高速铁路基床病害研究
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高速铁路路基承受的动力效应增大，如果按照传统的基 床设计标准，更容易产生基床病害，因而基床设计需要进行 专门研究。
"$% 高速铁路的设计荷载
根据wenku.baidu.com国的实测和理论分析，参考日本的简化计算方法，
高速铁路路基的设计荷载计算公式为［!］：
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式中，"——— 系数，对高速无缝线路，""QRQQS，对中速无缝
第!"卷 第O期
中国安全科学学报
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高速铁路基床病害研究
张振刚! 张鸿儒! 教授 郭小红" 谢永涛!
利用动三轴试验研究了饱和度的变化与非饱和土体抗
剪强度参数的关系。试验结果如表’所示：
图+ 填土动强度和荷载沿深度 变化曲线
在此交点深度以上的基床范围，荷载的动应力大于土的 临界动应力，需加固处理或换填优质填料，以提高临界动应 力。秦沈客运专线的基床表层取了1(2%。
# 动力三轴试验
为研究雨水透过基床表层渗入基床底层对填土动强度的 影响，对基床底层的填土做了不同饱和度下的动力三轴试验。
【关键词】 高速铁路 基床病害 动力三轴试验
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临界动应力 随 着 围 压 增 加 而 增 加，随 着 频 率 增 加 而 减 少。这说明随着线路速度的提高，路基病害迅速增加；基床 临界动应力小，更容易破坏。临界动应力是动强度的反映， 可通过不同围压试验，得到土的动强度指标。小应力的多次
可施加动荷载，并可选择采用应力或应变两种控制模式。加 荷过程由伺服双向反馈控制，有各种错误检测功能避免意外 发生。围压由气压机提供，最终由水压来完成。整个试验过 程由总控制箱控制。试验方案由计算机以模式化程序输入， 试验过程中产生的各种试验数据（轴向应变、径向应变、轴压、 围压、孔压、时间）及由计算产生的各种试验数据（如有效应 力、球应力等）被计算机自动采集储存。同时可利用计算机界 面来跟踪试验进度，绘出需要的试验曲线。
#"# 试验方案和结果分析
对不同饱和度的土样在周期荷载作用下进行动力三轴
试验，模拟列车荷载的作用。采用径向应力和循环动应力幅
与循环次数及达到的轴向应变值间的关系作为粘性土在循
环荷载作用下的强度指标，并由此求出动强度参数。试验结
果分析发现，循环荷载作用下土样被剪切而破坏时体积应变
不大，可以认为土样破坏时的饱和度等同于初始饱和度。
#"! 原状土样的制备
试验 土 样 采 用 粘 性 土，做 了 ,( 个 不 同 饱 和 度 的 土 样。 试验 采 用 圆 柱 形 土 样 模 拟 土 单 元 体。试 样 直 径72%，高 *2%。根据《土工试验规程》测定原状土的物理特性指标，测 得的结果如表+所示。
含水量 ;
+=-’
表$ 土的物理力学指标
由原状土制备不同饱和度的土样。因原状土含水量高， 为获得其它 饱 和 度 稍 低 的 土 样，采 用 了 烘 干 原 状 土 体 的 办 法：将原状土体放入烘箱，控制每批土样的烘干时间，取出土 样后，密封静置,天，测定每批土体的含水量、密度，计算相 应的饱和度。
着深度的增加曲线叠加在同一张图上，其交点表示所要求的 基床表层深度（图+）。
线路，" "QRQQT；
第六期
张 振 刚 等 ：高 速 铁 路 基 床 病 害 研 究
·+*·
###############################################################
!!——— 路基面动应力（!"#）； "#——— 机车车辆静轴重（!$）； $——— 设计速度（!%／&）。 秦沈客运专线："# %’’()$，最高速度$ %’((!%／&，计 算得!! !*’"+(,!"#（#%(-((,）。
国外高速铁路都在基床和道床之间设置一层过渡层，称为强
化基床表层，该层次可有效的阻止雨水渗入基床底层，从而杜
绝了基床病害，保证了基床的承载力。笔者通过国外高速铁
路的建设经验并结合我国铁路建设的施工实践，对我国高速 铁路的基床表层可行性做了分析。
!"# 秦沈客运专线基床填料的选取和压实标准
秦沈客运专线采用"#$% 厚的级配碎石和级配砂砾石 作为基床表层。秦沈客运专线基床表层的压实标准有两个 控制指标：&!#承载板试验 &!#值和孔隙率指标’，如表!。 不同线路上的压实标准比较见表(［(］。
少雨水入渗。
试验采用 345676-’／4854549:!双向液压伺服土工动 三轴仪。仪器由施压控制系统、实时控制系统、进排水系统、
三轴室、各种传感器元件所组成。配套系统有：电动机、空压
机、计算机辅 万助方系数统据。其中施压系统包括径向和轴向，双向均
% 基床病害的解决措施
列车荷载重复作用下路基表现出的动力特性是引起线
道床，阻塞排水通道，如此反复形成翻浆冒泥。雨水长期渗 层，因而不能从根本上消除基床病害，是一个安全隐患。
入基床底层，局部积水会造成局部强度降低，在高速铁路动 应力作用下，就会造成基床病害［!］。
从动三轴试验结论看出，基床土的动强度随着饱和度的
