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无砟轨道粗颗粒盐渍土路基设计方法

2017-12-08陈伟志李安洪李楚根吴沛沛丁兆峰

水文地质工程地质 2017年6期
关键词:盲沟基床结构层

陈伟志,李安洪,李楚根,吴沛沛,丁兆峰

(中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031)

无砟轨道粗颗粒盐渍土路基设计方法

陈伟志,李安洪,李楚根,吴沛沛,丁兆峰

(中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031)

我国“一带一路”发展规划中涉及大面积的盐渍土区域,高速铁路线位往往穿越盐质荒漠,沿线不含盐优质路基填料极其匮乏,亟需研究粗颗粒盐渍土作为高速铁路无砟轨道路基填料的可用性。通过技术创新、理论探索,提出了一种无砟轨道粗颗粒盐渍土路基设计方法,内容主要包括采用不同最大粒径、含盐量、溶陷系数及盐胀系数的粗颗粒盐渍土构筑无砟轨道路基,基床底层运用上结构层与下结构层的双结构层进行设计;以基底隔断层、基床隔断层、倒L型防护层、渗水排盐盲沟作为隔盐排盐系统,形成具有堵疏兼备的阻盐、排盐功能;通过容许盐胀变形法对基床底层上结构层、下结构层进行理论计算,确保无砟轨道路基抗隆起变形满足设计要求;对高速列车摩擦力或制动力可能造成基床隔断层复合土工膜产生相对滑移或拉伸破坏,采用最小滑动摩擦系数法进行控制设计。该方法可实现粗颗粒盐渍土在无砟轨道路基领域的首次应用。

无砟轨道;粗颗粒盐渍土;路基结构;双结构层;隔断层

随着“一带一路”战略实施,中国高速铁路走出海外势在必行,然而,海外高速铁路工程设计依然面临着各种复杂地质条件,盐渍土就是其中之一。盐渍土是一类不同程度盐碱化土的总称[1],具有溶陷性、盐胀性和腐蚀性等特殊工程特性[1~2],甚至比冻土、膨胀土和黄土更特殊、更复杂,在各国干旱、半干旱地区及滨海区域广泛分布,盐渍土危害给各国造成了巨大的经济损失[3]。

盐渍土一般包括粗颗粒盐渍土和细颗粒盐渍土,粗颗粒盐渍土力学特性较好[4],在高速公路建设中已有作为路基填料的工程先例,如王强[5]从改变盐渍土路基结构的方面,在考虑防治盐渍土路基盐胀、溶陷等病害的基础上,提出了“上隔下疏”的新型盐渍土公路路基结构形式;张莎莎等[6]通过开展多次冻融循环条件下的大型路堤模型试验,研究了粗颗粒盐渍土作为公路路基填料的可行性;包卫星等[7]基于5 mm 筛法配制盐分,研究了砂类盐渍土的盐胀变化、融陷特性及其作为公路路堤填料的可用性。

在高速铁路领域,粗颗粒盐渍土作为路基填料,特别是作为无砟轨道路基填料,在全世界范围内尚无先例可循。我国“一带一路”发展规划中涉及大面积的盐渍土区域,高速铁路线位往往穿越盐质荒漠,沿线不含盐的优质路基填料极其匮乏,亟需解决粗颗粒盐渍土作为高速铁路无砟轨道路基填料面临的技术难题。为此,本文通过技术创新、理论探索,提出了一种无砟轨道粗颗粒盐渍土路基结构及其设计方法。

1 路堤结构设计

1.1主体结构

无砟轨道粗颗粒盐渍土路堤结构设置在地基上方,在竖向上主要包括基底隔断层、路堤本体、基床底层下结构层、基床底层上结构层、基床隔断层、基床表层,路堤结构见图1。

图1 无砟轨道粗颗粒盐渍土路堤结构Fig.1 Embankment structure of the coarse grained saline soil in ballastless track

