新型预应力路基结构与性能初探

冷伍明， 聂如松， 杨 奇， 赵春彦， 梅慧浩

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 高速铁路建造技术国家工程试验室， 湖南 长沙 410075)

铁路和公路路基填筑有严格的质量控制标准，但是达到现行设计与施工标准的路基，使用中产生病害甚至滑垮的情况仍很常见。与路基土体围压不足和(或)其边坡无侧向约束有关的路基病害有：边坡溜坍(见图1(a))、冲刷、坡面鼓胀(见图1(b))、滑坡、基床外挤(见图1(c))、路基面下沉(见图1(d))以及因路基顶累积下沉导致的翻浆冒泥、道砟陷槽(见图1(e))等，这些病害成了铁路路基的烦疾[1]，往往累修(维修)累发(发生)，难以根治，如在2013年秋检报告中，我国普通铁路路基，边坡溜坍统计数就达5 819处、基床翻浆冒泥达5 805处、滑坡达471处。对于高速铁路(下称高铁)，尽管路基建造有更加严格的要求，但投入运营后的高铁路基病害也在逐步显现[2]，最早开通的京津城际高铁出现局部地段路基沉降长期不稳定导致过渡段差异沉降；武广高铁路基沉降导致支承层与基床表层脱空及开裂；合武、石武高铁并线区段沉降超标；甬台温铁路路基失稳；石太高铁路基发生冲蚀病害导致区段限速运行；沪杭高铁出现沉降超标和局部无砟道床翻浆等，这些病害虽然还没有或目前仍不致影响安全营运，但也急需采取有效措施进行处治。值得一提的是，在近二十年里，笔者有幸参与我国高铁的前期研究、工程试验、有关设计和施工方面的科研工作，面对路基工程变形沉降“算不准”，病害确实比其他基础设施要多，而路基填料和压实度标准已近无法再提高的现实，是否可以寻求出新的路基结构来解决一点问题呢？通过深入学习、探讨和分析，发现上述路基病害都可能与路基土围压不足，其边坡又无侧向约束有关，进而提出一种既能增加围压又能强制约束边坡的预应力路基结构。

1 预应力路基结构型式

所提预应力路基结构见图2，以新建铁路路基为例，其构筑步骤为：

Step1土层压实后，在其土面垂直于线路方向，按预定间距设置预应力钢筋;

Step2然后按要求在上面松铺填土，压实后继续铺设第二层预应力钢筋(根据预应力钢筋的上下层间距，可能需要填筑若干层填土)；

Step3依此循环，分层完成所有预应力钢筋铺设和整个路基的填土施工；

Step4对路基修坡，并清理出路基边坡两侧的预应力钢筋端部；

Step5在路基两侧指定位置安装钢筋混凝土侧压力板；

Step6通过侧压力板的中心孔将连接器与预应力钢筋的端部正确连接；

Step7通过连接器将预应力钢筋的一端与侧压力板连接，而另一端直接与锚具对接;

Step8在侧压力板之间铺设普通护坡板；

Step9通过锚具对预应力钢筋的拉拔作用，增大路基土的围压，并通过侧压板对路基边坡施加强制约束，从而形成与路基协同作用的预应力整体结构。

对于产生有关病害或需要强化的既有路基，也可采用上述预应力进行加固和强化，形成预应力路基结构，其构筑步骤为：

Step1沿垂直于线路的方向，在路基的一个侧面向路基内钻一个水平小孔，孔深要穿透路基;

Step2通过连接器将预应力钢筋与钻杆的一端固定连接;

Step3在钻杆的引导下，把预应力钢筋从路基的一个侧面横穿路基;

Step4把预应力钢筋的两端各自插入侧压力板的锚固孔内;

Step5将预应力钢筋的一端与侧压力板连接，另一端穿过侧压力板的锚固孔与锚具固定;

