新型預應力路基結構與性能初探

冷伍明， 聶如松， 楊 奇， 趙春彥， 梅慧浩

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 高速鐵路建造技術國家工程試驗室， 湖南 長沙 410075)

鐵路和公路路基填筑有嚴格的質量控制標準，但是達到現行設計與施工標準的路基，使用中產生病害甚至滑垮的情況仍很常見。與路基土體圍壓不足和(或)其邊坡無側向約束有關的路基病害有：邊坡溜坍(見圖1(a))、沖刷、坡面鼓脹(見圖1(b))、滑坡、基床外擠(見圖1(c))、路基面下沉(見圖1(d))以及因路基頂累積下沉導致的翻漿冒泥、道砟陷槽(見圖1(e))等，這些病害成了鐵路路基的煩疾[1]，往往累修(維修)累發(發生)，難以根治，如在2013年秋檢報告中，我國普通鐵路路基，邊坡溜坍統計數就達5 819處、基床翻漿冒泥達5 805處、滑坡達471處。對于高速鐵路(下稱高鐵)，盡管路基建造有更加嚴格的要求，但投入運營后的高鐵路基病害也在逐步顯現[2]，最早開通的京津城際高鐵出現局部地段路基沉降長期不穩定導致過渡段差異沉降；武廣高鐵路基沉降導致支承層與基床表層脫空及開裂；合武、石武高鐵并線區段沉降超標；甬臺溫鐵路路基失穩；石太高鐵路基發生沖蝕病害導致區段限速運行；滬杭高鐵出現沉降超標和局部無砟道床翻漿等，這些病害雖然還沒有或目前仍不致影響安全營運，但也急需采取有效措施進行處治。值得一提的是，在近二十年里，筆者有幸參與我國高鐵的前期研究、工程試驗、有關設計和施工方面的科研工作，面對路基工程變形沉降“算不準”，病害確實比其他基礎設施要多，而路基填料和壓實度標準已近無法再提高的現實，是否可以尋求出新的路基結構來解決一點問題呢？通過深入學習、探討和分析，發現上述路基病害都可能與路基土圍壓不足，其邊坡又無側向約束有關，進而提出一種既能增加圍壓又能強制約束邊坡的預應力路基結構。

1 預應力路基結構型式

所提預應力路基結構見圖2，以新建鐵路路基為例，其構筑步驟為：

Step1土層壓實后，在其土面垂直于線路方向，按預定間距設置預應力鋼筋;

Step2然后按要求在上面松鋪填土，壓實后繼續鋪設第二層預應力鋼筋(根據預應力鋼筋的上下層間距，可能需要填筑若干層填土)；

Step3依此循環，分層完成所有預應力鋼筋鋪設和整個路基的填土施工；

Step4對路基修坡，并清理出路基邊坡兩側的預應力鋼筋端部；

Step5在路基兩側指定位置安裝鋼筋混凝土側壓力板；

Step6通過側壓力板的中心孔將連接器與預應力鋼筋的端部正確連接；

Step7通過連接器將預應力鋼筋的一端與側壓力板連接，而另一端直接與錨具對接;

Step8在側壓力板之間鋪設普通護坡板；

Step9通過錨具對預應力鋼筋的拉拔作用，增大路基土的圍壓，并通過側壓板對路基邊坡施加強制約束，從而形成與路基協同作用的預應力整體結構。

對于產生有關病害或需要強化的既有路基，也可采用上述預應力進行加固和強化，形成預應力路基結構，其構筑步驟為：

Step1沿垂直于線路的方向，在路基的一個側面向路基內鉆一個水平小孔，孔深要穿透路基;

Step2通過連接器將預應力鋼筋與鉆桿的一端固定連接;

Step3在鉆桿的引導下，把預應力鋼筋從路基的一個側面橫穿路基;

Step4把預應力鋼筋的兩端各自插入側壓力板的錨固孔內;

Step5將預應力鋼筋的一端與側壓力板連接，另一端穿過側壓力板的錨固孔與錨具固定;

