4-高速及提速铁路路基技术

1,高速及提速铁路路基技术 讲述内容,一、高速铁路路基的特点 二、路基动应力 三、路桥过渡段 四、基床底部及路堤填筑技术标准 五、级配碎石的级配要求、压实标准、 质量控制与检测方法 六、路基工程的新工艺、新材料的应用,2,一、高速铁路路基的特点,路基同时受轨道静荷载和列车动荷载的作用，路基土除出产生弹性变形外，在重复荷载作用下还产生塑性累积变形，土的强度会降低，表现出疲劳特性，同时，路基同轨道结构一起共同组成的这种线路结构是一种相对松散连接的结构型式，抵抗动荷载的能力不强。 传统的线路结构采用的是轨道道床土路基这种结构型式，而高速铁路线路结构应采用轨道道床强化层（基床表层、底层）土路基多层结构系统，变形问题是高速铁路设计所考虑的主要控制因素，路基过去是按强度设计，现在是在达到强度破坏之前，不容许出现过大的变形。其是受刚度和变形控制。,3,一、高速铁路路基的特点（2）,（1）控制路基变形 高速铁路对轨道的平顺性提出了更高的要求，对轨道不平顺的管理标准要求严格。路基是铁路线路工程的一个重要组成部分，是线路工程中最薄弱最不稳定的环节，其几何尺寸的不平顺，自然会引起轨道的几何不平顺。为此，不仅要求静态平顺，而且要求动态条件下不平顺。 （2）路基刚度的均匀性 列车的速度越高，要求路基的刚度越大，弹性变形越小。如果弹性变形过大，高速运行就得不到保证，类似车辆在松软的沙滩上无法行驶一样。,4,一、高速铁路路基的特点（3）,刚度也不能太大，否则会使列车振动加大，也不能做到平稳运行。路基的刚度不平顺会给轨道造成动态不平顺，研究表明，由刚度变化引起的列车振动与速度的平方成正比。 （3）在列车运行及自然条件下的稳定性 路基在运行及自然条件下的长期作用下，其强度不会降低、弹性不会改变，变形不会加大，做到长寿命、少维修。 总之，高速铁路的路基需要一个强度高、刚度大和路基基床、沉降很小或没有沉降的地基以及沿线路方向平缓变化的刚度。,5,二、路基动应力（1）,2.1荷载的分担作用 图1 荷载分担作用及钢轨挠曲变形曲线,6,二、路基动应力（2）,如上图所示，在载力P的作用下钢轨的垂向挠曲变形曲线的影响范围与载力大小和钢轨、轨枕、道床、路基等的刚度有关，刚度大影响范围小，刚度小的影响范围大，一般约为7根轨枕宽度，亦即载力P有7根轨枕分担。因此常简化假定有5根轨枕分担，分担到每根轨枕面上的支承力，日本假定分别为0.4P、0.2P及0.1P。,7,二、路基动应力（3）,2.2路基面上的动应力 （1）按Boussinesq理论计算，枕底压力在介质中传播的等压线为钟形曲线。一般情况下路基面上的应力分布的最大值位于轨枕正下方（线路纵向）和钢轨正下方（横断面方向），而两侧较小，计算时通常假定枕底应力均布，并从两侧枕端以角向下扩散，扩散角约为30°45°，各国取值不同。我国取值为35°。 路基面的动应力与机车车辆类型、轨道结构标准、行车速度、线路不平顺状态等多种因素有关。除可通过理论计算确定之外，世界各国均进行了大量的现场实测。虽然测试条件各不相同，但综合国内外的实测数据，路基面动应力幅值的集中域一般在5070kPa左右，最大值可达110kPa。,8,二、路基动应力（4）,(2) 简化计算法 轨作用力的大小可以用下述关系是表达: 式中 P0静重； 动力影响系数，与机车车辆类型和轨道的平顺性、轨道结构类型及货物偏载等因素有关； 速度影响系数，与机车运行速度有关； V列车运行速度；,9,二、路基动应力（5）,根据我国的实测及理论分析，参考日本的简化计算方法，京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定下式计算路基动应力的最大数值，并以此作为高速铁路路的设计荷载，计算公式为： 速度影响系数，对高速无缝线路，=0.003，对 中速无缝线路，=0.004； 路基设计动应力幅值（kPa）； 机车车辆静轴重（KN）； V列车运行速度（km/h），若V300，仍按300计,10,二、路基动应力（6）,一般经验，路基动应力幅值一般应小于路基承载力的60%。 (3) 路基面上的动应力沿深度的衰减 路基面上的动应力随深度衰减，其原因是列车荷载以动力波的形式通过道床传递到基床面，再向深度传播。在动力波的传播过程中要消耗能量，或者说由于阻尼作用土要吸收能量，因此，动应力沿深度的增加而衰减。 路基面以下0.6m范围内（据枕底约为1m）动应力衰减最为急剧。根据许多实测资料，基面下0.6m深处的动应力已经衰减了40%60%，若路基面动应力为100kPa，则该深度处为40kPa60 kPa。 欧美国家实测资料表明动应力的最大影响深度约4m。日本的资料认为基面下3.0m处的动应力约为自重应力的10%，它对路堤变形的影响可以忽略不计，因此，日本把3.0m范围规定为基床厚度。,11,二、路基动应力（7）,(4) 动应力沿线路纵向的分布特征 在列车荷载的重复作用下，路基不良的动态行为是产生路基病害的重要原因。因此分析动应力沿线路纵向分布特征的影响十分重要。大量的应力曲线表明，动应力在线路纵向路基面上的分布如下图所示，图中为车正下方路基面上的应力最大值。在沿线路纵向距该车L处路基面应力衰减为零，则L为扩散距离。,12,二、路基动应力（8）,对时速200km/h线路，路基承载能力与客货混行、机车车辆状况、线路条件等因素有关，一般要求路基表层表面的承载能力160kpa，动应力92kpa，动位移3.5mm。 路基基床的动刚度等于路基基床表面的动应力除以动位移。,13,二、路基动应力（9）,根据路基的受力特点，决定了高速铁路路基的具有如下技术特点： （1）路基填筑质量标准高。 （2）路基基床表层采用级配碎石强化结构 （3）路桥及横向构筑物间设置过渡段 （4）严格控制路基变形和工后沉降 （5) 路基动态设计 （6）路基质量评估 （7）地基处理的种类多,14,三、路桥过渡段（1）,长期以来，我国铁路与国外铁路技术有很大差距，由于行车速度不高，路桥过渡段设置问题并不突出，我国铁路系统对普通铁路路桥过渡段一直未加重视，过渡段设置过于简单，参数指标和技术条件（标准）不明确，没有进行计算分析，即使设置了过渡段也没有理论依据，基本上还处于经验设计阶段。 3.1 新建地段路桥过渡段 近几年来，随着我国高速铁路的修建，主要是1999年秦沈客运专线的开工修建，在我国铁路首先明确了路桥、路涵过渡段的概念，针对路桥过渡段，改进桥头线路结构的形式，显著改善两个对接的性质完全不同的线路下部结构体系在抗垂直变形能力方面的差异，使轨道的模量能逐步过渡，可大大改善过渡段的动力特性。,15,三、路桥过渡段（2）,国内轨道过渡段的处理，主要集中在路桥过渡段的研究上，大部分研究成果是借鉴国外高速铁路和国内高速公路的，主要有以下几种处理方式：桥头设置搭板和枕梁、粗粒级配料填筑、粗粒土填筑和改善桥头路面结构设计等几种处理方式。 在我国第一条高速铁路秦沈客运专线上，针对路桥（涵）过渡段，主要在路基基床表层下采用了两种处理方式：级配碎石填筑或土工格栅及A、B组粗粒土填料铺筑，相当于国外第一种处理方式。,16,三、路桥过渡段（3）,17,三、路桥过渡段（4）,3.2 改建地段路桥过渡段,18,三、路桥过渡段（5）,改建地段路涵过渡段,19,四、基床底部及路堤填筑技术标准（1）,新建高速铁路路基填筑的关键：填料及压实标准。 改建铁路：基床表层强度不够时，需要进行基床表层 加固；在小半径加大、线间距加宽及双绕提速地段的 路堤需要帮宽或新建，为了增强新老填土的整体稳定 性，接触面须采取强化措施，对过渡地段要认真处理 4.1 新建地段基床底部及路堤填筑技术标准 4.1.1路堤填筑 秦沈线要求路基工后沉降量一般地段不大于10cm，沉降速率小于3cm/年，桥台台尾过渡段路基工后沉降不应大于5cm，其要求是比较严格的。