Step6通过锚具对预应力钢筋的拉拔作用，增大路基土的围压，并通过侧压板对路基边坡施加横向约束，从而形成与路基协同作用的预应力整体结构。

2 预应力及其结构对保障路基性能的论证与分析

与常规路基结构相比，上述所提预应力路基结构的突出特点是：通过增加预应力能使路基填土的水平围压增大，显著改善路基土的应力状态、有效提高路基抗剪和抗变形能力；由于受到预应力钢筋的对拉作用，侧压力板能对路基边坡形成强制约束，提高了路基边坡的稳定性；侧压力板、预应力钢筋与路基填土形成共同工作的整体结构，抗动力作用的性能和抗震性将显著增强。下面结合土力学理论和现有的有关研究成果，对其性能提高机制做些初步论证与探讨。

2.1 常规路堤的初始应力状态与不足分析

路堤的强度和稳定性受其初始应力状态影响显著。常规路堤(两侧无支挡)的初始应力状态如何，很少有相关的研究报道。聂如松等[3]通过下面的有限元计算发现，如果不考虑施工对路基土体的应力影响，会在路基顶面一定深度以下出现水平拉应力，与岳中琦等报道[4]的结果相一致。显然，路基土出现水平拉应力将对路基抵抗竖向变形的能力和边坡稳定性都产生重大的不利影响。

通常认为自重应力作用下，路堤中心处的土体单元处于K0状态，单元竖向应力为第一主应力，水平两个方向的应力为第二和第三主应力。下面通过路堤平面应变有限元计算来探讨路堤的初始应力状态。

在路堤有限元模型中，设路基面宽12.3 m，路堤高6 m，边坡坡比为1∶1.5，路堤材料选用理想弹塑性模型，强度准则满足摩尔-库仑强度理论，地基假定为不发生变形的刚性地基，模型计算参数见表1。

表1 模型计算参数

处理计算结果时，取压应力为正，拉应力为负。计算结果见图3。在图3中，σz为竖向应力，σy为水平向应力，z为计算点距路基面的垂直高度，A为σz/γz，B为σy/γz。横坐标轴为路基横剖面的路基宽度方向，原点为路基横剖面的中心线，由于路基横剖面的对称性，只取一半路基宽度进行分析。

从图3中可以看出，竖向应力σz与路基的横断面形状一致，呈等腰梯形分布，在路基面范围内，即中心线两侧各6.15 m范围内与γz的比值约为1.0。

水平应力σy在路基中的位置不同，其值变化很大。z<2.4 m，σy为负值，处于拉应力状态，容易引起路堤开裂，对路基的稳定性不利。

由于土体拉应力强度很低，所以在路堤边坡和路基顶面部位，容易出现拉裂缝。这对路基抵抗竖向变形的能力和边坡稳定性都会产生重大的不利影响。因此增加路基土的围压和侧向约束很有必要。

2.2 通过预应力增大围压对路基土体力学性能的改善

2.2.1 围压增大对路基土强度的影响

( 1 )

若路基中竖向应力σ1不变，如图5所示，围压σ3从σ31增大到σ33时，对应的应力圆越来越小，与强度线的距离越来越远，路基抵抗剪切破坏的安全系数随之增加。假定路基土体的安全系数定义为土体抗剪强度与破坏面的剪应力的比值，则安全系数SF可由式( 2 )求得

( 2 )

从式( 2 )中可以看出，σ1不变，σ3增大，安全系数SF增大，当σ3=σ1时，理论上的安全系数趋于无穷大。

冷伍明[5]通过三轴不固结不排水(UU)试验对朔黄铁路低液限粉土路基填料的强度及变形特性进行研究，结果表明试样破坏强度随围压增大明显提高。土的应力-应变关系曲线随着围压的增加由软化型过渡到弱硬化型，该规律在低饱和度时表现得尤为明显。彭丽云[6]对京九铁路路基粉土用GDS三轴仪进行固结不排水剪切试验，结果表明：随着围压的增大，饱和和非饱和粉土应力-应变关系由应变软化逐渐向应变硬化过渡，围压越高，硬化趋势越明显，峰值强度也逐渐提高。马少坤等[7]在分析非饱和土的土水特征曲线试验及三轴剪切试验成果时发现围压越大，土体达到破坏状态时对应的竖向应力越大。郭庆国[8]提出，粗粒土在低应力水平下，强度包线可采用线性摩尔库仑公式，粗粒土的强度随围压的增大而增大。

