杜曉燕

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

截至2016年底，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已超過(guò)2.2萬(wàn)km，占世界高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的65%以上，其中路基工程累計(jì)長(zhǎng)度超過(guò) 3 500 km。這些高速鐵路遍布于我國(guó)不同地區(qū)，氣候跨越寒溫帶至熱帶5種類型，氣溫和降水條件存在明顯差異，工程地質(zhì)條件涉及各類不良地質(zhì)和特殊巖土。

受地質(zhì)和環(huán)境條件影響，高速鐵路路基工點(diǎn)類型極為復(fù)雜，基于變形控制結(jié)構(gòu)工程的理念，高速鐵路衍生出了多種新型路基工點(diǎn)類型，如松軟土路基、基床處理路基、過(guò)渡段短路基、低填淺挖路基、易風(fēng)化軟質(zhì)巖石路基等。特殊巖土路基的分類更加細(xì)化、處理力度更強(qiáng)。高速鐵路路基更加注重對(duì)結(jié)構(gòu)形式和材料性能的要求，如對(duì)過(guò)渡段或基床、填料的要求。同時(shí)也更加注重路基穩(wěn)定性和長(zhǎng)期性能，如采取邊坡防護(hù)、路基防排水、路基支擋結(jié)構(gòu)等措施以適當(dāng)提高安全系數(shù)并引入了耐久性設(shè)計(jì)。

由此可見(jiàn)，針對(duì)我國(guó)不同環(huán)境條件下高速鐵路路基存在的各種問(wèn)題開展深入研究，有針對(duì)性地優(yōu)化路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)提高工程建設(shè)質(zhì)量，降低建設(shè)成本具有借鑒意義。

1 高速鐵路路基結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 功能設(shè)計(jì)要求

從安全、運(yùn)營(yíng)等方面入手，對(duì)既有規(guī)范規(guī)定的各項(xiàng)要求進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，同時(shí)結(jié)合建設(shè)時(shí)期施工的便利性和運(yùn)營(yíng)期的修復(fù)性，以及抗災(zāi)的要求，建立了不同等級(jí)高速鐵路路基功能體系，見(jiàn)圖1。

圖1 高速鐵路路基功能體系

1.2 路基荷載與基床結(jié)構(gòu)分析

鐵路路基設(shè)計(jì)，對(duì)路基荷載作了2個(gè)簡(jiǎn)化處理[1]：①把列車(活)荷載作為靜荷載處理;②路基面豎向設(shè)計(jì)荷載應(yīng)根據(jù)高速鐵路設(shè)計(jì)軌道結(jié)構(gòu)自重等上覆作用，采用均布荷載。

按照基床底層的應(yīng)變和路基面動(dòng)變形控制準(zhǔn)則，計(jì)算不同基床底層填料恰好滿足要求的基床表層厚度[2]，結(jié)果如圖2所示。

圖2 基床表層厚度計(jì)算結(jié)果

1.3 邊坡坡面防護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

針對(duì)邊坡坡面穩(wěn)定的不同程度，可以將坡面的破壞模式分為坡面順坡滑動(dòng)、坡面鼓脹和坡面折線滑動(dòng)3種類型。

1)坡面順坡滑動(dòng)穩(wěn)定性分析。處于坡面防護(hù)結(jié)

構(gòu)與路堤深部穩(wěn)定土體之間的這部分填土，受氣候等外界條件影響顯著。坡面防護(hù)結(jié)構(gòu)局部受損后，受沖刷影響的上部坡面土體需進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算(見(jiàn)圖3(a))。

2)坡面鼓脹受力分析。該模型主要考慮坡面土體在其上方不穩(wěn)定土體壓力的作用下是否會(huì)發(fā)生局部破壞，向外擠壓防護(hù)體誘發(fā)變形，形成坡面的鼓脹變形，進(jìn)而可能導(dǎo)致上方土體繼續(xù)發(fā)生位移(見(jiàn)圖3(b))。

3)坡面折線滑動(dòng)穩(wěn)定性分析。計(jì)算模型主要考慮在坡面上部土體滑動(dòng)力的作用下整個(gè)坡面土體(如圖3(c)所示土體1和土體2)的滑動(dòng)穩(wěn)定性安全系數(shù)，邊坡土體和防護(hù)結(jié)構(gòu)是否會(huì)在腳墻上部形成滑動(dòng)破壞。

