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1、,高速铁路,路 基 工 程 技 术,一、路基变形控制 二、路基结构及要求 三、特殊路基处理 四、路基填料分类与填筑,提 纲,http:/ 工后沉降：目前我国相关规范定义为路基竣工开始铺轨后产生的沉降，即：示意图中S2。有的国家以铺轨完成，交付运营后计列工后沉降，即示意图中S3。,一、路基变形控制,变形控制是客运专线路基设计施工的关键，路基的变形一般分为两类，即：路基地基及本体的压密变形（工后沉降）和路基基床弹性变形及塑性变形。,http:/ 工后沉降,工后由路基本体及地基沉降引起的沉降，大量的实测资料表明：当填料及压实度满足要求时，路基本体压密沉降仅占填土高度的0.1-0.5%，且完成的时间较
2、快（一般在一年左右可完成），故工后沉降主要的考虑是由地基沉降引起的沉降量。各国根据自身情况对沉降控制都提出了严格标准，日本要求工后沉降值不大于10cm，德、法等国甚至提出了交付运营后“零沉降”的控制标准，我国高速客运专线工后沉降控制标准：路基5cm（路桥过渡3cm），在交付运营时其工后沉降值要小于5cm。,一、路基工程变形控制,http:/ 沉降估算与推算,沉降估算：在勘察设计阶段，设计人员根据地质条件、土层物理力学参数、填土高度、地基加固措施、工期等计算总沉降量及工后沉降量，选择地基加固措施。由于地层的不均匀性、参数选取的精度、计算方法的局限性，以及施工过程的影响等因素，此时沉降计算只能是一
3、种估算。下图为某路堤实测沉降过程曲线与理论沉降过程对比图，实测值与计算值明显有较大差别，其精度难以满足客运专线高标准要求,一、路基工程变形控制,http:/ 沉降估算与推算,沉降推算： 是指根据实测沉降观测资料，利用数学方法对后期沉降速率、总沉降量、以及工后沉降值进行计算分析的一种方法。借此确定铺轨时间，并可作为预测运营期间可能的维修工作量和周期的依据。是确保客运专线路基，尤其是松软土路基沉降得到有效控制的必须环节（工序）。,一、路基工程变形控制,http:/ 沉降估算与推算,预测预压时间：如下示意图，在施工期任意时刻Tn时，可根据拟合曲线计算出满足工后沉降（S2)的时间t2，预测还需预压的时
4、间(T2-Tn)，指导下步施工计划的安排 预测施工期沉降：合理预留沉降量,一、路基工程变形控制,http:/ 沉降估算与推算,过程控制： 根据沉降观测资料控制填土速率 及时评价地基加固措施的有效性。下两图为（昆山）地基条件、填土高度相同，但分别采用塑料排水板和砂桩加固地基的沉降曲线图,一、路基工程变形控制,http:/ 沉降估算与推算,一、路基工程变形控制,砂桩加固地基沉降曲线收敛要远慢于塑料排水板沉降曲线收敛，表明挤密砂桩加固软土效果不如塑料排水板，其残余沉降时间长。 当填方至规定标高很长一段时间后沉降曲线尚未出现明显的拐点，就应及时分析原因，并采取相应措施。,http:/ 沉降推算方法及精
5、度,推算方法：利用实测沉降数据推算工后沉降方法很多，常用的有双曲线法、指数曲线法、三点法（对数曲线法）、星野法、沉降速率法等。 推算精度：不同的地基加固方法、沉降观测时间的长短以及初始时间的选择等都会对推算精度产生影响。根据（铁四院：软土路基预留沉降量控制研究报告）对华东地区38处软土工点，实测沉降曲线，采用不同推算方法预测结果与一年后实际沉降值对比结果：,一、路基工程变形控制,http:/ 沉降推算方法及精度,双曲线法、指数法t0宜选择在填方至路肩后2-3月，且预压时间越长推算结果精度越高，指数法预测的结果偏小。 三点法沉降计算点的选择对结果影响很大，与修正时间O无关t取值越大，t1至推算时
