3 高速铁路的路基
3.1 高速铁路路基的特点
路基是轨道的基础，也叫线路下部结构。高速铁路的出现对传统铁路的设计施工和养护维修提出了新的挑战，在许多方面深化和改变了传统的设计方法和观念。高速铁路路基应按土工结构物进行设计，其地基处理、路堤填筑、边坡支挡防护以及排水设计等必须具有足够的强度、稳定性和耐久性，使之能抵抗各种自然因素作用的影响，确保列车高速、安全和平稳运行。与普通铁路路基相比，高速铁路路基主要表现为以下三个特点： 1．高速铁路路基的多层结构系统
高速铁路线路结构，已经突破了传统的轨道、道床、土路基这种结构形式，既有有碴轨道也有无碴轨道。对于有碴轨道，在道床和土路基之间，已抛弃了将道碴层直接放在土路基上的结构形式，作成了多层结构系统。图ca41023-1～图3-5分别为德国和法国高速铁路一般路基基床的断面型式，保护层的厚度为25～30cm。图3-6为日本高速铁路板式轨道的基本结构型式之一，其把基床表层称为路盘或强化路盘，厚30cm，强化路盘的表层为5cm厚的沥青混凝土，其下为级配碎石（或高炉矿碴）。
2．控制变形是路基设计的关键
控制变形是路基设计的关键，采用各种不同路基结构形式的首要目的是为高速线路提供一个高平顺、均匀和稳定的轨下基础。由散体材料组成的路基是整个线路结构中最薄弱、最不稳定的环节，是轨道变形的主要来源。它在多次重复荷载作用下所产生的累积永久下沉（残余变形）将造成轨道的不平顺，同时其刚度对轨道面的弹 图3-1 德国高速铁路无碴轨道路堤的断面型式之一
图3-2 德国高速铁路有碴轨道路堤的断面型式
图3-3 法国高速铁路路堤的断面型式（单位：m）
图3-4 法国高速铁路路堑的断面型式（基床土质差）（单位：m）
图3-5 法国高速铁路路堑的断面型式（基床土质好）（单位：m）
图3-6 日本高速铁路板式轨道路基的断面型式之一
性变形也起关键性的作用，因而对列车的高速走行有重要影响。高速行车对轨道变形有严格的要求，因此，变形问题便成为高速铁路设计所考虑的主要控制因素。就路基而言，过
去多注重于强度设计，并以强度作为轨下系统设计的主要控制条件。而现在强度已不成为问题，一般在达到强度破坏前，可能已经出现了过大的有害变形。日本东海道新干线的设计时速为220km，由于其在设计中仅仅采取了轨道的加强措施，而忽略了路基的强化，以至从1965年开始，因为路基的严重下沉，致使路基病害不断，线路变形严重超限，不得不对线路以年均30km以上的速度大举整修，10年内中断行车200多次，列车运行平均速度也降到100～110km/h。普通鳾
3．在列车、线路这一整体系统中，路基是重要的组成部分
变形问题相当复杂，是一个世界性的难题。日本及欧洲各国虽然实现了高速，但他们都是通过采用高标准的昂贵的强化线路结构和高质量的养护维修技术来弥补这方面的不足。日本对此不惜代价，在上越和东北新干线上，高架桥延长米数所占比例分别为49%和57%，路基仅占1%和6%。所以，变形问题是轨下系统设计的关键。由于普通铁路行车速度慢、运量小，因此在以往的设计中，只孤立地研究轮、轨的相互作用，并把这种相互作用狭义地理解为轮、轨接触部位的几何学、运动学、动力学的关系，而忽略了路基的影响，其中各个部分的设计也只局限于本专业范围内。对于高速铁路，轮轨系统应该是车轮、钢轨、
道床、路基各部分相互作用的整体。因为包括路基在内的轨下系统的垂向变形集中反映在轨面上，而且又直接影响着轮轨作用力的大小。所以，在轮轨系统相互作用的研究中，必须把各部分作为一个整体系统来分析，建立适当的模型，着眼于各自的基本参数和运用状态，进行系统的最佳设计，实现轮轨系统的合理匹配，尽可能降低轮轨作用力，以保证列车的高速安全运行。德国著名的高速铁路专家 Birmann指出：铁路路基作为承受轨道和列车荷载的基础，如果选择了合理的刚度（弹性模量），则能明显地影响轮载的分配，可以使轨面的最大支承力减小60%～70%，而且还可以改善基床动应力分布，减弱重复荷载的动力作用，减少列车荷载对线路的不良影响。但这并不是要求路基不存在变形，因为列车不可能在一个绝对刚性的基础上作高速稳定的运行，只能依循着不平顺的走行面和刚度有变化的轨道运行。 因此，在高速铁路技术研究中，无论机车车辆、轨道结构或路基、桥梁、隧道专业，都应当把自己的问题放在整个系统中去考察。设计中所采用的设计参数应当使系统的各个部分相互间有合理的匹配。对于路基来说，这些参数主要是弹性系数、阻尼、参振质量、变形模量、动刚度、固有频率以及与之相联系的压实度和含水量等。
