高等轨道岩土工程——有砟道床（翻译版）

布迪马·因卓拉特纳教授是国际知名的岩土工程研究员及顾问。毕业于伦敦大学帝国理工学院土木工程专业， 后于帝国理工学院获得土力学硕士学位， 随后获得加拿大阿尔伯塔大学岩土工程博士学位。现任澳大利亚伍伦贡大学土木、矿业与环境工程学院教授及主任。2009 年获上海理工大学土木工程专业荣誉教授。他对铁路岩土工程、软黏土工程、地基处理、环境岩土工程与岩土水力学等专业在交通基础设施工程及大坝工程中的应用做出了杰出的贡献。

在他的领导下， 伍伦贡大学岩土力学与铁路工程中心已经发展成为一个在地基加固和运输岩土力学方面的机构， 承担着国家和国际研究及咨询工作。

他多年的努力得到了国际认可。在其获得的众多奖项中， 尤为突出的是： 2009 年由澳大利亚岩土力学学会举办的EH Davis 纪念讲座， 表彰其在岩土工程理论与实践方面的突出贡献， 同年， 由澳大利亚联邦政府举办的商业高等教育圆桌会议授予其轨道创新奖。除本书外， 他还编著了4 本书， 在国际期刊和会议上发表350 余篇论文， 受邀进行全球主题演讲30余场。他的数篇作品已获得加拿大岩土工程学会和瑞典岩土工程学会组织的国际岩土力学计算方法与发展协会颁发的杰出贡献奖。

韦杜德·萨利姆博士是澳大利亚昆士兰黄金海岸市政府环境与交通部高级岩土工程师。毕业于孟加拉工程技术大学， 于泰国亚洲理工学院获得岩土工程硕士学位， 并获得伍伦贡大学岩土工程博士学位。他是伍伦贡大学岩土力学与铁路工程中心兼职研究员， 曾是悉尼铁路公司的岩土工程师。他是一部关于轨道岩土工程书籍与多篇铁路现代化领域的各种国际期刊和会议的技术论文的合著者。

乔拉查特·鲁吉齐亚特卡门乔恩博士是伍伦贡大学土木工程高级讲师。他毕业于泰国孔敬大学土木工程专业， 于泰国亚洲技术研究所获得硕士学位。之后他在伍伦贡大学获得了岩土工程博士学位。他的专业领域包括交通基础设施地基加固和软黏土工程。2009年， 他获得了国际岩土力学计算方法与发展协会的论文奖。此外， 由于他在交通基础设施软土地基稳定方面的创新， 于2006 年获伍伦贡开拓者奖。他在国际期刊和会议上发表了50 多篇文章。

