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高速铁路路基高速铁路路基土木工程学院岩土工程系土木工程学院岩土工程系高速铁路路基的特点高速铁路路基的特点11多层结构系统多层结构系统22控制变形是路基设计的关键；控制变形是路基设计的关键；33在列车、线路这一整体系统中，路基是重在列车、线路这一整体系统中，路基是重要的组成部分。要的组成部分。11多层结构系统多层结构系统德国高速铁路有碴轨道路堤的断面型式aa--UIC60UIC60钢轨扣件；钢轨扣件；bb－钢筋混凝土连续板；－钢筋混凝土连续板；cc－混凝土绝热层及支持层；－混凝土绝热层及支持层；dd－素混凝土；－素混凝土；ee－矿渣混凝土；－矿渣混凝土；ff－下伏土层；－下伏土层；gg－透水材料；－透水材料；hh－冷沥青层；－冷沥青层；ii－道碴－道碴德国高速铁路无碴轨道路堤法国高速铁路路堤的断面型式（单位：法国高速铁路路堤的断面型式（单位：mm））日本高速铁路板式轨道路基的断面型式之一日本高速铁路板式轨道路基的断面型式之一结论结论由上述图示可见，高速铁路的线路结构由上述图示可见，高速铁路的线路结构已经突破了传统的轨道、道床、土路基这已经突破了传统的轨道、道床、土路基这种结构形式，既有有碴轨道也有无碴轨种结构形式，既有有碴轨道也有无碴轨道；已经抛弃了将道砟层直接放在土路基道；已经抛弃了将道砟层直接放在土路基上的结构形式，做成了多层结构系统。上的结构形式，做成了多层结构系统。2.2.控制变形是路基设计的关键控制变形是路基设计的关键变形控制是高速铁路设计考虑的主要因素，在达到变形控制是高速铁路设计考虑的主要因素，在达到强度破坏之前变形已经超限了。强度破坏之前变形已经超限了。例如：日本东海道新干线曾出现大量路基病害。例如：日本东海道新干线曾出现大量路基病害。对比：普通铁路简化为静载进行计算即可；而高速对比：普通铁路简化为静载进行计算即可；而高速铁路则必须解决动载问题（对应的检测方法也不相铁路则必须解决动载问题（对应的检测方法也不相同了）。同了）。轨道变形是高速铁路线路平顺性控制的关轨道变形是高速铁路线路平顺性控制的关键；键；在强度破坏前出现较大变形；路基直接导致轨在强度破坏前出现较大变形；路基直接导致轨道结构的变形从而无法提供高平顺、稳定和均匀道结构的变形从而无法提供高平顺、稳定和均匀的轨下结构；由散体材料组成的路基是整个线路的轨下结构；由散体材料组成的路基是整个线路中最薄弱的环节，是轨道变形主要来源。中最薄弱的环节，是轨道变形主要来源。事故实例事故实例20092009200920092009200920092009年年77777777月月77777777日至日至88888888日，石太客专沿线普降暴日，石太客专沿线普降暴雨，部分地段路基严重下沉，运行列车晃车雨，部分地段路基严重下沉，运行列车晃车严重，其中严重，其中k178+910k178+910k178+910k178+910k178+910k178+910k178+910k178+910、、k158+300k158+300k158+300k158+300k158+300k158+300k158+300k158+300、、k106+300k106+300k106+300k106+300k106+300k106+300k106+300k106+300三处路基下沉病害严重，最大下沉分别达到三处路基下沉病害严重，最大下沉分别达到64.2cm64.2cm64.2cm64.2cm64.2cm64.2cm64.2cm64.2cm、、、、、、、、16cm16cm16cm16cm16cm16cm16cm16cm、、9.7cm9.7cm9.7cm9.7cm9.7cm9.7cm9.7cm9.7cm，造成列车限速运，造成列车限速运行，严重影响铁路正常运输秩序、危及行车行，严重影响铁路正常运输秩序、危及行车安全。部安监司综合安全。