增加而明显降低，当动强度低于临界动应力时，就会产生基床
病害。因此，必须采取有效措施防止降水进入基床和路基。
（!#北方交通大学土建学院，"#建设综合勘查研究设计院）
学科分类与代码：!"#$%#&# 基金项目：国家自然科学基金资助项目（基金号：’()*)##&）。
【摘 要】 结合我国第一条高速铁路———秦沈客运专线，对高速铁路基床的受力状态和作用做了简要的论
述。针对基床的受力情况作了土的动力三轴试验，得出了随着土饱和度的增大土的动强度会大大降低的结论，从而 论证了基床表层防渗功能的重要性。分析了基床病害发生的机理，指出水渗入基床、造成土的动强度降低是高速铁 路产生基床病害的根本原因。结合国外高速铁路的经验，指出采用强化基床表层是消除基床病害的根本措施。
造成基床病害的原因有几个因素：基底上有软弱层；地
大下部水分浸是泡由基 万于底方基；列数床车据表对层基的底质的量动不力高作所用引。起我的国，因铁而路提路高基基病床害
表层质量至关重要。
" 高速铁路基床受力的特点
高速铁路和普通线路相比，基床承受的列车荷载动力效 应显著增大，并且随着运行速度的增加而增大；路基的动力 特性对列车正常运行影响增大，需要采用动力学的理论进行 路基设计；因为动力作用的增大，动荷载影响深度增加，因此 和普通线路相比高速铁路的基床的厚度大、建设标准高。
鉴了日本的经验，图1为我国与日本高速铁路基床表层，左 侧为日本的型式，右侧为中国的型式。日本国铁的强化基床
是由于积水后基床强度低于列车荷载产生的动应力，在过大 表层和我国采用的基床表层型式比较发现：我国的基床表层
的动应力作用下形成泵作用，使道碴陷入基床，基床土移向 是标准比较高的土质基床表层，但不能阻止雨水渗入基床底
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中国安全科学学报
第.1卷
·1#·
567’+ 8+9:;< 8$7:’$: =>?@’+A
1##1年
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路运行条件恶化的主要因素之一。过大的动应力会引起翻 浆冒泥，表面上看是由于基床排水不畅、积水造成的，实际上
变化对&! 和$! 有明显影响的范围是（,7’>"() "6(’,）；在 此范围内，随含水率（饱和度）的增大，&! 和$! 明显降低，当土 样饱和度高于6(-,* 时，含水率增大对&! 和$! 值影响很小。
从试验结果 可 以 看 出，当 水 从 基 床 表 层 渗 入 基 床 底 层
时，基床底层和路基的动强度大大降低。因此，必须尽量减
!"! 基床的动力特性
基床承受的荷载是列车长期往复作用的动应力，在它的 作用下，基床的破坏或者产生过大的变形不是短期发生的， 而是长期发展的结果。西南交通大学采用成都粘土做了动 三轴试验，得出了累计应变和荷载重复次数、频率、围压的关 系［’］。试验表明：土体存在一个临界动应力，如果外应力小 于这个值，土的塑性累计应变会趋于稳定；否则，土的塑性应 变就会不断累积、发展直到土体发生破坏。
我国普通铁 路 的 基 床 病 害 是 非 常 严 重 的，超 过 线 路 的 !OP的线路存在病害。我国按照现行铁路路基设计规范设 计的新线，有不少地段依然出现基床病害。日本是世界上第 一个修建高速铁路的国家，在修建第一条高速铁路———东海 道新干线时，由于对基床表层重要性认识不足，未采取有效 措施，运 营 后 不 久，就 出 现 严 重 的 基 床 病 害，运 营 速 度 由 "!QLD／+降低到了不到!QQLD／+，严重影响了正常运营。秦 沈客运专线是我国兴建的第一条高速铁路，为我国高速铁路 建设提供了经验。
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%引 言
基床是指路基上部直接承受列车动应力作用的部分，基 床表层是指基床上部直接和道床相接，承受列车荷载较大的 部分。基床病害会严重影响线路的正常运营，并危害行车安 全；对于高速铁路，基床病害严重时，会使得列车无法达到设 计速度，因而防治基床病害具有重要的意义。
密度 土粒比重 孔隙 饱和度
<／2%, <／2%,
比
;
+-6+
’-1* (-=> 1,->
塑性 指数 +>-(
重复作用可能导致动强度不足而破坏，或者发生过大的累积 变形。因此，应该按照动力学的理论进行路基设计。
!"# 确定基床表层厚度
英国学者 ./#0&提出按照临界动应力控制基床表层的设 计思想。把荷载动应力沿深度的衰减曲线与路基土动强度随
#"$ 试验仪器
表! 饱和度与土的动力指标关系表
含水率
饱和度 内凝聚力（!"#） 内摩擦角
+(-,
,7->
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’+-(>
+=-’
1,->
+’-7
+=-6’
’’-(
6(-,
=-’
+’-*(
’=-6
+((
7-(
+’-7,
试验表明：饱和度的变化对非饱和粘性土的粘聚力和内
摩擦角均有明显影响。试验结果分析认为：含水率（饱和度）
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高速铁路基床病害研究
张振刚! 张鸿儒! 教授 郭小红" 谢永涛!
