有轨电车整体道床路基病害与失效模式分析

38道路交通城市道桥与防洪2015年5月第5期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4300302．同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海市201804)摘要：对有轨电车整体道床一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。关键词：轨道交通；整体道床；路基；病害；失效模式中图分类号：U482．1文献标志码：A文章编号：1009—7716(2015)05—0038—05交通中将路基结构分为基层与路基本体两部分，1整体道床路基典型病害基层分为上基层与下基层，在高速铁路中将道床路基病害对线路运营状态与行车安全均构成板(支承板)底以下3．0m范围视为基床部分，道床影响，因此客观评价和描述路基病害，并对路基病板(支承板)下0．7rn范围视为上基床，基床即可视害进行分级，研究路基病害与整体道床性能之间为高速铁路的路基工作区。的关系是十分必要的。目前，轨道交通中采用整体对轨道正常运营构成影响的病害也基本发生道床的主要有高速铁路与地铁线路两类，这两类在基床中，因此基床病害应是路基病害的研究重在轨道交通中的典型路基病害及其对整体道床所点。依据既有工程经验，路基病害可分为四大类，构成的有害影响，对采用整体道床的有轨电车路即：翻浆冒泥、路基下沉、路基外挤、路基冻害。其基设计具有一定借鉴价值。图1所示为某轨道交中，翻浆冒泥是最为常见的路基病害，尤其在有砟通整体道床路基结构示意。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。厂尸。产承鼢麟纛一，乙·●———■■●矗矗圈暖■瞳囱2与路基性能有关的整体道床典型病害道床板整体道床结构直接铺设于路基之上，通常为支承板板与板之间不传力的自由板，并承受列车动载的基床反复作用，荷载作用下板底呈现拉应力。整体道床路基土刚度大，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图1某轨道交通整体道床路基结构示意图动载(疲劳荷载)的作用下，整体道床板出现开裂、整体道床路基指支承整体道床结构的换填掉块、整体下沉、混凝土松动等问题，导致轨道结层、处治土层及原状土层，在高速铁路中整体道床构几何线形发生改变，列车无法正常运营。整体i酋板下还会设置15cm左右的沥青或水泥混凝土床病害主要有以下4种类型。层。该结构层通常也视为路基结构的一部分。轨道(1)下沉变形在列车重复荷载作用下，道床板整体或局静收稿日期：2o15—03—15作者简介：杜先照(1977一)，男，湖北洪湖人，硕士，工程师，主要出现下沉。当一块道床板整体下沉时，会与相邻遭从事地铁施工管理工作。床板形成高度差，继而引起轨道不平顺或轨道々七|’|七七七七电々七’七七七_七|七’’’七々|’七七七七七’’七七々七七’’’々七■七七|七专七’’七七|’’’’’|七七|七’’’’七’七电’’’七々’奇对此，本文建议对一般填方路基设置两层土(1)路基加宽后的沉降随着路堤填土高度的工格栅，既可以减小不均匀沉降，又可以防止由于增加而增加；不均匀沉降引起的纵向裂缝。(2)路基加宽后的沉降随着加宽宽度的增加而增加；4结论(3)土工格栅的设置在路基底部第一层台l{fi通过本文的计算分析可以得出以下结论：的效果最好。 2015年5月第5期城市道桥与防洪道路交通39加应力；当道床板局部下沉时，可导致道床板倾效支承作用。道床板开裂与路基有关的一部分原斜，改变轨道结构的几何线形。路基永久变形是引因是路基模量低，不能为道床板提供足够刚度，列起道床板下沉变形的主要原因，路基塑性累积变车荷载作用下道床板出现过大弯拉变形；另一部形、路基震陷、路基翻浆冒泥、填料不良、地基不良分原因是路基出现永久变形，对道床板构成附加等均引起路基永久变形，特别是基床性能对路基应力。