高速铁路路基技术.ppt

杨广庆杨广庆石家庄铁道学院石家庄铁道学院二零零四年十二月二零零四年十二月高速铁路路基技术高速铁路路基技术博士教授敬请各位领导、专家敬请各位领导、专家指正指正主要内容主要内容l1、高速铁路路基技术特点、高速铁路路基技术特点l2、高速铁路路基地基条件及处理技术、高速铁路路基地基条件及处理技术l3、高速铁路路基改良土技术、高速铁路路基改良土技术l4、高速铁路路基基床表层填料选择与控制、高速铁路路基基床表层填料选择与控制l5、高速铁路路基与桥（涵）过渡段技术、高速铁路路基与桥（涵）过渡段技术l6、高速铁路路基施工检测技术、高速铁路路基施工检测技术高速铁路路基技术特点高速铁路路基技术特点p 高标准的填筑技术和强化的基床结构高标准的填筑技术和强化的基床结构路基必须作为结构物来对待。路基必须作为结构物来对待。填筑材料、压实标准、变形控制、检测标准提高。填筑材料、压实标准、变形控制、检测标准提高。强化基床表层：动态稳定性、水稳性、渗透性。强化基床表层：动态稳定性、水稳性、渗透性。列车运行的高速、舒适、安全运送旅客特征，要求列车运行的高速、舒适、安全运送旅客特征，要求路基必需具备强度高、刚度大、纵向变化均匀、长久稳路基必需具备强度高、刚度大、纵向变化均匀、长久稳定的特点。定的特点。p 严格控制路基沉降变形严格控制路基沉降变形轨道不平顺（累计沉降和不均匀沉降）影响轨道不平顺（累计沉降和不均匀沉降）影响速度和舒适度。速度和舒适度。变形包括变形包括：列车行驶中路基面产生的弹性变形；长期行车引起的基床累积下沉（塑性变形）；路基本体填土及地基的压缩下沉。就路基而言，过去多注重于强度问题，并以强度作为轨下系统设计与施工的主要控制条件。而现在强度已不成为问题，一般在达到强度破坏前，可能已经出现了不能容许的过大有害变形。p 轨道基础刚度变化处设置过渡段轨道基础刚度变化处设置过渡段确保高速行车的平稳与安全，在路桥、路涵、确保高速行车的平稳与安全，在路桥、路涵、堤堑处设置过渡段。堤堑处设置过渡段。设置一定长度的过渡段，控制轨道刚度逐渐变化，减少由于不均匀沉降引起的轨道不平顺。高速铁路路基地基条件及处理技术高速铁路路基地基条件及处理技术现代铁路修筑经验表明，作为支承路堤的地基不允许发生基底破坏，也不允许发生不能满足适合使用要求的过大工后沉降和沉降速率。以往的铁路设计标准，多只考虑对基底强度作要求，即不允许发生基底破坏，而对其变形的要求没有给予重视。日本东海道新干线日本东海道新干线 地基必需具备足够的强度（不发生基底破坏）地基必需具备足够的强度（不发生基底破坏）和刚度（不产生过大下沉）。和刚度（不产生过大下沉）。京沪高速铁路路堤基底以下25 m范围内的地基条件必须满足表1。不满足时，必须进行工后沉降量计算。路基工后沉降量一般地段不应大于10 cm，沉降速率应小于3cm/年，桥台台尾过渡段路基工后沉降量不应大于5 cm。u工后沉降：路堤建成后铺轨时的路基剩余沉降。工后沉降：路堤建成后铺轨时的路基剩余沉降。u沉降速率：短时间内的过大沉降，造成维修困难沉降速率：短时间内的过大沉降，造成维修困难而危及行车安全。而危及行车安全。软土（软弱土）地基处理技术软土（软弱土）地基处理技术l铁路系统常用的地基处理方法:浅层处理：换填法，抛石挤淤法、砂垫层法、土工合成材料（土工格栅、土工格室）垫层法。排水固结法：袋装砂井、砂井、塑料排水板；堆载预压、真空预压、井点降水；联合法。