解析高速铁路路基基床设计

摘要：通过研究土的基本动力以及路基设计载重，了解了铁路路基为满足高速行车所需要的条件，并对比了世界上在铁路方面有突出成就的国家，总结了我国的铁路路基发展情况，在分析比较国内外路基机床基本结构后，针对我国的实际情况提出了与基床设计相关的建议。

关键词：高速铁路；路基机床；设计方法

蒸汽机和铁路的出现加快了西方工业革命的发展，铁路从研发至今大约有三百年的时间，它推动了每个国家经济的飞速发展，但是经济危机的爆发影响了许多国家，铁路的发展也受到了严重影响，一些比较发达的国家如日本、美国等为了稳定国民经济，加快物质流通，不断地在铁路方面做出探索，铁路工程技术人员通过坚持不懈的努力在铁路路基结构方面取得了巨大的成果，他们研究了基床表层的结构，而且基床表层的好坏很容易影响轨道是否变形，统计资料显示，好的基床表层产生的轨道不易变形，并且能与差的基床表层产生鲜明对比。

一、分析国内外的铁路路基结构

日本及欧洲国家的铁路发展一直走在前沿，尤其是现在高速铁路的出现，更能体现现阶段人们在铁路设计和铁路路基基本结构设计方面取得的成就。为了加深人们对铁路路基的认识，先了解一下德国、日本在路基基床方面的成就。

（一）德国的铁路路基结构

第 1 页 共 7 页

铁路路基结构在有碴轨道方面大致可以分为几种：地基过渡层、防冻层、路基的保护层和填筑路堤层。在上述几种结构中，对保护层的材料使用性能及压实度方面都有很高的要求，并且在厚度方面也有要求，最小要保证20cm。其次选用粗粒土填充防冻层，因为防冻性能在路基结构设计方面是有要求的。其中分距路基结构面大致为两种：一种是2m以外、一种是2m以内。2m以外在路堤结构中一般处于下半部分，2m以内则是上半部分。最后，就是地基过渡层，地基过渡层的厚度通常在0.5m，厚度要适中。

我们在比较有碴轨道和无碴轨道时可以发现，路基设计的技术层面大致相通，但是无碴轨道的保护层使用的材料是水硬性胶结层。就目前德国所使用的欧冠水硬性胶，是标号不高的沙子、水泥、石块等组成的混凝土结构层，厚度大约在30cm。采用这种结构的目的是为了方便防水以及排水，另外的重要作用就是给轨道提供结构基础，起到分布荷载的效果。

（二）日本的路基基床结构

相比较日本的铁路路基基床，其结构大致可以分为三部分：下部填土、上部填土以及基床表层，上下部分的填土均分布在基床表层之下，上部分的填土距基床表层大约有3m的距离，下部分的填土分布于上部分的填土之下。

1、基床表层

强化基床表层和土基床表层是基床的两种形式。其中用自然土填充的属于土基床表层，相比较强化基床表层，土基床的成本就比较低，因为强化基床表层可以根据使用材料的不同分为碎石基床表层和矿渣基床表层。当我们选择基床表层的材料时可以根据路线区间进行划分，在路线高频繁使用时用强化基床表层，在路线区间人流量较少的地方则可以使用

第 2 页 共 7 页

造价相对比较低的土基床表层。

2、填土的下半部分

由于下部分不直接和导轨相连接，相对来讲要求程度就比较低，它的主要作用就是作为地基，自然对土质的要求程度不高，在土填完以后需要打地基，目的是为了起到夯实加固的作用。

3、填土的上半部分

对比填土的下半部分，上半部分的要求就比较高，需要根据不同的环境使用不同的填土，因为有的地方对基床表层的要求不高，废弃的土就可以达到填充的目的，但是有的地方对土质的要求就比较高，废弃的土就不能使用。

（三）国内的路基基床结构

国内的路基机床设计一般是根据不同的车速进行划分。路基结构和国外大致相同。基床的结构，路基设计的形式，以及地基土的特殊性都属于设计要考虑的重要部分。

1、普通的路基基床

路基机床属于受动应力影响较大的部分，轨道、道床传至路基基本体，呈现逐步衰减的形式，如果动静力的比例在0.1以下，产生的动荷载影响就比较小，因此，确定机床厚度一般采用动静力的比率，大约在五分之一或者十分之一。因为对高铁的路基基床部分要求比较高，建议采用五分之一的动静力比例。

第 3 页 共 7 页

由于路基基床需要在长期的动力影响下保持稳定，则需要有大量的材料来源，并且在防水性方面有很高的要求，欧洲各国大都使用级配砂砾石。相当于混凝土材料，但是对颗粒组的要求比较高。同时级配砂砾石在国内有着比较丰富的使用经验，比较适合我国的路基基床。

2、特殊的路基机床

例如：冻土、风沙、软土、滑坡、岩溶地带以及水库地区等都属于特殊的路基。一般路基基床在使用填充材料时并不会直接使用这些特殊的材料，只是有些地方处于这种特殊的环境之中，因此需要根据现场的实际情况对土质进行改良处理，使用最少的成本实现工程结果的最优化。