1.2细部结构

(1)隔断层

在路堤本体基底及基床表层底部设置隔断层,即基底隔断层与基床隔断层,隔断层由线路中心以4%的坡度向两侧对称铺设至边坡相交。基底隔断层大样图见图2。

图2 基底隔断层Fig.2 Separation layer of the subgrade base

由图2可知,基底隔断层包括从下至上依次铺设的0.2 m厚的碎石层、0.05 m厚的第一中粗砂层、复合土工膜及0.1 m厚的第二中粗砂层。基底隔断层的优势在于阻断了盐渍土地基有害盐向无砟轨道路堤迁移的趋势,避免基底有害盐侵蚀路堤结构;另一方面,基底隔断层的碎石层可以降低毛细水上升高度,甚至消除毛细水上升,并可将聚集在路堤基底的水盐排除至两侧排水沟。

基床隔断层大样图见图3。由图3可知,基床隔断层包括从下至上依次设置的0.05 m厚的第一中粗砂层、复合土工膜及0.1 m厚的第二中粗砂层。基床隔断层阻断了基床底层盐分向基床表层迁移的趋势,保证基床表层不受盐分侵蚀。此外,已有研究表明[1],水分渗入是影响盐渍土溶陷的主要因素,基床隔断层还可防止雨水渗入基床底层、路堤本体等下部结构,避免了粗颗粒盐渍土路堤产生溶陷病害。

图3 基床隔断层Fig.3 Separation layer of the base bed

上述复合土工膜采用两布一膜(上下为无纺透水型土工布,中间为隔水土工膜),并应具有抗酸碱腐蚀性。其他技术要求,如重量不小于800 g/m2,幅宽不小于7.0 m,纵横向抗拉强度不小于25 kN/m,CBR顶破强度不小于3.6 kN/m,最大延伸率不大于30%,撕破强度不小于0.6 kN,耐静水压不小于0.6 MPa;渗透系数不大于10~11 cm/s;土工膜厚度不小于0.5 mm,幅与幅之间的搭接宽度不小于0.3 m。

(2)路堤本体

路堤本体填筑在基底隔断层上方,路堤本体采用最大粒径不大于7.5 cm的粗颗粒盐渍土进行填筑;所述粗颗粒盐渍土与施工用水的含盐量总和不大于K,K取值与粗颗粒盐渍土的盐胀、溶陷特性有关,在无地区经验时K可取1.5%;且粗颗粒盐渍土的溶陷系数及盐胀系数应小于0.01,其他技术指标应满足文献[8]要求。

(3)基床结构

无砟轨道粗颗粒盐渍土路堤基床底层采用双结构层进行设计,即基床底层下结构层与基床底层上结构层。在设计时,基床底层下结构层、基床底层上结构层及基床隔断层的厚度总和为2.3 m,基床底层上结构层与基床隔断层的厚度总和不小于1.0 m。

基床底层下结构层设置在路堤本体上方,基床底层下结构层由最大粒径不大于6 cm的粗颗粒盐渍土进行填筑;粗颗粒盐渍土与施工用水的含盐量总和不大于M1,M1取值与粗颗粒盐渍土的盐胀、溶陷特性有关,在无地区经验时M1可取1.5%;且粗颗粒盐渍土的溶陷系数及盐胀系数应小于0.01,其他技术指标应满足文献[8]要求。

基床底层上结构层设置在基床底层下结构层上方,基床底层上结构层由最大粒径不大于6 cm的粗颗粒盐渍土进行填筑,粗颗粒盐渍土与施工用水的含盐量总和不大于M2,M2取值与粗颗粒盐渍土的盐胀、溶陷特性有关,在无地区经验时M2可取0.3%;且粗颗粒盐渍土的溶陷系数及盐胀系数应小于0.005,其他技术指标应满足文献[8]要求。

基床表层设置在基床隔断层上方,基床表层采用不含盐天然卵石(或砂砾石)并掺3%(重量比)水泥或开山块石进行填筑,基床底层厚度为0.4 m;其他技术指标应满足文献[8]要求。