译者序

序

前言

作者简介

第1 章　绪论 1

1. 1　轨道下部结构性能 1

1. 1. 1　脏污 2

1. 1. 2　排水 2

1. 1. 3　路基失稳 4

1. 1. 4　道砟和轨枕劣化 4

1. 1. 5　横向约束 5

1. 1. 6　荷载.变形 5

1. 2　碳足迹及其启示 6

1. 3　研究领域 7

参考文献 7

第2 章　轨道结构和钢轨荷载 9

2. 1　轨道结构类型 9

2. 1. 1　有砟轨道 10

2. 1. 2　板式无砟轨道 10

2. 2　有砟轨道结构组成 11

2. 2. 1　钢轨 11

2. 2. 2　扣件系统 12

2. 2. 3　轨枕 12

2. 2. 4　道砟层 12

2. 2. 5　底砟层 15

2. 2. 6　路基 16

2. 3　轨道承受荷载 16

2. 3. 1　垂向力 16

2. 3. 2　横向力 20

2. 3. 3　纵向力 21

2. 3. 4　冲击荷载 21

2. 4　荷载传递机理 23

2. 5　应力测定 25

2. 5. 1　Odemark 法 25

2. 5. 2　齐默曼法 25

2. 5. 3　梯形估算法（2 ∶ 1 法） 27

2. 5. 4　Arema 推荐方法 27

参考文献 30

第3 章　道床性能的影响因素 32

3. 1　单体颗粒的物理性质 32

3. 1. 1　粒径 32

3. 1. 2　道砟颗粒形状 33

3. 1. 3　颗粒表面粗糙度 34

3. 1. 4　母岩强度 35

3. 1. 5　颗粒抗压强度 35

3. 1. 6　耐磨和抗风化性能 35

3. 2　道砟的散体特性 36

3. 2. 1　粒径分布 36

3. 2. 2　孔隙率（或密度） 38

3. 2. 3　含水量 38

3. 3　荷载特性 39

3. 3. 1　围压 39

3. 3. 2　荷载历史 40

3. 3. 3　当前应力状态 40

3. 3. 4　荷载循环次数 42

3. 3. 5　荷载频率 43

3. 3. 6　荷载幅值 44

3. 4　道砟颗粒劣化 46

3. 4. 1　颗粒破碎量化 46

3. 4. 2　道砟破碎影响因素 47

3. 4. 3　主应力比对颗粒破碎的影响 47

3. 4. 4　围压对颗粒破碎的影响 48

参考文献 51

第4 章　道砟室内试验和道砟劣化评估的

研究现状 54

4. 1　静三轴试验 54

4. 1. 1　大型三轴试验仪 54

4. 1. 2　试验道砟介绍 55

4. 1. 3　试样制备 56

4. 1. 4　试验过程 57

4. 2　道砟单体颗粒压碎试验 57

4. 3　动三轴试验 58

4. 3. 1　棱柱体三轴试验仪 58

4. 3. 2　试验材料 59

目录　Ⅸ

4. 3. 3　试验材料准备 62

4. 3. 4　动三轴试验 63

4. 4　冲击试验 64

4. 4. 1　落锤试验机 64

4. 4. 2　测试仪器 65

4. 4. 3　试验材料 65

4. 4. 4　试样准备 67

4. 4. 5　冲击试验过程 67

参考文献 68

第5 章　有无土工合成材料和减振垫的

有砟道床性能 70

5. 1　单调荷载作用下道床的力学响应 70

5. 1. 1　应力.应变特性 70

5. 1. 2　抗剪强度和刚度 74

5. 1. 3　三轴剪切试验的颗粒破碎 76

5. 1. 4　道砟临界状态 78

5. 2　道砟单体破碎强度 79

5. 3　循环荷载作用下道砟的力学响应 80

5. 3. 1　沉降响应 80

5. 3. 2　应变特性 81

5. 3. 3　颗粒破裂 83

5. 4　重复加载下道砟的力学响应 85

5. 5　围压对道床性能影响 85

5. 6　能量吸收材料———减振垫 87

参考文献 90

第6 章　现有轨道结构的变形模型 92

6. 1　道床的塑性变形模型 92

6. 2　其他塑性变形模型 94

6. 2. 1　临界状态模型 94

6. 2. 2　弹塑性本构模型 96

6. 2. 3　边界面塑性模型 100

6. 3　颗粒破碎模拟 102

参考文献 104

第7 章　道砟本构模型 106

7. 1　颗粒破碎的模拟 106