二、高速铁路路基设计受力分析

在研究高速铁路的基床表层过程中，我们要了解基床表层所能承受的荷载，一般列车轮载用5-7跟轨枕，经道床传至路基。我们在进行简化计算时可以使用5跟轨枕承担重力。路基动应力一般按照Boussinesq公式计算，而用来传递动应力的道床以及动荷载按照扩散角计算。在日本和我国进行高铁研究时一般从路基面以下进行分析，而法国、德国一般从轨枕开始研究。例如，混凝土枕与木枕之间的差异性是由于所接触的压力分布不够平衡造成的，造成道床浅部比较明显的差异，当距轨枕的深度大于60cm时，基本相同。所以，利用Boussinesq公式进行应力分布计算时，应力分布和轨枕有效支撑面积不会造成明显的不同，而且还能够避免从路基面往下计算分析时产生的假设。在考虑基床动应力的衰减分布时，应先了解到表层填充材料的压实要求要在底层要求之上。

列车荷载分布

第 4 页 共 7 页

采用Boussinesq公式的另外一个问题是道床以及路基层状结构模量之间存在差异。可以使用Odemark的模量与厚度作为假定量，将不同的模量道床以及路基层的厚度h换算成和底层同模量的等效层厚he，取轨枕的平局有效支撑长度e/=1.1m，轨枕的长为2.5m，平均宽度为0.28m，道床厚度为0.35m，取道床的基床模量的2倍进行计算下图为计算所得的路基面荷载分布。路基面的最大荷载度为：公式一：a=0.51Pd（kpa），公式二：Pd= P5（1+av）

公式中，Pd为动轮载；P5为静轮载；a相当于动力冲击系数或者速度影响系数；V是行车速度。

将公式三带入公式二，表示为轴重的形式，出现公式四：

d=0.26P（1+av）（k Pd），公式中，P表示静轴重。这和计算路基荷载的公式基本相同。

路基面动荷载分布

对于基床中动应力的衰减系数分布，按照规定，路基机床表层的填料性能与压实要求要高于底层，计算表层厚度为0.6m与表层底部的模量比为2，再与实测资料进行对比，见下图。为了对比和消除它因素在测试绝对值时的影响，途中对路基面的动应力做了规划处理，表示了动应力的衰减系数。

动应力衰减系数

三、基床表层的使用材料

第 5 页 共 7 页

基床表层有许多重要的功能，其中一项是避免降水渗透基层造成的填土强度降低、软化现象发生。因此在设计时要努力降低基床表层的降水渗透，试验研究表明，基本不含细颗的级配砂砾石在每立方干重度大于2.15kg的时候渗透系数会减少。因为在长期的动力作用影响下要想长期保持稳定性就需要对材料的来源材料的刚硬度进行研究。目前我们知道的适用于进项填土的材料可以分为A类、B类和一些其它的材料。在进行基床表层的材料填充时应该优先选择A类的材料，还要合理控制颗粒的直径，应当小于150mm，当选用其它的材料进行填充的时候要保证塑性指标在12以下，并且其液限要控制在32%以内。

四、工程实践特殊路基分析

结合我国一些特殊地方的铁路路基进行分析，具体情况具体对待，在一些低山丘陵区，铁路路基基床的覆盖厚度大约在5-24m，填方地段大约有8km长，挖方地段大约要20km长，边坡高度在14-25m之间。取样分析了该地区的膨胀土类型，根据设计的要求我们知道，作为路堤的填充材料膨胀土是不可能直接运用的，因此需要对其进行加固、改良的处理。通过研究分析，采用经过改良的路堑弃碴。

根据实际情况我们可以知道路基的破坏形式可以分为深层和浅层两种，深层破坏造成的后果比较严重，容易发生坍塌、滑坡等现象，浅层破坏只会造成局部不能使用或者冲蚀等现象，因此也需要了解路堑设计。

路堑设计是为了对挡土墙进行加固，一般使用的材料为骨架式的混凝土方格，在内栽种一些植被防止滑坡现象的发生。

结语：

第 6 页 共 7 页

高速铁路的开通，让我国铁路技术的整体水平有了很大的提高，重载货运线路的使用频率越来越高，这在一定程度上加大了铁路路基的负担，尤其是受动应力影响较大的顶部机床，我国幅员辽阔，地质条件极为复杂，特殊的地基问题普遍存在，现阶段有许多问题需要铁路工程技术人员解决，我们一要不断吸取国外先进的科学成果，另一方面要加深自我创新能力，进行自主研发，把我们的铁路建设推向更高的层次。

参考文献：

[1]毕光.铁路路基病害的成因与整治措施[J].城市建设理论研究，2013（12）

[2]罗一农.可靠性研究与铁路路基工程结构[J].城市建设理论研究，2013（12）

[3]韩自力.张千里.既有线提速路基动应力分析[J].中国铁道科学，2009（5）

第 7 页 共 7 页