高速铁路路基结构设计方法现状与发展趋势

田晓涛

摘要：高铁铁路路基结构应满足强度和变形的要求，保证其在列车荷载、降水、干湿循环及冻融循环等因素的影响下具有长期稳定性。本文主要描述 了高速铁路路基设计主要技术标准，探究了国内高铁路基基床结构设计方法、累积变形预测方法研究现状及发展趋势。

关键词：高速铁路;路基工程;基床结构;设计方法;研究现状;发展趋势

引言：

从十九世纪铁路和蒸汽机车的出现到现在，铁路的发展已横跨三个世 纪，带动了全球经济的发展，同时伴随着经济的繁荣和萧条，铁路也经历 了高潮和低谷。随着高速铁路的出现，铁路的发展又进入了一个新的时期，铁路路基工程也有了新的发展。

一、高速铁路路基设计主要技术标准

路基工程是铁路轨下基础工程的重要组成部分，要承受轨道和列车荷 载以及各种自然因素的作用，要具有足够的稳定性，使其不致在路基本体 或其他地基产生破坏和位移。因此国内相关部门遵循以人为本、系统优化 的建设理念，根据铁路工程建设标准体系的要求，为统一铁路设计标准，提高铁路路基设计水平，在原有路基设计规范的基础上，总结近年我国铁 路实践经验和科研成果，借鉴国外有关标准的规定编制出《铁路路基设计 规范》（TB10001-2016） [1]。其中高速铁路设计速度分为 250km/h、300km/h 及 350km/h 三级，其符合国内铁路发展的实际需求，可还是存在一定的不 足，还需在实践过程中不断优化、创新、完善。

高速铁路路基工程设计应按照结构的功能要求和设计使用状况采用相 应的组合，设计检算采用不同的安全系数。其采用的填料及土工合成材料、 路基边坡高度及坡率，应根据其类型、特征、地质条件等综合确定。基床 地层范围内的天然地基基本承载力均不小于 180kPa，若不满足条件则需要 采用合适的地基处理措施，从而满足工后沉降要求[2]。基床状态主要受基床 厚度、填料及其压实度、防排水构造等因素的影响，并直接关系到列车的 平稳运行和速度提升。基床结构为层状结构，分为基床表层和基床底层。无砟轨道基床表层厚 0.4 m、基床底层厚 2.3m;有砟轨道基床表层厚 0.7m、 基床底层厚 2.3m，如图 1 所示。

二、高速铁路路基基床结构设计方法

中国高铁路基基床一般采用由下至上逐渐增强的路基结构。基床表层 填料及厚度是基床结构设计的核心，对控制基床变形和保护下部填土具有 重要作用。为了避免列车反复荷载作用下路基发生累积变形和孔压效应，确定了路基面动变形、基床底层动应变的双重控制准则，发展了基于应变 控制的基床结构设计方法。

2.1 模量的确定

K30 试验时路基填料的应变水平平均约为 0.18%，依据弹性假定，当泊 松比 µ=0.21，得到变形模量 E=0.23 K30，计算出填料变形模量 Emax。由于设 计需要考虑安全系数，取基床底层计算模量等于临界应变对应的模量，即 E=0.65 Emax。

2.2 路基动应力与动变形

迄今工程中采用的方法，通常都是用简化的方法。在地基变形计算中，附加应力分布采用半无限空间的弹性理论计算方法。确定上述路基顶面的 动荷载、填料的模量后，路基处理为弹性均质半空间体，利用布辛内斯克 解析解，得到路基的动应力和动变形。

2.3 基床表层厚度

设定不同的基床表层厚度，采用布辛内斯克公式计算基床动应力及动 变形，得出的结果需要小于路基面动变形与基床底层动应变的临界限值，并以此确定基床表层厚度。

三、高速铁路路基累积变形预测方法研究现状

我国高铁主要采用的是无砟轨道形式，对路基沉降提出严格要求，明 确规定路基工后沉降不超过 15 mm，桥台台尾过渡段不超过 5mm。高铁运行速度快、密度高、运量大，长期列车运行荷载作用下路基不可避免发生 累积沉降变形，对高铁运营造成影响。目前高铁路基设计方法未直接考虑 列车循环动载对路基的累积变形，国内外在这一领域进行了研究，但尚未 形成完善的高铁无砟轨道列车荷载下路基累积变形的计算方法。

