有軌電車整體道床路基病害與失效模式分析

杜先照　杜浩

（1.武漢地鐵集團有限公司，湖北武漢430030　2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室上海市201804）

有軌電車整體道床路基病害與失效模式分析

杜先照1杜浩2

（1.武漢地鐵集團有限公司，湖北武漢4300302.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室上海市201804）

對有軌電車整體道床-路基的病害類型及其成因進行了歸納分析，并從土質條件、路基含水率、物理力學條件等角度對路基病害的影響因素進行了研究；在對整體道床失效模式分析的基礎上，提出了疲勞荷載作用下支承板底的容許彎拉應力建議值。

軌道交通；整體道床；路基；病害；失效模式

1　整體道床路基典型病害

路基病害對線路運營狀態與行車安全均構成影響，因此客觀評價和描述路基病害，并對路基病害進行分級，研究路基病害與整體道床性能之間的關系是十分必要的。目前，軌道交通中采用整體道床的主要有高速鐵路與地鐵線路兩類，這兩類在軌道交通中的典型路基病害及其對整體道床所構成的有害影響，對采用整體道床的有軌電車路基設計具有一定借鑒價值。圖1所示為某軌道交通整體道床路基結構示意。

圖1　某軌道交通整體道床路基結構示意圖

整體道床路基指支承整體道床結構的換填層、處治土層及原狀土層，在高速鐵路中整體道床板下還會設置15 cm左右的瀝青或水泥混凝土層。該結構層通常也視為路基結構的一部分。軌道交通中將路基結構分為基層與路基本體兩部分，基層分為上基層與下基層，在高速鐵路中將道床板（支承板）底以下3.0 m范圍視為基床部分，道床板（支承板）下0.7 m范圍視為上基床，基床即可視為高速鐵路的路基工作區。

對軌道正常運營構成影響的病害也基本發生在基床中，因此基床病害應是路基病害的研究重點。依據既有工程經驗，路基病害可分為四大類，即：翻漿冒泥、路基下沉、路基外擠、路基凍害。其中，翻漿冒泥是最為常見的路基病害，尤其在有砟軌道中，無砟軌道中若排水處治不良同樣易出現翻漿冒泥現象。

2　與路基性能有關的整體道床典型病害

整體道床結構直接鋪設于路基之上，通常為板與板之間不傳力的自由板，并承受列車動載的反復作用，荷載作用下板底呈現拉應力。整體道床剛度大，對路基變形適應能力差，路基的永久變形會引起道床板附加應力。整體道床病害指在列車動載（疲勞荷載）的作用下，整體道床板出現開裂、掉塊、整體下沉、混凝土松動等問題，導致軌道結構幾何線形發生改變，列車無法正常運營。整體道床病害主要有以下4種類型。

（1）下沉變形

在列車重復荷載作用下，道床板整體或局部出現下沉。當一塊道床板整體下沉時，會與相鄰道床板形成高度差，繼而引起軌道不平順或軌道附加應力；當道床板局部下沉時，可導致道床板傾斜，改變軌道結構的幾何線形。路基永久變形是引起道床板下沉變形的主要原因，路基塑性累積變形、路基震陷、路基翻漿冒泥、填料不良、地基不良等均引起路基永久變形，特別是基床性能對路基永久變形具有至關重要的影響。

提高路基抵抗塑性累積變形能力，有效控制路基含水率，減少大氣降水滲入路基，是控制道床板下沉變形的主要方法。其中，路基塑性累積變形的影響因素眾多，既有研究成果表明，提高路基壓實度、降低路基含水率、選用級配良好填料是減少路基塑性累積變形的有效手段［1-3］。

地下水與大氣降水是影響路基性能，導致道床板下沉的重要因素，應合理設置止水、排水設施，盡量減少大氣降水滲入路基。路基填料優選具有弱毛細作用的填料，以減少因毛細作用引起更多的地下水進入路基。當地下水位高（地下水位距路基頂0.5 m）時，路基底部應填筑滲透系數高，并且水穩定性強的材料。

