王應(yīng)銘

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

客貨共線鐵路路基的基床總厚度為2.5 m［1］(基床表層厚0.6 m，基床底層厚1.9 m)，基床在路基結(jié)構(gòu)中處于路基結(jié)構(gòu)的最上部，是主要的受力結(jié)構(gòu)。路基基床直接承受著鐵路軌道結(jié)構(gòu)傳遞下來的列車動荷載的反復(fù)作用，同時(shí)受溫度、降水、干濕循環(huán)及凍融循環(huán)等因素的影響，其工程特性易受以上因素的影響而發(fā)生變化，個(gè)別甚至?xí)霈F(xiàn)翻漿冒泥等基床病害，對行車安全和運(yùn)輸效率等產(chǎn)生影響。

為減少基床病害對鐵路運(yùn)輸產(chǎn)生的影響，減少運(yùn)營期間的養(yǎng)護(hù)維修量和費(fèi)用，保證運(yùn)營安全，在2005年發(fā)布實(shí)施的《新建時(shí)速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》［2］(鐵建設(shè)函［2005］285 號)、《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)中，根據(jù)多年來的鐵路工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對低路堤、路塹基床底層的靜力觸探比貫入阻力值、天然地基基本承載力大小進(jìn)行了規(guī)定，但設(shè)計(jì)人員在使用上述規(guī)范的過程中提出了疑問，認(rèn)為兩指標(biāo)不完全匹配，并且對天然地基的承載力要求有點(diǎn)偏高。為落實(shí)該問題，借《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》全面修編的機(jī)會，想對基床底層的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探討完善，以使規(guī)范規(guī)定更趨合理。

1 基床標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

1.1 基床標(biāo)準(zhǔn)總體情況

經(jīng)對《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》、《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)兩標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)基床條文的對比分析，并結(jié)合具體鐵路項(xiàng)目的實(shí)際設(shè)計(jì)情況，目前基床的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)思路可以歸納如下。

(1)對路基面高于地面大于2.5 m(基床總厚度)的路堤，由于基床表層和底層全部位于地表以上，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定用合格填料進(jìn)行填筑，合格填料的具體要求和壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)范中有明確的規(guī)定。

(2)對路基面離地面的高度小于2.5 m(基床總厚度)的低路堤，路堤基床表層的填料類別和密實(shí)度必須滿足規(guī)定要求，基床底層(厚度1.9 m)的部分或全部位于地面以下，規(guī)范對地面以下部分基床底層范圍的天然地基提出了靜力觸探比貫入阻力ps、天然地基基本承載力σ0兩項(xiàng)判定指標(biāo)，如不滿足該兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，就應(yīng)進(jìn)行換填、改良或加固處理。

(3)土質(zhì)路塹的基床規(guī)定與路基面距地面小于2.5 m(基床總厚度)的低路堤的情況相同。

(4)在《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］中，為節(jié)約投資，對基床底層的換填厚度進(jìn)行了適當(dāng)限制。要求軟土路堤高度不宜小于基床厚度，并強(qiáng)調(diào)強(qiáng)膨脹土(巖)處理厚度應(yīng)大于氣候劇烈影響層且不宜小于基床底層深度外，其余不小于0.5 m或1 m。

1.2 低路堤基床底層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

對高度小于基床總厚度2.5 m的低路堤，其基床底層厚度范圍內(nèi)的天然地基要滿足以下條件之一。

(1)靜力觸探比貫入阻力Ps值:Ⅰ級鐵路不得小于1.5 MPa，Ⅱ級鐵路不得小于1.2 MPa。

(2)天然地基基本承載力σ0:Ⅰ級鐵路不小于0.18 MPa，Ⅱ級鐵路不小于0.15 MPa。

1.3 路塹基床底層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

路塹基床底層厚度范圍內(nèi)天然地基要滿足以下條件之一。

(1)靜力觸探比貫入阻力Ps值:Ⅰ級鐵路不得小于1.2 MPa(時(shí)速200 km為1.5 MPa)，Ⅱ級鐵路不得小于1.0 MPa。

(2)天然地基基本承載力σ0:Ⅰ級鐵路不小于0.15 MPa(時(shí)速200 km為0.18 MPa)，Ⅱ級鐵路不得小于0.12 MPa。

1.4 路基基床底層處理判定標(biāo)準(zhǔn)匯總及問題

現(xiàn)行基床底層換填等處理的判定標(biāo)準(zhǔn)匯總見表1。

表1 基床底層處理判定標(biāo)準(zhǔn)匯總

按照《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》(TB10018—2003)所列出的天然地基基本承載力σ0與比貫入阻力ps的關(guān)系式進(jìn)行試算發(fā)現(xiàn):現(xiàn)行規(guī)定中的σ0與ps兩值的關(guān)系接近《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》所列黏性土(Q4)、軟土的關(guān)系式，但規(guī)程規(guī)定軟土的關(guān)系式對應(yīng)的ps值域?yàn)閜s=85～800 kPa，因此可視為原規(guī)定只針對黏性土(Q4)，其數(shù)值關(guān)系為σ0=5.8－46，按此式進(jìn)行反算發(fā)現(xiàn):當(dāng)σ0=120 kPa時(shí)，其對應(yīng)的ps=820 kPa，該值小于現(xiàn)行規(guī)定值ps=1.0 MPa，其余均滿足公式要求。此外，從表1中看出現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對路堤基床底層的規(guī)定高于路塹。