永久变形具有至关重要的影响。影响路基模量的因素主要包括以下几方面：提高路基抵抗塑性累积变形能力，有效控制路基填料性质、路基压实度、路基含水率。路基应路基含水率，减少大气降水渗入路基，是控制道床选择优质填料，满足设计压实度，有效控制路基含板下沉变形的主要方法。其中，路基塑性累积变形水率。路基永久变形的原因与应对方法同引起路的影响因素众多，既有研究成果表明，提高路基压基沉降变形的路基永久变形相同，引起道床板开实度、降低路基含水率、选用级配良好填料是减少裂失效的路基永久变形是局部的。路基塑性累积变形的有效手段[1-3]。(4)道床板受路基腐蚀导致强度降低地下水与大气降水是影响路基性能，导致道路基对道床板的腐蚀来自路基中的自由水与床板下沉的重要因素，应合理设置止水、排水设路基土矿物两方面。这类病害可通过控制路基填施，尽量减少大气降水渗入路基。路基填料优选具料性质、减少地下水与道床板接触等与路基相关有弱毛细作用的填料，以减少因毛细作用引起更的方法来减少对道床板的腐蚀。多的地下水进入路基。当地下水位高(地下水位距3整体道床路基病害影响因素路基顶0．5m)时，路基底部应填筑渗透系数高，并且水稳定性强的材料。基于前文对整体道床典型病害的分析，与整不应使用软土、湿陷性土、盐渍土、有机土、可体道床典型病害相关的路基病害主要体现为路基液化土等不良岩土作为路基填料，禁止使用上述变形过大与强度不足两方面。路基病害防治分析填料填筑基床。禁止使用强湿陷性土，其它湿陷性对优化整体道床路基设计方案与提供路基病害整土经改良后可作为基床表层以外部分填料。治方案都具有重要意义。不同病害有不同诱因和当路堑为不良地质时应将基床部分进行换填不同的表现形式，通过分析各病害类型的特点，提或进行改良，基床以下的湿陷性土应设置隔水防出具有针对性的设计优化措施和病害整治技术，渗措施。当地基为软土、湿陷性土、盐渍土、有机土对整体道床路基的设计与施工均具有重要作用。等不良地基时，应对地基进行处理，并优先采用低下面从路基的物理特征人手来分析病害发生原填方路基，以控制路基顶沉降。因，从土质、含水率与物理性质三方面人手讨论防(2)隆起变形治路基病害的基本要求，从而探寻新型有轨电车道床板整体或局部隆起，导致道床板局部上路基设计中应采取的指标与标准，以避免路基病鼓破损或整体隆起。这类病害主要由路基膨胀，或害出现。地基出现涌水、泉水等不良地质情况引起。(1)土质条件分析路基膨胀是因为路基填料具有膨胀性，因此土质条件涵盖填料种类、粒径级配、杂质含量在有轨电车整体道床路基中尽量避免采用膨胀土(有机物、盐等)以及表征土质特性的物理指标。在作为路基填料，强膨胀土不能作为路基基床填料。进行整体道床路基设计时，应首先解决填料种类优质填料匮乏地区，可使用具有中等或低膨胀性问题。轨道交通中路基承受振动荷载作用，因此严土，改良后用于路基填筑，改良后总胀缩率不超过禁采用易液化填料，粉质黏土应首先进行抗液化0．5％。能力试验，合格后才可用于填筑新型有轨电车路当路堑为膨胀性岩土，基床范围内应进行换基。其它不良土质，如有机土、盐渍土、膨胀土等均填，对地下水发育、运营期间修复困难的路段应加不可用于新型有轨电车路基填料。在季冻区，新型深换填深度0．5～1．Om。边坡设计与防护可依据现有轨电车路基填料应采用非冻融敏感性土，路基填行公路路基设计规范。料冻融敏感性分类可依据美国陆军工程兵师团的(3)开裂失效土组冻融敏感性分类系统，如图2与表1所示。在列车重复荷载作用下，道床板底弯拉应力路基结构应具有一定刚度与强度，在列车动超过混凝土抗拉强度开裂，或道床板边开裂掉块，荷载作用下，确保道床板底弯拉应力在允许范围影响道床板的力学性能，无法继续为轨道提供有内；路基结构还应压缩系数较低，特别是在路基平 2015年5月第5期城市道桥与防洪道路交通41衡湿度条件下应具有一定抵抗塑性变形的能力，路基含水率决定的，物理力学指标也是路基不同以防止因出现过大工后沉降引起道床板底脱空。