Step6通過錨具對預應力鋼筋的拉拔作用，增大路基土的圍壓，并通過側壓板對路基邊坡施加橫向約束，從而形成與路基協同作用的預應力整體結構。

2 預應力及其結構對保障路基性能的論證與分析

與常規路基結構相比，上述所提預應力路基結構的突出特點是：通過增加預應力能使路基填土的水平圍壓增大，顯著改善路基土的應力狀態、有效提高路基抗剪和抗變形能力；由于受到預應力鋼筋的對拉作用，側壓力板能對路基邊坡形成強制約束，提高了路基邊坡的穩定性；側壓力板、預應力鋼筋與路基填土形成共同工作的整體結構，抗動力作用的性能和抗震性將顯著增強。下面結合土力學理論和現有的有關研究成果，對其性能提高機制做些初步論證與探討。

2.1 常規路堤的初始應力狀態與不足分析

路堤的強度和穩定性受其初始應力狀態影響顯著。常規路堤(兩側無支擋)的初始應力狀態如何，很少有相關的研究報道。聶如松等[3]通過下面的有限元計算發現，如果不考慮施工對路基土體的應力影響，會在路基頂面一定深度以下出現水平拉應力，與岳中琦等報道[4]的結果相一致。顯然，路基土出現水平拉應力將對路基抵抗豎向變形的能力和邊坡穩定性都產生重大的不利影響。

通常認為自重應力作用下，路堤中心處的土體單元處于K0狀態，單元豎向應力為第一主應力，水平兩個方向的應力為第二和第三主應力。下面通過路堤平面應變有限元計算來探討路堤的初始應力狀態。

在路堤有限元模型中，設路基面寬12.3 m，路堤高6 m，邊坡坡比為1∶1.5，路堤材料選用理想彈塑性模型，強度準則滿足摩爾-庫侖強度理論，地基假定為不發生變形的剛性地基，模型計算參數見表1。

表1 模型計算參數

處理計算結果時，取壓應力為正，拉應力為負。計算結果見圖3。在圖3中，σz為豎向應力，σy為水平向應力，z為計算點距路基面的垂直高度，A為σz/γz，B為σy/γz。橫坐標軸為路基橫剖面的路基寬度方向，原點為路基橫剖面的中心線，由于路基橫剖面的對稱性，只取一半路基寬度進行分析。

從圖3中可以看出，豎向應力σz與路基的橫斷面形狀一致，呈等腰梯形分布，在路基面范圍內，即中心線兩側各6.15 m范圍內與γz的比值約為1.0。

水平應力σy在路基中的位置不同，其值變化很大。z<2.4 m，σy為負值，處于拉應力狀態，容易引起路堤開裂，對路基的穩定性不利。

由于土體拉應力強度很低，所以在路堤邊坡和路基頂面部位，容易出現拉裂縫。這對路基抵抗豎向變形的能力和邊坡穩定性都會產生重大的不利影響。因此增加路基土的圍壓和側向約束很有必要。

2.2 通過預應力增大圍壓對路基土體力學性能的改善

2.2.1 圍壓增大對路基土強度的影響

( 1 )

若路基中豎向應力σ1不變，如圖5所示，圍壓σ3從σ31增大到σ33時，對應的應力圓越來越小，與強度線的距離越來越遠，路基抵抗剪切破壞的安全系數隨之增加。假定路基土體的安全系數定義為土體抗剪強度與破壞面的剪應力的比值，則安全系數SF可由式( 2 )求得

( 2 )

從式( 2 )中可以看出，σ1不變，σ3增大，安全系數SF增大，當σ3=σ1時，理論上的安全系數趨于無窮大。

冷伍明[5]通過三軸不固結不排水(UU)試驗對朔黃鐵路低液限粉土路基填料的強度及變形特性進行研究，結果表明試樣破壞強度隨圍壓增大明顯提高。土的應力-應變關系曲線隨著圍壓的增加由軟化型過渡到弱硬化型，該規律在低飽和度時表現得尤為明顯。彭麗云[6]對京九鐵路路基粉土用GDS三軸儀進行固結不排水剪切試驗，結果表明：隨著圍壓的增大，飽和和非飽和粉土應力-應變關系由應變軟化逐漸向應變硬化過渡，圍壓越高，硬化趨勢越明顯，峰值強度也逐漸提高。馬少坤等[7]在分析非飽和土的土水特征曲線試驗及三軸剪切試驗成果時發現圍壓越大，土體達到破壞狀態時對應的豎向應力越大。郭慶國[8]提出，粗粒土在低應力水平下，強度包線可采用線性摩爾庫侖公式，粗粒土的強度隨圍壓的增大而增大。

