有轨电车整体道床路基病害与失效模式分析

杜先照　杜浩

（1.武汉地铁集团有限公司，湖北武汉430030　2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海市201804）

有轨电车整体道床路基病害与失效模式分析

杜先照1杜浩2

（1.武汉地铁集团有限公司，湖北武汉4300302.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海市201804）

对有轨电车整体道床-路基的病害类型及其成因进行了归纳分析，并从土质条件、路基含水率、物理力学条件等角度对路基病害的影响因素进行了研究；在对整体道床失效模式分析的基础上，提出了疲劳荷载作用下支承板底的容许弯拉应力建议值。

轨道交通；整体道床；路基；病害；失效模式

1　整体道床路基典型病害

路基病害对线路运营状态与行车安全均构成影响，因此客观评价和描述路基病害，并对路基病害进行分级，研究路基病害与整体道床性能之间的关系是十分必要的。目前，轨道交通中采用整体道床的主要有高速铁路与地铁线路两类，这两类在轨道交通中的典型路基病害及其对整体道床所构成的有害影响，对采用整体道床的有轨电车路基设计具有一定借鉴价值。图1所示为某轨道交通整体道床路基结构示意。

图1　某轨道交通整体道床路基结构示意图

整体道床路基指支承整体道床结构的换填层、处治土层及原状土层，在高速铁路中整体道床板下还会设置15 cm左右的沥青或水泥混凝土层。该结构层通常也视为路基结构的一部分。轨道交通中将路基结构分为基层与路基本体两部分，基层分为上基层与下基层，在高速铁路中将道床板（支承板）底以下3.0 m范围视为基床部分，道床板（支承板）下0.7 m范围视为上基床，基床即可视为高速铁路的路基工作区。

对轨道正常运营构成影响的病害也基本发生在基床中，因此基床病害应是路基病害的研究重点。依据既有工程经验，路基病害可分为四大类，即：翻浆冒泥、路基下沉、路基外挤、路基冻害。其中，翻浆冒泥是最为常见的路基病害，尤其在有砟轨道中，无砟轨道中若排水处治不良同样易出现翻浆冒泥现象。

2　与路基性能有关的整体道床典型病害

整体道床结构直接铺设于路基之上，通常为板与板之间不传力的自由板，并承受列车动载的反复作用，荷载作用下板底呈现拉应力。整体道床刚度大，对路基变形适应能力差，路基的永久变形会引起道床板附加应力。整体道床病害指在列车动载（疲劳荷载）的作用下，整体道床板出现开裂、掉块、整体下沉、混凝土松动等问题，导致轨道结构几何线形发生改变，列车无法正常运营。整体道床病害主要有以下4种类型。

（1）下沉变形

在列车重复荷载作用下，道床板整体或局部出现下沉。当一块道床板整体下沉时，会与相邻道床板形成高度差，继而引起轨道不平顺或轨道附加应力；当道床板局部下沉时，可导致道床板倾斜，改变轨道结构的几何线形。路基永久变形是引起道床板下沉变形的主要原因，路基塑性累积变形、路基震陷、路基翻浆冒泥、填料不良、地基不良等均引起路基永久变形，特别是基床性能对路基永久变形具有至关重要的影响。

提高路基抵抗塑性累积变形能力，有效控制路基含水率，减少大气降水渗入路基，是控制道床板下沉变形的主要方法。其中，路基塑性累积变形的影响因素众多，既有研究成果表明，提高路基压实度、降低路基含水率、选用级配良好填料是减少路基塑性累积变形的有效手段［1-3］。

地下水与大气降水是影响路基性能，导致道床板下沉的重要因素，应合理设置止水、排水设施，尽量减少大气降水渗入路基。路基填料优选具有弱毛细作用的填料，以减少因毛细作用引起更多的地下水进入路基。当地下水位高（地下水位距路基顶0.5 m）时，路基底部应填筑渗透系数高，并且水稳定性强的材料。