土体的动强度也随着围压的增大而增大。方亮[9]对低液限粉土进行一系列动三轴试验。图6为干密度ρd=1.86 g/cm3，饱和度Sr=1.00状态下低液限粉土(ωL=23.9%，Ip=8.3)的动剪切强度(对应ε=5%)与破坏振次关系曲线。由图6可知，土的动剪强度随围压的增大而增大。

图7为刘轶[10]得到的粗颗粒土在不同围压、不同含水率条件下的动强度与破坏振次的关系图。由图7可知，粗粒土的动强度与围压具有正相关性。同时，动强度受含水率影响显著，含水率增大，动强度明显下降。

余周[11]通过一系列循环三轴试验，详细研究饱和粉质黏土的动力特性。研究表明，饱和粉质黏土的动强度随围压的变化而变化。在破坏振次Nf一定时，随着固结围压σ3c的增大，动应力σd逐渐增大。饱和粉土的动弹性模量也随围压的增大而增大。吴海生[12]对太原地区原状粉土与重塑粉土的动力特性进行试验研究，得到原状粉土和重塑粉土的动强度随围压增大而增大的结论。杜超[13]通过室内动三轴试验，探讨饱和粉土和非饱和粉土的动模量和动强度的影响因素。研究结果表明，粉土的动弹模量和动强度随围压增大而增大。

2.2.2 围压增大对路基长期变形性能的影响

路基土的变形性能与土的性质(土的类型、密实度、含水率等)、所处应力状态(尤其是动应力水平、围压应力和偏应力大小)所决定。路基土在交通荷载作用下总应变由可恢复的弹性应变和不可恢复的塑性应变两部分组成。铁路路基，特别是位于顶部的基床层，在反复行车荷载作用下的变形特性直接影响路基的工作性能，动弹性变形过大，使车辆和轨道结构振动变大；而过大的累积塑性变形将导致路基永久沉降超标；即两者过度都是路基病害的主要诱因。蔡英等[14]指出，路基结构中最核心的基床层，由于围压小, 临界动应力小，而列车产生的动应力相对更大，故容易产生较大的永久变形，因此，应加强路基基床。

围压增大，能有效地降缓路基累积变形的发展。周文权和冷伍明等[15]通过对铁路路基粗颗粒填料进行大型动三轴试验研究，图8为粗颗粒土(含水率ω=9.3%，σd=100 kPa)在不同围压条件下的累积塑性应变与振次的关系图。从图8中可以看出，围压愈大，累积塑性应变增长的越缓慢。

李冬雪等[16]认为路基土永久变形的影响因素是复杂多样的，其中围压σ3、偏应力(σ1-σ3)和循环应力是最重要的因素之一。蔡英[14]等通过三轴试验揭示，列车荷载重复作用产生的路基动应力是路基产生变形的根源，只有控制路基动应力在填土的临界动应力以下，才能控制路基的永久变形和防止路基长期缓慢下沉。

2.2.3 围压增大能显著提高路基填料的临界动应力

临界动应力是路基设计中一个非常重要的技术参数。当动应力小于临界动应力时，路基土塑性应变速率随振次增加而减小，土体的累积塑性应变最终趋于稳定；当动应力大于临界动应力时，路基土塑性变形随振次的增加而不断累积，及至破坏。因此，为防止路基产生过大的累积塑性变形，在设计时首先应避免路基土所处的动应力水平超过其临界动应力，另外，需严格控制在重复荷载作用下路基土的累积塑性变形量。

图9[15]为粗颗粒土大型动三轴试验得到的临界动应力与围压的关系曲线。从图9中可以看出，围压增大，临界动应力呈线性增加，即围压增大，能显著提高路基填料的临界动应力。在低围压下，临界动应力与围压近似为线性关系[16]。