土體的動強度也隨著圍壓的增大而增大。方亮[9]對低液限粉土進行一系列動三軸試驗。圖6為干密度ρd=1.86 g/cm3，飽和度Sr=1.00狀態下低液限粉土(ωL=23.9%，Ip=8.3)的動剪切強度(對應ε=5%)與破壞振次關系曲線。由圖6可知，土的動剪強度隨圍壓的增大而增大。

圖7為劉軼[10]得到的粗顆粒土在不同圍壓、不同含水率條件下的動強度與破壞振次的關系圖。由圖7可知，粗粒土的動強度與圍壓具有正相關性。同時，動強度受含水率影響顯著，含水率增大，動強度明顯下降。

余周[11]通過一系列循環三軸試驗，詳細研究飽和粉質黏土的動力特性。研究表明，飽和粉質黏土的動強度隨圍壓的變化而變化。在破壞振次Nf一定時，隨著固結圍壓σ3c的增大，動應力σd逐漸增大。飽和粉土的動彈性模量也隨圍壓的增大而增大。吳海生[12]對太原地區原狀粉土與重塑粉土的動力特性進行試驗研究，得到原狀粉土和重塑粉土的動強度隨圍壓增大而增大的結論。杜超[13]通過室內動三軸試驗，探討飽和粉土和非飽和粉土的動模量和動強度的影響因素。研究結果表明，粉土的動彈模量和動強度隨圍壓增大而增大。

2.2.2 圍壓增大對路基長期變形性能的影響

路基土的變形性能與土的性質(土的類型、密實度、含水率等)、所處應力狀態(尤其是動應力水平、圍壓應力和偏應力大小)所決定。路基土在交通荷載作用下總應變由可恢復的彈性應變和不可恢復的塑性應變兩部分組成。鐵路路基，特別是位于頂部的基床層，在反復行車荷載作用下的變形特性直接影響路基的工作性能，動彈性變形過大，使車輛和軌道結構振動變大；而過大的累積塑性變形將導致路基永久沉降超標；即兩者過度都是路基病害的主要誘因。蔡英等[14]指出，路基結構中最核心的基床層，由于圍壓小, 臨界動應力小，而列車產生的動應力相對更大，故容易產生較大的永久變形，因此，應加強路基基床。

圍壓增大，能有效地降緩路基累積變形的發展。周文權和冷伍明等[15]通過對鐵路路基粗顆粒填料進行大型動三軸試驗研究，圖8為粗顆粒土(含水率ω=9.3%，σd=100 kPa)在不同圍壓條件下的累積塑性應變與振次的關系圖。從圖8中可以看出，圍壓愈大，累積塑性應變增長的越緩慢。

李冬雪等[16]認為路基土永久變形的影響因素是復雜多樣的，其中圍壓σ3、偏應力(σ1-σ3)和循環應力是最重要的因素之一。蔡英[14]等通過三軸試驗揭示，列車荷載重復作用產生的路基動應力是路基產生變形的根源，只有控制路基動應力在填土的臨界動應力以下，才能控制路基的永久變形和防止路基長期緩慢下沉。

2.2.3 圍壓增大能顯著提高路基填料的臨界動應力

臨界動應力是路基設計中一個非常重要的技術參數。當動應力小于臨界動應力時，路基土塑性應變速率隨振次增加而減小，土體的累積塑性應變最終趨于穩定；當動應力大于臨界動應力時，路基土塑性變形隨振次的增加而不斷累積，及至破壞。因此，為防止路基產生過大的累積塑性變形，在設計時首先應避免路基土所處的動應力水平超過其臨界動應力，另外，需嚴格控制在重復荷載作用下路基土的累積塑性變形量。

圖9[15]為粗顆粒土大型動三軸試驗得到的臨界動應力與圍壓的關系曲線。從圖9中可以看出，圍壓增大，臨界動應力呈線性增加，即圍壓增大，能顯著提高路基填料的臨界動應力。在低圍壓下，臨界動應力與圍壓近似為線性關系[16]。