圖3 坡面破壞模式

針對(duì)上述計(jì)算模型，以六棱磚坡面防護(hù)為例，對(duì)處于自然干燥狀態(tài)、潮濕狀態(tài)、飽和滲流狀態(tài)的坡面土體及六棱磚進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算分析，結(jié)果表明：該邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法可靠。

2 嚴(yán)寒地區(qū)路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 嚴(yán)寒地區(qū)路基病害原因

根據(jù)對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)凍害調(diào)查資料的分析，引起路基凍害的原因大致可以分為以下4類[3-4]：

1)地勢(shì)。嚴(yán)寒地區(qū)局部地段地勢(shì)低洼，受地形地勢(shì)影響，地表排水困難，易匯集水，造成地層淺部含水率高，為路基凍脹提供了基本的水分條件。

2)地下水。地下水埋深較淺，通常在凍結(jié)深度影響范圍內(nèi)，豐富的地下水為凍脹提供了水分補(bǔ)給條件，進(jìn)一步促進(jìn)了凍脹的發(fā)展，凍脹量較大。

3)溫度。冬季寒冷的氣候條件使得地層凍結(jié)深度較深，為凍脹提供了溫度條件。

4)土質(zhì)。凍結(jié)深度范圍內(nèi)地層巖性以黏性土、粉土為主，為凍脹提供了土質(zhì)條件。

2.2 嚴(yán)寒地區(qū)路基結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則

根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)環(huán)境影響因素及路基凍害原因分析，提出了嚴(yán)寒地區(qū)鐵路路基的防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的基本原則[5]：①設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮線路等級(jí)、軌道類型；②以填料防凍脹為主、防水隔熱為輔的綜合措施；③防凍脹基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證凍脹量的控制要求，同時(shí)為避免局部不均勻凍脹的危害，應(yīng)嚴(yán)格控制基床表層凍脹和填料質(zhì)量;④嚴(yán)寒地區(qū)，凍害預(yù)防是路基設(shè)計(jì)要點(diǎn)，主要采取限制路堤最小高度、改善路基填料或基床結(jié)構(gòu)、設(shè)置隔水層及防凍脹護(hù)道、加強(qiáng)地表水及地下水的排除等措施。

2.3 嚴(yán)寒地區(qū)路基使用性設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.3.1 環(huán)境適應(yīng)性

在地下水水位較高的低路堤地段，填料基床難以有效控制路基凍脹時(shí)，采用混凝土基床對(duì)控制凍脹變形效果明顯。

應(yīng)限制路堤最小高度。路堤高度原則上大于凍結(jié)深度+0.5 m，常年積水地段路基面位于常水位以上不小于凍結(jié)深度+0.5 m。

在凍結(jié)深度較淺的地區(qū)采用保溫措施可以直接消除路基本體凍結(jié)，而在凍結(jié)深度較深的地區(qū)采用保溫措施可以大幅降低路基本體凍結(jié)深度。保溫措施在季節(jié)性凍土區(qū)防治路基凍脹方面發(fā)揮了良好的作用。

2.3.2 防排水

路基本體采用粗顆粒填料填筑并控制細(xì)顆粒含量是季節(jié)性凍土區(qū)最主要的路基防凍脹技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于季節(jié)性凍土區(qū)路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。粗顆粒填料在滿足路基壓實(shí)條件的前提下，同時(shí)能夠保持較高的滲透性與較低的含水率，有效降低了路基凍脹的可能性。

在地表降雨豐富的季節(jié)性凍土區(qū)，可以采用表面封堵的路基結(jié)構(gòu)形式。利用隔水性材料形成路基表面封閉層，防止地表水下滲，并加強(qiáng)地表水的排出，以達(dá)到路基本體中不積水的效果，進(jìn)而防止路基凍脹。

2.4 哈齊高速鐵路路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在路基防凍脹設(shè)計(jì)中主要采取限制路堤最小高度、改善路基填料或基床結(jié)構(gòu)、設(shè)置隔水層及防凍脹護(hù)道、加強(qiáng)地表水及地下水排除等措施[6]。

1)基床設(shè)計(jì)。限制路堤最小高度，路堤高度原則上大于凍結(jié)深度+0.5 m，常年積水地段路基面位于常水位以上不小于凍結(jié)深度+0.5 m。