不應使用軟土、濕陷性土、鹽漬土、有機土、可液化土等不良巖土作為路基填料，禁止使用上述填料填筑基床。禁止使用強濕陷性土，其它濕陷性土經改良后可作為基床表層以外部分填料。

當路塹為不良地質時應將基床部分進行換填或進行改良，基床以下的濕陷性土應設置隔水防滲措施。當地基為軟土、濕陷性土、鹽漬土、有機土等不良地基時，應對地基進行處理，并優先采用低填方路基，以控制路基頂沉降。

（2）隆起變形

道床板整體或局部隆起，導致道床板局部上鼓破損或整體隆起。這類病害主要由路基膨脹，或地基出現涌水、泉水等不良地質情況引起。

路基膨脹是因為路基填料具有膨脹性，因此在有軌電車整體道床路基中盡量避免采用膨脹土作為路基填料，強膨脹土不能作為路基基床填料。優質填料匱乏地區，可使用具有中等或低膨脹性土，改良后用于路基填筑，改良后總脹縮率不超過0.5%。

當路塹為膨脹性巖土，基床范圍內應進行換填，對地下水發育、運營期間修復困難的路段應加深換填深度0.5～1.0m。邊坡設計與防護可依據現行公路路基設計規范。

（3）開裂失效

在列車重復荷載作用下，道床板底彎拉應力超過混凝土抗拉強度開裂，或道床板邊開裂掉塊，影響道床板的力學性能，無法繼續為軌道提供有效支承作用。道床板開裂與路基有關的一部分原因是路基模量低，不能為道床板提供足夠剛度，列車荷載作用下道床板出現過大彎拉變形；另一部分原因是路基出現永久變形，對道床板構成附加應力。

影響路基模量的因素主要包括以下幾方面：路基填料性質、路基壓實度、路基含水率。路基應選擇優質填料，滿足設計壓實度，有效控制路基含水率。路基永久變形的原因與應對方法同引起路基沉降變形的路基永久變形相同，引起道床板開裂失效的路基永久變形是局部的。

（4）道床板受路基腐蝕導致強度降低

路基對道床板的腐蝕來自路基中的自由水與路基土礦物兩方面。這類病害可通過控制路基填料性質、減少地下水與道床板接觸等與路基相關的方法來減少對道床板的腐蝕。

3　整體道床路基病害影響因素

基于前文對整體道床典型病害的分析，與整體道床典型病害相關的路基病害主要體現為路基變形過大與強度不足兩方面。路基病害防治分析對優化整體道床路基設計方案與提供路基病害整治方案都具有重要意義。不同病害有不同誘因和不同的表現形式，通過分析各病害類型的特點，提出具有針對性的設計優化措施和病害整治技術，對整體道床路基的設計與施工均具有重要作用。下面從路基的物理特征入手來分析病害發生原因，從土質、含水率與物理性質三方面入手討論防治路基病害的基本要求，從而探尋新型有軌電車路基設計中應采取的指標與標準，以避免路基病害出現。

（1）土質條件分析

土質條件涵蓋填料種類、粒徑級配、雜質含量（有機物、鹽等）以及表征土質特性的物理指標。在進行整體道床路基設計時，應首先解決填料種類問題。軌道交通中路基承受振動荷載作用，因此嚴禁采用易液化填料，粉質黏土應首先進行抗液化能力試驗，合格后才可用于填筑新型有軌電車路基。其它不良土質，如有機土、鹽漬土、膨脹土等均不可用于新型有軌電車路基填料。在季凍區，新型有軌電車路基填料應采用非凍融敏感性土，路基填料凍融敏感性分類可依據美國陸軍工程兵師團的土組凍融敏感性分類系統，如圖2與表1所示［4］。