6、间终点越远，其推算结果越接近实测值。 沉降速率法与加载时间、速率的确定有关。推算过程复杂， 计算工作量大； 星野法最优t0，s0确定困难。选择的合理与否对推算结果影响较大 采用双曲线法推算工后沉降是常采用的方法之一，对于复合地基、塑料排水板加固中厚层软土路基，其结果与实际沉降值也较为接近。 误差较小的推算方法：复合地基为沉降速率法，双曲线法；等载排水固结为三点法，超载排水固结为双曲线法，三点法。,一、路基工程变形控制,http:/ 沉降推算实例,下图是昆山试验段+240（地层为：硬壳3.6m，软土12.6m(ps=0.4-0.75Mpa,Es=2.47Mpa)，粘土5m(ps=1.37-3.7
7、4Mpa，Es=5.23Mpa)，其下为粉砂）深层搅拌桩加固软土地基（加固深度15.5m）实测p-t-s图。采用双曲线法推算其2004年9月以后沉降值为2.7cm，加上轨道荷载引起的沉降（计算值约为2.5cm），可满足工后沉降要求,一、路基工程变形控制,http:/ 沉降推算实例,下图是昆山试验段+535（地层为：硬壳3m，软土7.2m(ps=0.4-0.75Mpa,Es=2.47Mpa)，粘土5m(ps=2.1-3.16Mpa，Es=7.4Mpa)，其下为粉砂）塑排水板超载预压加固软土地基（加固深度11.0m）实测p-t-s图。,一、路基工程变形控制,采用双曲线法推算目前荷载水平下工后沉降值
8、为3cm。卸载后再加载沉降推算过程较为复杂，从理论上讲，只要工作荷载不大于超载，其工后沉降值就不会大于超载条件下的推算值，可满足工后沉降标准。但也有例外，主要是由于超载高度、超载时间不够，推算精度引起的。,http:/ 沉降推算实例,一、路基工程变形控制,0448真空联合堆载预压处理pts曲线,0448真空联合堆载预压处理pts曲线,0448真空联合堆载预压处理pts曲线,http:/ 路基面动变形,路基面动变形是由列车动荷载引起的基床变形。包括弹性变形和塑性变形，它对乘车舒适度、轨道平顺性的日常养护维护等影响极大。弹性变形：路基面的弹性变形直接反映了路基的综合刚度，与路基结构类型、基床表层厚
9、度、基床底层刚度有关。我国路基面弹性变形控制建议值为3.5mm，秦沈实测值：0.47-0.94mm。日本弹性变形控制标准2.5mm。动变形与列车轴重、行车速度、轨道状态、以及基床结构、材料，压实度等关系密切。,一、路基工程变形控制,http:/ 路基面动变形, 动应力与轴重和行速度关系（d=0.26P(1+v) =2.4P（1+8.310-5V）(铁科院）,一、路基工程变形控制,http:/ 路基面动变形,基床表面动应力与车速的关系：,一、路基工程变形控制,http:/ 路基面动变形,基床动应力与基床动变形的关系,一、路基工程变形控制,http:/ 路基面动变形, 不同基床表层厚度、不同压实度
10、、不同底层填料对动力响应值的影响。,一、路基工程变形控制,A 基床表层厚度的影响 室内模型试验（西南交大）数据表明，当基床厚度从0.7m减少至0.3m时，在相同动应力水平下，基床表层动变形增加34%，基床底层顶面动变形增加103%、动应力增加67%。,http:/ 路基面动变形, 不同基床表层厚度、不同压实度、不同底层填料对动力响应值的影响。,一、路基工程变形控制,B 不同应力水平对塑性变形的影响,路基基床承受的是高速列车长期动荷载，大量试验证明土体在长期动荷载反复作用下，其塑性变形也随之增大，当动应力值大于某一定值（临界动应力）时，随着震动次数的增加，塑性变形将逐步发展直至破坏。下图为拟作为
11、京沪线填料的花岗岩风化物在不同应力水平下累计塑性变形与重复加载关系曲线（西南交大），表明该类填料在本试验条件下的临界动应力95kpa左右。,http:/ 路基面动变形, 不同基床表层厚度、不同压实度、不同底层填料对动力响应值的影响。,一、路基工程变形控制,B 不同应力水平对塑性变形的影响,不同应力水平下花岗岩风化物填料累计塑性变形与重复加载关系曲线,http:/ 路基面动变形, 不同基床表层厚度、不同压实度、不同底层填料对动力响应值的影响。,一、路基工程变形控制,C 不同不同含水量对塑性变形的影响(最大动应力为50Kpa),http:/ 路基面动变形, 不同基床表层厚度、不同底层填料、不同压实