7. 1. 1　计算道砟基本摩擦角.f 109

7. 1. 2　颗粒破碎对摩擦角的影响 109

7. 2　单调加载的本构建模 111

7. 2. 1　应力应变参数 111

7. 2. 2　增量式本构模型 112

7. 3　循环加载的本构建模 121

7. 3. 1　各向异性初始应力状态下的

剪切 122

7. 3. 2　循环加载模型 123

7. 4　模型验证与讨论 126

7. 4. 1　数值方法 126

7. 4. 2　模型参数计算 126

7. 4. 3　单调加载模型预测 127

7. 4. 4　分析模型与有限元预测值的对比

分析 129

7. 4. 5　循环加载模型预测 130

参考文献 133

第8 章　轨道排水和土工织物的应用 135

8. 1　排水 135

8. 1. 1　底砟排水 136

8. 1. 2　排水要求 136

8. 2　脏污指标 137

8. 2. 1　脏污指数和脏污百分比 137

8. 2. 2　孔隙脏污百分比 137

8. 2. 3　相对脏污率 138

8. 3　土工织物在轨道中的应用 139

8. 4　作为下部排水结构的竖向土工合成

材料排水管 142

8. 4. 1　试验仪器和过程 142

8. 4. 2　试验结果及分析 142

参考文献 143

第9 章　底砟层的作用———排水和

过滤 145

9. 1　底砟层设计标准 145

9. 1. 1　过滤与透水标准 145

9. 1. 2　底砟选择案例研究 147

9. 2　颗粒过滤的经验研究 149

9. 2. 1　自然资源保护服务（NRCS）

方法 149

9. 2. 2　自过滤方法 151

9. 3　排水和过滤的数学公式 151

9. 3. 1　几何概率模型 152

9. 3. 2　颗粒渗透模型 155

9. 4　收缩粒径分布模型 155

9. 4. 1　过滤层压实 155

9. 4. 2　过滤层厚度 156

9. 4. 3　占主导地位过滤层的收缩尺寸 157

9. 4. 4　控制过滤层的收缩尺寸 157

9. 4. 5　路基土参数的代表值 157

Ⅹ　高等轨道岩土工程———有砟道床（翻译版）

9. 5　基于收缩标准的过滤有效性评估

标准 158

9. 5. 1　Dc95模型 158

9. 5. 2　Dc35模型 159

9. 6　设计准则的含义 159

9. 7　多孔介质稳定状态下的渗流压力 160

9. 7. 1　基于康采尼.卡曼方程理论的

发展 160

9. 7. 2　有效直径公式 161

9. 8　循环荷载作用下底砟的过滤性能 162

9. 8. 1　室内模拟 162

9. 8. 2　循环荷载作用下底砟层的变形

特征 165

9. 8. 3　循环荷载作用下底砟应变与

孔隙率关系 166

9. 8. 4　循环荷载作用下底砟的水力

渗流 169

9. 9　循环荷载作用下颗粒迁移的时变

地下水过滤模型 171

9. 9. 1　时变一维散体过滤层的压缩 171

9. 9. 2　累积因子 173

9. 9. 3　细颗粒累积导致孔隙率降低的

数学描述 174

9. 9. 4　基于时间的水力传导模型 175

参考文献 176

第10 章　轨道性能验证的现场试验 181

10. 1　场地位置和轨道铺设 181

10. 1. 1　实地勘测 181

10. 1. 2　轨道铺设 182

10. 2　现场测试设备 184

10. 2. 1　压力计 184

10. 2. 2　位移传感器 185

10. 2. 3　沉降桩 185

10. 2. 4　数据收集系统 186

10. 3　数据采集 186

10. 4　结果与讨论 186

10. 4. 1　钢轨下和轨枕边缘的道床竖向

位移 187

10. 4. 2　道砟层的平均变形 187

10. 4. 3　道砟层的平均剪应变和平均

体积应变 190

10. 4. 4　道床内不同层间的原位应力 190

10. 4. 5　试验结果与参考文献比较 191

参考文献 192

第11 章　道砟密实和破裂的离散

单元法建模 194

11. 1　离散单元法和PFC2D 194

11. 1. 1　计算法则 195