复合地基：水泥搅拌桩、粉喷桩、旋喷桩、砂桩、碎石桩。地基处理方法的选择地基处理方法的选择 与优化技术与优化技术软土层厚度小于软土层厚度小于3米时，浅层处理。米时，浅层处理。软弱土：0.5m砂垫层；高有机物含量：换填渗水土。一般路基，软土层较厚，排水固结法。一般路基，软土层较厚，排水固结法。塑料排水板、袋装砂井、砂井并结合填土预压。路桥过渡段：复合地基路桥过渡段：复合地基 松软地基、液化地基：砂桩、碎石桩 软土地基：粉喷桩、深层搅拌桩 软土地基厚、施工受地域影响：粉喷桩、旋喷桩。保证路堤稳定、路堤均匀沉降，在垫层中铺保证路堤稳定、路堤均匀沉降，在垫层中铺设双向土工格栅或土工格室。设双向土工格栅或土工格室。复合地基检测复合地基检测粉喷桩、旋喷桩、深层搅拌桩：粉喷桩、旋喷桩、深层搅拌桩：l 桩身均匀性和强度检测桩身均匀性和强度检测钻芯取样；钻芯取样；l 复合地基承载力复合地基承载力静载试验。静载试验。砂桩、碎石桩：砂桩、碎石桩：l 挤密桩身均匀性和击数检测挤密桩身均匀性和击数检测动力触探；动力触探；l 复合地基承载力复合地基承载力静载试验；静载试验；l 桩间土挤密效果桩间土挤密效果动力触探。动力触探。l软土地基沉降观测技术软土地基沉降观测技术l沉降板、沉降杯、剖面沉降仪（水压式、振弦式和沉降板、沉降杯、剖面沉降仪（水压式、振弦式和水平水平测斜仪测斜仪）高速铁路路基基床底层改良土技术高速铁路路基基床底层改良土技术物理改良物理改良目的：目的：对填料的颗粒组成及级配进行改善，对填料的颗粒组成及级配进行改善，即在一种填料种掺入另一种填料，拌合均匀即在一种填料种掺入另一种填料，拌合均匀后使其级配改善，成为物理力学性质有所提后使其级配改善，成为物理力学性质有所提高的新填料。高的新填料。途径：途径：掺入粗粒料（中粗砂），改善其级配掺入粗粒料（中粗砂），改善其级配条件；掺入较细颗粒（粘粒），通过提高其条件；掺入较细颗粒（粘粒），通过提高其粘粉比增强其强度指标。粘粉比增强其强度指标。化学改良化学改良l通过对填料加入掺入料，促使土与掺入料之间发生化学作用，从而使土的结构与性质发生较大的变化。掺入料为石灰、水泥、粉煤灰、土壤固化剂及其他有机及无机材料。水泥宜适用于改良不均匀系数水泥宜适用于改良不均匀系数Cu10，Ip12且且WL40%的粘性土。的粘性土。石灰宜改良粘粒（石灰宜改良粘粒（d0.002mm）含量大于）含量大于10%及及Ip12的粘性土。的粘性土。以动强度为控制条件，以静强度为以动强度为控制条件，以静强度为判别标准的化学改良设计方法。判别标准的化学改良设计方法。l重型击实试验l无侧限抗压强度试验 l改良土的渗透性l改良土的水稳性l干湿循环试验 l冻融循环试验l改良土的动力特性l饱水静三轴试验改良土的容许动改良土的容许动应力应力列车动应力列车动应力波动系数波动系数表层以下表层以下z z处的处的动应力动应力改良土浸水饱和改良土浸水饱和28d28d固结不排水剪固结不排水剪静强度静强度安全系数安全系数1.52.01.52.0干湿循环静强度损失系干湿循环静强度损失系数数动静比（临界动动静比（临界动应力比静强度）应力比静强度）l改良土的施工技术改良土的施工技术 l最佳的碾压方式为：静压2遍，基本稳定土体和压实表层；弱振23遍，保证深层土体密实；继续静压23遍，压实弱振时破坏的表层，并使之平整、光洁。