利用动三轴试验研究了饱和度的变化与非饱和土体抗
剪强度参数的关系。试验结果如表’所示：
图+ 填土动强度和荷载沿深度 变化曲线
在此交点深度以上的基床范围，荷载的动应力大于土的 临界动应力，需加固处理或换填优质填料，以提高临界动应 力。秦沈客运专线的基床表层取了1(2%。
# 动力三轴试验
为研究雨水透过基床表层渗入基床底层对填土动强度的 影响，对基床底层的填土做了不同饱和度下的动力三轴试验。
【关键词】 高速铁路 基床病害 动力三轴试验
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临界动应力 随 着 围 压 增 加 而 增 加，随 着 频 率 增 加 而 减 少。这说明随着线路速度的提高，路基病害迅速增加；基床 临界动应力小，更容易破坏。临界动应力是动强度的反映， 可通过不同围压试验，得到土的动强度指标。小应力的多次
可施加动荷载，并可选择采用应力或应变两种控制模式。加 荷过程由伺服双向反馈控制，有各种错误检测功能避免意外 发生。围压由气压机提供，最终由水压来完成。整个试验过 程由总控制箱控制。试验方案由计算机以模式化程序输入， 试验过程中产生的各种试验数据（轴向应变、径向应变、轴压、 围压、孔压、时间）及由计算产生的各种试验数据（如有效应 力、球应力等）被计算机自动采集储存。同时可利用计算机界 面来跟踪试验进度，绘出需要的试验曲线。
#"# 试验方案和结果分析
对不同饱和度的土样在周期荷载作用下进行动力三轴
试验，模拟列车荷载的作用。采用径向应力和循环动应力幅
与循环次数及达到的轴向应变值间的关系作为粘性土在循
环荷载作用下的强度指标，并由此求出动强度参数。试验结
果分析发现，循环荷载作用下土样被剪切而破坏时体积应变
不大，可以认为土样破坏时的饱和度等同于初始饱和度。
#"! 原状土样的制备
试验 土 样 采 用 粘 性 土，做 了 ,( 个 不 同 饱 和 度 的 土 样。 试验 采 用 圆 柱 形 土 样 模 拟 土 单 元 体。试 样 直 径72%，高 *2%。根据《土工试验规程》测定原状土的物理特性指标，测 得的结果如表+所示。
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表$ 土的物理力学指标
由原状土制备不同饱和度的土样。因原状土含水量高， 为获得其它 饱 和 度 稍 低 的 土 样，采 用 了 烘 干 原 状 土 体 的 办 法：将原状土体放入烘箱，控制每批土样的烘干时间，取出土 样后，密封静置,天，测定每批土体的含水量、密度，计算相 应的饱和度。
着深度的增加曲线叠加在同一张图上，其交点表示所要求的 基床表层深度（图+）。
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化基床表层，该层次可有效的阻止雨水渗入基床底层，从而杜
绝了基床病害，保证了基床的承载力。笔者通过国外高速铁
路的建设经验并结合我国铁路建设的施工实践，对我国高速 铁路的基床表层可行性做了分析。
!"# 秦沈客运专线基床填料的选取和压实标准
秦沈客运专线采用"#$% 厚的级配碎石和级配砂砾石 作为基床表层。秦沈客运专线基床表层的压实标准有两个 控制指标：&!#承载板试验 &!#值和孔隙率指标’，如表!。 不同线路上的压实标准比较见表(［(］。
少雨水入渗。
试验采用 345676-’／4854549:!双向液压伺服土工动 三轴仪。仪器由施压控制系统、实时控制系统、进排水系统、
三轴室、各种传感器元件所组成。配套系统有：电动机、空压
机、计算机辅 万助方系数统据。其中施压系统包括径向和轴向，双向均
% 基床病害的解决措施
列车荷载重复作用下路基表现出的动力特性是引起线
道床，阻塞排水通道，如此反复形成翻浆冒泥。雨水长期渗 层，因而不能从根本上消除基床病害，是一个安全隐患。
入基床底层，局部积水会造成局部强度降低，在高速铁路动 应力作用下，就会造成基床病害［!］。
从动三轴试验结论看出，基床土的动强度随着饱和度的
增加而明显降低，当动强度低于临界动应力时，就会产生基床
病害。因此，必须采取有效措施防止降水进入基床和路基。
（!#北方交通大学土建学院，"#建设综合勘查研究设计院）