土质与不同含水率状态的综合表征手段，可形成在水系发达地区路基结构应具备一定水稳定性，控制路基病害出现的量化指标。常采用的物理性在高含水率下路基刚度、强度和抵抗塑性变形能质参数包括：界限含水率、干密度、孔隙比、压缩系力均应满足道床板底弯拉应变与轨道平顺性的要数、弹性模量、压缩模量、塑性应变、导热系数、热求，当素土填料无法满足工程需求时，可采用处治容等。土。另外，在水系发达地区，特别是大气降水丰富(4)综合分析地区应充分保证路基排水设施的有效性与合理上述三类与路基病害相关的分析对象各具特性。在季冻区为了控制路基内自由水向上迁移量，点，在实际工程中应结合其特点综合利用。土质条可适当提高路基压实度，并结合路基内排水技术件常作为路基设计时的选择性条件，在当地具有来达到减少冻害的目的；在素土或处治土层上部充足良好填料供给的前提下选择力学性质佳的填铺设级配碎石层，用以调整冻胀后土质路基顶面料。实际工程中常受制于当地优质填料匮乏，这种的不平整，减少冻胀对道床板的影响，另外，级配情况下应综合对比填料外运与填料改良的可行性碎石还可在一定程度上起到隔温作用，从而可减和经济成本，以及二者可能带来的能源消耗和环少土质路基的冻胀量。境污染问题，比如大量填料外运必然带来运输过(2)路基含水率影响分析程中的能源消耗，而地下水位较高和降水量大的路基含水率状态与翻浆冒泥、路基下沉、路基石灰改良土会带来周边水土环境的污染，影响植外挤、路基冻害均有密切关系，也是上述病害出现物生长。的主要条件。因此，有效控制路基湿度，降低路基路基含水率与其它物理性质可作为保障路基含水率可避免或减少新型有轨电车路基病害。由不出现病害、正常运营的量化指标。各指标的制定于土质的差异，含水率与路基病害间的关系有所应因地制宜，依据所处环境、所采用的路基结构形不同，路基病害与自由水在路基中的分布同样有式、路基高度、荷载情况等合理选取。关。因此，在进行路基含水率对路基病害影响分析4整体道床失效分析时，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。为了确有轨电车整体道床包括道床板与道床板下的定不同含水率状态下路基的刚度、强度与抵抗塑支承板两部分，如图1所示。该道床结构中，支承性变形能力，应进行填料模量、抗剪强度、压缩系板底弯拉应力约比道床板底弯拉应力大30％。若数随含水率变化关系的室内试验分析。支承板破损，道床板底的支承刚度将大幅降低，导路基内的自由水来于地下水或大气降水。地致列车荷载作用下钢轨挠度增大，影响行车舒适下水对路基的影响受控于地下水位与毛细作用两性，并增大道床板底弯拉应力，在列车动荷载作用方面，在高地下水位地区应慎用毛细作用强烈的下道床板会很快发生破坏。因此，将支承板底弯拉填料。大气降水可通过边坡人渗进入路基，可通过应力作为路基顶当量动态回弹模量设计的判定指截水沟等排水措施来减少大气降水对路基湿度的标。影响。地下水与大气降水对路基内湿度的影响并《公路水泥混凝土路面设计规范》(JrGD40—不是各自孤立的，大气降水通过地表深入地下后，2011)中水泥混凝土弯拉强度经验参考值中C25会提高地下水位；在高地下水位地区大气降水也水泥混凝土的弯拉强度约为2．0MPa。有轨电车道较丰富。因此，多数情况应做到地下水与大气降水床板承受疲劳荷载作用，因此支承板底弯拉强度“同防”，路基内排水与路基外排水综合设计。也应采用疲劳强度。《混凝土结构设计规范》(C．B最终影响路基工作性能的是路基平衡含水50010-2010)对混凝土抗压与抗拉疲劳强度设计率，既有研究表明路基平衡含水率与路基填料、自值的修正系数做出了表2所示的建议，表中P是然区划、地下水位分布、路基高度、路基形式等均混凝土疲劳应力比值，通过式(1)计算。有关系[6]。在进行路基设计前应依据工程特点进行表2混凝土疲劳强度修正系数路基含水率预估，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