l水泥土不适合强振碾压、采用弱振或静压。l问题：问题：l1 1、水泥土压实系数达不到要求？、水泥土压实系数达不到要求？l水泥改良粉粘土后，土中粘粒含量降低，土粒间粘聚力减小，同时碾压时侧向不存在约束，导致压实系数偏低。l2 2、水泥土压实与检测的时效性、水泥土压实与检测的时效性？l水泥土碾压68遍基本上达到最佳效果，超过8遍以后，由于施工时间长，水分损失过多，压实系数增长幅度很小，有时会下降。在水泥的初凝时间内完成碾压和检测。l3 3、施工现象？、施工现象？l碾压时表面出现横向裂缝，水分散失快，极易造成起皮、分层现象高速铁路基床表层填料选择与控制高速铁路基床表层填料选择与控制 l基床表层设计基床表层设计l1）厚度设计）厚度设计l 计算方法有动强度控制法和弹性变形控制法两种。京沪高速铁路路基基床表层的厚度取为0.7m。为有利于自然降水的排出，基床表层和基床底层顶面都应设置4%的横坡。l2）填料设计）填料设计l 从日、法、德三国和我国铁路以前进行的少量强化基床的试验研究来看，基床表层使用的材料大致有以下几类：级配砂砾石、级配碎石，级配矿物颗粒材料（高炉炉渣）和各种结合料（如石灰、水泥等）的稳定土。l我国高速铁路路基基床表层填料采用级配砂砾石和级配碎石。l级配碎石由粒径大小不同的粗、细碎石集料级配碎石由粒径大小不同的粗、细碎石集料和石屑各占一定比例的混合料，并且其颗粒和石屑各占一定比例的混合料，并且其颗粒组成符合密实级配要求，包括填充孔隙的粘组成符合密实级配要求，包括填充孔隙的粘土。级配碎石可由未筛分碎石和石屑组配成。土。级配碎石可由未筛分碎石和石屑组配成。l级配碎石的材料要求：级配碎石的材料要求：l级配碎石与上部道床碎石及下部填土之间应满足D154d85（太沙基反滤准则）；针状，片状碎石含量不大于20%；质软，易破碎的碎石含量不得超过10%；材料必须清洁，泥及有机物含量不得超过2%；坚硬、耐磨、耐久，磨耗率30%(洛杉矶磨耗率)；碎石比重2.45，吸水量3.0%。l3）基床表层结构）基床表层结构l由两层结构组成。l上层较薄，大多为0.20.3 m，要求变形模量高，有时还对颗粒的耐磨性提出要求，因此在选用砂石料时应采用石英质母岩。其次，为了提高该层的刚度，颗粒的最大粒径可适当提高，粗颗粒含量增加。l下层的作用偏重于保护，颗粒粒径应与基床底层填料匹配，使基床底层填料不能进入基床表层，同时要求渗透系数小，至少要小于10-4m/s。如果不得已，只能采用经改良的黏性土作为基床底层填料时，需考虑在基床表层的底面铺设土工合成材料。如果基床底层部分采用粗颗粒渗水性填料，则不仅基床表层厚度可以减小，而且可以考虑采用一层。级配碎石施工技术级配碎石施工技术 l级配材料的准备级配材料的准备 级配材料可外购碎石和石屑。或采用级配材料可外购碎石和石屑。或采用天然的砂卵石或砂砾破碎配制。天然的砂卵石或砂砾破碎配制。分分202040mm,1040mm,1020mm20mm，10mm10mm以下三以下三种集料种集料。给给料料斗斗二二级级双双层层振振动动筛筛配配 料料 斗斗一一级级振振动动筛筛拌拌 合合 机机出出料料斗斗破碎机破碎机品种调整品种调整加加 水水4cm4cm4cm4cm1cm1cm24cm24cm12cm12cm1cm1cm24cm24cm12cm12cm室内击实试验表明：级配碎石的击实效果对室内击实试验表明：级配碎石的击实效果对含水量不太敏感，但存在一个相对合适的含含水量不太敏感，但存在一个相对合适的含水量范围。