的刚度能够满足基床弹性变形控制的要求。二次变形模量EV2和动态变形模量EVd（基床填筑压实的主要控制指标）可由平板压力公式计算(动态变形模量测试仪进行动态平板荷载试验进行测试计算)2.客运专线基床底层按照强度控制方法，采用动应力与自重应力之比1/5确定基床厚度。三 基床以下路堤客运专线路基路堤下部填料应满足的要求：（1） 在列车和路堤自重荷载作用下，路堤能保持长期稳定；（2） 路堤本身的压缩沉降能很快的完成；（3） 路堤下部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。填料的选择：优先选择A组、B组填料和C组中的块石、碎石、砾石类填料。第四节 路基结构设计的应用一 秦沈客运专线路基基床设计二 秦沈客运专线路堤设计第五节 路基基床结构试验一 基床表层试验工程设计1.试验工程设计（1）地基土层描述（2）地基处理措施（3）路堤高度：5.2-6.5m，基床总厚度2.5m，表层填筑级配碎石，厚度分60cm、30cm两种；基床底层及路堤下部填筑A、B组粗粒土。（4）基床表层加固用土工格室高度为20cm、10cm两种（5）测试断面2.测试内容及测点布置（1）测试内容行车条件下基床动应力、加速度、弹性变形以及土工格室受力。(2)测点布置二 数据分析与研究结论1.基床动应力分析对路基个断面测试其动应力幅值，观察动应力分布范围，及低动应力区与高动应力区2.基床弹性变形分析路基的弹性变形主要发生在基床部分，尤其是基床表层。路基的弹性变形直接反映在轨面弹性变形之中，弹性变形大，车速就不能提高。3.基床加速度分析基床加速度能灵敏的反应基床的震动情况。4.实验结论（1）动应力1）动应力最大值76KPa,略小于理论计算值83.2KPa。2）动应力分布有两个集中区：低值集中区域约为20-40KPa,平均值28 KPa；高值集中域约60-80 KPa，平均值69 KPa。3）动应力随轴重线性增加。4）动应力延伸度的衰减（2）弹性变形弹性变形对速度的变化不敏感（4） 加速度（5） 路基面的加速度小于10m/s,平均值范围4-8 m/s第三章 路基横向即纵向刚度均匀性设计第一节 过渡段设置的必要性与研究现状一 设置过渡段的必要性设置过渡段可使轨道的刚度逐渐的变化，并最大限度的减少沉降差，达到降低列车与线路的震动，减缓路基结构的变形，保证列车安全平稳舒适运行的目的。二 过渡段变形不一致的原因跳车现象的原因：1. 路基与桥涵的结构差异桥涵结构是刚性的，路基结构是柔性的，之间存在着变形差异。过渡段由于刚性、自重、强度的不同，在列车荷载作用下又是应力集中区域，必然产生变形想不一致。2. 路堤填料原因过渡段的压实度达不到标准3. 地基原因4. 地基土上承受的附加应力不同，相应其沉降变相也不同。5. 施工原因不能很好的控制填土压实质量，使得过渡段路基产生较大的压实下沉变形。6. 重桥轻路意识的原因在设计中没有将过渡段作为一种结构物来考虑，路桥分家，重桥轻路。三 国内为路桥过渡段的处理措施（一） 国外路桥过渡段的处理方法1. 在过渡段较软一侧，增大路基基床的竖向刚度，减少路基结构的变形与沉降（1） 加筋土法：提高路基的强度和刚度（2） 土质改良法：提高填土的强度，降低填土的压缩量（3） 碎石填筑法（4） 轻型材料填筑法：一种减轻结构物自重的方法，目前使用的轻型材料主要有：人工气泡混合土、轻型废弃物、火山灰、粉煤灰、中空构造物、EPS。2. 在过渡段较软一侧，增强钢轨的竖向刚度减少路桥间钢轨刚度的变化率，不能解决路桥间沉降差引起的轨面弯折问题（1） 通过调整轨枕的长度和间距来提高轨道的刚度（2） 通过增大轨排的抗弯模量来提高轨道的刚度（3） 通过加厚道床的厚度来提高轨道的刚度3.