论文：高速铁路路基结构设计方法现状与发展趋势

德国高铁路基结构自上Ⅱ 为保护层、防 冻层、土路基层。路基保护层和防冻层与我国高铁 路基基床表层的功能一致，其总厚度根据路基保护

图9法国高铁路基基床结机

交通标准表5法国路基压实标准

层要求达到的变形模量值确定。土路基层与我国高 铁路基基床底层、路堤本体的功能保持一致。根据 各个受力层的特征与填筑料的工程性质，采用变形 模量E、动态变形模量Ed、压实系数K和气隙率 等多个综合指标，控制路基的压实状态，并评价 相应的压实质量[20]。德国路基的标准断面和压实 标准分别如图10和图11所示。图中：KG1和KG2 分别为颗粒混合料1和颗粒混合料2；GW为级配 良好的砾石；GI为粒径缺失的砾石；GE为级配不 好的砾石；SE为级配不好的砂；SW为级配良好 的砂；SI为粒径缺失的砂；GU为粉土质砾石； GT为黏土质砾石；SU为粉土质砂；ST为黏土质 砂；GU，GT，SU及ST*分别为粒径小于0.06 mm的颗粒含量在15%~40%的粉土质砾石、黏土 质砾石、粉土质砂及黏土质砂；UL为弱塑性粉 土；UM为中塑性粉土；TL为弱塑性黏土。具体 压实标准见表6

高速铁路路基结构设计方法现状与发展趋势

图10德国高铁有雄轨道路基的标准断面和压实标准（单位：m）

11德国高铁无雄轨道路基的标准断面和压实标准（单位

表6德国路基压实标准

综上，为满足使用上的需求，各国高铁路基基 床表层一般采用分层强化结构体系，如德国针对有 碓轨道将其分为保护层、防冻层，无诈轨道分为水 硬层、防冻层；法国分为诈垫层、底基层和防污 层；日本分为沥青、混凝土和碎石的基床表层。为 了确保传力路径明确、施工简便，中国基床表层采 用的是单一结构体系。 填料方面，中国采用级配碎石修筑基床表层， 级配碎石的颗粒级配、防渗性等特性与法国、德国 基本保持一致。 控制路基压实质量方面，中国综合选用压实系 数、地基系数和动态变形模量等作为指标，评价采 用级配碎石、砾石类及砂石类土修筑路基的压实质 量；对此，日本使用地基系数和压实系数，法国和 德国采用压实系数和变形模量。所有国家针对压实 系数的使用是一致的，具体见表7。

2高铁路基基床结构设计方法

2.1.1动应变临界值的确定

高速铁路路基动应力和动变形计算时，列车轴 重及轨道结构参数的选取较为一致，而对结果影响

表7各国压实参数种类和使用情况

较大的填料模量的选取则存在很大不同。根据试验 茯取的剪切模量比G/Gmax（实际剪切模量与最大 剪切模量的比值）与应变的关系如图12所示。 由图12可见，填料模量随应变的增大呈现非线性 衰减趋势。考虑到变形模量与剪切模量之间的等比 算关系，变形模量的计算参数取值应基于压实检 测指标和填料非线性特性确定。为避免基床出现累 织变形，基床应变应控制在一定范围内。不产生体 积效应的临界应变对应的临界剪切模量比约为 .65，一般介于图中2条近似水平的虚线之间，所 以变形模量应取最大模量的0.65倍

图12剪切模量比与应变的关系

，1.2道床初始动荷载目

在计算有雄轨道路基动荷载时，将动轮载按比 例分担到轨枕上，按照式（1）计算道床顶面上的 动荷载[15]，并将轨枕的有效支承面积处理为荷载 的分布面积，如图13所示。图中：6为轨枕平均宽 度；e为轨枕平均有效支承长度；F。为动轴重

图13列车荷载在道床顶面的分布

中力，并乘以相应的动力系数，作为列车设计动 荷载，

基床表层及道床的计算模量在缺少实测试验资 科时，级配碎石基床表层取180MPa，碎石道床可 取300MPa。基床底层的计算模量选取，应考虑应 变水平对模量的非线性影响。K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=0.23K30。依据 图9可计算出填料变形模量Eax。由于设计需要偏 于安全，取基床底层计算模量等于临界应变对应的 模量，即E=0.65Emx