(4)附属设施

护肩、基床隔断层与挡水缘的相对位置关系如图4所示。由图4可知,在设计中护肩底面设置在基床隔断层复合土工膜上方,可确保基床表层排水通畅;挡水缘顶面设置在基床隔断层复合土工膜下方,可充分发挥基床隔断层的隔断作用。

图4 相对位置关系Fig.4 Relationship of the relative position

路堤两侧边坡坡脚外设置反压护道,反压护道顶面宽度不少于3 m、高度不小于1.0 m,反压护道顶面设置2%的横向排水坡,反压互道的填料要求、压实方法与路堤本体保持一致。反压互道外侧设置排水沟,排水沟尺寸根据当地最大降雨量进行设计,且排水沟应具有耐酸碱腐蚀性能。

坡面防护结构设置在两侧路堤边坡和反压护道边坡上,在植物可以生长地段,边坡坡面防护结构采用土工网垫客土撒草籽、人字形截水骨架内客土撒草籽、空心砖客土撒草籽等形式,沿线路纵向每隔10~15 m设1道横向排水槽;在植物难以生长的地段,边坡坡面防护结构采用浆砌片石、片石混凝土等形式。

1.3抗隆起设计

文献[1]认为盐渍土产生盐胀的土层厚度一般在2 m以内。因此,无砟轨道高速铁路路堤主要以控制基床底层盐胀变形为主,基床底层盐胀变形设计应满足如下要求,即:

式中:Sη1,Sη2——基床底层下结构层和基床底层上结构层的盐胀量;

η1,η2——基床底层下结构层和基床底层上结构层的盐胀系数;

H1,H2——基床底层下结构层和基床底层上结构层的厚度;

[Sη]——无砟轨道路基面的容许盐胀量。

在基床底层设计中,采取了不同含盐量指标控制的基床底层下结构层与基床底层上结构层,并以容许盐胀量作为基床结构设计的控制目标,即容许盐胀变形法,可有效控制粗颗粒盐渍土盐胀变形对无砟轨道结构的危害。

1.4抗滑动设计

高速列车运行过程中,主要阻力是列车与钢轨之间的摩擦力,而在列车制动减速过程中,起主要作用的是列车制动力。高速列车摩擦力及制动力均可能在基床隔断层的复合土工膜与第一中粗砂层或第二中粗砂层界面之间产生相对滑动力Fs。若复合土工膜与粗砂层界面之间的滑动摩擦力flt;Fs,复合土工膜可能产生相对滑移或拉伸破坏,导致基床隔断层丧失隔断作用。因此,在设计过程中,复合土工膜与粗砂层界面之间的滑动摩擦力f满足下式要求:

式中:Fs——高速列车在复合土工膜与中粗砂层界面之间产生的相对滑动力;

f——复合土工膜与中粗砂层之间的界面滑动摩擦力;

m——安全系数,可取1.1~1.3。

即复合土工膜与中粗砂层界面之间的滑动摩擦系数μ满足如下要求(本文称为“最小滑动摩擦系数法”):

式中:N1——列车荷载的正压力;

N2——轨道结构自重的正压力;

N3——基床表层的正压力。

2 路堑结构设计

2.1主体结构

在中盐、强盐或极强盐盐渍土地区,有害盐对路堑基床危害大,基床结构应采取特殊处理措施。无砟轨道粗颗粒盐渍土路堑结构如图5所示。由图5可见,路堑结构主要包括倒L型防护层、纵向渗水排盐盲沟、基底隔断层、基床底层下结构层、基床底层上结构层、基床隔断层、基床表层。

图5 无砟轨道粗颗粒盐渍土路堑结构Fig.5 Cutting structural of coarse grained saline soil in ballastless track

2.2细部结构

(1)隔断措施

为避免盐渍土地区有害盐侵蚀基床结构,采取了船槽隔断式系统进行防护,具体措施包括:①路堑基床挖出换填两侧边坡设置倒L型防护层;②路堑基床基底设置基底隔断层。

倒L型防护层采用浆砌片石或片石混凝土等材料砌筑,厚度不小于0.3 m,边坡坡率不小于1∶0.75,所用水泥砂浆应具有抗酸碱腐蚀性能。倒L型防护层可阻止基床结构两侧盐渍土的水盐侵入。