12、度对动力响应值的影响。,一、路基工程变形控制,D 不同底层填土的影响 （昆山、安亭等）试验研究数据表明，当底层填料及压实满足暂规要求时，不同底层填料其基床表层动力响应值无明显差别，但当底层填料刚度较小（路基综合刚度降低）时，路基面将产生较大的塑性变形。下图为宁启线试验工点基床底层填料为粉土及其改良土时激振模拟试验（铁科院）基床塑性变形随加载次数变化曲线。基床底层为粉土时的塑性变形值是基床底层为改良土时的4倍。,http:/ 路基面动变形, 不同基床表层厚度、不同底层填料、不同压实度对动力响应值的影响。,一、路基工程变形控制,(本图摘自宁启线高速铁路不同基床结构适用性试验研究报告),http:/
13、 A、法国TGV,二、路基结构及要求,基床由覆盖层2035cm，封堵层3550cm，上层土方100cm组成，覆盖层及封堵层均有各自严格的级配要求，R=LA+MDE40%（80%），Kh1，EV2120Mpa（80Mpa），上层土方要求Kh0.95，EV2=4560Mpa。,http:/ A、法国TGV,二、路基结构及要求,http:/ B、德国高速铁路(300km),二、路基结构及要求,基床由保护层20cm，防冻层（40cm）组成，采用工厂配制的矿物材料混合物填筑。保护层级配KG1（不透水）渗水系数K110-6m/s，防冻层级配KG2，不均匀系数15。各层之间颗粒粒径及组成均满足隔离和过滤准则
14、。保护层加防冻层总厚度0.7m，Kh1，EV2120Mpa（80Mpa）。EVd50MN/m。,http:/ B、德国高速铁路(300km),二、路基结构及要求,Rheda型无碴轨道，双块式轨枕断面示意图,http:/ B、德国高速铁路(300km),二、路基结构及要求,http:/ B、德国高速铁路(300km),二、路基结构及要求,http:/ B、德国高速铁路(300km),德国基床保护层厚度根据其下层强度而确定：,二、路基结构及要求,http:/ C、日本新干线,基床表层：沥青混凝土厚5cm，级配碎石厚30cm（基床底层K3011kgf/cm3）或厚65cm，（基床底层7kgf/cm3
15、K3011kgf/cm3）；2基床底层：厚230265cm。,二、路基结构及要求,http:/ D、京沪高速铁路,二、路基结构及要求,路基基床由表层与底层组成。表层级配碎石或级配砂砾石厚0.7m，k30190Mpa， EVd55MN/m。基床底层厚2.3m，K30110Mpa。,http:/ D、京沪高速铁路,二、路基结构及要求,相关的试验研究资料表明，目前我国“暂规”所采用的基床结构及标准，其动力响应值可满足客运专线高速运行的要求，但也存在结构较为单一，弱透水（渗透系数k=10-4m/s）等不足，根据我国北方严寒、南方多雨的具体情况，尚有进一步优化的可能性。,http:/ E、各国路基面结构
16、尺寸,二、路基结构及要求,http:/ F、基床表层材料级配曲线,二、路基结构及要求,http:/ F、基床表层材料级配曲线,二、路基结构及要求,http:/ F、基床表层材料级配曲线,二、路基结构及要求,http:/ F、基床表层材料级配曲线,二、路基结构及要求,http:/ A、各国铁路路基质量检测方法,路基质量检测已由过去单一采用压实度检测，已发展为压实度与力学指标双控检测，其主要目的是评价路基的强度、抗变形能力，K30、Ev2、CBR、回弹模量等均是评价路基这种能力的指标(或参数)。目前铁路主要检测方法检测方法如下表：,http:/ B、各国铁路路基压实控制标准,对于基床级配碎石，欧洲