不应使用软土、湿陷性土、盐渍土、有机土、可液化土等不良岩土作为路基填料，禁止使用上述填料填筑基床。禁止使用强湿陷性土，其它湿陷性土经改良后可作为基床表层以外部分填料。

当路堑为不良地质时应将基床部分进行换填或进行改良，基床以下的湿陷性土应设置隔水防渗措施。当地基为软土、湿陷性土、盐渍土、有机土等不良地基时，应对地基进行处理，并优先采用低填方路基，以控制路基顶沉降。

（2）隆起变形

道床板整体或局部隆起，导致道床板局部上鼓破损或整体隆起。这类病害主要由路基膨胀，或地基出现涌水、泉水等不良地质情况引起。

路基膨胀是因为路基填料具有膨胀性，因此在有轨电车整体道床路基中尽量避免采用膨胀土作为路基填料，强膨胀土不能作为路基基床填料。优质填料匮乏地区，可使用具有中等或低膨胀性土，改良后用于路基填筑，改良后总胀缩率不超过0.5%。

当路堑为膨胀性岩土，基床范围内应进行换填，对地下水发育、运营期间修复困难的路段应加深换填深度0.5～1.0m。边坡设计与防护可依据现行公路路基设计规范。

（3）开裂失效

在列车重复荷载作用下，道床板底弯拉应力超过混凝土抗拉强度开裂，或道床板边开裂掉块，影响道床板的力学性能，无法继续为轨道提供有效支承作用。道床板开裂与路基有关的一部分原因是路基模量低，不能为道床板提供足够刚度，列车荷载作用下道床板出现过大弯拉变形；另一部分原因是路基出现永久变形，对道床板构成附加应力。

影响路基模量的因素主要包括以下几方面：路基填料性质、路基压实度、路基含水率。路基应选择优质填料，满足设计压实度，有效控制路基含水率。路基永久变形的原因与应对方法同引起路基沉降变形的路基永久变形相同，引起道床板开裂失效的路基永久变形是局部的。

（4）道床板受路基腐蚀导致强度降低

路基对道床板的腐蚀来自路基中的自由水与路基土矿物两方面。这类病害可通过控制路基填料性质、减少地下水与道床板接触等与路基相关的方法来减少对道床板的腐蚀。

3　整体道床路基病害影响因素

基于前文对整体道床典型病害的分析，与整体道床典型病害相关的路基病害主要体现为路基变形过大与强度不足两方面。路基病害防治分析对优化整体道床路基设计方案与提供路基病害整治方案都具有重要意义。不同病害有不同诱因和不同的表现形式，通过分析各病害类型的特点，提出具有针对性的设计优化措施和病害整治技术，对整体道床路基的设计与施工均具有重要作用。下面从路基的物理特征入手来分析病害发生原因，从土质、含水率与物理性质三方面入手讨论防治路基病害的基本要求，从而探寻新型有轨电车路基设计中应采取的指标与标准，以避免路基病害出现。

（1）土质条件分析

土质条件涵盖填料种类、粒径级配、杂质含量（有机物、盐等）以及表征土质特性的物理指标。在进行整体道床路基设计时，应首先解决填料种类问题。轨道交通中路基承受振动荷载作用，因此严禁采用易液化填料，粉质黏土应首先进行抗液化能力试验，合格后才可用于填筑新型有轨电车路基。其它不良土质，如有机土、盐渍土、膨胀土等均不可用于新型有轨电车路基填料。在季冻区，新型有轨电车路基填料应采用非冻融敏感性土，路基填料冻融敏感性分类可依据美国陆军工程兵师团的土组冻融敏感性分类系统，如图2与表1所示［4］。