路堑基底隔断层设置在基床挖出换填底面,由线路中心以4%的坡度向两侧对称铺设,细部结构设计与图2类似,文中不再赘述。基底隔断层阻断了基床底部盐渍土地基有害盐向无砟轨道基床迁移。

路堑基床隔断层设置在基床表层底部,由线路中心向两侧按4%的坡度进行对称铺设,细部结构设计与图3类似,文中不再赘述。基床隔断层的抗滑动设计应满足式(2)、式(3)要求。基床隔断层主要功能是阻断了基床底层盐分向基床表层迁移的趋势,也可避免路基面水分渗入基床底层。

(2)疏盐系统

为了及时有效地排除路堑基床基底水盐,避免有害聚集于基床底部,设计了疏盐系统,具体措施包括:①路堑基床基底两侧设置纵向渗水排盐盲沟;②沿线路纵向间隔设置横向渗水排盐盲沟。

纵向渗水排盐盲沟大样图见图6。由图6可知,纵向渗水排盐盲沟设计采用梯形沟,沟深大于0.3 m,底宽不小于0.3 m,两侧坡率为1∶1,纵向坡度不小于3‰,单面坡长度不大于200 m;纵向渗水排盐盲沟出水口应引入路堤地段排水沟或横向渗水排盐盲沟;横向渗水排盐盲沟沟底高程至少比纵向渗水排盐盲沟沟底高程低a,a为纵向渗水排盐盲沟沟深。纵向渗水排盐盲沟采用直径80 mm的抗酸碱腐蚀的塑料盲管或PVC花管置于沟底中心上方,纵向渗水排盐盲沟其他部位采用洁净碎石填充。

图6 纵向渗水排盐盲沟Fig.6 Longitudinal seepage and drainage ditch

横向渗水排盐盲沟大样图见图7。由图7可见,横向渗水排盐盲沟也采用梯形沟,沟深大于0.6 m,底宽不小于0.6 m,两侧坡率1∶1;横向渗水排盐盲沟设置在路堑基床底部,横向坡度不小于2%;横向渗水排盐盲沟出水口设置在背山侧,出水口高程至少比百年洪水位高程高1 m。横向渗水排盐盲沟采用耐酸碱腐蚀的直径200 mm钢筋混凝土排水管置于沟底中心上方,横向渗水排盐盲沟其他部位采用洁净碎石填充。

图7 横向渗水排盐盲沟Fig.7 Transverse seepage and drainage ditch

文中设计的疏盐系统,不仅有效利用纵向渗水排盐盲沟和横向渗水排盐盲沟及时排除基底富盐,也可与隔断系统形成了堵疏兼备的阻盐、排盐功能。

(3)基床结构

盐渍土地区无砟轨道路堑基床底层也采用双结构层进行设计,即基床底层下结构层与基床底层上结构层。在设计时,基底隔断层、基床底层下结构层、基床底层上结构层及基床隔断层的厚度总和不小于基底必要的换填厚度,其中基床底层上结构层与基床隔断层的厚度总和不小于1.0 m。

基底隔断层上方依次设置基床底层下结构层、基床底层上结构层;基床底层上结构层、下结构层的粗颗粒盐渍土最大粒径、含盐量、溶陷系数及盐胀系数等控制指标与路堤结构基床底层上结构层、下结构层一致。