在过渡段较硬的一侧，通过设置轨下、枕下、碴底橡胶垫板来减小轨道的竖向刚度（二） 国内路桥过渡段的处理方法1. 桥头设搭板和枕梁：可使刚性桥台和柔性路基间的刚度逐渐变化2. 粗粒级配料填筑：目的是减少路堤自身的压缩量3. 加筋土路基第二节 过渡段结构分析一 桥梁过渡段的综合刚度分析铁路轨道的竖向刚度可采用综合弹性系数来表示二 路桥过渡段轨面弯折控制铁路线路的变形主要由轨道结构、路基本体、及地基土层的变形三部分组成。路桥过渡段存在的较大沉降差会引起轨面弯折。路桥过渡段的变形控制，主要需考虑两个问题：（1）将桥背土路基与桥台交界处的错落式沉降变成连续的斜坡式沉降。（2）严格控制过渡段线路的轨面弯折变形，使之满足高速行车的要求。轨面弯折变现用弯折角表示三 路桥过渡段长度确定客运专线过渡段长度的确定应重点考虑一下两方面的关系：1.路桥过渡段总和刚度的变化与过渡段长度的关系2.路桥过渡段的工后沉降差的限值与过渡段长度的关系制定了客运专线过渡段长度表第三节 过渡段结构形式与压实标准轨道结构和路基基床的变形主要是由动载引起的，恒载作用产生的沉降主要发生在路堤下部和地基上层中，数据较大占轨面变形的决大部分。一 路桥过渡段（一）路桥过渡段结构形式1.倒梯形结构2.正梯形结构3.二次过渡形结构过渡段长度的计算有集体的公式（二）路桥过渡段填料规格和压实标准1.级配碎石的规格与压实标准2.加筋土的规格与压实标准二 路涵过渡段路涵过渡段的结构比路桥过渡段的更复杂，采用沿线路方向纵向倒梯形和正梯形结构。过渡段长度的计算有集体的公式；注意路涵过渡段有冻胀区。填料（级配碎石）及压实（压实有困难可适当掺入水泥）三 路堤与路堑过渡段四 路隧过渡段第四节 过渡段设计的应用与试验第五节 一。秦沈客运专线过渡段设计路桥过渡段大部分采用倒梯形级配碎石填筑第四章 路基工后沉降控制技术第一节 地基条件与工后沉降控制标准一 日本新干线的地基条件与工后沉降控制标准承载路基的地基条件：能安全承载路基，不产生基底破坏，不会出现过大的地基沉降，即使地震时也不至于产生破坏和沉降。二 地基条件与工后沉降控制标准1.客运专线的地基条件秦沈专线借鉴日本经验，提出客运专线的地基条件，即路堤底层以下25m范围内的地基条件应满足的要求。，若不满足要就要对地基土做工后沉降分析和加固处理。2.客运专线的工后沉降控制标准现行铁路路基规范提出工后沉降应小于20cm客运专线工后沉降标准应考虑一下两方面的条件：（1） 客运专线列车对路基的要求及线路维修能力（2） 前期建设投资与后期养护费用的经济比较对软土和松软土地基路基，沉降分析前必须先进性路基的滑动稳定检算和承载能力检算。第二节 路基的稳定性与地基承载力检算客运专线路基的设计检算包括滑动稳定性检算、复合地基承载力计算与沉降计算等几个部分。一 、路基滑动稳定检算一般采用圆弧条分法，对于不同的组合采用不同的稳定安全系数K。圆弧条分法常用的三种方法：总应力法、有效固结应力法、有效应力法。常用的是有效固结应力法。二、复合地基承载力计算复合求和法和稳定分析法：复合求和法是将复合地基的承载力看做是桩体与桩间土承载能力之和。稳定分析法是将复合地基视为一个整体，按整体剪切破坏或整体滑动破坏计算其承载力，计算的关键在于根据桩体与桩间土的抗剪强度求其复合地基的抗剪强度。（一） 复合求和法1. 直接复合式2. 应力复合式3. 变形复合式（二） 稳定分析法（三） 软下卧层的强度验算第三节 路基的沉降计算路基的工后沉降是指，轨道工程铺设后在路基荷载和列车荷载作用下发生的剩余沉降，即最终形成的总沉降量与路及竣工铺轨开始时的沉降量只差。一、 压缩层厚度确定压缩层厚度有三种方法：（1） 应力比法：建筑物附加应力与地基自重应力之比作为判断压缩层厚度的标准。（2） 变形比法：一定厚度土层的变形和地基计算深度范围内的总变形的比值作为判断压缩层厚度的标准。