中德铁路路基填料分类对比研究

华丽晶

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

随着国家“一带一路”重大战略的提出，中国铁路迎来了一个良好的发展机遇，“一带一路”架起了中国走向世界的便捷通道，中国铁路及其建设标准也逐渐走出国门，走向世界[11]。但对于目前海外绝大部分铁路工程来说，由于历史文化、地缘关系及语言体系等原因，中国标准与当地工程习惯不太相适应，欧洲标准由于其技术优势，仍然是海外工程标准的主流。笔者参与的利比亚某铁路工程就仍然采用欧洲规范中的德国标准进行设计和建设。

结合利比亚某铁路的路基设计，对德国铁路填料分类相关标准进行系统分析，并与中国铁路相应标准进行对比，对指导使用德国标准的海外铁路项目中路基填料设计具有重要意义。

2 德国铁路路基填料技术标准

2.1 德国铁路技术标准体系概述

德国铁路标准体系分为技术法规和技术标准两部分。技术法规由政府制定、发布和实施，对涉及人身和动物的健康、安全、环境保护与水土保持、用户权益等方面进行了规定[6]。

德国铁路工程建设技术标准依次分为国际标准、欧洲标准、国家标准、行业协会标准、铁路公司标准5个层次[6]。本文结合德国铁路的实际情况，主要讨论的是国家标准、行业协会标准、铁路公司标准。

利比亚某铁路路基设计主要参考了德国国家标准《土方工程和地基、土木工程的土壤分类》(DIN 18196—2006)和德国铁路行业标准《路基工程的设计、施工与维护》(DB 836.0501—1999)。

2.2 德国铁路岩土分类相关技术标准

岩土分类主要针对的是保持天然结构状态的地基土。欧洲标准采用的是“统一分类法”。该方法根据地基土颗粒的粒径大小、细颗粒含量、相邻粒组的含量、颗粒的级配以及塑性指数、液限等塑性指标来进行分类[7]。该分类法的第一步是根据地基土的颗粒粒组主要成分进行一级定名，第二步再根据地基土的颗粒级配、细粒含量和塑性等物理指标进行二级定名，同时明确标准符号[7]。

德国国家标准《土方工程和地基、土木工程的土壤分类》(DIN 18196—2006)和欧洲标准的分类原则基本一致，原则上遵循EN ISO 14688—2：2004的规定，但其在具体的定量指标上略有不同。具体表现在：一般土壤根据颗粒级配、塑性、有机质含量等可分为粗粒土、多粒径土、细粒土、有机土、填土等类别。为了便于统计说明，德国国家标准(DIN 18196—2006)对建筑工程用土壤分类进行了总结，详见表1。

表1 建筑工程用土壤分类

2.3 德国铁路路基填料类型相关技术标准

填料分类主要针对扰动土，其天然结构状态已被破坏。德国国家标准《土方工程和地基、土木工程的土壤分类》(DIN 18196—2006)将路基填料一般分为粗粒土填料、混合土填料、细粒土填料3种，具体分类详见图1。

(1)粗粒土填料：粗粒土(砂和砾石)适用于路堤的填料，在填筑时尽可能选用不均匀的粗粒土，其最佳的压实效果只有在填筑土的含水量接近于最佳含水量时才可以实现。

图1 建筑工程用填料分类(依据DIN 18196—2006整理)

(2)混合土填料：填料混合土的细粒含量在5%～40%时，其力学性能主要受细粒含量的影响，如果细粒含量较少就具有粗粒土的性能，按照最佳含水量时压实效果较好。如果细粒含量较高，其铺筑位置应与细粒土一样。

(3)细粒土填料：细粒土(黏土和粉土)的可压实性和变形性易受含水状态(稠度)的影响，通常压实困难，因此尽量不要将细粒土用作路堤的填料，对于含水量较高的细粒土需要进行改良，含水量较低的黏性土用于路堤应力较低部位。

2.4 德国铁路路基填料填筑部位相关技术标准

依据德国铁路行业标准《路基工程的设计、施工与维护》(DB 836.0501—1999)，以利比亚某铁路路基设计为例，德国铁路路基结构主要有上部轨道结构的路基保护层(sub-ballast layer)、基床Ⅰ层(subgradeⅠlayer)、基床Ⅱ层(subgradeⅡlayer)。德国铁路的标准路基横断面如图2所示。