基床底层下结构层与基床底层上结构层的盐胀量控制目标应满足式(1)要求,以消除粗颗粒盐渍土盐胀变形对无砟轨道结构的危害。

基床表层设置在基床隔断层上方,其设计方法与路堤基床表层设计类似。

(4)附属设施

护肩、基床隔断层与排水沟的相对位置关系如图8所示。由图8可知,在设计中护肩底面设置在基床隔断层复合土工膜上方,排水沟封闭层顶面设置在基床隔断层复合土工膜下方。

图8 相对位置关系Fig.8 Relationship of the relative position

3 工程应用

3.1设计案例

伊朗德伊高速铁路(以下简称“徳伊高铁”)从德黑兰市既有站引出,经库姆至伊斯法罕,线路总长约406 km,沿线穿越盐渍荒漠区域。现场地质调查表明,不含盐的优质路基填料采集难度大,河水或地下水也含有有害盐,冬季过后地表常有浮盐。以徳伊高铁DK72+200断面(路堤)为例进行应用说明,其设计标准为双线CRTSⅢ型板式无砟轨道,设计时速300 km/h,填方高度3.20 m,路基面宽度为13.2 m,无砟轨道路基面的容许盐胀量设定为4 mm。

参照上述无砟轨道粗颗粒盐渍土路堤结构进行DK72+200断面设计,基床底层上结构层设计厚度为1.0 m,其余与前文所述类似,此处不再赘述。该段附近取土场粗颗粒土含盐量指标见表1。在考虑施工用水含盐的基础上,进行基床底层上结构层、基床底层下结构层、路堤本体的含盐量与盐胀系数测试,结果也列于表1中,由表1可见路基各部位粗颗粒盐渍土与施工用水的含盐量指标可满足技术要求。

表1 粗颗粒盐渍土指标测试

根据上述理论公式进行基床底层抗隆起与基床隔断层抗滑动检算。

(1)基床底层抗隆起检算

根据上述设计及表1参数可知,H1=1.0 m,H2=1.3 m,η1=0.0005,η2=0.0026,代入式(1)可得:

Sη1+Sη2=η1H1+η2H2

=3.88(mm)≤[Sη]=4.0 mm

满足设计要求。

(2)基床隔断层抗滑动检算

一般情况下,高速列车紧急制动力远大于运行过程中列车与钢轨之间的摩擦力,因此基床隔断层抗滑动检算时主要考虑高速列车紧急制动力。在检算过程中,高速列车按50 t考虑,列车至平均减速度取1.0 m/s2,即Fs=50 kN;结合文献[8]可知,对双线CRTSⅢ型板式无砟轨道而言,N1=125.2 kN,N2=42.5 kN,N3=24.8 kN;安全系数m取1.3,由式(2)可得:

因此,设计的基床隔断层复合土工膜与中粗砂层之间的界面滑动摩擦系数μ应不小于0.338。

3.2讨论

(1)创新结构

文献[8]认为高速铁路基床及基床以下部位不得采用盐渍土作填料。然而,在中国高速铁路“走出去”战略落地实施中,高速铁路线位往往穿越盐质荒漠,沿线不含盐的优质路基填料极其匮乏,尤其是在中亚、西亚地区。因此,在该地区修建高速铁路,只能以粗颗粒盐渍土作为路基填料。然而,当前国内外尚无以粗颗粒盐渍土填筑高速铁路无砟轨道路基的先例。

本文提出的无砟轨道粗颗粒盐渍土路基结构采用不同的最大粒径、含盐量、溶陷系数及盐胀系数等对路基不同部位进行控制设计,还设有基底隔断层、基床隔断层、倒L型防护层、渗水排盐盲沟等隔盐排盐系统,属于创新型路基结构,促进了新型无砟轨道路基结构发展,不仅在国内具有较强的推广应用价值,也可解决中国高铁“走出去”面临的技术难题。

(2)理论计算

在海外工程设计中,咨询单位尤其重视设计的理论计算报告,新型结构若无相应的理论支撑,一般难以应用于工程设计。

无砟轨道粗颗粒盐渍土路基结构的变形主要包括压缩变形、溶陷变形、盐胀变形。一般情况下,粗颗粒盐渍土路基主体的压缩变形只要按文献[8]要求通过分层碾压施工即可满足要求。粗颗粒盐渍土溶陷变形主要是水分渗入引起的,本文采用基底隔断层、基床隔断层进行防水构造设计,可避免水分侵入路基主体,避免溶陷变形发生。无砟轨道变形控制要求严格[8~9],基床底层盐胀变形是路基隆起变形控制设计的重点,粗颗粒盐渍土盐胀变形主要通过不同的含盐量、盐胀系数指标进行控制设计,在理论上,本文主要采用容许盐胀变形法对基床底层上结构层、下结构层进行盐胀分析。