2)防凍脹填料設(shè)計(jì)?；脖韺犹钪?jí)配碎石，基床底層填筑A,B組填料。凍結(jié)深度+0.25 m范圍內(nèi)滿足細(xì)顆粒含量(顆粒粒徑≤0.075 mm)<5%、壓實(shí)后<7%，壓實(shí)后滲透系數(shù)不小于5×10-5m/s。粒徑<0.5 mm 的細(xì)顆粒的液限不大于25%，塑性指數(shù)<6。

3)混凝土基床設(shè)計(jì)。對(duì)于路基面以下凍結(jié)深度范圍內(nèi)無(wú)自然排水條件的地段均設(shè)置了混凝土基床，設(shè)計(jì)厚度為最大凍結(jié)深度+0.25 m。

4)保溫護(hù)道設(shè)計(jì)、路基面防排水設(shè)計(jì)。在填料路基坡腳兩側(cè)設(shè)置保溫護(hù)道，護(hù)道寬度不小于2.5 m，護(hù)道頂面位于基床表層底面，護(hù)道內(nèi)設(shè)置0.3 m厚滲水土排水層。

2.5 哈齊高速鐵路路基防凍脹效果

對(duì)哈齊高速鐵路混凝土基床及無(wú)砟軌道填料基床3個(gè)年度冬季的凍脹量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。可知：全線混凝土基床段凍脹量≤4 mm的比例逐年提高，且均達(dá)到90%以上，隨底座板、軌道板等鋪設(shè)完成，2014年冬季混凝土基床段監(jiān)測(cè)點(diǎn)凍脹量均≤4 mm，混凝土基床路基達(dá)到了良好的防凍脹效果。

表1 哈齊高速鐵路路基基床凍脹量百分比 %

3 干旱地區(qū)路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 干旱地區(qū)路基病害原因

1)水分易蒸發(fā)。氣體干燥，填料缺乏細(xì)顆粒組分的凝聚保水作用，水分極易蒸發(fā)。

2)黏聚力小。填料缺乏黏聚力，壓實(shí)困難。黏性顆粒含量少，滲透系數(shù)大，降低坡面土體的穩(wěn)定性。

3)抗風(fēng)蝕能力差。該類無(wú)黏性的填料，多為分散顆粒，抵抗風(fēng)的侵蝕能力也比較差。

3.2 干旱地區(qū)路基結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則

①路基工程應(yīng)按土工結(jié)構(gòu)物進(jìn)行設(shè)計(jì)。其地基處理、路基填筑、邊坡支擋防護(hù)、排水設(shè)施等必須具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性，使之能夠抵抗各種自然因素的影響[7]。②路基應(yīng)保障列車高速行使的安全性、舒適性。③路基工程設(shè)計(jì)應(yīng)避免高填、深挖和長(zhǎng)路塹，并盡量避免不良地質(zhì)條件的地段。④路基填料應(yīng)作為工程材料進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)。⑤路基與橋臺(tái)、路基與橫向結(jié)構(gòu)物、隧道與路基、有砟軌道與無(wú)砟軌道等連接處設(shè)置過(guò)渡段，實(shí)現(xiàn)剛度及變形沿線路縱向的均勻變化。⑥路基支擋工程根據(jù)巖土工程地質(zhì)條件，其設(shè)計(jì)應(yīng)考慮支擋結(jié)構(gòu)受到的列車動(dòng)力影響以及大氣降水、地下水等自然因素對(duì)其長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響。⑦路基工后沉降值應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)。⑧路基工程設(shè)計(jì)應(yīng)重視環(huán)境保護(hù)、水土保持、文物保護(hù)。⑨路基工程應(yīng)有完整、系統(tǒng)、通暢的排水設(shè)施，并與橋、涵、站場(chǎng)排水和農(nóng)田水利灌溉系統(tǒng)銜接。⑩路基工程設(shè)計(jì)應(yīng)積極采用新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝，提高路基工程質(zhì)量。

3.3 干旱地區(qū)路基使用性設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.3.1 沉降變形

①路堤地段?；驳讓硬捎盟喔牧纪?水泥摻量為干燥黃土質(zhì)量的5%～7%)。高度小于路基基床厚度的路堤地段，地表以下應(yīng)換填水泥改良土,換填厚度為水泥改良土底面距路基面高度且不小于路基基床厚度。②路塹地段。在土質(zhì)路塹基床底層換填水泥改良土(水泥的摻量為干燥黃土質(zhì)量的5%～7%)。