張勇等[17]通過室內不排水動三軸試驗，研究循環荷載作用下飽和重塑軟黏土的累積塑性應變發展規律。結果顯示飽和重塑軟黏土的臨界動應力隨著圍壓的增加而增大，大致可用線性方程擬合；并提出含動應力幅值、固結圍壓、靜偏應力和循環周次等影響因素的累積塑性應變擬合模型。劉曉紅[18]研究循環荷載作用下原狀紅黏土動應變隨振次的變化規律，獲得原狀紅黏土的臨界動應力。研究表明，當固結比為1.0時，隨著圍壓的增大，原狀紅黏土的臨界動應力近似正比例增大，增大速率隨含水率的減小而增大。

綜上所述，增加路基土的圍壓能有效減小或控制路基的永久變形和防止路基在工作中長期緩慢下沉。

2.2.4 圍壓增大對路基變形模量的影響

(1) 圍壓對路基土變形模量的影響

圍壓σ3增大，能顯著提高土體的變形模量，即能夠減小土體的彈性變形或增大土體抵抗變形的能力。圖10為代表性的偏應力-應變關系曲線。當路基土的豎向應力σ1基本不變時，圍壓σ3增大，主應力差(σ1-σ3)減小，土體的切線模量(即變形模量)增大，其抗變形能力增強。

在Duncan-chang雙曲線模型中，初始切線模量E0與σ3有關，即

( 3 )

式中：Pa為標準大氣壓，單位與σ3相同；K、n為試驗常數。

任意一點位置的切線模量Et用式( 4 )表示

( 4 )

式中：φ為土體的內摩擦角;c為黏聚力;Rf為破壞比，連同K、n由試驗獲得其具體數值。

由式( 4 )可以看出，如果保持σ1不變，Et與σ3直接相關，σ3越大，Et也增大。進一步說明圍壓增大對提高土體的切線模量具有重要的作用。

黃斌等[19]引用曾國熙提出的初始彈性模量Ei與圍壓σ3的關系式，即Ei=kσ3，經研究推導，得到土的初始彈性模量Ei與圍壓σ3、孔隙比e以及超固結比OCR的綜合關系式

( 5 )

式中：m、n為試驗常數；e為孔隙比；OCR為土樣的超固結比；λ為e-lnp坐標平面上的壓縮曲線斜率；κ為e-lnp坐標平面上的回彈曲線斜率。從上式可以看出，初始彈性模量與孔隙比成反比，與超固結比和圍壓成正比。

史萍[20]針對武漢地區具有代表性的粉質黏土進行真三軸試驗，發現對于同一類型的應力路徑，隨著固結壓力的增大，其應力-軸應變曲線的起始坡度變陡，即隨著固結壓力增大，土的初始彈性模量增大。

(2) 圍壓對路基土回彈模量的影響

在公路路基設計中，回彈模量(MR)是描述路基土力學特性的一個重要參數?；貜椖Ａ渴窃谒矔r沖擊荷載作用下，動偏應力與相應的回彈應變的比值。國內外對回彈模量進行系列研究。凌建明等[21]對粉土和黏土進行一系列回彈模量測試，發現回彈模量隨圍壓和壓實度的提高而增大，隨循環偏應力和含水率的增大而減小。Ibrahim[22]對低塑性黏土進行系列回彈模量試驗，其測試結果見圖11。由圖11可知，回彈模量的大小與圍壓成正比，與偏應力成反比。

Kim[23]和Butalia 等[24]通過開展相關研究發現，隨著含水率的增加，有效圍壓對黏性土回彈模量的影響逐漸降低。Ooi 等[25]對粉土開展三軸測試，研究發現，回彈模量與偏應力成反比，不同土質情況下，圍壓對回彈模量的影響程度不同，高塑性粉土的回彈模量受圍壓影響程度小，而低塑性粉土的回彈模量受圍壓影響程度大。

(3) 圍壓對土體的動彈性模量的影響

圍壓提高，能有效地提高土體的動彈性模量。圖12[9]為低液限粉土(飽和度Sr=1.00，壓實度K=0.93，固結比Kc=1.0)在不同圍壓狀態下動彈性模量與動應變的關系曲線。由圖12可知，土體的動彈性模量隨圍壓的增大而增大。