圖2　土的類型與顆粒尺寸對于土的凍結敏感性圖［5］

表1　美國陸軍工程師團土組凍融敏感性分類系統［5］

路基結構應具有一定剛度與強度，在列車動荷載作用下，確保道床板底彎拉應力在允許范圍內；路基結構還應壓縮系數較低，特別是在路基平衡濕度條件下應具有一定抵抗塑性變形的能力，以防止因出現過大工后沉降引起道床板底脫空。在水系發達地區路基結構應具備一定水穩定性，在高含水率下路基剛度、強度和抵抗塑性變形能力均應滿足道床板底彎拉應變與軌道平順性的要求，當素土填料無法滿足工程需求時，可采用處治土。另外，在水系發達地區，特別是大氣降水豐富地區應充分保證路基排水設施的有效性與合理性。在季凍區為了控制路基內自由水向上遷移量，可適當提高路基壓實度，并結合路基內排水技術來達到減少凍害的目的；在素土或處治土層上部鋪設級配碎石層，用以調整凍脹后土質路基頂面的不平整，減少凍脹對道床板的影響，另外，級配碎石還可在一定程度上起到隔溫作用，從而可減少土質路基的凍脹量。

（2）路基含水率影響分析

路基含水率狀態與翻漿冒泥、路基下沉、路基外擠、路基凍害均有密切關系，也是上述病害出現的主要條件。因此，有效控制路基濕度，降低路基含水率可避免或減少新型有軌電車路基病害。由于土質的差異，含水率與路基病害間的關系有所不同，路基病害與自由水在路基中的分布同樣有關。因此，在進行路基含水率對路基病害影響分析時，應首先確定以下資料：（1）路基中含水率分布；（2）填料界限含水率；（3）凍脹臨界含水率。為了確定不同含水率狀態下路基的剛度、強度與抵抗塑性變形能力，應進行填料模量、抗剪強度、壓縮系數隨含水率變化關系的室內試驗分析。

路基內的自由水來于地下水或大氣降水。地下水對路基的影響受控于地下水位與毛細作用兩方面，在高地下水位地區應慎用毛細作用強烈的填料。大氣降水可通過邊坡入滲進入路基，可通過截水溝等排水措施來減少大氣降水對路基濕度的影響。地下水與大氣降水對路基內濕度的影響并不是各自孤立的，大氣降水通過地表深入地下后，會提高地下水位；在高地下水位地區大氣降水也較豐富。因此，多數情況應做到地下水與大氣降水“同防”，路基內排水與路基外排水綜合設計。

最終影響路基工作性能的是路基平衡含水率，既有研究表明路基平衡含水率與路基填料、自然區劃、地下水位分布、路基高度、路基形式等均有關系［6］。在進行路基設計前應依據工程特點進行路基含水率預估，結合擬選填料物理力學指標，制定相應路基壓實控制指標與排水設計方案。

（3）物理性質分析

路基的大部分物理力學性質是由土質條件與路基含水率決定的，物理力學指標也是路基不同土質與不同含水率狀態的綜合表征手段，可形成控制路基病害出現的量化指標。常采用的物理性質參數包括：界限含水率、干密度、孔隙比、壓縮系數、彈性模量、壓縮模量、塑性應變、導熱系數、熱容等。

（4）綜合分析

上述三類與路基病害相關的分析對象各具特點，在實際工程中應結合其特點綜合利用。土質條件常作為路基設計時的選擇性條件，在當地具有充足良好填料供給的前提下選擇力學性質佳的填料。實際工程中常受制于當地優質填料匱乏，這種情況下應綜合對比填料外運與填料改良的可行性和經濟成本，以及二者可能帶來的能源消耗和環境污染問題，比如大量填料外運必然帶來運輸過程中的能源消耗，而地下水位較高和降水量大的石灰改良土會帶來周邊水土環境的污染，影響植物生長。

路基含水率與其它物理性質可作為保障路基不出現病害、正常運營的量化指標。各指標的制定應因地制宜，依據所處環境、所采用的路基結構形式、路基高度、荷載情況等合理選取。

4　整體道床失效分析

有軌電車整體道床包括道床板與道床板下的支承板兩部分，如圖1所示。該道床結構中，支承板底彎拉應力約比道床板底彎拉應力大30%。若支承板破損，道床板底的支承剛度將大幅降低，導致列車荷載作用下鋼軌撓度增大，影響行車舒適性，并增大道床板底彎拉應力，在列車動荷載作用下道床板會很快發生破壞。因此，將支承板底彎拉應力作為路基頂當量動態回彈模量設計的判定指標。