3.1 循环荷载作用下路基累积变形

开展黏土三轴循环荷载作用试验，得到累积塑性应变与荷载作用次数 的关系曲线，并通过在半对数坐标下曲线的“凹凸”性判定法，将累积应 变曲线划分为发展型和衰减型，两类曲线分別向着破坏和稳定趋势发展。基于三轴试验结果，将累积塑性变形曲线划分为稳定型、衰减型和破坏型，并以累积塑性应变不超过 4%作为路面结构可接受的变形为依据。将不同应 力水平下路基累积塑性应变曲线，分为塑性安定、塑性蠕变和增量破坏等 阶段。根据累积塑性应变，将路基状态划分为 3 个状态：稳定状态、临界 状态和不稳定状态。根据平均累积应变速率划分累积塑性变形状态：弹性 状态、塑性状态和破坏状态。

3.2 列车运行引起路基累积塑性变形计算模型

3.2.1 经验模型

初期常采用动三轴试验结果，以应力水平、荷载作用次数等为变量，建立经验路基累积沉降模型，如指数、对数和幂函数模型等，其中指数模 型应用最为广泛。这些模型具有形式单一、参数少和应用方便等特点。如 果能够获得良好的试验结果，采用这些模型能够较准确地预测路基累积变 形发展趋势。但由于不同应力水平下，路基累积塑性变形差异较大，很难 采用某一个特定模型准确描述。

随后，引入土体强度参数和应力条件，建立了列车荷载作用下路基土 体沉降计算公式，并建立了考虑初始静偏应力的指数经验公式。采用三轴 试验结果，考虑了固结压力、循环振次、动静偏应力的影响，修改经验公 式并建立了应变预测模型，很好地描述土样破坏前变形规律。但采用该模 型计算时，随着循环次数增加，得到的应变也趋于无限大，这与当循环荷 载比小于某个临界动应力时土体因振密、变形趋于稳定值不吻合。因此利 用动三轴试验结果，修正砂土累积变形的 HCA 模型，提出了适用非黏性土 体的累积变形模型，能够描述复杂边界的路基累积变形规律[3]。

3.2.2 弹塑性模型

通过建立基于安定性理论的弹塑性本构模型，是准确预测循环荷载下 土体累积变形的一种方法。该类方法具有通用性较强的优势，能够准确获 得不同复杂应力状态下累积塑性变形。基于理想弹塑性理论，获得了安定 极限值的下限解。引入合理的硬化定律和剪胀公式，提出无黏性土体累积 塑性变形的循环本构模型。

四、结论及发展趋势

通过对高铁铁路路基结构设计现状分析可以总结出以下结论及发展趋 势。

（1）为了满足使用的要求标准，我国高铁基床表层填料采用级配碎石，施工简便、应力路径清晰。采用压实系数、地基系数和动态变形模量，评 价高铁路基级配碎石、砾石类和砂石类填料的压实状态[4]。

（2）采用路基面动变形和基床底层动应变控制的设计方法。这些设计 方法，假定路基为弹性半空间体，将动力学问题转化为静力学问题，均未 考虑列车循环振动荷载。总体上，设计方法精细化程度相对不足，且无法 计算循环列车荷载引起路基的累积变形效应。

（3）路基基床结构优化与完善。如针对目前高铁路基封闭层易开裂渗 水造成冻胀、翻浆等病害，提出基于沥青级配碎石全断面封闭的新型路基 结构型式，即在基床表层设置沥青级配碎石层作为防水层和强化层，起到 隔水、改善基床受力及减震降噪的目的。

（4）采用粗颗粒填料弹塑性本构模型，发展路基全过程累积塑性应变 计算方法，是提高路基累积变形计算精度的需要，也是路基设计的发展趋 势。

参考文献：

[1]中铁第一勘察设计院集团有限公司. TB 10001-2016《铁路路基设计 规范》[S].中国铁道出版社，2016.

[2]赵文辉. 高速铁路泡沫轻质混凝土路基结构性能及施工技术研究[D]. 西南交通大学，2018.

[3]李鹏. 重载铁路路基动力响应与长期累积变形特性[D].哈尔滨工业 大学，2018.

[4]中铁四局集团有限公司. Q/CR 9602-2015《高速铁路路基工程施工 技术规程》[S].中国铁道出版社，2015.