图2　土的类型与颗粒尺寸对于土的冻结敏感性图［5］

表1　美国陆军工程师团土组冻融敏感性分类系统［5］

路基结构应具有一定刚度与强度，在列车动荷载作用下，确保道床板底弯拉应力在允许范围内；路基结构还应压缩系数较低，特别是在路基平衡湿度条件下应具有一定抵抗塑性变形的能力，以防止因出现过大工后沉降引起道床板底脱空。在水系发达地区路基结构应具备一定水稳定性，在高含水率下路基刚度、强度和抵抗塑性变形能力均应满足道床板底弯拉应变与轨道平顺性的要求，当素土填料无法满足工程需求时，可采用处治土。另外，在水系发达地区，特别是大气降水丰富地区应充分保证路基排水设施的有效性与合理性。在季冻区为了控制路基内自由水向上迁移量，可适当提高路基压实度，并结合路基内排水技术来达到减少冻害的目的；在素土或处治土层上部铺设级配碎石层，用以调整冻胀后土质路基顶面的不平整，减少冻胀对道床板的影响，另外，级配碎石还可在一定程度上起到隔温作用，从而可减少土质路基的冻胀量。

（2）路基含水率影响分析

路基含水率状态与翻浆冒泥、路基下沉、路基外挤、路基冻害均有密切关系，也是上述病害出现的主要条件。因此，有效控制路基湿度，降低路基含水率可避免或减少新型有轨电车路基病害。由于土质的差异，含水率与路基病害间的关系有所不同，路基病害与自由水在路基中的分布同样有关。因此，在进行路基含水率对路基病害影响分析时，应首先确定以下资料：（1）路基中含水率分布；（2）填料界限含水率；（3）冻胀临界含水率。为了确定不同含水率状态下路基的刚度、强度与抵抗塑性变形能力，应进行填料模量、抗剪强度、压缩系数随含水率变化关系的室内试验分析。

路基内的自由水来于地下水或大气降水。地下水对路基的影响受控于地下水位与毛细作用两方面，在高地下水位地区应慎用毛细作用强烈的填料。大气降水可通过边坡入渗进入路基，可通过截水沟等排水措施来减少大气降水对路基湿度的影响。地下水与大气降水对路基内湿度的影响并不是各自孤立的，大气降水通过地表深入地下后，会提高地下水位；在高地下水位地区大气降水也较丰富。因此，多数情况应做到地下水与大气降水“同防”，路基内排水与路基外排水综合设计。

最终影响路基工作性能的是路基平衡含水率，既有研究表明路基平衡含水率与路基填料、自然区划、地下水位分布、路基高度、路基形式等均有关系［6］。在进行路基设计前应依据工程特点进行路基含水率预估，结合拟选填料物理力学指标，制定相应路基压实控制指标与排水设计方案。

（3）物理性质分析

路基的大部分物理力学性质是由土质条件与路基含水率决定的，物理力学指标也是路基不同土质与不同含水率状态的综合表征手段，可形成控制路基病害出现的量化指标。常采用的物理性质参数包括：界限含水率、干密度、孔隙比、压缩系数、弹性模量、压缩模量、塑性应变、导热系数、热容等。

（4）综合分析

上述三类与路基病害相关的分析对象各具特点，在实际工程中应结合其特点综合利用。土质条件常作为路基设计时的选择性条件，在当地具有充足良好填料供给的前提下选择力学性质佳的填料。实际工程中常受制于当地优质填料匮乏，这种情况下应综合对比填料外运与填料改良的可行性和经济成本，以及二者可能带来的能源消耗和环境污染问题，比如大量填料外运必然带来运输过程中的能源消耗，而地下水位较高和降水量大的石灰改良土会带来周边水土环境的污染，影响植物生长。

路基含水率与其它物理性质可作为保障路基不出现病害、正常运营的量化指标。各指标的制定应因地制宜，依据所处环境、所采用的路基结构形式、路基高度、荷载情况等合理选取。

4　整体道床失效分析

有轨电车整体道床包括道床板与道床板下的支承板两部分，如图1所示。该道床结构中，支承板底弯拉应力约比道床板底弯拉应力大30%。若支承板破损，道床板底的支承刚度将大幅降低，导致列车荷载作用下钢轨挠度增大，影响行车舒适性，并增大道床板底弯拉应力，在列车动荷载作用下道床板会很快发生破坏。因此，将支承板底弯拉应力作为路基顶当量动态回弹模量设计的判定指标。