2 基床底層標(biāo)準(zhǔn)修改的設(shè)想

在《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》全面修編中，有必要對以下兩種判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。

(1)天然地基基本承載力σ0判定指標(biāo)

保留天然地基基本承載力σ0判定指標(biāo)，取消靜力觸探比貫入阻力Ps，并對天然地基基本承載力σ0的具體值進(jìn)行計(jì)算重新核對。

(2)用基床底層范圍內(nèi)的天然土質(zhì)、密實(shí)度滿足規(guī)范要求作為判定標(biāo)準(zhǔn)

比照基床表層的規(guī)定，基床底層范圍內(nèi)的所有填料類別和壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該滿足規(guī)范要求，不滿足時(shí)應(yīng)全部采用換填等處理措施。采用該標(biāo)準(zhǔn)可以徹底解決基床病害問題，但會增加一定的工程投資。

3 基床底層基本承載力計(jì)算確定

3.1 列車荷載(圖1)

圖1 “中—活載”圖式(單位:m)

3.1.1 v≤120 km/h客貨共線鐵路輪荷載

《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］規(guī)定，車輪動荷載以當(dāng)量靜荷載最大可能值表達(dá)，直線地段垂直當(dāng)量靜荷載按下式計(jì)算

式中 Q——車輪作用于鋼軌上的垂直當(dāng)量靜荷載，kN;

P0——靜輪重，kN;

v——行車速度，km/h;

α——速度系數(shù)，α=0.6v/100。

3.1.2 120 km/h＜v≤160 km/h客貨共線鐵路輪荷載

式中 Q——車輪作用于鋼軌上的垂直當(dāng)量靜荷載，kN;

P0——靜輪重，kN;

v——行車速度，km/h;

α，α1——速度系數(shù)，α=0.6v/100，α1=0.3Δv1/100。

3.1.3 v=200 km/h客貨共線鐵路輪荷載

《預(yù)應(yīng)力混凝土枕設(shè)計(jì)方法》按下式計(jì)算Ⅲ型軌枕上的動壓力

式中 Q——車輪作用于鋼軌上的垂直當(dāng)量靜荷載，kN;

P0——設(shè)計(jì)軸重;

α——綜合動載系數(shù)，重載軌道取1.5。

3.1.4 德國鐵路最大輪荷載

《鐵路土工建筑物手冊》［5］介紹的德國鐵路最大輪荷載計(jì)算式為

式中 Q——考慮車輪在曲線上運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生附加荷載后的單輪荷載Q=1.2Qstat，kN;

Qstat——單輪靜荷載，kN;

S*——上部建筑的狀態(tài)、行車速度影響系數(shù)S*=nφ

n——上部建筑和軌道質(zhì)量的差異系數(shù):n=0.10(很好)，n=0.20(好)，n=0.30(中等);

φ——速度系數(shù)，取決于列車的速度和列車的類型，見表2。

表2 速度系數(shù)φ

3.2 軌枕底部壓力分布

王其昌主編的《高速鐵路土木工程》［6］介紹的荷載分擔(dān)情況見圖2，對v=200 km/h客貨共線鐵路車輪正下方的軌枕分擔(dān)荷載大于0.4Q，為0.48Q。

圖2 荷載分擔(dān)示意(單位:m)

軌枕底部壓力分布見圖3。

圖3 枕底壓力分布

3.3 路基基床范圍的承載力計(jì)算結(jié)果

按以上所述計(jì)算出不同行車速度對應(yīng)的軌枕底部的動壓力，然后采用布辛尼斯克(Boussinesq)法算出軌枕底部動壓力傳至基床底層頂面、頂面下0.5、1.0 m及其底面處的動壓力σd，再計(jì)算出鋼軌、軌枕、道砟及填土自重在基床底層頂面、頂面下0.5、1.0 m及其底面處產(chǎn)生的靜壓力σj，將動應(yīng)力σd的2倍(根據(jù)有關(guān)資料介紹，動強(qiáng)度約為靜強(qiáng)度的50% ～60%)與靜壓力σj之和作為最小承載力特征值σ0≥2σd+σj，其計(jì)算結(jié)果見表3。

3.4 擬采用的基床底層天然地基承載力新標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果重新確定的基床底層天然地基承載力新標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表3 基床底層最小承載力特征值計(jì)算結(jié)果 kPa

表4 基床底層天然地基基本承載力σ0控制新標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

(1)對低路堤和路塹的基床底層天然地基基本承載力計(jì)算方法進(jìn)行了探討，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對既有標(biāo)準(zhǔn)提出了具體修改意見。

(2)200 km/h基床底層表面處基本承載力應(yīng)滿足σ0≥180 kPa，120 ～160 km/h 應(yīng)滿足 σ0≥150 kPa?；驳讓訐Q填0.5 m處的基本承載力應(yīng)滿足σ0≥110 kPa，120 ～160 km/h 應(yīng)滿足 σ0≥100 kPa。

(3)具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，要應(yīng)盡量使路堤高度不小于路基基床總厚度2.5 m，以確保基床處于有利的位置，同時(shí)可節(jié)省一些不必要的處理費(fèi)用。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005，鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)函［2005］285號 新建時(shí)速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB10082—2005 鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB10082—2005 鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］Prof.Dr.－Ing.habil.claus G?bel，Prof.Dr－Ing.Klaus Lieberenz.鐵路土工建筑物手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［6］王其昌.高速鐵路土木工程［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2000.