张勇等[17]通过室内不排水动三轴试验，研究循环荷载作用下饱和重塑软黏土的累积塑性应变发展规律。结果显示饱和重塑软黏土的临界动应力随着围压的增加而增大，大致可用线性方程拟合；并提出含动应力幅值、固结围压、静偏应力和循环周次等影响因素的累积塑性应变拟合模型。刘晓红[18]研究循环荷载作用下原状红黏土动应变随振次的变化规律，获得原状红黏土的临界动应力。研究表明，当固结比为1.0时，随着围压的增大，原状红黏土的临界动应力近似正比例增大，增大速率随含水率的减小而增大。

综上所述，增加路基土的围压能有效减小或控制路基的永久变形和防止路基在工作中长期缓慢下沉。

2.2.4 围压增大对路基变形模量的影响

(1) 围压对路基土变形模量的影响

围压σ3增大，能显著提高土体的变形模量，即能够减小土体的弹性变形或增大土体抵抗变形的能力。图10为代表性的偏应力-应变关系曲线。当路基土的竖向应力σ1基本不变时，围压σ3增大，主应力差(σ1-σ3)减小，土体的切线模量(即变形模量)增大，其抗变形能力增强。

在Duncan-chang双曲线模型中，初始切线模量E0与σ3有关，即

( 3 )

式中：Pa为标准大气压，单位与σ3相同；K、n为试验常数。

任意一点位置的切线模量Et用式( 4 )表示

( 4 )

式中：φ为土体的内摩擦角;c为黏聚力;Rf为破坏比，连同K、n由试验获得其具体数值。

由式( 4 )可以看出，如果保持σ1不变，Et与σ3直接相关，σ3越大，Et也增大。进一步说明围压增大对提高土体的切线模量具有重要的作用。

黄斌等[19]引用曾国熙提出的初始弹性模量Ei与围压σ3的关系式，即Ei=kσ3，经研究推导，得到土的初始弹性模量Ei与围压σ3、孔隙比e以及超固结比OCR的综合关系式

( 5 )

式中：m、n为试验常数；e为孔隙比；OCR为土样的超固结比；λ为e-lnp坐标平面上的压缩曲线斜率；κ为e-lnp坐标平面上的回弹曲线斜率。从上式可以看出，初始弹性模量与孔隙比成反比，与超固结比和围压成正比。

史萍[20]针对武汉地区具有代表性的粉质黏土进行真三轴试验，发现对于同一类型的应力路径，随着固结压力的增大，其应力-轴应变曲线的起始坡度变陡，即随着固结压力增大，土的初始弹性模量增大。

(2) 围压对路基土回弹模量的影响

在公路路基设计中，回弹模量(MR)是描述路基土力学特性的一个重要参数。回弹模量是在瞬时冲击荷载作用下，动偏应力与相应的回弹应变的比值。国内外对回弹模量进行系列研究。凌建明等[21]对粉土和黏土进行一系列回弹模量测试，发现回弹模量随围压和压实度的提高而增大，随循环偏应力和含水率的增大而减小。Ibrahim[22]对低塑性黏土进行系列回弹模量试验，其测试结果见图11。由图11可知，回弹模量的大小与围压成正比，与偏应力成反比。

Kim[23]和Butalia 等[24]通过开展相关研究发现，随着含水率的增加，有效围压对黏性土回弹模量的影响逐渐降低。Ooi 等[25]对粉土开展三轴测试，研究发现，回弹模量与偏应力成反比，不同土质情况下，围压对回弹模量的影响程度不同，高塑性粉土的回弹模量受围压影响程度小，而低塑性粉土的回弹模量受围压影响程度大。

(3) 围压对土体的动弹性模量的影响

围压提高，能有效地提高土体的动弹性模量。图12[9]为低液限粉土(饱和度Sr=1.00，压实度K=0.93，固结比Kc=1.0)在不同围压状态下动弹性模量与动应变的关系曲线。由图12可知，土体的动弹性模量随围压的增大而增大。