《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）中水泥混凝土彎拉強度經驗參考值中C25水泥混凝土的彎拉強度約為2.0 MPa。有軌電車道床板承受疲勞荷載作用，因此支承板底彎拉強度也應采用疲勞強度。《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）對混凝土抗壓與抗拉疲勞強度設計值的修正系數做出了表2所示的建議，表中p是混凝土疲勞應力比值，通過式（1）計算。

表2　混凝土疲勞強度修正系數

C25混凝土疲勞應力比范圍通常介于0.25與0.40之間，因此將γp取為0.84，所以支承板底疲勞彎拉強度為1.68 MPa。水泥混凝土板底應力計算應考慮溫度翹曲應力的不利影響，文獻［7］提供了水泥混凝土板溫度翹曲應力計算方法。經計算，板底最大溫度疲勞應力為0.29 MPa，因此疲勞荷載作用下支承板底的容許彎拉應力為1.39 MPa。

5　結語

結合工程經驗，將軌道交通中路基病害分為四大類，即翻漿冒泥、路基下沉、路基外擠、路基凍害；將與路基性能相關的整體道床病害歸納為下沉變形、隆起變形、開裂失效、道床板受路基腐蝕導致強度降低等4種類型。對路基和整體道床的病害類型及其成因進行了歸納分析，并從土質條件、路基含水率、物理力學條件等角度對路基病害的影響因素進行了研究；在對整體道床失效模式分析的基礎上，提出將支承板底彎拉應力作為路基頂當量動態回彈模量設計的判定指標，并提出了疲勞荷載作用下支承板底的容許彎拉應力建議值。

［1］ H B Seed， R L McNeill. Soils Deformation in Normal Compression and Repeated Loading Tests［J］. HRB Bulletin， 1956， 141：44-53.

［2］ A J Puppala， L N Mohammad， A Allen. Permanent Deformation Characterization of Subgrade Soils from RLT Test［J］. Journal of Material in Civil Engineering， 1999， 11（4）： 274-282.

［3］ Y S Zhao， N D Dennis， R P Elliott. Prediction of Subgrade Permanent Strain Using Simple Soil Properties［C］. Los Angeles：Geotechnical Engineering for Transportation Projects： Proceedings of Geo-Trans， 2004， 1076-1085.

［4］ T C Johnson， R L Berg， E J Chamberlain， etc al. Frost Action Predictive Techniques for Roads and Airfields： A Comprehensive Survey of Research Findings［R］. Washington D C： US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory CRREL， 1986.

［5］ GB/T 50123—1999，土工試驗方法標準［S］.

［6］ 李聰. 路基平衡濕度及回彈模量調整系數預估方法研究［D］. 上海： 同濟大學， 2011.

［7］ JTG D40—2011，公路水泥混凝土路面設計規范［S］.

圖17　貨運組織圖

4　結語

產業園的開發建設常常是在一些開發較少甚至幾乎沒有任何開發的基礎上建設起來的，因此有更好的條件在規劃階段布局合理的交通網絡，為產業園提供良好的交通支撐。交通系統是一個復雜的綜合系統，一個適應產業園發展的綜合交通規劃需要考慮多個方面的內容，以形成一個具有適應性、前瞻性的綜合交通網絡，實現產業園的可持續發展。

參考文獻

［1］ 靳來勇，鄭連勇，呂穎.城市綜合交通規劃中的差別化策略——以眉山市綜合交通規劃為例［J］.城市交通，2012（1）：383-391.

［2］ 高明.化工園區綜合交通規劃特點分析［J］.城市道橋與防洪，2013（6）：19，67-72.

U482.1

A

1009-7716（2015）05-0038-05

2015-03-15

杜先照（1977-），男，湖北洪湖人，碩士，工程師，主要從事地鐵施工管理工作。