《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）中水泥混凝土弯拉强度经验参考值中C25水泥混凝土的弯拉强度约为2.0 MPa。有轨电车道床板承受疲劳荷载作用，因此支承板底弯拉强度也应采用疲劳强度。《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）对混凝土抗压与抗拉疲劳强度设计值的修正系数做出了表2所示的建议，表中p是混凝土疲劳应力比值，通过式（1）计算。

表2　混凝土疲劳强度修正系数

C25混凝土疲劳应力比范围通常介于0.25与0.40之间，因此将γp取为0.84，所以支承板底疲劳弯拉强度为1.68 MPa。水泥混凝土板底应力计算应考虑温度翘曲应力的不利影响，文献［7］提供了水泥混凝土板温度翘曲应力计算方法。经计算，板底最大温度疲劳应力为0.29 MPa，因此疲劳荷载作用下支承板底的容许弯拉应力为1.39 MPa。

5　结语

结合工程经验，将轨道交通中路基病害分为四大类，即翻浆冒泥、路基下沉、路基外挤、路基冻害；将与路基性能相关的整体道床病害归纳为下沉变形、隆起变形、开裂失效、道床板受路基腐蚀导致强度降低等4种类型。对路基和整体道床的病害类型及其成因进行了归纳分析，并从土质条件、路基含水率、物理力学条件等角度对路基病害的影响因素进行了研究；在对整体道床失效模式分析的基础上，提出将支承板底弯拉应力作为路基顶当量动态回弹模量设计的判定指标，并提出了疲劳荷载作用下支承板底的容许弯拉应力建议值。

［1］ H B Seed， R L McNeill. Soils Deformation in Normal Compression and Repeated Loading Tests［J］. HRB Bulletin， 1956， 141：44-53.

［2］ A J Puppala， L N Mohammad， A Allen. Permanent Deformation Characterization of Subgrade Soils from RLT Test［J］. Journal of Material in Civil Engineering， 1999， 11（4）： 274-282.

［3］ Y S Zhao， N D Dennis， R P Elliott. Prediction of Subgrade Permanent Strain Using Simple Soil Properties［C］. Los Angeles：Geotechnical Engineering for Transportation Projects： Proceedings of Geo-Trans， 2004， 1076-1085.

［4］ T C Johnson， R L Berg， E J Chamberlain， etc al. Frost Action Predictive Techniques for Roads and Airfields： A Comprehensive Survey of Research Findings［R］. Washington D C： US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory CRREL， 1986.

［5］ GB/T 50123—1999，土工试验方法标准［S］.

［6］ 李聪. 路基平衡湿度及回弹模量调整系数预估方法研究［D］. 上海： 同济大学， 2011.

［7］ JTG D40—2011，公路水泥混凝土路面设计规范［S］.

图17　货运组织图

4　结语

产业园的开发建设常常是在一些开发较少甚至几乎没有任何开发的基础上建设起来的，因此有更好的条件在规划阶段布局合理的交通网络，为产业园提供良好的交通支撑。交通系统是一个复杂的综合系统，一个适应产业园发展的综合交通规划需要考虑多个方面的内容，以形成一个具有适应性、前瞻性的综合交通网络，实现产业园的可持续发展。

参考文献

［1］ 靳来勇，郑连勇，吕颖.城市综合交通规划中的差别化策略——以眉山市综合交通规划为例［J］.城市交通，2012（1）：383-391.

［2］ 高明.化工园区综合交通规划特点分析［J］.城市道桥与防洪，2013（6）：19，67-72.

U482.1

A

1009-7716（2015）05-0038-05

2015-03-15

杜先照（1977-），男，湖北洪湖人，硕士，工程师，主要从事地铁施工管理工作。