3.3.2 防排水

干旱地區(qū)分布有大面積的濕陷性黃土，A,B組填料缺乏，路基填筑采用濕陷性黃土?xí)r，因其特殊的工程力學(xué)性質(zhì)，難以滿足高速鐵路對(duì)路基基床填料的要求，必須對(duì)其進(jìn)行改良。

通過(guò)改良土試驗(yàn)，水泥摻量為5%～7%的改良黃土可以滿足行車速度350 km/h的高速列車基床底層填料的技術(shù)要求。水泥摻量為3%～5%的改良黃土可以滿足行車速度350 km/h的高速列車基床底層以下填料的技術(shù)要求。

3.3.3 環(huán)境適應(yīng)性

路基邊坡高度<3 m時(shí)，邊坡坡面采用混凝土空心磚防護(hù)；邊坡高度≥3 m時(shí)，邊坡坡面采用骨架護(hù)坡，骨架內(nèi)鋪設(shè)混凝土空心磚。這種防護(hù)措施在干旱戈壁區(qū)是可行的。受干旱氣候條件的影響，路基邊坡難以建成植物綠色防護(hù)工程。

新疆戈壁區(qū)空心磚內(nèi)培土宜采用水泥戈壁土，夯拍密實(shí)后，其抗風(fēng)蝕及抗雨水沖刷的效果較好。百里風(fēng)區(qū)及三十里風(fēng)區(qū)中風(fēng)力特別強(qiáng)勁地段，大風(fēng)攜帶的砂礫擊打路基邊坡，易造成水泥土的風(fēng)蝕破壞，路堤3 m 以下坡面采用混凝土或漿砌片石全坡面防護(hù)較為適宜。

3.4 黃土地區(qū)路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)黃土地區(qū)已建成的高速鐵路如鄭西客運(yùn)專線、西寶客運(yùn)專線，以及在建的寶蘭客運(yùn)專線的建設(shè)實(shí)際情況，線路大部分分布為濕陷性黃土，A組或B組填料缺乏，基床底層采用了水泥改良黃土的方法進(jìn)行填筑。結(jié)合試驗(yàn)研究，提出以下黃土區(qū)路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法：

1)水泥摻量5%～7%的改良黃土可以滿足高速列車基床底層填料的技術(shù)要求。

2)路堤地段基床底層采用水泥改良土(水泥的摻量為干燥黃土質(zhì)量的5%～7%)，厚度采用2.3 m。但高度<2.2 m的路堤地段，地表以下應(yīng)換填水泥改良土,換填厚度為水泥改良土底面距路基面高度且不小于2.2 m。路塹地段，在土質(zhì)路塹基床底層換填不小于1.8 m厚的水泥改良土(水泥的摻量為干燥黃土質(zhì)量的5%～7%)。

3)水泥土現(xiàn)場(chǎng)施工最佳含水率為13.4%。

4)松鋪厚度為30 cm；松鋪系數(shù)為1.2。

5)壓路機(jī)施工組合：18 t壓路機(jī)靜壓1遍，22 t壓路機(jī)強(qiáng)振壓3遍，22 t壓路機(jī)微振壓3遍，18 t壓路機(jī)靜壓2遍。

6)基床底層頂面及底面由路基中心向兩側(cè)設(shè)置4%的橫向排水坡。

3.5 戈壁區(qū)(含鹽漬土)的路基基床設(shè)計(jì)優(yōu)化

已建成的高速鐵路蘭新第二雙線線路大部分地段通過(guò)戈壁區(qū)，部分地段有鹽漬土，路基基床底層采用了A組或B組填料。結(jié)合試驗(yàn)研究，提出戈壁區(qū)路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法：

1)當(dāng)填料中細(xì)顆粒含量小于總質(zhì)量的10%，粗粒含量在60%左右時(shí)填料的壓實(shí)性能較好。

2)填料含水率控制指標(biāo)。試驗(yàn)段工程所采用的填料主要為砂類土和圓礫土。當(dāng)細(xì)粒含量<5%時(shí)含水率對(duì)壓實(shí)效果影響微弱，一般情況下含水率從全干到全濕都可以得到良好的壓實(shí)效果；如果細(xì)顆粒含量在5%～10%，含水率對(duì)壓實(shí)效果有一定影響，含水率控制在低于最優(yōu)含水率2%～3%時(shí)為宜。