早在1986年，中國鐵道科學研究院[26]對廊坊路基土的動三軸試驗研究中發現路基土的動彈性模量與應力水平呈非線性關系，隨著側限壓力的提高而增大。石兆吉等[27]通過開展共振柱試驗，探討土動壓模量的影響因素，研究表明，圍壓越大，土的最大動壓縮模量也越大，并且兩者在雙對數坐標軸上存在著線性相關。賀建清[28-29]對大量動三軸試驗結果進行總結分析表明，圍壓越大，石灰土填料的動彈模量越大，最大動彈性模量與圍壓符合指數遞增關系。吳懷忠等[30]通過開展砂卵石的動三軸試驗，指出，土動強度和動模量受圍壓和固結應力比的影響顯著。

(4) 圍壓對動剪切模量G的影響

( 6 )

式中：f(e)為孔隙比的函數；n根據圍壓的不同可取0.5或0.6。

Park對前人的研究成果進行總結分析，得出各類土的初始動剪切模量與圍壓的表達式[31]

( 7 )

式中：A為系數；n為系數，取值范圍0.4～0.6。

1970年Seed和Idriss[32]通過實驗建立砂土最大動剪切模量的經驗公式，并分析得出砂土的動剪切模量與靜平均正應力的平方根成正比。

羅飛等[33]對都江堰地區粉質黏土開展試驗，分析圍壓對其動力學參數的影響，研究發現，圍壓越大，最大動剪切模量和阻尼比越大，最大動剪切模量與圍壓呈線性關系，隨著圍壓的增大，剪應變幅逐漸降低。蔡輝騰[34]對福州地區的6類典型土開展共振柱試驗，詳細探討圍壓大小、土的性質對這6類典型土的動剪切模量G的影響。試驗結果顯示動剪切模量G均隨著圍壓的增加而增大，二者均具有良好的線性關系，其表達式為

Gmax=A+Bσ3

( 8 )

式中：A、B為試驗常數。

綜合上述，通過預應力增大路基圍壓，能提高土體的抗剪強度、動剪切強度和承載力，能提高土體的變形模量、回彈模量、臨界動應力和動彈性模量，能顯著降緩土體彈性變形和累積塑性變形的發展，從而顯著增強路基抵抗變形的能力。

2.3 預應力結構對保障路基邊坡穩定性的作用

岳中琦等[4]分析指出，斜坡工程土體受到張拉作用，從而產生孔隙率增大、土體強度降低的根本原因是坡面土體缺少圍壓作用，且土體強度參數隨含水率的增加而顯著降低，因此，隨著時間和降雨次數的增加，斜坡土體的強度逐漸降低，甚至達到臨界破壞狀態，而土體的重力等下滑力對土體的破壞作用卻不會降低，甚至逐漸增大，最終導致斜坡工程發生滑坡事故。顯然，具有自由表面的路基邊坡也完全屬于這種情況，并且還有交通荷載形成的反復動力與振動作用。雨水沖刷及下滲軟化和動力振動的不利影響完全大大超出土體休止角甚至斜坡比值安全系數對穩定斜坡的保障作用，這一點文獻[4]分析得很透徹：比值安全系數對強度的增加量難以對土體的抗拉與抗剪強度產生根本影響，土體破壞時所需的剪切應力與重力下滑分量成正比，且數值很小，極易滿足，基于此，工程斜坡巖土體易產生細微裂隙，最終發生整體垮塌。

因此，預應力路基結構能顯著改善路基坡面缺少圍壓的現狀，有效防止斜坡土體發生張拉作用、孔隙率增大和強度降低等現象。預應力鋼筋和與其對拉的側壓力板對路基邊坡產生有效的側向約束，邊坡的局部和整體穩定性都將得到保障，并且具有擋雨和防止坡面沖刷的作用。

