客货共线铁路路基基床底层承载力分析

王应铭

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

客货共线铁路路基的基床总厚度为2.5 m［1］(基床表层厚0.6 m，基床底层厚1.9 m)，基床在路基结构中处于路基结构的最上部，是主要的受力结构。路基基床直接承受着铁路轨道结构传递下来的列车动荷载的反复作用，同时受温度、降水、干湿循环及冻融循环等因素的影响，其工程特性易受以上因素的影响而发生变化，个别甚至会出现翻浆冒泥等基床病害，对行车安全和运输效率等产生影响。

为减少基床病害对铁路运输产生的影响，减少运营期间的养护维修量和费用，保证运营安全，在2005年发布实施的《新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定》［2］(铁建设函［2005］285 号)、《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)中，根据多年来的铁路工程实践经验，对低路堤、路堑基床底层的静力触探比贯入阻力值、天然地基基本承载力大小进行了规定，但设计人员在使用上述规范的过程中提出了疑问，认为两指标不完全匹配，并且对天然地基的承载力要求有点偏高。为落实该问题，借《铁路路基设计规范》全面修编的机会，想对基床底层的标准进行探讨完善，以使规范规定更趋合理。

1 基床标准现状

1.1 基床标准总体情况

经对《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》、《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)两标准中有关基床条文的对比分析，并结合具体铁路项目的实际设计情况，目前基床的设计标准思路可以归纳如下。

(1)对路基面高于地面大于2.5 m(基床总厚度)的路堤，由于基床表层和底层全部位于地表以上，设计规范规定用合格填料进行填筑，合格填料的具体要求和压实标准在规范中有明确的规定。

(2)对路基面离地面的高度小于2.5 m(基床总厚度)的低路堤，路堤基床表层的填料类别和密实度必须满足规定要求，基床底层(厚度1.9 m)的部分或全部位于地面以下，规范对地面以下部分基床底层范围的天然地基提出了静力触探比贯入阻力ps、天然地基基本承载力σ0两项判定指标，如不满足该两项标准，就应进行换填、改良或加固处理。

(3)土质路堑的基床规定与路基面距地面小于2.5 m(基床总厚度)的低路堤的情况相同。

(4)在《铁路特殊路基设计规范》［1］中，为节约投资，对基床底层的换填厚度进行了适当限制。要求软土路堤高度不宜小于基床厚度，并强调强膨胀土(岩)处理厚度应大于气候剧烈影响层且不宜小于基床底层深度外，其余不小于0.5 m或1 m。

1.2 低路堤基床底层标准规定

对高度小于基床总厚度2.5 m的低路堤，其基床底层厚度范围内的天然地基要满足以下条件之一。

(1)静力触探比贯入阻力Ps值:Ⅰ级铁路不得小于1.5 MPa，Ⅱ级铁路不得小于1.2 MPa。

(2)天然地基基本承载力σ0:Ⅰ级铁路不小于0.18 MPa，Ⅱ级铁路不小于0.15 MPa。

1.3 路堑基床底层标准规定

路堑基床底层厚度范围内天然地基要满足以下条件之一。

(1)静力触探比贯入阻力Ps值:Ⅰ级铁路不得小于1.2 MPa(时速200 km为1.5 MPa)，Ⅱ级铁路不得小于1.0 MPa。

(2)天然地基基本承载力σ0:Ⅰ级铁路不小于0.15 MPa(时速200 km为0.18 MPa)，Ⅱ级铁路不得小于0.12 MPa。

1.4 路基基床底层处理判定标准汇总及问题

现行基床底层换填等处理的判定标准汇总见表1。

表1 基床底层处理判定标准汇总

按照《铁路工程地质原位测试规程》(TB10018—2003)所列出的天然地基基本承载力σ0与比贯入阻力ps的关系式进行试算发现:现行规定中的σ0与ps两值的关系接近《铁路工程地质原位测试规程》所列黏性土(Q4)、软土的关系式，但规程规定软土的关系式对应的ps值域为ps=85～800 kPa，因此可视为原规定只针对黏性土(Q4)，其数值关系为σ0=5.8－46，按此式进行反算发现:当σ0=120 kPa时，其对应的ps=820 kPa，该值小于现行规定值ps=1.0 MPa，其余均满足公式要求。此外，从表1中看出现行标准对路堤基床底层的规定高于路堑。

