重载铁路路基关键问题探讨
叶阳升1,2 蔡德钩1,2张千里1,2
（1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京，100081；
2．中国铁道科学研究院高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京，100081) 摘 要：货运重载是大宗货物运输的发展趋势，大轴重长编组是重载铁路的主要方向。重载列车轴重的增加导致路基荷载强度和作用深度的增加以及沉降与边坡稳定等问题，长编
组列车会使得路基荷载连续作用次数增加，容易出现累积孔压导致强度降低等问题，
路基需要进行适当的强化。
关键词：重载铁路；大轴重长编组；路基；荷载；作用次数；累积孔压
1 概述
重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国铁路的广泛重视，如美国、加拿大、巴西、澳大利亚、南非等大力发展重载铁路，大量开行重载列车，重载运输已成为大宗货物最经济有效的运输方式。2005年国际重载运输协会对重载运输的定义作了新的修订，凡属重载铁路至少应满足下列三个条件的其中两项要求：（1）重载列车牵引重量至少达到8000 t，（2）轴重达到或超过27t，（3）在长度至少为150km的线路区段上运量至少达到4000万t。国外重载铁路的货车轴重大多集中在28～32.5t，最大达40t。大秦线为我国典型的重载铁路，主要开行25吨轴重1～2万吨重载列车，2010年运量已超过3.5亿吨。铁道部的重载铁路规划中，既有重载铁路通过强化改造后将实现轴重27吨，新建重载铁路按照30吨轴重设计。世界大多数发展重载运输的国家普遍认为，大轴重的单元或大宗列车具有很好的经济性。
因此，大轴重长编组重载铁路将是我国今后重载铁路的发展方向，在这种条件下路基作为重要的线下基础设施，将面临系列新的问题。本文探讨了大轴重、长编组引起路基的荷载及作用次数、基床深度、沉降与边坡稳定、土体累积孔压等若干问题，并初步提出了既有重载路基相应的对策。
2 大轴重引起的重载路基问题
目前我国客货共线铁路车辆轴重23吨，大秦专用重载线车辆轴重25吨，当轴重增大至27、30吨及以上后，路基荷载特点将发生明显变化。轴重增加直接造成路基动荷载幅值的增大，再加上前后车辆相邻转向架间距的缩小也使动荷载的作用深度显著增加，导致基床深度增加。荷载的增加也影响边坡的稳定。
2.1 路基动荷载
路基基床的动荷载为列车运行中作用于钢轨上并经过轨道结构吸收与扩散而传递到路基面上的动应力，其特征与列车的轴重、轴间距与动力特征、运行速度及线路的平顺性和轨道的结构形式等有关。
实测表明，路基动荷载的幅值受车速的影响相对较小，图1为速度影响系数累计分布曲线，95%范围内的速度影响系数在0.004以内。
图2为实测不同轴重列车的路基动荷载范围，其幅值受车辆轴重的影响十分显著，与轴重基本上成正比，由于路基面动荷载受轴重的影响较明显，为了消除不同轴重的影响，将动应力实测数据以单位轴重进行归一化处理，并统计如图3所示。因此，动荷载幅值平均值约为σ(kPa)=2P，P 为列车轴重（吨，t）。由于轨道结构状况等因素的变化，路基动荷载在一定范围波动，最大值可表示为σ(kPa)=4P。按照这个结果，对于27吨和30吨轴重下的路基动应力最大值将分别达到108kPa 和120kPa，30吨轴重相比25吨下的路基面动应力将增大20%。
20
40
6080100
-0.01-0.00500.0050.010.015
速度影响系数
累计百分比(%)货车双层集装箱动车组
图1 速度影响系数累计分布曲线 图2 实测不同轴重列车的路基动应力范围
图3 路基面动应力归一化统计分析
轴重增加显著增大路基面动荷载，直接造成基床强度以及压实要求需要相应的提高。
2.2 基床深度