（3） 采用观测数据回归形成经验公式法。二、 轨道与列车荷载三、 路基地基沉降计算（一） 天然地基的总沉降计算一般分为主固结沉降、瞬时沉降、次固结沉降1. 主估计沉降的计算分层总和法2. 瞬时沉降3. 次固结沉降4. 天然地基的总沉降（二） 复合地基变形计算复合地基的沉降由复合地基加固区的压缩变形和下卧层天然地基的沉降变形两部分组成。复合地基加固区的压缩变形可采用直接计算法、符合模型法、沉降折减法。1. 复合地基加固区的压缩变形（1） 直接计算法（2） 复合模型法（3） 沉降折减法2. 下卧层天然地基的沉降变形分层总和法下卧层上的荷载确定方法有：（1） 压力扩散法（2） 等效实体法（3） 该进Geddes法四、 地基固结度计算（一） 瞬时加荷条件下砂井地基的固结度计算（二） 砂井未打穿整个压缩层的平均固结度计算（三） 逐级加荷条件下砂井地基的固结度计算1. 改进的太沙基法2. 改进的高木俊介法3. 对改进太沙基法的修正（四）复合地基的平均固结度计算五、 设计计算基本程序（1） 按一定的填土速率连续填筑，填筑完成至铺轨为预压时间，铺轨时为列车和轨道荷载施加时间，计算天然地基的稳定性和工后沉降、沉降速率。（2） 对稳定性不满足要求的地段，首先可以考虑基地铺设土工合成材料加筋垫层，土工合成材料的铺设最多不超过两层，其次采用深层加固加固处理。加固的深度为采用排水固结法处理为最不利滑动面以下2m，采用符合地基处理为最不利滑动面下1m。（3） 如工后沉降量超标，先根据天然地基的分层沉降计算结果，初步拟定处理深度和间距，然后计算其工后沉降量，根据计算结果重新调整处理深度及间距、桩径等设计参数。选择处理深度时，一般应穿透软土或松软土层，并达到相对硬底层。（4） 如工后沉降速率超标，一般考虑设置预压处理，预压土高度根据检算确定。（5） 填土速率的设计根据工期先假定一填土速率，计算，绘制填土-时间-沉降曲线，根据曲线判断沉降速率是否满足填土控制标准，并检算填土期间地基的滑动稳定性，如有不满足要求，可以调整填土工程重新设计。（6） 采用符合地基处理地段，还应检算复合地基承载力（7） 根据计算结果，如施工期间的沉降量较大时，应设置路基抬高。路基地基处理第四节 路基地基处理一 浅层处理1.换填2.抛石挤淤3.砂垫层4.加筋垫层二、排水固结1.砂井2.袋装砂井3.塑料排水板4.电渗法三、预压法1.堆载预压2.真空预压四、散体桩符合地基1.砂桩2.碎石桩五、柔性桩复合地基1.石灰桩2.水泥搅拌桩3.粉喷桩4.旋喷桩六、CFG刚性桩符合地基（一）CFG桩复合地基特性1.桩、土受力特性2. CFG复合地基变形特性（二）CFG桩顶垫层结构1.装顶垫层的作用2.装顶垫层形式（三）CFG复合地基承载力和变形计算1. CFG桩符合地基承载力计算2. CFG桩符合地基变形计算（四）CFG桩符合地基设计（1）桩长（2）桩径（3）桩间距（4）桩体强度（5）褥垫层厚度及材料（五）CFG桩复合地基施工七、其他方法1.强夯法2.侧向约束法八、地基处理方法的选择原则1.选择处理方法的步骤2.选择处理方法应考虑的条件（1）地基条件1）土质2）地基构成（2）路基条件1)二次开挖法2）复合地基法（3）施工条件1）工期2）材料3）施工机械的性能及作业条件（4）周围环境第五节 原位观测一 沉降观测（一） 沉降观测设备沉降观测包括地表沉降观测和深层沉降观测。沉降观测设备通常有沉降板、沉降水杯、横剖面沉降管、螺旋式深层沉降仪、磁环式深层沉降仪等。（二） 沉降观测作用、测量方法就、精度及频率（三） 观测数据的整理二 水平位移的观测水平位移观测包括地基表面水平位移和土体深层侧向位移的观测。