部安监司综合认定石太客专认定石太客专k178+910k178+910k178+910k178+910k178+910k178+910k178+910k178+910质量事故为铁路建设工程质量大事质量事故为铁路建设工程质量大事故，故，k158+300k158+300k158+300k158+300k158+300k158+300k158+300k158+300、、k106+300k106+300k106+300k106+300k106+300k106+300k106+300k106+300质量事故为铁路建质量事故为铁路建设工程质量一般事故。设工程质量一般事故。33．．在列车、线路这一整体系统中，路在列车、线路这一整体系统中，路基是重要的组成部分应综合考虑基是重要的组成部分应综合考虑。。普通铁路仅考虑轮对和轨道的相互作用而普通铁路仅考虑轮对和轨道的相互作用而不考虑路基的影响，在低速运行时可满足不考虑路基的影响，在低速运行时可满足计算分析要求。计算分析要求。高速铁路应将轮对、轨道、路基作为整体高速铁路应将轮对、轨道、路基作为整体进行考虑；通过合理的路基刚度和其它参进行考虑；通过合理的路基刚度和其它参数的设置减少轨道上面的动应力分布和作数的设置减少轨道上面的动应力分布和作用。用。高速铁路路基的设计荷载高速铁路路基的设计荷载路基所受荷载路基所受荷载（（11111111）动荷载：由运行时轮轨产生和传递。）动荷载：由运行时轮轨产生和传递。（（22222222）静荷载：由重力作用而引起的。）静荷载：由重力作用而引起的。普通铁路中一般采用换算土柱法计算分析，将普通铁路中一般采用换算土柱法计算分析，将静、动载均予以简化考虑；而在高速铁路中则需静、动载均予以简化考虑；而在高速铁路中则需进行相应的动载计算分析，并应以动载为重点。进行相应的动载计算分析，并应以动载为重点。列车荷载和轨道荷载可按照图列车荷载和轨道荷载可按照图33--77、、33--88所示所示进行分析计算，注意里面所设计的相关的影响因进行分析计算，注意里面所设计的相关的影响因素问题。素问题。11动荷载动荷载1.11.11.11.11.11.11.11.1高速铁路路基设计动应力幅值高速铁路路基设计动应力幅值（（11111111）确定方法：实测法（难）；计算机模拟计算。）确定方法：实测法（难）；计算机模拟计算。（（22222222））计算公式：计算公式：σσd1d1==0.260.26xPx(1+xPx(1+ααvv))式中：式中：σσd1d1——路基设计动应力幅值（路基设计动应力幅值（kPakPa）；）；PP——机车车辆的静轴重（机车车辆的静轴重（kNkN），是产生动载原因；），是产生动载原因；αα——速度影响系数，按照轨道结构形式予以确定；速度影响系数，按照轨道结构形式予以确定；vv——列车运行速度。列车运行速度。备注：计算公式本身为一种简化。备注：计算公式本身为一种简化。1.21.2路基面上的动应力沿线路纵向的分布路基面上的动应力沿线路纵向的分布1.31.3京沪高速路基设计荷载京沪高速路基设计荷载将设计线路参数分别带入上式，即可算出将设计线路参数分别带入上式，即可算出设计线路的动应力设计线路的动应力σσmaxmax和分布范围和分布范围LL。。取取vv＝＝350km/h350km/h，，PP=200kN,=200kN,则则σσmaxmax=0.26=0.26××200200××(1+0.003(1+0.003××350)=350)=98.898.8≈≈100kPa100kPaLL=100/[(82.9+6.17=100/[(82.9+6.17××100)100)××0.1]0.1]≈≈1.4m1.4m分布如下图所示。分布如下图所示。京沪高铁基面上设计动应力及分布图（京沪高铁基面上设计动应力及分布图（mm））1.41.4动应力沿深度的扩散和衰减动应力沿深度的扩散和衰减动应力衰减动应力衰减由于动应力以波的形式传播，在该过程中由于动应力以波的形式传播，在该过程中由于土的阻尼作用而吸收消耗能量，因此由于土的阻尼作用而吸收消耗能量，因此随着深度的增加动应力衰减。