17、各国采用Kh，Ev2控制，日本、我国采用K30、n(na)控制。 此外，路基的（纵向）均匀性（包括填料及压实度）控制是路基质量控制的重要内容。主要通过填料、摊铺厚度、含水量、压实机械和碾压遍数（法国采用Q/S控制）等全过程控制其均匀性，同时增加检测的密度。,http:/ C、主要检测设备及压实设备,http:/ C、主要检测设备及压实设备,http:/ C、主要检测设备及压实设备,http:/ C、主要检测设备及压实设备,http:/ C、主要检测设备及压实设备,http:/ C、主要检测设备及压实设备,http:/ C、主要检测设备及压实设备,http:/ C、主要检测设备及压实设备,htt
18、p:/ 它与行车速度有关，一般可以把路堤高度小于动荷载能够对地基土产生较大影响高度的路堤称之为低路堤。随着速度和轴重的提高，有专家认为H4m属于低路堤。 由于动荷载水平与轨道状态有关，因此，有专家建议轨道状态良好时为2m，轨道状态不良时按3m考虑。 我国暂规规定，当H3m，且存在Ps1.5Mpa0.18Mpa时，地基需进行处理。,http:/ 当地基土产生沉降特别是产生不均匀沉降时，对路基面、轨道（有严格的要求）的影响程度要远大于高路堤的影响，因为路堤（在进行力学分析时，也有人称之为“路基梁”embankment beam）自身具有一定抗变形、调节应力的能力，路堤越矮（“梁”高度越低）这种能力
19、就会越小。 因此，低路堤处理必须从地基条件及动力响应两方面考虑，设计与施工都要引起高度重视。,http:/ A、换填处理,三、特殊路基处理,换填深度应考虑地基条件及地基土受动荷载的影响。清除不满足地基条件土层。在地基土满足地基条件时，换填0.5m，并满足基床底层检测指标，K30110(150)Mpa。,2、低路堤、路堑处理原则与方法 B、地下水处理,三、特殊路基处理,由于地下水对基床的强度的影响极大，因此对地下水（包括毛细水）必须采取防、排、降等措施，防排水结构是路基的主体结构。下图为法国地下水位较高时的路基断面示意图。,http:/ C、换填深度确定,三、特殊路基处理,换填厚度必须满足基床底
20、层顶面满足K30110(150)Kpa要求，以及地基条件确定。下图为基床底层换填改良土（qu=600Kpa）时，换填厚度与地基强度的关系曲线图。,http:/ D、德国低路堤与路堑换填示意图,三、特殊路基处理,http:/ 5.0m）示意图,2、低路堤、路堑处理原则与方法 E、低路堤深层地基处理,三、特殊路基处理,当地基土不满足地基条件需要进行深层处理，常用方法：搅拌桩、碎石桩、（刚性）桩-网结构，或桩-板结构。在软基进行了处理（即工后沉降得到控制）后，仍需要评估动荷载对地基土、加固结构的影响，必须保证一定的路基（包括换填）高度。,http:/ E、低路堤深层地基处理,三、特殊路基处理,桩 网
21、 结 构,http:/ E、低路堤深层地基处理,三、特殊路基处理,http:/ E、低路堤深层地基处理,三、特殊路基处理,桩 板 结 构,http:/ 膨胀土路基除了要考虑地基条件，换填基床底层顶面达到满足要求外，还要考虑膨胀土胀缩性对低路基、路堑的影响。换填深度要根据路堤高度，地基土有荷膨胀率、膨胀力、胀缩影响深度等综合考虑，防止膨胀土胀缩影响轨道的平顺性。考虑换填深度的方法较多，若从上覆荷载与地基土膨胀力平衡考虑，对中等膨胀性土（Pp=70Kpa）需路基高度3m。,三、特殊路基处理,http:/ 换填深度也可考虑用大气影响深度或地下水位变化深度（可能引起地基胀缩深度）、地基土有荷膨胀率、以
22、及上覆荷载来确定,三、特殊路基处理,地基土产生的膨胀量=VHP（有荷膨胀率）h2(膨胀深度） （h1 加大，上覆荷载增加，V HP降低 h2减小）,总之，膨胀土地区低路堤、路堑设计、施工中应适当加大换填深度，加强防排水、封闭措施，保持地下水的稳定。,http:/ A、法国填料分类,共分五级：A级：细粒土 ， B：级细砂砾土， C级：含细粒及粗粒土（粗细粒混合土），D级：水稳性好的土， R级岩块（包括易分化和不易风化）。,四、路堤填料分类与填筑施工,http:/ A、法国填料分类,四、路堤填料分类与填筑施工,http:/ A、法国填料分类,四、路堤填料分类与填筑施工,http:/ A、法国填料分