京沪线分别为：5cm、2cm/年、3cm。,20,21,22,四、基床底部及路堤填筑技术标准（2）,路堤本体选用A、B、C组土或改良土填筑，路基填筑压实按照三阶段，四区段、八流程的施工工艺组织施工。填筑压实工艺见图（路堤本体填筑压实工艺流程图）,23,四、基床底部及路堤填筑技术标准（3）,路堤本体压实质量检验标准、频次（200km/h),24,25,26,四、基床底部及路堤填筑技术标准（4）,4.1.2基床 (秦沈基床厚度2.5m，表层0.6m；京沪线基床厚度3.0m，表层0.7m。） 基床底层压实质量检测标准、频次（200km/h),27,路基标准断面形式,L路基标准断面（京沪）准断面形式,28,四、基床底部及路堤填筑技术标准（5）,基床表层压实质量检测标准、频次（200km/h),29,四、基床底部及路堤填筑技术标准（6）,过渡段基床表层检验标准、检测频次（200km/h),30,四、基床底部及路堤填筑技术标准（7）,过渡段基床表层以下压实质量 检验标准和检测频次（200km/h),31,四、基床底部及路堤填筑技术标准（8）,京沪线： 引入动弹模量作为控制标准，其量侧速度快，不到1min，一般K30为3040min 。基床表层要求 4.2 改建地段路堤技术标准 加固基床表层的方法主要有水泥土挤密桩法、边坡注浆法和换填基床表层法。 既有路基（不改建地段）基床表层承载力不满足设计要求时，采用水泥土挤密桩进行加固是比较经济的（30元/延米）。,32,四、基床底部及路堤填筑技术标准（9）,4.2.1 主要设计概况 原材料： （1）水泥：标号为P.032.5、掺量为干土质量的10%； （2）土：选C组细粒土作为拌合用料。 质量检测标准如下：,33,四、基床底部及路堤填筑技术标准（10）,34,四、基床底部及路堤填筑技术标准（11）,桩位布置： 采用桩径为26cm，桩长为1m的水泥土挤密桩加固。 纵向沿轨枕分布，横向间隔如下图所示。,35,四、基床底部及路堤填筑技术标准（12）,4.3 改良土 高速铁路要求基床底层优先使用A、B组填料,但根据京沪高速铁路沿线填料调查结果，京沪铁路的沿线A组的优质填料缺乏，B组的填料也不多，沿线分布的多是粉质粘土或砂质粘土，特别是粉质粘土属于C类填料，为扩大可用的填料范围，将部分的C组和D组填料需经改良后使用，如不进行改良，将会严重影响路基的工程质量。因此高速铁路路基填料的改良问题便成为路基设计、施工的重要内容。 改良土包括石灰改良土、水泥改良土、石灰粉煤灰改良土（又称二灰土）等，最常用的是二灰土和固化,36,四、基床底部及路堤填筑技术标准（12）,剂改良土。一般说来，石灰土和二灰土的最大干容重随掺入料剂量的增大而减少，最佳含水率随掺入料剂量的增大而增加，而水泥土的最大干容重和最佳含水率随掺入料剂量的变化不大；水泥土的塑限随掺入料剂量的增大而增加，塑性指数随掺入料剂量的增大而减小；水泥土强度随掺入料剂量的增大而增加，随龄期的增大而增加；石灰土强度随龄期的增大而增加。但存在一最佳含灰率，在该含灰率处石灰土的强度最大。,37,四、基床底部及路堤填筑技术标准（13）,4.4 既有线路基工程状况的评估 对于既有铁路路基，首先要对其状况进行评估，目的在于分析目前的技术条件，以确定其经过改造后能否适应提速目标的要求，对处理方法和措施提出合理建议，为改造工程提供依据。 对于既有线路基工程状况的评估、测试的主要技术手段和装备有：地质雷达、重（轻）型动力触探、核子密度湿度仪、地基系数K30。,38,五、级配碎石的级配要求、压实标准、 质量控制与检测方法,5.1 级配要求 基床表层采用级配碎石填筑时，根据 时速200km新建铁路线桥隧站设计暂行规定 ，其应符合下列技术要求： a、材料的粒径、级配及品质应符合铁路碎石道床底碴