图2 德国铁路路基横断面示意

德国铁路行业标准(DB 836.0501—1999)中规定如下。

(1)路基保护层(sub-ballast layer)材料

路基保护层(sub-ballast layer)的材料要求为由不同矿物材料构成颗粒混合料(KG)。

划分标准如下。

①根据矿物材料类别分为天然未经破碎及经破碎的矿物材料、人工矿物材料以及可以重复利用的(RC)材料。

②根据矿物材料的成分划分。

③根据颗粒级配分为颗粒混合料1(KG1)和颗粒混和料2(KG2)。

德国铁路一般只使用两种矿物材料混合料用于路基保护层，这种填料即为颗粒混合料1和颗粒混合料2。

颗粒混合料1的特征是细粒含量相对较高，其透水系数极低，在铺设时，一旦超过最佳含水量，就会对水非常敏感。颗粒混合料2具有和颗粒混合料1相同的承载力性能，但它的透水性较高。

在选用颗粒混合料时需注意以下几点。

①对于有砟轨道的保护层，如果地基对水敏感，一般建议使用颗粒混合料1，以阻止地表水侵入。由于颗粒混合料1的渗透系数低，因此保护层也能满足作为防水层的作用。

②在渗水和透水的地基中优先使用透水的颗粒混合料2，以便地表水顺利渗入到地基中。

③在设置双层保护层时可在由颗粒混合料1构成的上部防水承载层的下面铺设颗粒混合料2，作为起隔断毛细水及排水的下部承载层。

(2)基床Ⅰ层(Subgrade Ⅰ layer)填料

基床Ⅰ层填料可选用粉土质砾石GU、黏土质砾石GT、粉土质砂SU或黏土质砂ST。

(3)基床Ⅱ层(Subgrade Ⅱ layer)填料

基床Ⅱ层填料选用级配良好的砾石GW，粒径缺失砾石GI，级配不好的砾石GE，级配不好的砂SE，级配良好的砂SW和粒径缺失的砂SI时，要求Dpr=0.98。

当选用粉土质砾石GU，黏土质砾石GT，粉土质砂SU或黏土质砂ST时，要求Dpr=1.00。

当选用富含粉土质砾石GU*(*表示含量在15%～40%，下同)，富含黏土质砾石GT*，富含粉土质砂SU*，富含黏土质砂ST*，弱塑性的黏土UL，中等塑性的粉土UM和弱塑性的黏土TL时，要求Dpr=0.97、空气孔隙率na<0.12。

2.5 德国铁路路基填料压实指标相关技术标准

德国铁路行业标准(DB 836.0501)对不同铁路标准的路基填料位置及其压实标准有相应的要求。德国主要采用普氏压实系数和Evd控制，详见表2。

表2 德国铁路路基填料压实标准

注：(1)P(客运)、M(客货共线)、R(专用线)、G(货运)，字母后面的数值代表设计时速；(2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为冻害敏感等级；(3)Ev2为静态变形模量；(4)Evd为动态变形模量。

3 中国铁路路基填料技术标准

3.1 中国铁路岩土分类标准

中国铁路岩土分类采用“粒径累积法”，即“粒度成分法”，该方法根据地基土颗粒的粒径大小和塑性指数等指标来分类。中国铁路岩土分类依据主要是《铁路工程岩土分类标准》(TB 10077—2001)。局部区域如铁路站房同时也考虑《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)的相关规定。一般土按照颗粒形状、级配或塑性指数分为碎石类土、砂类土、粉土、黏性土等四大类。

3.2 中国铁路路基填料类型

中国标准《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)中规定：路基填料分为普通填料、级配碎石、物理改良土和化学改良土。普通填料按颗粒粒径大小进行一级分类，分为3个类别：巨粒土、粗粒土、细粒土[12]。再进行二级分类，分为7个类别：漂(块)石、卵(碎)石、粗圆(角)砾、细圆(角)砾、砂粒、粉粒、黏粒。最后再根据细粒含量和颗粒级配进行三级分类，分为A1、A2、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、E共11类。同时对于每一种填料的具体量化指标给予明确说明。

3.3 中国铁路路基填料填筑部位相关技术标准

《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)中规定：路基基床结构由基床表层和基床底层构成。基床表层填料根据铁路等级、设计速度、轨道类型等选择级配碎石或A1、A2组填料。基床底层填料根据铁路等级、设计速度、轨道类型等选择砾石类、碎石类及砂类土中的A、B、C组填料或化学改良土。基床以下路基填料选用A、B、C1、C2组填料或化学改良土。

3.4 中国铁路路基填料压实指标相关技术标准

《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)中规定：无砟轨道铁路、高速铁路及重载铁路采用的级配碎石、砾石类、碎石类及砂类土应采用压实系数、地基系数、动态变形模量作为压实控制指标；其余铁路采用的级配碎石、砾石类、碎石类及砂类土应采用压实系数、地基系数作为压实控制指标。化学改良土应采用压实系数、7 d饱和无侧限抗压强度作为控制指标。