即水量范围。即68%68%，此时易于击实，相应，此时易于击实，相应的干密度最大。含水量的干密度最大。含水量3.55%3.55%时，干密度时，干密度降低，当含水量小于降低，当含水量小于3%3%时，不宜击实，相时，不宜击实，相对干密度较小。对干密度较小。级配碎石施工参数级配碎石施工参数 l采用平地机摊铺：1台大功率推土机、1台平地机、1台重型自行式震动压路机、2台冲击夯、5台以上自卸汽车；l采用摊铺机摊铺：1台摊铺机、1台重型自行式震动压路机、2台冲击夯、5台以上自卸汽车。l施工参数l一个摊铺区段长度以120150m为宜。摊铺前对下承层进行地基系数K30复测，对不合格地段进行处理，确保下承层无质量隐患。下层虚铺厚度40cm，碾压后为35cm，下层铺筑两侧各超宽30cm，碾压成型后切掉；上层铺筑前先砌护肩，有利于控制路基面高程，靠护肩30cm范围，用冲击夯夯实。l合理的碾压遍数：先静压2遍，在弱振1遍，强振3遍，弱振1遍，最后再静压2遍收光平整表面。l级配碎石铺筑碾压的含水量应在3.5%以上，小于3.5%时，一则碾压困难，二则地基系数K30和颗粒间孔隙率n达不到要求。考虑水分损失，生产时含水量可适当提高12%。含水量为3.55%时，碾压后马上达到很高强度，达到地基系数检测要求所需放置时间短，在2天以内（底层）。含水量为78%时，碾压后不能很快达到很高强度，达到地基系数K30检测要求所需放置时间在3天左右（表层）。l施工注意事项施工注意事项 拌和好的级配碎石搁置时间过久宜出现离析现象，会导致在摊铺过程中出现粒料不均匀，产生集料窝。并且由于离析后松散的级配碎石具有较好的透水性能，天气变化不易控制其含水量，过大的含水量会浸软基床底层填料，从而对碾压后的测试结果产生很大影响，因此级配碎石宜随拌随用。路堤本体及基床底层施工完后不要急于刷坡，为保证基床表层边缘压实度以及压路机作业安全，应适当加宽铺筑断面，加宽值以4050cm为宜。级配碎石的摊铺碾压应遵循“先两侧后中央，先静压后振压再静压的施工顺序，作业面上不调头不转弯”的原则进行全断面碾压。碾压时，压路机轮迹应重叠1/3，并保证路基边缘及加宽部位压实质量，对于压路基不易到达的部位，应采用冲击夯等其他压实设备进行处理。高速铁路路基与桥（涵）过渡段技术高速铁路路基与桥（涵）过渡段技术l设置过渡段的原因设置过渡段的原因l 在路基与桥梁连接处，由于路基与桥梁刚度差别很大，一方面引起轨道刚度的变化，另一方面，路基与桥台的沉降也不一致，在桥路过渡点附近极易产生沉降差，导致轨面发生弯折。当列车高速通过时，必然会增加列车与线路的振动，引起列车与线路结构的相互作用力的增加，影响线路结构的稳定，甚至危及行车安全。在路基与桥梁之间设置一定长度的过渡段，可使轨道的刚度逐渐变化，并最大限度地减少路基与桥梁之间的沉降差，达到降低列车与线路的振动，减缓线路结构的变形，保证列车安全、平稳、舒适运行的目的。l路桥过渡段变形不一致的原因路桥过渡段变形不一致的原因 路基与桥梁结构的差异地基条件的差异 桥台后路堤填料 设计及施工问题 重桥轻路意识的影响 l路桥过渡段的处理方法 l在过渡段较软一侧，增大路基基床的竖向刚度l在过渡段较软一侧，增大轨道的竖向刚度l在过渡段较硬的一侧，减小轨道的竖向刚度 l 路桥过渡段的处理有两方面的问题：路桥过渡段的处理有两方面的问题：l一方面是受到列车荷载影响较大的范围内（基床部分）线路结构抵抗变形能力差异的问题，即轨道刚度平顺过渡的问题；l另一方面是人工结构的刚性桥台与土工结构的柔性路堤基间工后沉降差引起轨面弯折的限值问题。