2.1.4路基动应力与动变形

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，利用布辛尼斯克解

析解，得到路基的动应力和动变形

2.1.5基床表层厚度

设定不同的基床表层厚度，采用布辛尼斯克公 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。 上述高铁路基结构设计方法已纳入TB10621 2014《高速铁路设计规范》

日本高铁强化基床结构采用路基顶面变形量控 制方法【18]。基于公路沥青路面的有益工程经验 采用挠曲角控制基床表层的结构变形不宜过大 以防止结构发生挠曲开裂，如图14和图15所示。

图14公路路面挠曲角控制标准

图15高铁路面挠曲角控制标准

基于有限元方法，进行不同基床强化结构性能 的检算：①混凝土基床表层要进行破坏安全性、疲 劳破坏安全性及使用性的检算；②沥青基床表层需 要分别针对由沥青混合物层的疲劳破坏决定的使用 寿命及沥青基床表层表面的位移进行检算。对应沥 青混合物层疲劳破坏的允许荷载次数，由沥青混合 物层底面的应变求得，日本采用有限元法来求算沥 青混合物层应变。若检算结果不能满足预期的使用 寿命，则应增加沥青混合物的厚度。也可考虑增大 轨枕尺寸、降低轨道垫板弹性、强化基床或采用高 品质的沥青混合物等措施

德国按路基顶面变形模量要求，确定高铁基床 表层厚度【19]。高铁路基保护层厚度设计要保证整 个承载体系具有足够的承载力，且不受冰冻的不利 影响。保护层需要分别进行承载力设计计算和防冻 害设计计算。通过这2种设计，确定保护层的最大

高速铁路路基结构设计方法现状与发展趋势

厚度。 无诈轨道中，根据结构形式的不同，将保护层 划分为水硬性和非水硬性2种类型，分别进行厚度 的设计与计算。有诈轨道中，作为承载层的保护层 厚度与路基土或原地基表面的变形模量EPL、修筑 保护层的填料变形模量E。、保护层路基表面的变 形模量Ep有关。基于德国联邦铁路实施指南DS 836《土工建筑物规范》中路基保护层厚度计算图 图16），根据路基土承载力和要求的路基承载力 确定作为承载层的保护层厚度。保护层路基表面变 形模量Ep依据E2确定。作为防冻层的保护层厚 度，依据大气冷量总和与年平均温度进行设计 计算

图16保护层厚度的设计计算图表（单位：MPa

根据路基变形模量的要求，确定基床保护层厚 度的方法来源于公路路基设计。测定公路路基面变 形模量的试验荷载与使用荷载相似。当满足试验荷 载要求时，便也满足使用荷载。但是，高铁中由于 变形模量的试验荷载与使用荷载在作用范围上存在 较大差异，虽然表面达到相同变形模量的路基，但 使用时可能表现出差异性的工作性能，这也造成确 定不同等级铁路路基表层变形模量限值，缺乏必要 的依据

美国和南非等通过控制基床表层下填土强度， 确定高铁道床和垫层厚度。为了保护下部填土，要 求作用在下部填土上的应力小于其允许应力[23]。 充许应力的确定有多种衍生形式，有采用静强度进 行计算，也有采用动强度进行计算。各种强度的确 定方式多种多样。该方法适用于重载铁路路基基床 病害等基床破坏性问题，而对高铁变形有严格要求 的情况却难以实施。在微小变形要求下，强度的定 义及确定方法成了难以突破的问题

综上，自前各国高铁路基基床结构设计方法包 括：路基顶面变形量控制方法、路基底面变形模量 控制方法、基床表层下部填土强度控制方法等。我 国以路基面动变形、基床底层动应变为控制指标， 进行设计。这些设计方法未考真正意义的循环振 动荷载，且假定路基为弹性半空间体，简化了路基 结构建造与服役阶段的动力过程，将动力学问题转 化为静力学问题。设计方法假定条件过多，设计精 细化程度相对不足，且无法计算循环列车荷载对路 基变形的累积效应