4 中德铁路标准对比分析

通过对比中德铁路标准在路基填料方面的规定，表明中德标准之间的主要差异如下。

4.1 岩土分类标准体系对比

(1)采用的分类体系差异

德国铁路采用“统一分类法”，该方法根据地基土颗粒的粒径大小、细颗粒含量、相邻粒组的含量、颗粒的级配以及塑性指数、液限等塑性指标来进行分类[7]。

中国铁路采用“粒径累积法”，即“粒度成分法”，该方法根据地基土颗粒的粒径大小和塑性指数等指标来分类。对细粒土而言，液限也是影响土性的一个重要因素。这是粒度累积法的不足。

(2)粒组划分界限差异

两种不同的分类方法均认为，影响土体强度的重要因素是土体的粒径大小及塑性指数。土体粒径大小与土体强度呈正比、塑性指数与土体强度呈反比。因此，按照土体的粒径大小分组是土体分类的第一步。德国标准的粒径界限与欧洲规范标准一致，中国铁路标准稍有差异，对比情况详见表3。

表3 中德有关规范的粒径界限

(3)土体的颗粒级配标准差异

土的颗粒级配也影响着土体的物理性质，土体级配状况由不均匀系数Cu和曲率系数Cc确定。德国铁路标准规定，当Cu≥6且Cc=1～3时，属良好级配；当Cu<6时，属于不良级配。而在中国铁路标准中，当Cu≥5且Cc=1～3时，属良好级配；当Cu<5且Cc≠1～3时，属于不良级配[7]。

(4)土的细粒含量分类界限差异

土的细粒含量划分标准是中德标准之间的又一处差异。德国铁路标准中细粒含量的分类界限为5%、12%和40%，而中国铁路标准中细粒含量的分类界限为5%、15%和50%。

(5)黏性土划分标准差异

对于黏性土的划分，中国铁路标准TB 10077—2001主要是按液性指数IL进行划分；而欧洲标准EN ISO 14688—2(2004)则主要依据稠度指数IC进行划分(表4)。

表4 黏性土的稠度指数和液性指数分类

注：(1)稠度指数IC：细粒土液限和天然含水量的差值与塑性指数的比值。(2)液性指数IL：细粒土天然含水量和塑限的差值与塑性指数的比值。(3)塑性指数Ip：细粒土液限和塑限的差值。

通过上述对比可以看出，在岩土分类标准方面，德国标准采用统一分类法，中国采用粒度累积法。中德岩土分类主要区别在于各种参数值的范围不同，如粒组划分界限、颗粒级配标准、细粒含量分界界限、黏性土划分标准等方面。

4.2 路基填料类型对比

通过对比中国铁路标准、德国标准在路基填料类型方面的规定，中德标准的主要差异如下。

德国标准DIN 18196—2006根据颗粒组成、颗粒级配、细粒含量、塑性指标等将地基岩土分为粗粒土、多粒径土、细粒土、有机土、填土。路基普通填料按颗粒粒径大小进行一级分类，分为3个类别：粗粒土、多粒径土、细粒土。再进行二级分类，分为20类，分别命名为GW、GI、GE、SW、SI、SE、GU、GT、SU、ST、GU*、GT*、SU*、ST*、UL、UM、UA、TL、TM、TA。

中国标准《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)中规定：路基填料分为普通填料、级配碎石、物理改良土和化学改良土。普通填料按颗粒粒径大小进行一级分类，分为3个类别：巨粒土、粗粒土、细粒土[12]。再进行二级分类，分为7个类别：漂(块)石、卵(碎)石、粗圆(角)砾、细圆(角)砾、砂粒、粉粒、黏粒。最后再根据细粒含量和颗粒级配进行三级分类，分为A1、A2、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、E共11类。同时对于每一种填料的具体量化指标给予了明确说明。

中德标准在填料类型上差异较大。中国标准对粗粒土侧重粒度分析；而德国标准则根据地基土颗粒的粒径大小、细颗粒含量、相邻粒组的含量、颗粒的级配以及塑性指数、液限等塑性指标来进行统一分类[12]。

4.3 路基填料填筑部位要求

通过对比中德铁路标准在路基填料填筑部位要求方面的规定，中德标准的主要差异如下。

(1)路基基床结构对比

中国铁路路基基床分为基床表层、基床底层、路基本体。德国铁路路基基床为强化基床结构(多层系统)，即在道床和路基之间再设置一层路基保护层或垫层作为过渡层。中德铁路的基床结构大致的对应关系见表5。从表5可以看出，中国铁路的基床表层采用单一结构，施工组织简单。德国铁路采用双层结构，更能满足使用功能的要求[10]。

