生的动应力与路基自重应力之比为0.2的原则确定。
动应力沿路基深度的分布,采用布氏(Boussinesq)理论计算。在长方形均布荷载作用下,荷载中心下深度为z处的垂直应力可用下式计算:
2P0?m?n1?m2?2n2m????arctan???1?m2?n21?n2m2?n2n?1?m2?n2????? ?(说明6.3.1-2)
?式中 m=a/b,n=z/b
P0——荷载强度;
a,b——长方形荷载的边长之半; z——深度(m)。
计算结果表明:当动应力与自重应力之比为0.2时,深度约为3.0m。因此,将基床厚度定为3.0m。
(2)基床表层厚度
“高速铁路路基设计技术条件研究”提出基床表层厚度由以下两个方面原则确定:
变形控制――在列车荷载作用下,以路基顶面变形量不大于3.5mm为控制条件;
强度控制――以作用在基床底层顶面的动应力不大于填土允许应力为控制条件。
1)对于由基床表层和基床底层所组成的双层弹性地基,其上作用长方形的均布荷载时,中心点的沉降可用下式计算:
2??221?m?n1?q3?m2bP0(1??)??W0???ln 2?E2223??1?m?n?q?m1??222?mln1?m?n?q1?m?n?q221221331?11?2??n1q3? (说明6.3.1-3) 1???1
arctann1qm131?m?nq22123??(1?1)??q ??2?m2?1?1???2?lnm?1?m?mln?? q?m???????式中 n1=h/b q=E1/E2 h——基床表层厚度; E1——基床表层弹性模量; E2——基床底层弹性模量; m——荷载长宽比; μ——泊松比。
按W0<3.5mm作为控制条件。
当基床表层变形模量E1=210 MPa,基床底层变形模量E2=34 MPa时,基床表层厚度70cm,能够满足W0<3.5mm的控制条件。
2)按填土允许应力控制条件时,根据“高速铁路路基设计技术条件研究”报告,当压实度K=1.0时,基床表层厚度约需0.6m左右;若压实度K=0.95,则基床表层厚约需0.8m左右。
综合变形控制与强度控制两方面的计算结果,取基床表层厚为0.7m。 (3)基床表层级配碎石
基床表层的材料应具有较高的强度和弹性模量以及耐磨、透水等特性。 级配碎石是德国、法国、西班牙、日本高速铁路基床表层普遍使用的材料。它们是用粒径大小不同的粗细碎石集料和砂各占一定比例的混合料,其颗粒组成符合密实级配要求,经压实形成密实结构,其强度的形成是靠集料间的摩擦力和细粒土的黏结力。只要保证组成材料质量,使混合料具有良好的级配,在施工过程中,将混合料掺拌均匀,在最佳含水量下压实,达到要求的密实度,就能形成较高的力学强度和水稳性。但对级配碎石必须严格控制其细集料的液限和塑性指数,亦即严格控制0.5mm以下细粒土
的含量,细粒土含量过高,将使塑性指数增大,降低集料的强度和刚度,同时其水稳性也差。
高速铁路基床表层级配碎石的主要功能有: 1)传递、扩散轨道荷载,减振、隔振和降低噪声; 2)隔温和防止基床及路基冻害;
3)防止碎石道床面砟颗粒和路基土的相互渗混; 4)防止暴雨时地表水对路基面的冲刷和地下水的上渗。
因此,级配碎石材料必须有严格的材质性能要求和适当的粒径级配。 为了降低铁路建设成本、便于施工,基床表层选料原则上应就近取材,其料源可选用开山块石。
开山块石其原料较单一,材质较均匀,只要加工工艺上采取有效措施剔除粘土及其它杂物,可以保证成品的清洁度,而且成品粗颗粒表面为破碎面,铺设碾压之后稳定性较好,不易被雨水冲刷流失等特点,是级配碎石的首选原料。
本规范级配碎石粒径级配基本沿用了《铁路碎石道床底砟》标准,为协调基床表层与上部道砟粒径级配的匹配关系,将原《铁路碎石道床底砟》标准4.2条表1中的16mm、25mm颗粒粒径分别改为22.4mm和31.5mm。
级配碎石层与上部道床之间应遵守防止渗混、穿透准则,保证相邻层粒径之间的良好的匹配,以及便于碾压密实等性能。