3高铁路基累积变形预测方法研究

3.1循环荷载作用下路基士累积变形

蔡英等27开展了黏土三轴循环荷载作用试 验，得到累积朔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，2类 曲线分别向着破坏和稳定趋势发展。王龙等[28]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 1%作为路面结构可接受的变形为依据。Werk meister等[28]将不同应力水平下路基累积塑性应变 曲线，分为塑性安定、塑性螺变和增量破坏等阶 段。Minassian[29]根据累积朔性应变，将路基划分 为3个状态：稳定状态、临界状态和不稳定状态。 Hoff以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。可见，随着荷载 作用次数的增加，不同应力水平下粗粒土的累积塑 性变形表现出不同的状态。 目前，很难定量计算累积塑性变形。在满足工 程使用要求范围内，路基不发生塑性累积变形的前

提条件下，进行结构设计，仍是可行的方法。由于 高铁轨下基础变形要求严格，如何科学、合理进行 主返循环荷载作用下基床结构累积塑性变形状态分 类、判别与控制等，仍需要做深入系统的研究。

3.2列车运行引起路基累积塑性变形计算模型

估算累积塑性变形是循环荷载作用下路基土变 形特性研究的重要内容之一。铁路发展过程中，已 提出多种路基循环累积沉降计算模型，大致分为经 验模型和弹塑性力学理论模型水利水电标准规范范本，其中有些模型已用 于实际工程中[26]

初期，常采用动三轴试验结果，以应力水平 可载作用次数等为变量，建立经验的路基累积沉降 模型[24.26]，警如指数、对数和幂函数模型等，并 以Monismith【31]提出的指数模型应用最为广泛 这些模型具有形式单一、参数少和应用便利等特 点。应该说，如果有很好的试验结果，采用这些模 型时，能够较准确地预测路基累积变形发展趋势， 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，Li和Selig[32]引人土体强度参数和应力 条件，建立了交通荷载作用下路基土体沉降计算公 式。随后，Chai和Miura[33]基于Li和Selig的模 型，建立了考虑初始静偏应力的指数经验公式。陈 颖平等[34]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Li和Selig经 验公式，据此建立了应变预测模型，很好地描述主 样破坏前变形规律。但是，采用该模型计算随着循 不次数增加得到应变也趋于无限大，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。Wichtmann等[3]利用动三轴试验 结果，修正Niemunis等的砂土累积变形的HCA模 型，提出了适用非黏性土体的累积变形模型，能够 苗述复杂边界的路基累积变形规律。边学成等 基于路基土体动三轴试验结果，建立了不同加载循 环次数作用下土体累积塑性应变增量的计算公式

Abdelkrim等[37]、Chazallon等[38]】和Karg等[39] 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。但是，一般需要试验确 定并提供较多的计算参数，计算量很大，而且若计 算参数不够准确时预测误差偏大。王娟和余海

下限解。张宏博【41]引人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。Degrande等[42]修改了表述滑动摩擦和体积压 密变形机理的屈服函数与塑性应变表达式，建立了 适用小幅荷载作用下颗粒土循环累积变形模型。 总之，高铁路基函须发展精度和计算效率更高 的路基累积变形计算模型。经验模型虽然可以用于 实际工程中，但是一般难以满足计算精度要 求【24.26]。基于粗颗粒填料弹塑性动本构模型，建 立路基全过程累积弹塑性模型是一个发展趋 势[36.43]。这类模型中，如何考虑塑性累积效应与 便化特征、颗粒破碎规律和能量耗散特征等便成为 驱须认真对待的技术难点

上文系统总结并分析了中国、日本、法国、德 国和美国等国家高铁路基基床结构形式与设计方 法，指出该设计方法存在的一些问题，得到如下基 本认识与结论。 （1）各国高铁路基基床普遍采用层状的强化结 构，为了满足使用的高要求，基床表层常采用统 的双层、多层结构。我国高铁基床表层为单一结构 体系，填料采用级配碎石，施工简便、传力路径清 晰。压实质量控制方面有多种检验参数，各国的控 制指标与各自理解和习惯有关，其目的均是为了有 效控制填土质量。各国高铁均采用压实系数作为压 实质量控制指标。我国采用压实系数、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 沙石类填料的压实状态。 （2）各国高铁路基基床结构设计方法主要包

高速铁路路基结构设计方法现状与发展趋势

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