11. 1. 2　接触本构模型 195

11. 2　颗粒破裂模拟 197

11. 3　基于PFC2D的道砟力学特性数值

模拟 198

11. 4　道砟破裂行为 203

11. 5　循环荷载作用下接触力链的发展

机理 208

参考文献 209

第12 章　轨道有限元模拟及应用

案例研究 213

12. 1　轨道下部结构中土工复合材料的

应用 213

12. 1. 1　有限元分析 215

12. 1. 2　现场测试与有限元预测结果

对比分析 217

12. 2　轨道下短预制竖向排水管的设计

过程 217

12. 2. 1　初步设计 218

12. 2. 2　现场试验结果与数值分析预测

结果对比 219

参考文献 220

第13 章　轨道的无损检测和状态

评估 222

13. 1　试验室轨道模型 222

13. 1. 1　轨道模型 222

13. 1. 2　道床断面准备 222

13. 2　GPR 方法 224

13. 2. 1　GPR 的理论背景 224

13. 2. 2　GPR 数据采集和处理 226

13. 2. 3　天线频率的影响 227

13. 2. 4　雷达可探土工织物的影响 229

13. 2. 5　含水量的影响 230

13. 2. 6　利用介电常数确定道砟状态 230

13. 3　表面波的多通道分析方法 231

13. 3. 1　表面波多通道分析法研究 232

13. 3. 2　清洁道床和脏污道床的剪切

特性 232

13. 3. 3　数据分析 233

参考文献 235

第14 章　轨道维修 237

14. 1　轨道维修技术 237

14. 1. 1　捣固 237

14. 1. 2　吹砟 238

14. 1. 3　清筛和换砟 238

14. 2　寒冷地区轨道岩土工程和维修

技术 239

参考文献 241

第15 章　推荐的道砟级配 243

15. 1　澳大利亚道砟级配 243

15. 2　国际铁路道砟级配 244

15. 3　级配对道床沉降和道砟颗粒破碎

影响 245

15. 4　推荐的道砟级配 246

15. 5　结论 247

参考文献 247

第16 章　维持轨道稳定的生物

工程学 249

16. 1　概述 249

16. 2　理论模型 249

16. 2. 1　土壤吸力 250

16. 2. 2　根系分布 250

16. 2. 3　潜在蒸腾 251

16. 3　根系吸水模型的验证 252

16. 3. 1　案例1： Miram 村（澳大利亚

维多利亚州西部） 252

16. 3. 2　案例2： 英国米尔顿凯恩斯 254

参考文献 256

附录 257

附录A　一阶线性微分方程的偏导数

推导 257

附录B　室内试验结果确定的模型参数 258

B. 1　单调荷载模型 258

B. 2　循环加载模型 260

附录C　轨道加固、现场检测和仪器

指导 262

附录D　岩土和轨道专用试验设备 264 2100433B

该书是有砟道床研究集大成者，凝聚了作者及其研究团队10多年研究及国际先进有砟道床应用技术。该书系统深入介绍了有砟道床试验、模型、理论与数值分析，对有砟道床理论进行了深刻剖析。同时该书还对有砟道床级配、土工格栅应用、检测维修、环境保护进行了阐述，指导有砟道床新技术应用。该书对我国铁路工务人员、科研院所研究及师生具有重要参考和实用价值。

有砟轨道钢轨

正线轨道应采用100m定尺长的60kg/m无螺栓孔新钢轨，其质量应符合相应速度等级钢轨的相关要求。

有砟轨道轨枕

正线有砟轨道采用2.6m长混凝土轨枕，每千米铺设1667根。道岔区段铺设混凝土岔枕。

有砟轨道配件

有砟轨道采用与轨枕配套的弹性扣件，其轨下弹性垫层的静刚度宜为（60±10）kN/mm。

有砟轨道道床

（1）采用特级碎石道砟，道砟的物理力学性能应符合有关规定。道砟上道前应进行清洗，清洁度应满足有关要求。

（2）道床顶面低于轨枕承轨面不应小于40mm，且不应高于轨枕中部顶面。

（3）路基地段单线道床顶面宽度为3.6m，道床厚度为0.35m，道床边坡为1：1.75，砟肩堆高为0.15m。双线道床顶面宽度分别按单线设计。石质路堑地段采用弹性轨枕或铺设砟下弹性垫层。