2 基床底层标准修改的设想

在《铁路路基设计规范》全面修编中，有必要对以下两种判定标准进行分析。

(1)天然地基基本承载力σ0判定指标

保留天然地基基本承载力σ0判定指标，取消静力触探比贯入阻力Ps，并对天然地基基本承载力σ0的具体值进行计算重新核对。

(2)用基床底层范围内的天然土质、密实度满足规范要求作为判定标准

比照基床表层的规定，基床底层范围内的所有填料类别和压实标准应该满足规范要求，不满足时应全部采用换填等处理措施。采用该标准可以彻底解决基床病害问题，但会增加一定的工程投资。

3 基床底层基本承载力计算确定

3.1 列车荷载(图1)

图1 “中—活载”图式(单位:m)

3.1.1 v≤120 km/h客货共线铁路轮荷载

《铁路轨道设计规范》［4］规定，车轮动荷载以当量静荷载最大可能值表达，直线地段垂直当量静荷载按下式计算

式中 Q——车轮作用于钢轨上的垂直当量静荷载，kN;

P0——静轮重，kN;

v——行车速度，km/h;

α——速度系数，α=0.6v/100。

3.1.2 120 km/h＜v≤160 km/h客货共线铁路轮荷载

式中 Q——车轮作用于钢轨上的垂直当量静荷载，kN;

P0——静轮重，kN;

v——行车速度，km/h;

α，α1——速度系数，α=0.6v/100，α1=0.3Δv1/100。

3.1.3 v=200 km/h客货共线铁路轮荷载

《预应力混凝土枕设计方法》按下式计算Ⅲ型轨枕上的动压力

式中 Q——车轮作用于钢轨上的垂直当量静荷载，kN;

P0——设计轴重;

α——综合动载系数，重载轨道取1.5。

3.1.4 德国铁路最大轮荷载

《铁路土工建筑物手册》［5］介绍的德国铁路最大轮荷载计算式为

式中 Q——考虑车轮在曲线上运行时产生附加荷载后的单轮荷载Q=1.2Qstat，kN;

Qstat——单轮静荷载，kN;

S*——上部建筑的状态、行车速度影响系数S*=nφ

n——上部建筑和轨道质量的差异系数:n=0.10(很好)，n=0.20(好)，n=0.30(中等);

φ——速度系数，取决于列车的速度和列车的类型，见表2。

表2 速度系数φ

3.2 轨枕底部压力分布

王其昌主编的《高速铁路土木工程》［6］介绍的荷载分担情况见图2，对v=200 km/h客货共线铁路车轮正下方的轨枕分担荷载大于0.4Q，为0.48Q。

图2 荷载分担示意(单位:m)

轨枕底部压力分布见图3。

图3 枕底压力分布

3.3 路基基床范围的承载力计算结果

按以上所述计算出不同行车速度对应的轨枕底部的动压力，然后采用布辛尼斯克(Boussinesq)法算出轨枕底部动压力传至基床底层顶面、顶面下0.5、1.0 m及其底面处的动压力σd，再计算出钢轨、轨枕、道砟及填土自重在基床底层顶面、顶面下0.5、1.0 m及其底面处产生的静压力σj，将动应力σd的2倍(根据有关资料介绍，动强度约为静强度的50% ～60%)与静压力σj之和作为最小承载力特征值σ0≥2σd+σj，其计算结果见表3。

3.4 拟采用的基床底层天然地基承载力新标准

根据计算结果重新确定的基床底层天然地基承载力新标准见表4。

表3 基床底层最小承载力特征值计算结果 kPa

表4 基床底层天然地基基本承载力σ0控制新标准

4 结论

(1)对低路堤和路堑的基床底层天然地基基本承载力计算方法进行了探讨，并根据计算结果对既有标准提出了具体修改意见。

(2)200 km/h基床底层表面处基本承载力应满足σ0≥180 kPa，120 ～160 km/h 应满足 σ0≥150 kPa。基床底层换填0.5 m处的基本承载力应满足σ0≥110 kPa，120 ～160 km/h 应满足 σ0≥100 kPa。

(3)具体项目设计中，要应尽量使路堤高度不小于路基基床总厚度2.5 m，以确保基床处于有利的位置，同时可节省一些不必要的处理费用。

［1］中华人民共和国铁道部.TB10001—2005，铁路路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］中华人民共和国铁道部.铁建设函［2005］285号 新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［3］中华人民共和国铁道部.TB10082—2005 铁路特殊路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［4］中华人民共和国铁道部.TB10082—2005 铁路轨道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［5］Prof.Dr.－Ing.habil.claus GÖbel，Prof.Dr－Ing.Klaus Lieberenz.铁路土工建筑物手册［M］.北京:中国铁道出版社，2009.

［6］王其昌.高速铁路土木工程［M］.成都:西南交通大学出版社，2000.