客貨共線鐵路路基基床底層承載力分析

王應銘

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，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)，基床在路基結構中處于路基結構的最上部，是主要的受力結構。路基基床直接承受著鐵路軌道結構傳遞下來的列車動荷載的反復作用，同時受溫度、降水、干濕循環及凍融循環等因素的影響，其工程特性易受以上因素的影響而發生變化，個別甚至會出現翻漿冒泥等基床病害，對行車安全和運輸效率等產生影響。

為減少基床病害對鐵路運輸產生的影響，減少運營期間的養護維修量和費用，保證運營安全，在2005年發布實施的《新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定》［2］(鐵建設函［2005］285 號)、《鐵路路基設計規范》(TB10001—2005)中，根據多年來的鐵路工程實踐經驗，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行了規定，但設計人員在使用上述規范的過程中提出了疑問，認為兩指標不完全匹配，并且對天然地基的承載力要求有點偏高。為落實該問題，借《鐵路路基設計規范》全面修編的機會，想對基床底層的標準進行探討完善，以使規范規定更趨合理。

1 基床標準現狀

1.1 基床標準總體情況

經對《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定》、《鐵路路基設計規范》(TB10001—2005)兩標準中有關基床條文的對比分析，并結合具體鐵路項目的實際設計情況，目前基床的設計標準思路可以歸納如下。

(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，設計規范規定用合格填料進行填筑，合格填料的具體要求和壓實標準在規范中有明確的規定。

(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度必須滿足規定要求，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σ0兩項判定指標，如不滿足該兩項標準，就應進行換填、改良或加固處理。

(3)土質路塹的基床規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《鐵路特殊路基設計規范》［1］中，為節約投資，對基床底層的換填厚度進行了適當限制。要求軟土路堤高度不宜小于基床厚度，并強調強膨脹土(巖)處理厚度應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 低路堤基床底層標準規定

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 路塹基床底層標準規定

路塹基床底層厚度范圍內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準匯總及問題

現行基床底層換填等處理的判定標準匯總見表1。

表1 基床底層處理判定標準匯總

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

2 基床底層標準修改的設想

在《鐵路路基設計規范》全面修編中，有必要對以下兩種判定標準進行分析。

(1)天然地基基本承載力σ0判定指標

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

(2)用基床底層范圍內的天然土質、密實度滿足規范要求作為判定標準

比照基床表層的規定，基床底層范圍內的所有填料類別和壓實標準應該滿足規范要求，不滿足時應全部采用換填等處理措施。采用該標準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

《鐵路軌道設計規范》［4］規定，車輪動荷載以當量靜荷載最大可能值表達，直線地段垂直當量靜荷載按下式計算

式中 Q——車輪作用于鋼軌上的垂直當量靜荷載，kN;

P0——靜輪重，kN;

v——行車速度，km/h;

α——速度系數，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量靜荷載，kN;

P0——靜輪重，kN;

v——行車速度，km/h;

α，α1——速度系數，α=0.6v/100，α1=0.3Δv1/100。

3.1.3 v=200 km/h客貨共線鐵路輪荷載

《預應力混凝土枕設計方法》按下式計算Ⅲ型軌枕上的動壓力

式中 Q——車輪作用于鋼軌上的垂直當量靜荷載，kN;

P0——設計軸重;

α——綜合動載系數，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算式為

式中 Q——考慮車輪在曲線上運行時產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、行車速度影響系數S*=nφ

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

φ——速度系數，取決于列車的速度和列車的類型，見表2。

表2 速度系數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荷載大于0.4Q，為0.48Q。

圖2 荷載分擔示意(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算結果

按以上所述計算出不同行車速度對應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及其底面處產生的靜壓力σj，將動應力σd的2倍(根據有關資料介紹，動強度約為靜強度的50% ～60%)與靜壓力σj之和作為最小承載力特征值σ0≥2σd+σj，其計算結果見表3。

3.4 擬采用的基床底層天然地基承載力新標準

根據計算結果重新確定的基床底層天然地基承載力新標準見表4。

表3 基床底層最小承載力特征值計算結果 kPa

表4 基床底層天然地基基本承載力σ0控制新標準

4 結論

(1)對低路堤和路塹的基床底層天然地基基本承載力計算方法進行了探討，并根據計算結果對既有標準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滿足σ0≥180 kPa，120 ～160 km/h 應滿足 σ0≥150 kPa。基床底層換填0.5 m處的基本承載力應滿足σ0≥110 kPa，120 ～160 km/h 應滿足 σ0≥100 kPa。

(3)具體項目設計中，要應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，同時可節省一些不必要的處理費用。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005，鐵路路基設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國鐵道部.鐵建設函［2005］285號 新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB10082—2005 鐵路特殊路基設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB10082—2005 鐵路軌道設計規范［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:西南交通大學出版社，2000.