1)层间反滤准则 其具体检验公式如下:
D15d85?4 (说明6.3.1-4)
特级道砟的级配曲线中D15对应的上限为34.8mm,而图6.3.2中级配碎石的d85对应的下限为17mm,代入说明式6.3.1-4得2.05,故满足防止渗混、穿透准则。
2)层间匹配
为了保证散粒体相邻层粒径之间的相互匹配,不致相隔太远,造成层
与层之间的级配间隙,国际上一般规定如下检验公式:
D50d50?25 (说明6.3.1-5)
特级道砟的级配曲线D50对应的上限为44.5mm,而图6.3.2中级配碎石的d50对应的下限为2.0mm,代入说明式6.3.1-5得21.7小于规定值25,说明特级道砟和级配碎石之间的具有良好的匹配。
3)碾压、密实性
为了便于碾压密实基床表层级配碎石,级配碎石材料应具有一定的不均匀性,我国没有该方面的研究资料,故参照德国高速铁路路基保护层标准,规定了高速铁路的不均匀系数Cu=
4)渗透性
基床表层要求具有良好的透水性能,德国控制粒径小于0.063mm的细颗粒份额不大于5%、同时破坏试验之后不大于7%,压实后渗透系数不小于5*10-5m/s。京津城际、沈大客运专线等寒冷地区铁路在设计过程中为提高防冻能力,借鉴了德国标准。
为了保证基床表层级配碎石自身的防冻性能,根据Casagrande防冻准则,当不均匀系数Cu大于15时,0.02mm以下颗粒含量不得大于3%。同时借鉴秦沈线经验,寒区铁路细颗粒含量有必要进一步控制,粒径0.1mm以下含量应控制在5%以内。
(4)防排水层
日本在高速铁路路基表面设置沥青混凝土层以加强基床排水和防冻,德国由于强调防冻层的渗透性能,一般不设置防排水层。
2007年7月13日在北京召开了 “京津城际铁路路基基床表层防排水结构方案”专家审查会,会议认为防排水层设置于基床底层顶面更为有利,因此在京津城际铁路在路基基床底层表面铺设1cm厚的单层沥青表面处治封层;正线无砟轨道混凝土支承层至电缆沟之间范围基床表层顶面铺设1cm
D60不得小于15。 D10
厚稀浆封层+1cm厚单层沥青表面处治;车站到发线有砟轨道基床表层顶面铺设4cm密级配细粒式沥青混凝土(AC-13F)。
(5)关于压实标准
对于高速铁路压实标准体系的确定,铁道部建设司采取了非常审慎的态度,组织了多次研究:
1)2007年10月20日,铁道部建设司在北京组织召开由铁五院主持的“用Ev2评价客运专线路基压实质量研究”科研成果评审会。会议肯定了课题组提出的“地基系数K30和变形模量Ev2都可以作为路基压实质量控制力学指标,可在两者之间选择一个作为控制指标,不宜同时采用”。在指标取舍的问题上则存在不同意见,主张采用变形模量Ev2的专家认为 “变形模量Ev2更能反映土体自身模量参数,试验方法受影响的因素较少”,主张采用地基系数K30的专家认为“K30经过多年的研究和应用,已积累了丰富经验,且现行规范体系已经形成”。评审会同时指出K30试验方法需改进,采用Ev2时应增加Ev2/Ev1控制指标。
2)2007年10月25日,铁道部建设司在合肥组织召开由铁科院主持的“铁路路基工程改良土有关参数及压实标准的研究”科研成果评审会。
评审意见认为,考虑到K30、Ev2对化学改良土的压实质量不起主控作用的实际情况,建议采用无侧限抗压强度和压实系数作为化学改良土的压实质量控制指标。
3)2008年1月4日,铁道部建设司在北京组织召开由西南交通大学主持的“用Evd评价路基压实质量研究”科研成果评审会。课题组通过室内填筑测试试验和试验数据的统计分析,研究了填料压实指标K30与动态变形模量Evd的对应关系。
4)2008年9月9日,铁道部建设司在北京组织召开了“铁路路基压实标准研讨会”形成主要意见如下:压实系数是路基压实质量控制的基本指标,应作为压实质量控制的主控项目。基床表层级配碎石压实质量宜采用压实系数K及力学指标进行控制。目前级配碎石压实系数检验的试验规程及标准待研究确定,暂延续采用孔隙率n作为级配碎石压实质量检测的物