早在1986年，中国铁道科学研究院[26]对廊坊路基土的动三轴试验研究中发现路基土的动弹性模量与应力水平呈非线性关系，随着侧限压力的提高而增大。石兆吉等[27]通过开展共振柱试验，探讨土动压模量的影响因素，研究表明，围压越大，土的最大动压缩模量也越大，并且两者在双对数坐标轴上存在着线性相关。贺建清[28-29]对大量动三轴试验结果进行总结分析表明，围压越大，石灰土填料的动弹模量越大，最大动弹性模量与围压符合指数递增关系。吴怀忠等[30]通过开展砂卵石的动三轴试验，指出，土动强度和动模量受围压和固结应力比的影响显著。

(4) 围压对动剪切模量G的影响

( 6 )

式中：f(e)为孔隙比的函数；n根据围压的不同可取0.5或0.6。

Park对前人的研究成果进行总结分析，得出各类土的初始动剪切模量与围压的表达式[31]

( 7 )

式中：A为系数；n为系数，取值范围0.4～0.6。

1970年Seed和Idriss[32]通过实验建立砂土最大动剪切模量的经验公式，并分析得出砂土的动剪切模量与静平均正应力的平方根成正比。

罗飞等[33]对都江堰地区粉质黏土开展试验，分析围压对其动力学参数的影响，研究发现，围压越大，最大动剪切模量和阻尼比越大，最大动剪切模量与围压呈线性关系，随着围压的增大，剪应变幅逐渐降低。蔡辉腾[34]对福州地区的6类典型土开展共振柱试验，详细探讨围压大小、土的性质对这6类典型土的动剪切模量G的影响。试验结果显示动剪切模量G均随着围压的增加而增大，二者均具有良好的线性关系，其表达式为

Gmax=A+Bσ3

( 8 )

式中：A、B为试验常数。

综合上述，通过预应力增大路基围压，能提高土体的抗剪强度、动剪切强度和承载力，能提高土体的变形模量、回弹模量、临界动应力和动弹性模量，能显著降缓土体弹性变形和累积塑性变形的发展，从而显著增强路基抵抗变形的能力。

2.3 预应力结构对保障路基边坡稳定性的作用

岳中琦等[4]分析指出，斜坡工程土体受到张拉作用，从而产生孔隙率增大、土体强度降低的根本原因是坡面土体缺少围压作用，且土体强度参数随含水率的增加而显著降低，因此，随着时间和降雨次数的增加，斜坡土体的强度逐渐降低，甚至达到临界破坏状态，而土体的重力等下滑力对土体的破坏作用却不会降低，甚至逐渐增大，最终导致斜坡工程发生滑坡事故。显然，具有自由表面的路基边坡也完全属于这种情况，并且还有交通荷载形成的反复动力与振动作用。雨水冲刷及下渗软化和动力振动的不利影响完全大大超出土体休止角甚至斜坡比值安全系数对稳定斜坡的保障作用，这一点文献[4]分析得很透彻：比值安全系数对强度的增加量难以对土体的抗拉与抗剪强度产生根本影响，土体破坏时所需的剪切应力与重力下滑分量成正比，且数值很小，极易满足，基于此，工程斜坡岩土体易产生细微裂隙，最终发生整体垮塌。

因此，预应力路基结构能显著改善路基坡面缺少围压的现状，有效防止斜坡土体发生张拉作用、孔隙率增大和强度降低等现象。预应力钢筋和与其对拉的侧压力板对路基边坡产生有效的侧向约束，边坡的局部和整体稳定性都将得到保障，并且具有挡雨和防止坡面冲刷的作用。

3 预应力路基结构的应用前景分析

3.1 预应力路基结构的特点

与常规路基结构相比，预应力路基结构的突出优点是：路基两侧边坡受到侧压力板的约束作用，能增大路基的水平围压，提高路基土的抗剪强度和抵抗变形的能力，从而增强路基边坡的稳定性。预应力路基结构与路基成为协同作用的整体，抗震性能也明显提高；对于新建路基，预应力路基结构可使路基采用较大的坡率(可由常规坡率1∶1.5提高到1∶0.75)，可大幅度节约土地同时减少路堤下地基的处理面积。对既有路基，除上述优点外，还具有加固施工时不需要中断行车，这一点对重大干线的运行非常重要，极具经济和社会效益。