3)分層壓實(shí)厚度，對(duì)于圓礫土，基床以下為40 cm，基床底層為35 cm；對(duì)于礫砂土，基床以下為35 cm，基床底層為30 cm。

4)采用靜壓1遍+弱振1遍+強(qiáng)振(直到檢驗(yàn)合格)+靜壓1遍的碾壓組合方式效果較好。當(dāng)填料中細(xì)顆粒含量<5%時(shí)，應(yīng)減少?gòu)?qiáng)振次數(shù)，增加靜壓遍數(shù)。

5)對(duì)碾壓機(jī)械在碾壓過(guò)程中的碾壓速度應(yīng)進(jìn)行控制，碾壓速度越低，壓實(shí)效果越好。反之，速度越高，壓實(shí)效果就差。在考慮碾壓機(jī)械的性能、安全性、經(jīng)濟(jì)型等各種因素的基礎(chǔ)上，實(shí)際填筑時(shí)碾壓速度控制在2～4 km/h為宜。

6)干旱戈壁區(qū)高速鐵路路基基床厚度采用規(guī)范規(guī)定值，填料基床表層應(yīng)采用級(jí)配碎石填筑，基床底層厚度2.3 m采用A或B組填料填筑。從填料利用率及控制標(biāo)準(zhǔn)角度分析，建議在基床以下路堤填料的粒徑不宜大于100 mm，基床底層不宜大于80 mm。

7)泥巖路塹地段，考慮泥巖遇水易軟化，為阻止地表水的下滲，在基床表層地面設(shè)置了防滲復(fù)合土工膜，基床底層A組或B組填料摻加5%水泥進(jìn)行改良。但對(duì)于泥巖路塹內(nèi)存在地下水的地段，基床底層宜填筑A組或B組滲水土。

8)高速鐵路路基基床范圍不得采用鹽漬土作填料。

9)基床底層頂面及底面由路基中心向兩側(cè)設(shè)置4%的橫向排水坡。

4 多雨地區(qū)路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 多雨地區(qū)路基病害原因

由土工材料構(gòu)筑而成的路基基床結(jié)構(gòu)在循環(huán)動(dòng)荷載與雨水反復(fù)浸潤(rùn)作用下的強(qiáng)度減弱，變形加大，穩(wěn)定性差。雨水浸潤(rùn)基床填料，減弱填料黏聚力和摩擦系數(shù)。高承壓水作用下路基穩(wěn)定性差。

4.2 多雨地區(qū)路基結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則

基床的設(shè)計(jì)必須滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、循環(huán)變形、長(zhǎng)期穩(wěn)定性3個(gè)方面的控制要求?；诂F(xiàn)有的挖方路基“路堤式路塹結(jié)構(gòu)”，需要對(duì)土質(zhì)路基(一般黏性土、紅黏土、全風(fēng)化巖等)提出要求。

4.3 多雨地區(qū)路基結(jié)構(gòu)使用性設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.3.1 動(dòng)力性能

順坡滲流作用下土質(zhì)邊坡淺層失穩(wěn)破壞模式如圖4所示，滑體由中段主滑區(qū)產(chǎn)生的剩余下滑力對(duì)上下緣產(chǎn)生張拉擠壓作用而形成上緣張拉區(qū)和下緣擠壓區(qū)。因此，將由三段滑動(dòng)區(qū)域組成的淺層失穩(wěn)破壞模式稱為“順坡曲線”破壞模式。

圖4 邊坡淺層“順坡曲線”破壞模式

除中段主滑區(qū)取長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的土條外，滑體上下緣滑體均取微分土條。

4.3.2 防排水

通過(guò)既有高速鐵路水塘(浸水)路堤的病害調(diào)查與分析，結(jié)合理論分析，提出浸水路堤設(shè)置雙層反濾層等的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施(見(jiàn)圖5)，創(chuàng)新了高水頭作用下的路塹式浸水路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖5 防止冒漿的基床結(jié)構(gòu)示意

5 山區(qū)路基結(jié)構(gòu)優(yōu)化

5.1 山區(qū)路基病害原因

山區(qū)高速鐵路橋隧工程過(guò)渡頻繁，橋隧之間短路基處數(shù)占全部路基工程處數(shù)的80%左右。頻繁的短路基不僅給施工帶來(lái)了麻煩，若施作不好則是鐵路的薄弱環(huán)節(jié)。西南山區(qū)下邊坡支擋工程較多，為了有效控制高速鐵路路基工后沉降，高速鐵路山區(qū)陡坡路基下邊坡支擋工程的動(dòng)力特征研究對(duì)于優(yōu)化支擋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)極為重要。山區(qū)軟質(zhì)巖路基和陡坡路基比較多，軟質(zhì)巖填料的性能和陡坡路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性均是影響路基長(zhǎng)期服役性能的關(guān)鍵因素。