重载列车除了轴重较大而外，相邻车辆转向架之间的距离也较近，虽然路基面荷载幅值的叠加并不显著，但作用已形成连续的面荷载（如图4），将导致荷载作用深度增大，在基床内部叠加效应明显。图5为两个相邻转向架荷载作用下的基床动应力，图6为相应应力衰减曲线，在3m、5m 深度处的应力分别达到32.7和18.7kPa，对应衰减系数为0.28和0.16。
如取列车荷载产生的动应力与路基自重应之比小于0.2进行控制，对应的基床深度约为
4.55m。
图4 大秦线列车经过时前后车辆相邻转向架下路基动应力分布
024680
306090120应力/kPa 深度/m
02
46
8
0.20.40.60.81
应力衰减深度/m
图5 两个相邻转向架荷载作用下的基床应力
图6 动应力衰减曲线 因此，在相同的道床和基床参数条件下，轴重的增加和轴间距减少引起荷载作用的影响深度明显增大，必然造成路基基床深度的增大。不同深度的基床动应力随之增大，在基床较深处易造成新的病害。
2.3 沉降和边坡稳定的检算
轴重增大后，轨道及列车荷载的换算土柱荷载将随之增大，换算土柱的宽度和高度将有所增大，路基沉降和边坡稳定的检算荷载将发生变化，在相同参数条件下，路基沉降将会增大，边坡稳定性将会降低。同时，位于曲线地段特别是小曲率半径区段，路基将受到列车牵引、制动和离心运动导致的横向力作用，将对路基边坡稳定性进一步造成影响。
3 长编组引起的重载路基问题
我国重载已开行1～2万吨重载列车，单趟列车编组超过100～200节，甚至更长，导致对路基的连续重复荷载作用次数增加，将导致新的基床问题。 3.1 荷载作用次数
列车运行时，对于同一断面，将受到与图4形状类似的时程曲线，如考虑低频部分，认为通过相邻两个转向架荷载作用一次，一列25吨轴重2万吨级的重载列车通过时，路基受到荷载作用次数将达到200次。相比普通铁路和高速铁路路基，受到的连续动荷载作用次数明显增大。
路基动荷载及作用次数的增加将导致路基的疲劳破坏，当路基刚度不足动变形过大时，显著影响到碎石道床的稳定周期，路基还要受到道床碎石动力贯入的侵蚀，重载条件下尤其明显，往往形成道碴槽、道碴箱、道碴囊和道碴袋等病害。路基状态越不稳定，越容易造成各种形式的路基病害，上部结构的状态也会显著恶化，通过道床传到基床上的荷载越不均匀，进而加剧病害产生。
3.2 路基土体累积孔压
作用次数的增加不只是导致路基的疲劳破坏，更重要的是连续的作用导致路基基床中的累积孔压难以及时消散，产生累积孔压，累积孔压使得土颗粒间产生相互摩擦的有效正应力降低，颗粒间抗剪能力下降，土体强度降低，造成基床病害和破坏。
4 重载列车路基对策
4.1 重载路基对策原则
目前国内外重载运输效能的提高，多在未对基础设施进行大规模投资情况下，通过实施既有铁路基础设施的强化改造实现的。因此，十分重视基础设施的监测检测评估，对于既有重载路基而言，需要跟踪线路工作状态，评估其服役性能，结合具体情况进行强化加固。
对于既有重载路基的状态检测监测，可以采用全线以车载探地雷达连续快速的周期性检测为主、局部区段采用地面原位试验和长期监测为辅的方式，建立一套长大列车重载条件下路基综合检测评估技术，评估路基状态，预测发展变化趋势。基于评估和预测结果，划分路基状态等级，结合实际投入，确定路基维修的时间和工作量安排。
4.2 重载铁路路基状态监测
重载铁路路基荷载增加，路基基床的检测十分必要。车载探地雷达系统可实现快速获取全线路基基床的状况和道床有关信息，探测基床病害、道床与基床中各结构层的层位和结构面的变形情况，并能分析基床土质特性、承载能力、含水状况和道床的污染状况，周期性的检测，可以分析路基状态发展变化的速度、程度和趋势，从而系统掌握路基的实际状态，为养护维修和管理决策提供可靠依据。
对于特殊区段路基工作状态的长期监测，需开展路基动应力、动变形及长期沉降等内容的监测。
4.3 强化加固
对于既有重载路基的加固，主要分为大轴重荷载下承载能力不足和路基既有病害等两个