动应力衰减随着深度的增加动应力衰减。动应力衰减可通过实测或者理论计算的方法来得到，可通过实测或者理论计算的方法来得到，但实测存在较多的困难因此一般采用理论但实测存在较多的困难因此一般采用理论计算方法予以研究。计算方法予以研究。••动应力扩散计算动应力扩散计算((BoussinesqBoussinesq半空间弹性理论半空间弹性理论公式公式))式中：σ－在长方形均布荷载作用下（图3-7）；荷载中心点下深度z处的垂直应力（图3-8）；P0－荷载强度，m=a/b，n=z/b；a、b－荷载分布范围边长；z－计算点深度。土中应力计算示意图土中应力计算示意图动应力沿深度衰减曲线动应力沿深度衰减曲线高速铁路路基横断面图高速铁路路基横断面图路基面基本形状路基面基本形状三角形，三角形，4%4%的横向排水坡。的横向排水坡。11路肩宽度路肩宽度需要考虑受力、维修养护等条件后予以确需要考虑受力、维修养护等条件后予以确定：定：（（11）路基稳定性要求；）路基稳定性要求；（（22）养护维修的要求；）养护维修的要求；（（33）行人安全通行，退避距离的要求）行人安全通行，退避距离的要求（（44）为路堤压密和病害留有富余量；）为路堤压密和病害留有富余量；（（55）提速改造所需要的预留量。）提速改造所需要的预留量。经综合分析，我国高速铁路路肩宽度取值经综合分析，我国高速铁路路肩宽度取值为：路基两侧均为为：路基两侧均为1.4m1.4m（双线）和（双线）和1.5m1.5m（单线）。（单线）。22路基面宽度路基面宽度2.12.1直线地段路基面宽度直线地段路基面宽度2.22.2曲线地段路基面宽度曲线地段路基面宽度3.3.标准横断面图标准横断面图有碴轨道单线路基标准横断面示意图（m）有砟轨道双线路堤标准横断面示意图（m）高速铁路路基基床高速铁路路基基床定义定义作用作用结构结构基床表层基床表层3.13.1基床表层的作用基床表层的作用3.23.2基床表层厚度基床表层厚度3.33.3基床表层填料基床表层填料3.43.4基床表层结构基床表层结构3.53.5基床表层压实标准基床表层压实标准44基床底层基床底层定义：路基上部受动应力影响较大的部分定义：路基上部受动应力影响较大的部分京沪基床厚度京沪基床厚度:3m:3m确定依据确定依据::动静应力比动静应力比1/51/5或或1/101/101/51/5：：3.2m3.2m；；1/101/10:4.2m:4.2m11作用作用(1)(1)强度：列车、施工荷载下不破坏，抵强度：列车、施工荷载下不破坏，抵抗道砟进入。抗道砟进入。（（22）刚度：弹性变形小；累积塑性变形也较）刚度：弹性变形小；累积塑性变形也较小。小。（（33）排水：防止雨水进入路基引发病害。）排水：防止雨水进入路基引发病害。（（44）防冻：消除和减少冻害作用。）防冻：消除和减少冻害作用。后两条可扩展为耐久性要求。后两条可扩展为耐久性要求。22结构结构京沪：双层结构33基床表层基床表层路基上部直接承受列车荷载的部分，又被路基上部直接承受列车荷载的部分，又被称为路基的承载层或持力层。称为路基的承载层或持力层。研究历程：研究历程：5050年代，日本最早开始研究年代，日本最早开始研究;;7070年代，欧盟；年代，欧盟；法国、德国。法国、德国。3.13.1基床表层的作用基床表层的作用11）增加线路强度和刚度，控制线路变形；）增加线路强度和刚度，控制线路变形；22）扩散作用到基床底层顶面上的动应力；）扩散作用到基床底层顶面上的动应力；33）防止道碴与基床土相互渗压；）防止道碴与基床土相互渗压；44）防排水作用；）防排水作用；55）防冻等。）防冻等。3.23.2基床表层厚度基床表层厚度((京沪：京沪：0.7m)0.7m)11）控制因素：变形条件）控制因素：变形条件22）计算方法。）计算方法。动强度控制法动强度控制法弹性变形控制法弹性变形控