(2)路基填料填筑部位对比

中国铁路标准针对不同设计时速、客运或货运、重载、Ⅲ、Ⅳ铁路等不同等级的铁路，各基床结构的路基填料有不同要求。在相应的规范中有详细说明。欧洲规范针对各基床结构的填料也各有不同。现按照中国铁路基床结构的顺序逐一进行对比。

表5 中德铁路的基床结构

①基床表层填料选择

基床表层的材料主要考虑应具有较高的强度和弹性模量以及耐磨、反滤等特性。中国普速铁路的路基基床表层填料允许使用细粒土，德国铁路不允许使用细粒土。中国高速铁路的路基基床表层填料采用级配碎石或级配砾石，德国铁路的路基基床表层填料普遍采用级配砂砾石。级配、防渗性等要求相差不大，但对耐磨性有差距。

②基床底层填料选择

中国铁路标准规定：基床底层填料根据铁路等级、设计速度、轨道类型可选择A、B、C组填料。德国铁路标准规定：基床底层填料可选用粉土质砾石GU、黏土质砾石GT、粉土质砂SU或黏土质砂ST。

③路基本体填料选择

路基本体填料中国铁路标准规定：根据铁路等级、设计速度、轨道类型可选择A、B、C组填料或改良土。德国铁路标准规定：路基本体填料可选用级配良好的砾石GW、粒径缺失砾石GI、级配不好的砾石GE、级配不好的砂SE、级配良好的砂SW和粒径缺失的砂SI、粉土质砾石GU、黏土质砾石GT、粉土质砂SU或黏土质砂ST、富含粉土质砾石GU*，富含黏土质砾石GT*，富含粉土质砂SU*，富含黏土质砂ST*，弱塑性的黏土UL，中等塑性的粉土UM和弱塑性的黏土TL。

通过上述对比，德国铁路的路基结构层一般均采取多层结构，其路基保护层的功能大致相当于我国铁路的基床表层，但其基床厚度差异较大。中国标准基床各层填料的选择更具量化操作性。

4.4 路基填料压实指标要求

通过对比中德铁路标准在路基填料压实指标方面的规定，中德标准的主要差异如下。

中国、德国对路基的压实质量均采用物理指标和力学指标两类指标控制。

中国标准《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)规定：无砟轨道铁路、高速铁路及重载铁路采用的级配碎石、砾石类、碎石类及砂类土应采用压实系数K、地基系数K30、动态变形模量Evd作为控制指标；其余铁路采用的级配碎石、砾石类、碎石类及砂类土应采用压实系数K、地基系数K30作为控制指标。化学改良土应采用压实系数K及7 d饱和无侧限抗压强度作为控制指标。

德国铁路路基的压实标准主要采用普氏压实系数Dpr和动态变形模量Evd控制。

中德铁路路基压实指标的选择对比见表6。

表6 中国、德国(基床)压实参数种类和使用情况比较

对于路基填筑压实标准，中国标准《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)中对基床各部位路基填料的压实标准有明确的规定。德国铁路行业标准(DB 836.0501)对不同铁路标准的路基填料压实标准也有相应的要求。具体要求详见表2。通过对比，中国和德国指标的要求是随列车速度或线路等级而变化，两国路基的压实指标及标准大致相当。

5 结论和建议

综上所述，可得出如下结论。

(1)在岩土分类标准方面，德国标准采用统一分类法，中国采用粒度累积法。中德岩土分类主要区别在于各种参数值的范围不同，如粒组划分界限、颗粒级配标准、细粒含量分界界限、黏性土划分标准等方面。

(2)中德铁路填料分类的主要差别和岩土分类的主要差别类似，主要体现在中国标准对粗粒土侧重粒度分析；而德国标准则根据地基土颗粒的粒径大小、细颗粒含量、相邻粒组的含量、颗粒的级配以及塑性指数、液限等塑性指标来进行统一分类[12]。

(3)德国铁路的路基结构层一般均采取多层结构，其路基保护层的功能大致相当于我国铁路的基床表层，但其基床厚度差异较大。中国标准基床各层填料的选择更具量化操作性。

(4)对于路基填筑压实标准，中国和德国指标的要求是随列车速度或线路等级而变化，两国路基的压实指标及标准大致相当。

通过中德铁路路基填料的分类对比结论，建议如下。

随着国家‘一带一路’建设的持续推进，在进行海外德国标准铁路设计时，对于本文研究的路基填料设计，应充分考虑所在国的实际路基填料来源情况，对欧洲标准、德国标准进一步融合、吸收、消化、再创新，把中国标准与当地情况进行结合，在实践中不断印证。结合中国已经完成的大量的路堤填筑试验数据，提出合适的可供实施的满足项目属地国的填料标准。通过中国标准与欧洲标准的对接，降低技术的输出门槛，推动实现设施联通和互联互通。

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