（4）桥上的道床标准与路基地段相同，应采用弹性轨枕或铺设砟下弹性垫层。砟肩至挡砟墙之间以道砟填平。

（5）隧道内的道床标准与路基地段相同，应采用弹性轨枕或铺设砟下弹性垫层。砟肩至边墙（或高侧水沟）间以道砟填平。

（6）线路开通前，道床密度不应小于1.75g/cm，轨枕支承刚度不应小于120kN/mm，纵向阻力不应小于14kN/枕，横向阻力不应小于12kN/枕。

如《有砟轨道线路构成示意图》所示，有砟轨道线路由轨道和下部建筑两部分组成。

（一）轨道（也称上部建筑）

由钢轨、轨枕、道床、道岔和连接零件、防爬设备等组成。

道床是铺设在路基面上的道砟（碎石或沙子）层，其作用是将轨枕传下来的压力均匀地传给路基，排除轨道中的雨水，阻止轨枕移动钢轨和缓和车轮对钢轨的冲击，使轨道具有足够的弹性。由于我国多数情况是用钢轨传输信号电流构成轨道电路，道床的状态对轨道电路影响很大，所以对道床材料有一定要求。为了提高线路阻力，保持轨道稳定，对于不同线路条件有不同的道床断面尺寸。在自动闭塞区段为了避免传失轨道电流，道床顶面应比轨枕顶面低20~30mm。

轨枕是钢轨的支座，并用它保持钢轨的位置、方向及轨距。轨枕按制造材料分有木枕和钢筋混凝土枕两种，不论采用哪一种轨枕，对轨道电路来说，都要求它对钢轨有较好的电气绝缘。在曲线处除用轨枕保持轨距外，还加装有轨距杆，使调整好的轨距不变，设有轨道电路时，轨距杆要实行电气绝缘。我国普通轨枕的长度为2.5m，道岔用的岔枕和桥梁上用的桥枕，其长度有2.6~4.85m等多种。每公里线路上铺设轨枕的数量，一般在1440~1840根之间，应结合运量和行车速度等运营条件而确定。

钢轨承受列车车轮传来的力，并把此力传给轨枕，引导列车按一定方向运行。因而它应具备足够的强度、稳定性和耐磨性。我国和多数国家一样，采用稳定性良好的宽底式钢轨，它的断面很像工字梁，包括轨头、轨腰、轨底三个部分。

钢轨类型是以每米钢轨重量来表示，如75kg/m、60kg/m、50kg/m、43kg/m等。钢轨越重越能承受较大的冲击力。在车辆的载重不断加大，列车速度不断提高的情况下，今后将广泛使用重型钢轨。

钢轨长度，我国钢轨的标准长度有12.5m和25m两种。在铺设时，为了消除车轮通过轨缝处所引起的冲击力，可把钢轨焊接成几百米或几千米一段，即所谓长钢轨。钢轨越长，接缝越少，可节省连接零件，也可减少行车阻力和节省线路及机车车辆的维修费用。长钢轨对轨道电路也有利，因为可以节省在钢轨接缝处用的导接线，可以使钢轨阻抗更加稳定。钢轨接缝处的连接零件包括鱼尾板（又称接头夹板）、螺栓、螺帽和弹性垫圈等部分。

钢轨接缝处必须保持的缝隙叫做轨缝。当温度变化使钢轨产生伸缩时，它可以起调节作用。在装有轨道电路的区段，轨道电路的两端要在钢轨接缝处装上钢轨绝缘；在轨道电路中间的钢轨接缝处，要用导接线把接缝两边的钢轨连接起来，以便使钢轨阻抗稳定不变，更好地导通信号电流。由此可见，钢轨接缝越少，对轨道电路越有利。在轨缝处安装的钢轨绝缘与钢轨类型有关，例如有50kg/m钢轨用的钢轨绝缘，60kg/m钢轨用的钢轨绝缘等。

列车运行时，常常产生作用在钢轨上的纵向力，使钢轨作纵向移动，有时甚至带动轨枕一起移动，叫做爬行。线路爬行往往引起轨缝不均，轨枕歪斜，甚至涨轨跑道，威胁行车安全。钢轨爬行也会使道岔不能转换。为此，在容易产生爬行的线段，例如在列车经常实行制动的线段或单向运行的线段，都需要安装防爬设备，如安装防爬器和防爬撑等。

（二）下部建筑

下部建筑由路基（路堑及路堤）、桥梁、隧道、涵泂等设备组成，在实际管理中，除路基之外，其他不属于“线路”范围。