针对高速列车摩擦力或制动力可能造成基床隔断层复合土工膜产生相对滑移或拉伸破坏,本文也进行了理论分析,并提出了最小滑动摩擦系数法进行控制设计。

(3)实践检验

本文提出的路基结构是一种创新型的设计结构,拥有足够的理论计算支撑,并结合伊朗徳伊高铁建设进行设计应用阐释,徳伊高铁粗颗粒盐渍土路基设计文件成果得到了意大利ITALFERR咨询公司的认可,上述设计实践表明本文的设计方法具有可行性和国际认可度。然而,由于各地粗颗粒盐渍土或多或少存在差异,因此,本文设计方法有待进一步检验,特别是进行大型模型试验或现场试验验证。

4 结论

(1)无砟轨道粗颗粒盐渍土路堤结构主要包括基底隔断层、路堤本体、基床底层下结构层、基床底层上结构层、基床隔断层、基床表层;路堑结构主要包括倒L型防护层、纵向渗水排盐盲沟、基底隔断层、基床底层下结构层、基床底层上结构层、基床隔断层、基床表层。

(2)提出采用不同最大粒径、含盐量、溶陷系数及盐胀系数的粗颗粒盐渍土进行无砟轨道路基构筑,基床底层运用上结构层与下结构层的双结构层进行设计,实现了粗颗粒盐渍土在无砟轨道路基领域首次应用。

(3)以基底隔断层、基床隔断层、倒L型防护层、渗水排盐盲沟等作为隔盐排盐系统,阻断盐渍土有害盐向无砟轨道路基迁移,也可及时排除基底富盐,形成了堵疏兼备的功能。

(4)通过容许盐胀变形法对基床底层上结构层、下结构层进行理论计算,确保无砟轨道路基抗隆起变形满足设计要求。

(5)对高速列车摩擦力或制动力可能造成基床隔断层复合土工膜产生相对滑移或拉伸破坏,采用最小滑动摩擦系数法进行控制设计。

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责任编辑

:张明霞

Designmethodsofcoarsegrainedsalinesoilsubgradeinballastlesstrack

CHEN Weizhi, LI Anhong, LI Chugen, WU Peipei, DING Zhaofeng

(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.Ltd.,Chengdu,Sichuan610031,China)

A large number of saline soil area is involved in the development program of the Belt and Road Initiatives of China. The alignment of high-speed railway frequently crosses the salty desert, but it is difficult to find the favorable material of subgrade without the salt along alignment. To study the application of coarse grained saline soil in ballastless track subgrade of high-speed railway, a design method of ballastless track of coarse grained saline soil subgrade is derived with technological innovation and theoretical exploration. Different coarse particle size, salinity, subsidence coefficient and salt expansion coefficient of coarse grained saline soil was used to build the ballastless track subgrade. The base bottom layer is designed with the upper structural layer and the lower structural layer. The separation layer of subgrade base and base bed, inverted L-type protective layer, seepage and drainage ditch are used as a system, which are in charge of resistance salt and drainage salt. To ensure the ascension deformation of ballastless track subgrade to meet the design requirements, the deformation of the upper structural layer and the lower structural layer is calculated with the allowing salt expansion method. To avoid the relative slip or tensile damage of the composite geo-membrane in separation layer caused by the friction or braking force of high-speed train, the minimum sliding friction coefficient is adopted to the design. This method realizes the first application of the coarse grained saline soil in the field of ballastless track subgrade.

ballastless track; coarse grained saline soil; subgrade structural; double structural layer; separation layer

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.09

TU433

A

1000-3665(2017)06-0058-06

2017-04-10;

2017-05-16

国家自然科学基金项目资助(51209006)

陈伟志(1985-),男,博士,工程师,主要从事高速铁路路基及地基处理设计研究。E-mail:chenweizhi55@163.com

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