l路桥过渡段路堤的变形控制主要考虑的两个问题：将桥背土路基与桥台交界处的错落式沉降变成连续的斜坡式沉降；严格控制过渡段线路的轨面弯折变形，使之满足高速行车的要求。过渡段施工技术参数过渡段施工技术参数 l级配碎石级配碎石l虚铺厚度参考参数：虚铺厚度参考参数：l压路机：小于30cm；冲击夯实机具：小于25cm；平板振动器：不大于13cm。l重型压路机碾压方式：重型压路机碾压方式：l静压+弱振+强振+静压l小型夯实机具：小型夯实机具：l靠近桥台2m范围内，重型压路机无法靠近，掺入5%水泥。14t压路机碾压1214遍，18t压路机碾压1012遍。l施工质量检测技术施工质量检测技术l地基系数K30 和颗粒间孔隙率n（核子湿度密度仪和灌水法），在无法使用K30时，可只用颗粒间孔隙率检测。当地基系数、孔隙率不满足时，可加入石屑。l土工格栅加筋路堤土工格栅加筋路堤沿线路纵向铺设土工格栅，格栅高强度方向与线路纵向一致，在台背后留出回折段。运料车避免在土工格栅上直接碾压，避免格栅产生推移，填料中不含有棱角的石块。平地机和人工相结合摊铺。每层第一次填筑（20cm）平地机大致整平后，人工整修。第二次（10cm）人工摊铺整平。自行式压路机：14t碾压10遍、16t碾压6遍、18t碾压4遍。靠近桥台处，平板夯夯实。高速铁路路基施工检测高速铁路路基施工检测 l必要性：必要性：l一方面可以评价路基施工过程中或竣工后路基的质量，检验路基是否达到了设计要求，验证路基是否具有足够的强度能够承受列车动荷载的作用，同时又具备保证列车安全、舒适运行的合理刚度；l另一方面，可以了解施工过程的质量情况，控制施工进度，促进施工单位改进施工工艺，加强施工质量管理，保质保量地完成施工任务。静态检测静态检测 l压实系数压实系数K l环刀法环刀法l用于不含砾石颗粒的细粒土和无机结合料改良土。l灌水法灌水法l用于粒径不大于60mm的粗粒料。l灌砂法和气囊法（波义尔定律）灌砂法和气囊法（波义尔定律）l用于粒径不大于20mm的粗粒料。l核子湿度密度仪核子湿度密度仪l用于细粒土和砂类土。lCBR值值l 在既有道路的使用中发现，在交通荷载作用下，公路垫层石碴有可能被压入下覆的填土层中，从而使路基面损坏，因此，AASHTO首先提出了加州承载比试验（CBR）。它是将规定尺寸（直径5cm）的探头贯入土中，在一定的贯入深度时，以其对应的荷载程度和CBR基准比较，来确定地基承载能力的相对值。对铁路而言，由于现场CBR试验的探头尺寸与道碴的尺寸相近且探头贯入土中的过程与道碴在列车荷载作用下挤陷入基床表层的现象相似，因此，将CBR试验作为铁路路基施工质量的检测手段是比较合理的，所以，日本等国曾使用CBR值检测铁路路基质量。l荷载板试验荷载板试验l基床系数基床系数K30l 基床系数K30是日本和我国在铁路路基检测中常用的方法，是采用单循环荷载试验。用单位面积压力除以承压板相应的下沉量表示的（MPa/m），计算时选用的沉降量为0.125cm。以级配碎石或级配砂砾石的基床表层为前提的路堤结构，列车荷载产生的道床压力，通过基床表层结构大致均匀地分布在路堤上部，作用范围比以往采用土质基床表层要大，从压力的传递程度及路堤堤身承受压力的情况看，采用直径为30cm的承压板试验确定路基填土的承载力密实度与列车荷载实际传递状况相接近，比以往的规定要合理。