5.2 山區(qū)路基結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則

1)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。應(yīng)具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以抵抗列車荷載產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力而不致破壞。

2)支承剛度。應(yīng)具有足夠的抗變形能力，在列車動(dòng)荷載的反復(fù)作用下，塑性累積變形較小，不形成過(guò)大的不均勻下沉而造成軌面的不平順，增加養(yǎng)護(hù)維修的困難。在列車高速行駛時(shí)，基床的彈性變形應(yīng)能滿足行車安全性和舒適性要求，同時(shí)能保證道床的穩(wěn)固性。

3)長(zhǎng)期穩(wěn)定性。基床結(jié)構(gòu)應(yīng)該在足夠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及支承剛度的基礎(chǔ)上，具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性(耐久性)，以保證列車長(zhǎng)期運(yùn)行或在基床結(jié)構(gòu)規(guī)定的使用年限內(nèi)滿足行車安全性及舒適性，而不產(chǎn)生無(wú)法維修的破壞或是過(guò)大的變形。在運(yùn)營(yíng)期限內(nèi)基床結(jié)構(gòu)即使產(chǎn)生一些劣化，經(jīng)快速維修后基床結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠正常使用。

5.3 山區(qū)路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

5.3.1 使用性

1)動(dòng)力性能

針對(duì)客車轉(zhuǎn)向架中心距及前后車輛相鄰兩輪軸距遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)向架固定軸距，路基承受車輛傳遞的動(dòng)力作用主要受到間距最小的轉(zhuǎn)向架雙軸荷載影響的技術(shù)特點(diǎn)，提出了客車車輛軸間距為 2 400 mm的雙軸荷載模式。與單軸荷載相比，雙軸荷載對(duì)路基應(yīng)力具有疊加作用，主要影響區(qū)域?yàn)槁坊嬉韵?.5～3.0 m內(nèi)，最大差值約為2.8 kPa，相對(duì)差值達(dá)20%～40%，且隨深度的增加而增大。

路基結(jié)構(gòu)特別是受列車動(dòng)力影響的路基上部，必須作為工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、支承剛度3方面的控制條件及防排水、抗凍等功能要求。據(jù)此提出了基于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、支承剛度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性3要素控制的山區(qū)高速鐵路路基基床設(shè)計(jì)方法。

基于3要素控制的山區(qū)高速鐵路路基基床設(shè)計(jì)方法，提出與路塹基床土性質(zhì)相適應(yīng)的高速鐵路基床換填厚度技術(shù)指標(biāo)?；境休d力不低于180 kPa的軟質(zhì)巖基床土條件下，高速鐵路無(wú)砟軌道則在0.4 m厚的級(jí)配碎石基床表層換填基礎(chǔ)上，考慮可能雨水下滲和軟質(zhì)巖浸水軟化特性，取軟化系數(shù)為0.95，基本承載力180～330 kPa的基床換填0.3～2.3 m厚度基床底層A，B組填料。有砟軌道則選取不同軟化系數(shù)考慮軟質(zhì)巖浸水軟化影響，換填厚度隨地基承載力的增大而逐漸減小。在軟化系數(shù)取0.65條件下，基本承載力180～330 kPa的換填0.3～1.3 m厚度(含表層)的A,B組填料。

2)沉降變形

通過(guò)不同路基支承剛度條件下的輪軌動(dòng)作用力、鋼軌撓度、鋼軌撓度變化率的動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬可知，在與橋臺(tái)或隧道連接處，路基面支承剛度的經(jīng)濟(jì)合理值應(yīng)為500～1 000 MPa/m。一般情況下，由級(jí)配碎石及A,B組填料構(gòu)成的路基基床剛度為100～200 MPa/m。過(guò)渡段路基可通過(guò)摻水泥等方式增加其支承剛度，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡。