学科分类与代码：!"#$%#&# 基金项目：国家自然科学基金资助项目（基金号：’()*)##&）。
【摘 要】 结合我国第一条高速铁路———秦沈客运专线，对高速铁路基床的受力状态和作用做了简要的论
述。针对基床的受力情况作了土的动力三轴试验，得出了随着土饱和度的增大土的动强度会大大降低的结论，从而 论证了基床表层防渗功能的重要性。分析了基床病害发生的机理，指出水渗入基床、造成土的动强度降低是高速铁 路产生基床病害的根本原因。结合国外高速铁路的经验，指出采用强化基床表层是消除基床病害的根本措施。
造成基床病害的原因有几个因素：基底上有软弱层；地
大下部水分浸是泡由基 万于底方基；列数床车据表对层基的底质的量动不力高作所用引。起我的国，因铁而路提路高基基病床害
表层质量至关重要。
" 高速铁路基床受力的特点
高速铁路和普通线路相比，基床承受的列车荷载动力效 应显著增大，并且随着运行速度的增加而增大；路基的动力 特性对列车正常运行影响增大，需要采用动力学的理论进行 路基设计；因为动力作用的增大，动荷载影响深度增加，因此 和普通线路相比高速铁路的基床的厚度大、建设标准高。
鉴了日本的经验，图1为我国与日本高速铁路基床表层，左 侧为日本的型式，右侧为中国的型式。日本国铁的强化基床
是由于积水后基床强度低于列车荷载产生的动应力，在过大 表层和我国采用的基床表层型式比较发现：我国的基床表层
的动应力作用下形成泵作用，使道碴陷入基床，基床土移向 是标准比较高的土质基床表层，但不能阻止雨水渗入基床底
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从试验结果 可 以 看 出，当 水 从 基 床 表 层 渗 入 基 床 底 层
时，基床底层和路基的动强度大大降低。因此，必须尽量减
!"! 基床的动力特性
基床承受的荷载是列车长期往复作用的动应力，在它的 作用下，基床的破坏或者产生过大的变形不是短期发生的， 而是长期发展的结果。西南交通大学采用成都粘土做了动 三轴试验，得出了累计应变和荷载重复次数、频率、围压的关 系［’］。试验表明：土体存在一个临界动应力，如果外应力小 于这个值，土的塑性累计应变会趋于稳定；否则，土的塑性应 变就会不断累积、发展直到土体发生破坏。
我国普通铁 路 的 基 床 病 害 是 非 常 严 重 的，超 过 线 路 的 !OP的线路存在病害。我国按照现行铁路路基设计规范设 计的新线，有不少地段依然出现基床病害。日本是世界上第 一个修建高速铁路的国家，在修建第一条高速铁路———东海 道新干线时，由于对基床表层重要性认识不足，未采取有效 措施，运 营 后 不 久，就 出 现 严 重 的 基 床 病 害，运 营 速 度 由 "!QLD／+降低到了不到!QQLD／+，严重影响了正常运营。秦 沈客运专线是我国兴建的第一条高速铁路，为我国高速铁路 建设提供了经验。
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%引 言
基床是指路基上部直接承受列车动应力作用的部分，基 床表层是指基床上部直接和道床相接，承受列车荷载较大的 部分。基床病害会严重影响线路的正常运营，并危害行车安 全；对于高速铁路，基床病害严重时，会使得列车无法达到设 计速度，因而防治基床病害具有重要的意义。
密度 土粒比重 孔隙 饱和度
<／2%, <／2%,
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塑性 指数 +>-(
重复作用可能导致动强度不足而破坏，或者发生过大的累积 变形。因此，应该按照动力学的理论进行路基设计。
!"# 确定基床表层厚度
英国学者 ./#0&提出按照临界动应力控制基床表层的设 计思想。把荷载动应力沿深度的衰减曲线与路基土动强度随
#"$ 试验仪器
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含水率
饱和度 内凝聚力（!"#） 内摩擦角
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试验表明：饱和度的变化对非饱和粘性土的粘聚力和内
摩擦角均有明显影响。试验结果分析认为：含水率（饱和度）