3 預應力路基結構的應用前景分析

3.1 預應力路基結構的特點

與常規路基結構相比，預應力路基結構的突出優點是：路基兩側邊坡受到側壓力板的約束作用，能增大路基的水平圍壓，提高路基土的抗剪強度和抵抗變形的能力，從而增強路基邊坡的穩定性。預應力路基結構與路基成為協同作用的整體，抗震性能也明顯提高；對于新建路基，預應力路基結構可使路基采用較大的坡率(可由常規坡率1∶1.5提高到1∶0.75)，可大幅度節約土地同時減少路堤下地基的處理面積。對既有路基，除上述優點外，還具有加固施工時不需要中斷行車，這一點對重大干線的運行非常重要，極具經濟和社會效益。

3.2 預應力路基結構在高速和重載鐵路的應用前景分析

客運高速、貨運重載是當今世界鐵路的發展趨勢。高速鐵路，由于運行速度很快，對軌道的平順性要求很高，因此對路基的總沉降、不均勻沉降以及過渡段路基縱向剛度的變化具有嚴格的規定。要實現軌道的高平順性，需嚴格控制路基的工后沉降、不均勻沉降，并保障路基的穩定性，而這需以路基強度高、剛度大、穩定性好為前提。由于高速鐵路對路基的變形要求到毫米級，而目前巖土力學理論關于變形計算方法仍無法滿足這種精度要求，針對這種現實，開發能“克服”毫米級累積變形或不產生塑性變形、且比較經濟的路基新結構具有重要的現實意義。由于高速鐵路路基的填料和壓實度采用的標準已很高，若再采取改善填料和壓實度的方法提高路基的性能已不可取，而采用預應力措施增加圍壓和側向約束可能不失為一種好方法。

與高速鐵路路基要求高標準控制變形不同，重載鐵路路基的問題是，由于列車的軸重和牽引的噸數要大得多，重載列車對路基作用的動荷載強度大，路基動力響應加劇，目前現場實測和研究分析表明，當列車軸重超過25 t后，若再增大，路基荷載特點將發生明顯變化，其幅值受車輛軸重的影響十分顯著，再加上前后車輛相鄰轉向架間距的縮小也使動荷載的作用深度顯著增加，荷載的增加也影響邊坡的穩定；另外，單趟列車編組超過150節，甚至更長，導致對路基的連續重復荷載作用次數增加，也將導致新的基床問題。如果軸重和編組進一步提高，特別是軸重超過30 t，路基的變形穩定性及其影響會變得非常突出。如我國大秦線、朔黃線在重載列車運行條件下，(目前運行軸重僅23～25 t)，橋涵過渡段路基下沉、區間路堤和路塹地段下沉、基床外擠、坡面鼓脹和邊坡坍塌、基床翻漿冒泥及道砟陷槽(道砟囊)等多種病害(見圖1)已逐漸顯現，需要經常加固處理。我國重載鐵路以提高軸重，增大牽引質量和行車密度為發展趨勢，在此背景下，既有重載鐵路路基的服役狀態將更加惡化。而目前的加固措施要么要中斷行車或對行車影響很大，要么造價偏高。因此，路基預應力加固措施對重載鐵路同樣適用。

預應力路基結構既可用于新建鐵路，也適用于既有鐵路路基加固和強化，對于后者，如前所述，加固或強化施工時可在路基旁側進行，無需中斷行車，這對運輸繁忙的重大干線非常重要，極具經濟和社會效益。另外，經初步比較，用它來對既有路基進行加固的直接費用比斜向水泥土樁法[1](也是一種可不中斷行車對路基加固的方法)要經濟20%～50%。

4 結束語

路基及其邊坡的許多常見病害與路基土圍壓不足、其邊坡又無側向約束直接相關，所提預應力路基結構，能有效增加路基土的圍壓，能較好地改善路基的受力變形性能，同時對其邊坡有強制約束和保護作用，能提高路基邊坡防沖刷滲透能力，改善路基的抗震性能，增強路基邊坡的整體穩定性。既可用于新建鐵路，也適用于既有鐵路路基加固和強化，用于后者，無需中斷行車，這對運輸繁忙的重大干線非常重要，極具經濟和社會效益。

本文僅介紹預應力路基結構的構筑方法，并基于土力學理論和現有成果對其性能進行論證分析，其工作機理和具體設計計算方法包括構造參數優化有待進一步開展系統深入研究。由于對新型預應力路基結構的研究尚處于起步階段，有大量工作待開展，期與大家交流和共同探索，以推動這方面工作的進一步開展。

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