3.2 预应力路基结构在高速和重载铁路的应用前景分析

客运高速、货运重载是当今世界铁路的发展趋势。高速铁路，由于运行速度很快，对轨道的平顺性要求很高，因此对路基的总沉降、不均匀沉降以及过渡段路基纵向刚度的变化具有严格的规定。要实现轨道的高平顺性，需严格控制路基的工后沉降、不均匀沉降，并保障路基的稳定性，而这需以路基强度高、刚度大、稳定性好为前提。由于高速铁路对路基的变形要求到毫米级，而目前岩土力学理论关于变形计算方法仍无法满足这种精度要求，针对这种现实，开发能“克服”毫米级累积变形或不产生塑性变形、且比较经济的路基新结构具有重要的现实意义。由于高速铁路路基的填料和压实度采用的标准已很高，若再采取改善填料和压实度的方法提高路基的性能已不可取，而采用预应力措施增加围压和侧向约束可能不失为一种好方法。

与高速铁路路基要求高标准控制变形不同，重载铁路路基的问题是，由于列车的轴重和牵引的吨数要大得多，重载列车对路基作用的动荷载强度大，路基动力响应加剧，目前现场实测和研究分析表明，当列车轴重超过25 t后，若再增大，路基荷载特点将发生明显变化，其幅值受车辆轴重的影响十分显著，再加上前后车辆相邻转向架间距的缩小也使动荷载的作用深度显著增加，荷载的增加也影响边坡的稳定；另外，单趟列车编组超过150节，甚至更长，导致对路基的连续重复荷载作用次数增加，也将导致新的基床问题。如果轴重和编组进一步提高，特别是轴重超过30 t，路基的变形稳定性及其影响会变得非常突出。如我国大秦线、朔黄线在重载列车运行条件下，(目前运行轴重仅23～25 t)，桥涵过渡段路基下沉、区间路堤和路堑地段下沉、基床外挤、坡面鼓胀和边坡坍塌、基床翻浆冒泥及道砟陷槽(道砟囊)等多种病害(见图1)已逐渐显现，需要经常加固处理。我国重载铁路以提高轴重，增大牵引质量和行车密度为发展趋势，在此背景下，既有重载铁路路基的服役状态将更加恶化。而目前的加固措施要么要中断行车或对行车影响很大，要么造价偏高。因此，路基预应力加固措施对重载铁路同样适用。

预应力路基结构既可用于新建铁路，也适用于既有铁路路基加固和强化，对于后者，如前所述，加固或强化施工时可在路基旁侧进行，无需中断行车，这对运输繁忙的重大干线非常重要，极具经济和社会效益。另外，经初步比较，用它来对既有路基进行加固的直接费用比斜向水泥土桩法[1](也是一种可不中断行车对路基加固的方法)要经济20%～50%。

4 结束语

路基及其边坡的许多常见病害与路基土围压不足、其边坡又无侧向约束直接相关，所提预应力路基结构，能有效增加路基土的围压，能较好地改善路基的受力变形性能，同时对其边坡有强制约束和保护作用，能提高路基边坡防冲刷渗透能力，改善路基的抗震性能，增强路基边坡的整体稳定性。既可用于新建铁路，也适用于既有铁路路基加固和强化，用于后者，无需中断行车，这对运输繁忙的重大干线非常重要，极具经济和社会效益。

本文仅介绍预应力路基结构的构筑方法，并基于土力学理论和现有成果对其性能进行论证分析，其工作机理和具体设计计算方法包括构造参数优化有待进一步开展系统深入研究。由于对新型预应力路基结构的研究尚处于起步阶段，有大量工作待开展，期与大家交流和共同探索，以推动这方面工作的进一步开展。

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