3.2 高速铁路路基的设计荷载
路基的荷载是指作用在路基面上的应力。它包含两部分：一部分是线路上部结构的重量作用在路基面上的应力，即静荷载；另一部分是列车行驶时轮载力通过上部结构传递到路基面上的动应力，即动荷载。
常速铁路路基设计需要考虑荷载的影响时，在计算中常把静荷载和动荷载一并简化作为静荷载处理，即换算土柱法。高速铁路的路基设计不能简单地把动荷载作为静荷载处理，必须进行动态分析，计算列车动荷载的作用在路基中所产生的动应力的大小和分布规律，如何计算静荷载是简单而明确的，本节重点介绍高速铁路路基的承受的动荷载。
3.2.1 静荷载
铁路路基面上作用有列车荷载和轨道荷载。列车荷载与轨道荷载是确定路基本体构造要求的一个重要依据。我国的京沪高速铁路有碴轨道结构轨道及列车荷载换算的土柱高度及分布宽度如表3-1所示。ZK荷载计算图式和换算土柱图式分别见图3-7和图3-8，ZK荷载通过轨道传播到路基面上，在横断面上的分布宽度l0自轨枕底两端向下按450扩散角计算，大连理工大学bbsh0为换算土柱高度。
表3-1 京沪高速铁路轨道及列车荷载换算土柱高度及分布宽度
给力时代列车活载种类 | 设计轴重 (kN) | 钢轨(kg/m) | 轨枕 (根/km) | 道床 厚度 （m） | 道床 顶宽（m） | 道床 坡度 | 分布 宽度 青黛霜（m） | 计算高度（m） |
土的重度（kN/m3） |
18 | 19 | 20 | 21 | 22 |
ZK 活载 | 200 | 60 | 1667 | 0.35 | 3.6 | 1：1.75 | 3.4 | 3.0 | 2.8 | 2.7 | 2.6 | 2.4 |
中 | 活载 | 220 | 60 | 1667 | 0.35 | 3.6 | 1：1.75 | 3.4 | 3.4 | 3.2 | 3.0 | 2.9 | 2.8 |
| | | | | | | | | | | | |
图3-7 ZK荷载计算图式 图3-8 换算土柱图式
3.2.2 动荷载
在列车动荷载作用下，路基保持长期稳定是列车高速运行的基础。要保持路基长期稳定，不产生任何危及正常运行的过大有害变形，就必须了解列车在高速运行时通过钢轨、轨枕、道床传到路基表面的动应力幅值及其频率，以及振动加速度及位移的大小。在列车动荷载作用下，路基动应力的幅值与机车车辆运行情况、线路及基础状态等有关，因受诸多因素的影响，很难用简单的数学模型来表达，一般采取实测与理论分析相结合的方法来分析。
1．高速铁路路基设计动应力幅值
作用在轨道上的轮重实际上由两部分组成：①机车车辆静轴重；②机车车辆与轨道的相互作用而产生的附加作用力。前者对于特定的机车车辆是常数，后者是与诸多因素有关的一个随机变量。
确定路基设计动应力幅值的方法有两种：一种是在高速条件下进行动应力实测，另一种是
运用计算机模拟计算。由于高速铁路路基面上的动应力大小及分布情况，目前我国尚无实测资料，主要参考国外资料及我国铁路在准高速条件下获得的实测数据。
路基面动应力幅值是与列车速度、轴重、机车车辆动态特性、轨道结构、轨道不平顺、距轨底深度及路基状态有关的一个随机函数。基于以上的分析研究，提出了路基设计动应力幅值按下式计算：
（3-1）
式中 ——路基设计动应力幅值（kPa）；
P——机车车辆的静轴重（kN）；
——速度影响系数，高速铁路无缝线路，准高速铁路无缝线路；
南方电视台少儿频道
——列车运行速度，速度在300km/h以内时以实际速度计，超过300km/h时按300km/h计。
2．路基面上的动应力沿线路纵向的分布
在高速铁路路基设计中，不仅需要知道列车荷载通过钢轨、轨枕、道碴传递到路基面的动应力数值的大小，还需要了解其在路基面上沿线路纵向分布情况。大量实测的应力曲线表明，动应力在路基面上沿线路纵向的分布如图3-9所示，图中为车轮正下方路基面的动应力最大值。如沿线路纵向距该车轮L处路基面应力衰减为零，则L即为扩散距离。
对大量实测数据图形的分析，发现车轮正下方路基面动应力最大值和最大值与沿线路纵向扩散距离L之比存在线性关系。其关系式如下：
（3-2）
式中 以kPa计，L以m计。
3．高速铁路路基设计荷载
当高速铁路的设计速度为350km/h，最大轴重为200kN时，根据式（3-1）可求出设计动应力幅值为100kPa，在路基面上的分布面积为3.0×2.8m2，如图3-10所示。
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