23、类,四、路堤填料分类与填筑施工,http:/ B、德国填料分类,四、路堤填料分类与填筑施工,http:/ C、日本填料分类,日本填料分类。根据颗粒粒径、含量，分别按大、中、小、细四等级进行分类。细粒土采用塑性图分类。,四、路堤填料分类与填筑施工,http:/ C、日本填料分类,日本细粒填料采用的塑性图,四、路堤填料分类与填筑施工,http:/ D、我国填料分类传统分类标准,四、路堤填料分类与填筑施工,http:/ D、我国填料分类现行标准,软块石、碎石类土和砂类土填料分组,四、路堤填料分类与填筑施工,http:/ D、我国填料分类修改送审稿标准,四、路堤填料分类与填筑施工,http:/ D、我
24、国填料分类修改送审稿标准,四、路堤填料分类与填筑施工,http:/ 物理改良：通过在原土中添加某种粒径的土（石）料，改善其级配（Cc，Cu）特性，提高物理力学性能及压实性。 化学改良：通过在原土中添加固化剂（水泥、石灰、粉煤灰等）使之发生物理化学反应，如阳离子交换、胶凝、碳化结块等作用，改善土的物理力学性质，增加强度。同时，降低填料的含水量，便于施工、压实。,四、路堤填料分类与填筑施工,http:/ 添加剂：石灰、水泥、粉煤灰、沥青、合成固化剂、合成树脂等。添加剂的选用：一般情况下，塑性指数较高的粘性土采用石灰；砂类土采用水泥。 B 改良步骤：原土各类物理、力学、水稳性试验。各类添加剂改良土相
25、关试验，确定添加剂及配方（经计、技术、控制性指标改善情况）。现场工况试验，确定现场添加剂用量及工艺。,四、路堤填料分类与填筑施工,细粒填料改良（化学改良）,http:/ 改良效果（技术与经济）控制：综合考虑各类物理力学性质的改善，合理确定配方。控制性指标：无侧限抗压强度qu（MPa）。CBR值可作为重要参考指标。对于膨胀土填料改良，则还应注意其胀缩性（膨胀力、无荷膨胀率、有荷膨胀率、收缩系数）的改善。 现场强度与室内强度关系：qu（现场）=0.6-0.7qu（室内）如基床底层K30=110MPa相应要求qu=500-600MPa；则室内强度qu=720-1000MPa左右。,四、路堤填料分类与
26、填筑施工,细粒填料改良（化学改良）,http:/ 塑性指数降低：从一般18-27降至8-13。 水理性明显改善：崩解试验48小时无崩解，长期饱和强度无变化。 其他：可压实性增加。降低天然含水量，缩短晾晒时间等,四、路堤填料分类与填筑施工,D 粘性土改良效果实例,http:/ 路拌法：采用路拌机械在路堤施工现场拌和。方法简便，成本低，对含水量要求不高。但受气候影响大，污染较大。主要工艺流程：填料摊铺、晾晒-添加剂含量检测-拌和-含水量、均匀性检测-平整、碾压。 场拌（集中路拌）法：采用路拌机械集中在场地（如取土场、专用拌和场）内拌和，其拌和工艺与路办法相同。可减少对施工沿线的污染。,四、路堤填料
27、分类与填筑施工,改良填料施工工艺可分为：厂拌法，路拌法和集中场拌法。,http:/ 1. 矿物成分分析，是否存在不利于长期稳定的矿物成分; 2. 水稳性、抗崩解风化能力分析，以及崩解后的颗粒组成、物理力学特性; 3. 动力特性分析; 4. 现场压实特性、压实工艺试验等。,四、路堤填料分类与填筑施工,http:/ 一.排水固结法(排水砂井、塑料排水板、超载预压、真空预压等）。 二.置换法双层地基或复合地基（浅层换填、深层搅拌桩、碎石桩等）。三.振密、挤密法（强夯、振冲挤密、爆破挤密、灰土桩等）。 四.其他方法 如加筋、灌浆等。 近年来，出现了许多新的地基加固方法。如桩网复合结构或桩网复合地基结构已被广泛地以用于工程实践，取得了较好的效果。,http:/ 设备及工艺要求 加在方式及卸载时间,http:/ 软岩填料改良及工艺研究 2. 特殊过渡段形式及效果的研究 3. 低矮路堤结构动力特性研究 4. 无碴轨道路基技术条件、标准，以及相关施工 工艺、机械配置研究 5. 黄土路基结构形式、效果、黄土填料改良及相 关工艺,六、需深入研究的几个问题,http:/