任务1.1 路基在高速铁路中的地位和作用认知
1.1.1 工作任务
通过学习路基在高速铁路中的地位和作用，能承担以下工作任务：
（1）能认知路基在高速铁路中的地位和作用。
（2）能通过各种资源获取高速铁路路基相关资料。
1.1.2 相关配套知识
路基是轨道的基础，也叫线路下部结构。高速铁路列车运行速度快、技术标准高、对路基的要求严格，控制路基变形已成为高速铁路路基最重要的一方面。因此，高速铁路路基与普速铁路路基的本质区别在于强化基床表层结构，提高和完善压实标准，同时对填料及路基与结构物过渡段的刚度提出了更高的要求。
高速铁路的出现对传统铁路的设计施工和养护维修提出了新的挑战，在许多方面深化和改变了传统的设计方法和观念。高速铁路路基应按土工结构物进行设计，其地基处理、路堤填筑、边坡支挡防护以及排水设计等必须具有足够的强度、稳定性和耐久性，使之能抵抗各种自然因素作用的影响，确保列车高速、安全和平稳运行。与普通铁路路基相比，高速铁路路基主要表现为以下4个特点。
1.高速铁路路基为多层结构系统
高速铁路线路结构，已经突破了传统的轨道、道床、土路基这种结构形式，既有有砟轨道也有无砟轨道。对于有砟轨道，在道床和土路基之间，已抛弃了将道砟层直接放在土路基上的结构形式，做成了多层结构系统。图1.1～图1.5分别为德国和法国高速铁路一般路基基床的断面形式，保护层的厚度为25～30cm。图1.6为日本高速铁路板式轨道的基本结构形式之一，其把基床表层称为路盘或强化路盘，厚度为30cm，强化路盘的表层为5cm厚的沥青混凝土，其下为级配碎石（或高炉矿渣）。
图1.1 德国高速铁路无砟轨道路堤的断面形式之一（单位：cm）
a—UIC60钢轨扣件；b—钢筋混凝土连续板；c—混凝土绝热层及支持层；d—素混凝土；e—矿渣混凝土；f—下伏土层；g—透水材料；h—冷沥青层；i—道砟
图1.2 德国高速铁路有砟轨道路堤的断面形式
图1.3 法国高速铁路路堤的断面形式（单位：m）
2.控制变形是路基设计的关键
控制变形是路基设计的关键，采用各种不同路基结构形式的首要目的是为高速线路提供一个高平顺、均匀和稳定的轨下基础。由散体材料组成的路基是整个线路结构中最薄弱、最不稳定的环节，是轨道变形的主要来源。它在多次重复荷载作用下所产生的累积永久下沉（残余变形）将造成轨道的不平顺，同时其刚度对轨道面的弹性变形也起关键性的作用，因而对列车的高速走行有重要影响。高速行车对轨道变形有严格的要求，因此，变形问题便成为高速铁路设计所考虑的主要控制因素。就路基而言，过去多注重于强度设计，并以强度作为轨下系统设计的主要控制条件。而现在强度已不成为问题，一般在达到强度破坏前，可能已经出现了过大的有害变形。日本东海道新干线的设计时速为220km，由于其在设计中仅仅采取了轨道的加强措施，而忽略了路基的强化，以至从1965年开始，因为路基的严重下沉，致使路基病害不断，线路变形严重超限，不得不对线路以年均30km以上的速度大举整修，10年内中断行车200多次，列车运行平均速度也降到100～110km/h。
图1.4 法国高速铁路路堑的断面形式（基床土质差）（单位：m）
图1.5 法国高速铁路路堑的断面形式（基床土质好）（单位：m）
图1.6 日本高速铁路板式轨道路基的断面形式之一
3.在列车、线路这一整体系统中，路基更是重要的组成部分
变形问题相当复杂，是一个世界性的难题。日本及欧洲各国虽然实现了高速，但他们都是通过采用高标准的昂贵的强化线路结构和高质量的养护维修技术来弥补这方面的不足。日本对此不惜代价，在上越和东北新干线上，高架桥延长米数所占比例分别为49％和57％，路基仅占1％和6％。所以，变形问题是轨下系统设计的关键。由于普通铁路行车速度慢、运量小，因此在以往的设计中，只孤立地研究轮、轨的相互作用，并把这种相互作用狭义地理解为轮、轨接触部位的几何学、运动学、动力学的关系，而忽略了路基的影响，其中各个部分的设计也只局限于本专业范围内。对于高速铁路，轮轨系统应该是车轮、钢轨、道床、路基各部分相互作用的整体。因为包括路基在内的轨下系统的垂向变形集中反映在轨面上，而且又直接影响着轮轨作用力的大小。所以，在轮轨系统相互作用的研究中，必须把各部分作为一个整体系统来分析，建立适当的模型，着眼于各自的基本参数和运用状态，进行系统的最佳设计，实现轮轨系统的合理匹配，尽可能降低轮轨作用力，以保证列车的高速安全运行。德国著名的高速铁路专家Birmann指出：铁路路基作为承受轨道和列车荷载的基础，如果选择了合理的刚度（弹性模量），则能明显地影响轮载的分配，可以使轨面的最大支承力减小60％～70％，而且还可以改善基床动应力分布，减弱重复荷载的动力作用，减少列车荷载对线路的不良影响。但这并不是要求路基不存在变形，因为列车不可能在一个绝对刚性的基础上作高速稳定的运行，只能依循着不平顺的走行面和刚度有变化的轨道运行。
4.在轨下基础刚度变化处需设置过渡段
铁路线路由不同特点的结构物（桥、隧、路基等）和轨道结构构成，这些结构在强度、刚度、变形等方面都有很大的差异，因此在路桥、路涵、路堤与路堑、路隧等相连地段，纵向轨下基础刚度的变化必然影响路基/轨道/车辆系统刚度的均匀性，导致高速铁路系统振动的加剧，也加大了对轨下基础的动力作用，影响高速行车的平稳和安全。路基与桥（涵）连接处一直是铁路路基的一个薄弱环节。一方面路基与桥梁（涵洞）刚度差别较大而引起轨道刚度的突变，另一方面由于路基与桥台（涵洞）的沉降差而导致轨面不平顺。在路堤与桥（涵）间设置一定长度的过渡段，以控制轨道刚度的逐渐变化，并最大限度地减少由于路基与桥涵的沉降不均匀而引起的轨道不平顺，保证列车高速、安全、舒适运行。
因此，在高速铁路技术研究中，无论机车车辆、轨道结构或路基、桥梁、隧道专业，都应当把自己的问题放在整个系统中去考察。设计中所采用的设计参数应当使系统的各个部分相互间有合理的匹配。对于路基来说，这些参数主要是弹性系数、阻尼、参振质量、变形模量、动刚度、固有频率以及与之相联系的压实度和含水量等。