（一）地基表面水平位移观测通过土体表面水平位移的观测，以确定土体深层侧向位移在地表的反映，监视土体滑动。布设位移桩作为观测点（木桩或混凝土桩），坡脚边桩测水平位移和高程。边桩的观测采用采用视准线观测法水平位移观测是控制填土加荷速率的重要手段之一（二）土体深层侧向位移观测通过观测土体深层侧向位移可以了解地基由于深层的侧向位移引起的沉降大小。通常才有测斜仪，分为固定式和活动式两种1.测斜仪的组成2.测量的基本原理读书代表导管的倾斜度，将导管分成几段，由角度换算成水平位移再叠加。3.埋设导管4.观测三、孔隙水压力观测1.孔隙水压力传感器的埋设有三种方法：（1）压入法（2）钻孔埋设法（3）设置法2.孔隙水压力的观测利用孔隙水压力现场观测资料可以计算出场地不同时期的固结度增长值，分析地基稳定性，控制加荷速度，避免加荷较快二造成地基破坏。3.利用孔隙水压力资料计算固结度4.利用孔隙水压力资料验算地基强度5.利用u/p值控制加荷速率四、原位观测设备的布置1.一般观测断面2.重点观测断面第六节 地基沉降预测与动态设计地基沉降变形的预测，需要一定的观测时间，根据经验与数据统计分析的需要，一般不少于6个月。一、 沉降预测方法1. 双曲线法2. 指数函数法3. 修正双曲线法与修正指数函数法4. 三点法5. 抛物线法6. 沉降速率法7. 星野法8. 泊松曲线法9. 灰色理论10. 人工神经网络二、 动态设计对设计及施工的指导作用第六章 路基填料改良第一节 填料改良方法和国内外研究概况一 填料改良方法物理改良和化学改良二、国外对改良土的研究应用国外由于稳定土的主要材料有：水泥、石灰、石灰粉煤灰及沥青胶油1. 使用条件2. 参合比的确定3. 拌合方法和时效第二节 填料实用性判断一、实用性判断的必要性二、相关因素分析对填料实用性的判断有两种途径：现场试验和室内试验1.细粒土（粉黏土）（1）黏粉比当黏粉比不小于某值时才可能达到压实要求（2）级配情况级配良好的土有较大的干密度并且各项指标都较好（3）室内外试验的差别2.粗粒土（细砂）（1）干密度的影响将干密度作为表征土的力学性质的主要指标是不太适宜的（2）级配情况粗粒土能否压实及其抗剪强度高低主要取决于摩擦力（包括咬合力）。当级配良好时小颗粒嵌入大颗粒的孔隙，土体容易压实，摩擦力增大，K30提高。（3）空隙率的影响对于粗粒土的力学性能而言，颗粒级配是一个重要的影响因素，空隙率是一个主要的控制因素，干密度对其影响不大。三、判别标准的确定1.细粒土（粉黏土）黏粒比m0.22无侧限抗压强度qu170kpa(或黏聚力)65kpa)。当满足以上两条时，该粉黏土初步满足客运专线路堤下部填料要求2.粗粒土级配连续，曲线平滑的粗粒土不均匀系数Cu12,Cc=0.5-4室内能够得到的最小孔隙率（与最大干密度相对应）n25当满足以上两条时，该粗粒土初步满足客运专线路堤下部填料要求第三节 填料物理改良一、细粒土（粉黏土）的改良细粒土的物理改良主要有两种途径，一种是向土中掺入粗颗粒，改善其级配条件；二是向土中掺入较细颗粒（黏粒），通过提高其黏粒比来增强其强度指数（黏聚力c）。二、粗粒土（细砂）的改良对粗粒土的改良，主要从考查其掺配后的空隙率入手进行改良。1.计算混合粗粒土理论孔隙率n的假定（1）假定小粗粒土能够充填进大粗粒土所形成的骨架空隙中，大小颗粒粒径应相差一个数量级。（2）最理想状态为小粗粒土全部充填进打粗粒土的孔隙中，此状态称之为理想最佳掺和状态，此时的掺和比称为最佳掺和比z，此时的理论孔隙率为理论最小孔隙率N。2.理论孔隙率的计算3.计算公式的修正4.计算公式的应用意义三、填料的物理改良在客运专线的应用第四节 填料化学改良一、填料化学改良的主要思路（1）各种改良土动静强度之间的关系（2）最不利气候条件下动静强度的衰减规律（3）临界动应力、动应变与掺合料、掺合比的