l变形模量变形模量El变形模量是西欧、北美等国已广泛使用的铁路路基压实检测方法。在荷载板试验应用过程中，常用的加载方式有单循环静载和二次循环静载。单循环静载是按每级40kPa加载，当每级加载完成后，每间隔一分钟读取百分表一次，直至两次读数符合沉降稳定要求，才能转到下一级荷载，直至试验最大荷载为止。二次循环静载也是按每级40kPa加载，分级加载到最后一级荷载的沉降稳定后，开始卸载，卸载梯度按最大荷载的0.5或0.25倍逐级进行，全部荷载卸除后记录其残余变形，之后又开始另一加载循环。采用d=30cm的荷载板试验计算变形模量时，荷载一直加到沉降值达5mm或承压板正应力达到0.5MPa为止。l变形系数变形系数 Ev2l为了更有效地分析土的变形性质和承载能力，西德标准采用了二次循环静载法，其结果采用变形系数Ev2表示 施工质量的动态检测施工质量的动态检测 l无论是基床系数K30、变形模量E和变形系数Ev2都是通过施加静荷载测得的，尚不能完全反映列车在动荷载作用下对路基的真实作用情况。随着高速铁路的出现，在高速列车动荷载作用下,路基表现为动态行为（产生动态变形）。为保证列车的安全与正常运行，必须对路基的动变形加以控制，同时要全面反映路基的质量和状态。德国铁路咨询公司地基研究所首先提出了反映路基动态特性的指标动态变形模量，并于1997年用于高速铁路路基的压实检测。日本也正在进行其研究，并准备将其纳入铁路规范。l动态检测原理动态检测原理l在被检测的路基面上放置一块一定直径的承在被检测的路基面上放置一块一定直径的承压板，通过一落锤在一定高度处自由下落，压板，通过一落锤在一定高度处自由下落，落到一缓冲装置后，再经承压板在填土面施落到一缓冲装置后，再经承压板在填土面施加一冲击动荷载，使填土面产生沉陷。通过加一冲击动荷载，使填土面产生沉陷。通过测试冲击动荷载的大小、板及板周围一定范测试冲击动荷载的大小、板及板周围一定范围内填土面的动变形，利用专用的信号采集围内填土面的动变形，利用专用的信号采集及数据处理软件，来求算路基土层的动模量。及数据处理软件，来求算路基土层的动模量。承载板的沉陷值越大，被测点的承载能力越承载板的沉陷值越大，被测点的承载能力越小，动模量也越小，反之，越大。因此，动小，动模量也越小，反之，越大。因此，动模量能反映该处的承载力。模量能反映该处的承载力。承压板落锤缓冲装置传感器路基面1.脱钩装置；2.落锤；3.导向杆4.阻尼装置；5.荷载板；.6.沉陷测定仪l动态平板载荷试验是采用动态平板载荷试验仪（来监控检测土体承载力指标 动态变形模量Evd的试验方法。测得的土体变形是由规定的动态冲击荷载（）产生的。试验时，落锤从设定的高度自由下落在阻尼装置上而产生符合测试条件的冲击荷载，由此引起的土体的变形S(即荷载板的沉陷值)通过沉陷测定仪采集记录下来，再通过平板压力公式计算得出Evd值(MPa)。l 式中：Evd 动态变形模量(MPa)，计算至0.1MPa；荷载板半径(mm)；荷载板下的动应力(MPa)；S 荷载板的沉陷值(mm)；1.5 荷载板形状影响系数。l实际使用时简化成：l Evd=22.5/S 欢迎提出宝贵意见和建议欢迎提出宝贵意见和建议 谢谢！谢谢！2004.12.082004.12.08