針對(duì)西南山區(qū)地形起伏大、橋隧間短路基過(guò)渡頻繁的地理特征，以及大型機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸困難、填料碾壓不便的特點(diǎn)，應(yīng)將西南山區(qū)廣泛存在的短路基按長(zhǎng)度進(jìn)行分類，并從構(gòu)筑材料上進(jìn)行單獨(dú)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立一套具有山區(qū)特色的短路基優(yōu)化處治方案。

5.3.2 安全性

1)穩(wěn)定性

對(duì)陡坡路基結(jié)構(gòu)物進(jìn)行數(shù)值模擬，分析陡坡路基穩(wěn)定性的影響因素，優(yōu)化不同環(huán)境條件下的陡坡路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。數(shù)值模擬為技術(shù)手段，以土體變形時(shí)間效應(yīng)狀態(tài)為理論基礎(chǔ)，從填料選擇及工程措施角度提出與線路等級(jí)及地基坡度相適應(yīng)的路基處置優(yōu)化方案，結(jié)論如下：①土中應(yīng)力水平是影響路基長(zhǎng)期變形狀態(tài)的核心因素，以土體變形時(shí)間效應(yīng)微弱、明顯、顯著作為高速鐵路無(wú)砟軌道、有砟軌道及普速鐵路路基優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)數(shù)值分析所獲得的土中應(yīng)力狀態(tài)，建立了路基長(zhǎng)期變形狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，并針對(duì)線路等級(jí)及地基坡度提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。②提出與路基填料及長(zhǎng)期變形狀態(tài)控制目標(biāo)相適應(yīng)的高速鐵路陡坡地基條件。路基填料為A,B組時(shí)，對(duì)于控制目標(biāo)為變形時(shí)間效應(yīng)微弱的無(wú)砟軌道路基，當(dāng)?shù)鼗露榷赣?∶5時(shí)需控制路堤高度；而對(duì)于控制目標(biāo)為變形時(shí)間效應(yīng)明顯的有砟軌道路基，當(dāng)?shù)鼗露冗_(dá)到1∶2.5時(shí)需進(jìn)行整體檢算或采取增加穩(wěn)定性的措施。

2)承載能力

懸臂式擋墻的長(zhǎng)期變形狀態(tài)控制的核心在于地基土的應(yīng)力水平?；谕馏w變形時(shí)間效應(yīng)控制方法，以變形時(shí)間效應(yīng)微弱、明顯及顯著分別作為高速鐵路無(wú)砟軌道、有砟軌道及普速鐵路的控制目標(biāo)，建立與線路等級(jí)及支擋形式相適應(yīng)的擋墻優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，得到相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)，建議值見(jiàn)表2。

表2 懸臂式擋墻優(yōu)化指標(biāo)建議值

6 結(jié)論

1)提出了包括安全性、使用性、建造與修復(fù)性、抗災(zāi)性等功能要求的路基功能設(shè)計(jì)理念，分析了環(huán)境因素對(duì)路基功能的影響。

2)提出了嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基防、排、疏、滲、綜合防凍脹理念和一系列路基防凍脹結(jié)構(gòu)。

3)提出了黃土地區(qū)基床底層水泥改良土優(yōu)化結(jié)構(gòu)；提出了用水泥土擠密樁消除黃土濕陷性的建議水泥摻量和強(qiáng)度等級(jí)。

4)提出了浸水路堤雙層反濾層的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施；創(chuàng)新了高水頭作用下的路塹式浸水路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

5)首次提出了基于長(zhǎng)期變形控制的懸臂式擋墻設(shè)計(jì)指標(biāo)。

[1]華成,劉建國(guó),王昌齡.高速鐵路路堤結(jié)構(gòu)方案的探討[J].鐵道建筑技術(shù)，1998(5):1-2.

[2]葉陽(yáng)升,周鏡.鐵路路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2005,22(1):39-46.

[3]張玉芝,杜彥良,孫寶臣,等.季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基凍融變形規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(12):2546-2553.

[4]杜曉燕，常凱，令狐勇生，等.大西高速鐵路路基凍脹分析及整治措施[J].鐵道建筑，2017,57(1):24-29.

[5]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10621—2014 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2014.

[6]王廣領(lǐng),張千里,史存林,等.基床表層級(jí)配碎石細(xì)顆粒沖洗技術(shù)研究[J].鐵道建筑,2017,57(3):73-76.

[7]葉陽(yáng)升,程愛(ài)君,張千里.改良土路基的設(shè)計(jì)及壓實(shí)指標(biāo)研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2008,29(2):1-5.