中德鐵路路基填料分類對比研究

華麗晶

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

隨著國家“一帶一路”重大戰略的提出，中國鐵路迎來了一個良好的發展機遇，“一帶一路”架起了中國走向世界的便捷通道，中國鐵路及其建設標準也逐漸走出國門，走向世界[11]。但對于目前海外絕大部分鐵路工程來說，由于歷史文化、地緣關系及語言體系等原因，中國標準與當地工程習慣不太相適應，歐洲標準由于其技術優勢，仍然是海外工程標準的主流。筆者參與的利比亞某鐵路工程就仍然采用歐洲規范中的德國標準進行設計和建設。

結合利比亞某鐵路的路基設計，對德國鐵路填料分類相關標準進行系統分析，并與中國鐵路相應標準進行對比，對指導使用德國標準的海外鐵路項目中路基填料設計具有重要意義。

2 德國鐵路路基填料技術標準

2.1 德國鐵路技術標準體系概述

德國鐵路標準體系分為技術法規和技術標準兩部分。技術法規由政府制定、發布和實施，對涉及人身和動物的健康、安全、環境保護與水土保持、用戶權益等方面進行了規定[6]。

德國鐵路工程建設技術標準依次分為國際標準、歐洲標準、國家標準、行業協會標準、鐵路公司標準5個層次[6]。本文結合德國鐵路的實際情況，主要討論的是國家標準、行業協會標準、鐵路公司標準。

利比亞某鐵路路基設計主要參考了德國國家標準《土方工程和地基、土木工程的土壤分類》(DIN 18196—2006)和德國鐵路行業標準《路基工程的設計、施工與維護》(DB 836.0501—1999)。

2.2 德國鐵路巖土分類相關技術標準

巖土分類主要針對的是保持天然結構狀態的地基土。歐洲標準采用的是“統一分類法”。該方法根據地基土顆粒的粒徑大小、細顆粒含量、相鄰粒組的含量、顆粒的級配以及塑性指數、液限等塑性指標來進行分類[7]。該分類法的第一步是根據地基土的顆粒粒組主要成分進行一級定名，第二步再根據地基土的顆粒級配、細粒含量和塑性等物理指標進行二級定名，同時明確標準符號[7]。

德國國家標準《土方工程和地基、土木工程的土壤分類》(DIN 18196—2006)和歐洲標準的分類原則基本一致，原則上遵循EN ISO 14688—2：2004的規定，但其在具體的定量指標上略有不同。具體表現在：一般土壤根據顆粒級配、塑性、有機質含量等可分為粗粒土、多粒徑土、細粒土、有機土、填土等類別。為了便于統計說明，德國國家標準(DIN 18196—2006)對建筑工程用土壤分類進行了總結，詳見表1。

表1 建筑工程用土壤分類

2.3 德國鐵路路基填料類型相關技術標準

填料分類主要針對擾動土，其天然結構狀態已被破壞。德國國家標準《土方工程和地基、土木工程的土壤分類》(DIN 18196—2006)將路基填料一般分為粗粒土填料、混合土填料、細粒土填料3種，具體分類詳見圖1。

(1)粗粒土填料：粗粒土(砂和礫石)適用于路堤的填料，在填筑時盡可能選用不均勻的粗粒土，其最佳的壓實效果只有在填筑土的含水量接近于最佳含水量時才可以實現。

圖1 建筑工程用填料分類(依據DIN 18196—2006整理)

(2)混合土填料：填料混合土的細粒含量在5%～40%時，其力學性能主要受細粒含量的影響，如果細粒含量較少就具有粗粒土的性能，按照最佳含水量時壓實效果較好。如果細粒含量較高，其鋪筑位置應與細粒土一樣。

(3)細粒土填料：細粒土(黏土和粉土)的可壓實性和變形性易受含水狀態(稠度)的影響，通常壓實困難，因此盡量不要將細粒土用作路堤的填料，對于含水量較高的細粒土需要進行改良，含水量較低的黏性土用于路堤應力較低部位。

2.4 德國鐵路路基填料填筑部位相關技術標準

依據德國鐵路行業標準《路基工程的設計、施工與維護》(DB 836.0501—1999)，以利比亞某鐵路路基設計為例，德國鐵路路基結構主要有上部軌道結構的路基保護層(sub-ballast layer)、基床Ⅰ層(subgradeⅠlayer)、基床Ⅱ層(subgradeⅡlayer)。德國鐵路的標準路基橫斷面如圖2所示。

圖2 德國鐵路路基橫斷面示意

德國鐵路行業標準(DB 836.0501—1999)中規定如下。

(1)路基保護層(sub-ballast layer)材料

路基保護層(sub-ballast layer)的材料要求為由不同礦物材料構成顆粒混合料(KG)。

劃分標準如下。

①根據礦物材料類別分為天然未經破碎及經破碎的礦物材料、人工礦物材料以及可以重復利用的(RC)材料。

②根據礦物材料的成分劃分。

③根據顆粒級配分為顆粒混合料1(KG1)和顆粒混和料2(KG2)。

德國鐵路一般只使用兩種礦物材料混合料用于路基保護層，這種填料即為顆粒混合料1和顆粒混合料2。

顆粒混合料1的特征是細粒含量相對較高，其透水系數極低，在鋪設時，一旦超過最佳含水量，就會對水非常敏感。顆粒混合料2具有和顆粒混合料1相同的承載力性能，但它的透水性較高。

在選用顆粒混合料時需注意以下幾點。

①對于有砟軌道的保護層，如果地基對水敏感，一般建議使用顆粒混合料1，以阻止地表水侵入。由于顆粒混合料1的滲透系數低，因此保護層也能滿足作為防水層的作用。

②在滲水和透水的地基中優先使用透水的顆粒混合料2，以便地表水順利滲入到地基中。

③在設置雙層保護層時可在由顆粒混合料1構成的上部防水承載層的下面鋪設顆粒混合料2，作為起隔斷毛細水及排水的下部承載層。

(2)基床Ⅰ層(Subgrade Ⅰ layer)填料

基床Ⅰ層填料可選用粉土質礫石GU、黏土質礫石GT、粉土質砂SU或黏土質砂ST。

(3)基床Ⅱ層(Subgrade Ⅱ layer)填料

基床Ⅱ層填料選用級配良好的礫石GW，粒徑缺失礫石GI，級配不好的礫石GE，級配不好的砂SE，級配良好的砂SW和粒徑缺失的砂SI時，要求Dpr=0.98。

當選用粉土質礫石GU，黏土質礫石GT，粉土質砂SU或黏土質砂ST時，要求Dpr=1.00。

當選用富含粉土質礫石GU*(*表示含量在15%～40%，下同)，富含黏土質礫石GT*，富含粉土質砂SU*，富含黏土質砂ST*，弱塑性的黏土UL，中等塑性的粉土UM和弱塑性的黏土TL時，要求Dpr=0.97、空氣孔隙率na<0.12。

2.5 德國鐵路路基填料壓實指標相關技術標準

德國鐵路行業標準(DB 836.0501)對不同鐵路標準的路基填料位置及其壓實標準有相應的要求。德國主要采用普氏壓實系數和Evd控制，詳見表2。

表2 德國鐵路路基填料壓實標準

注：(1)P(客運)、M(客貨共線)、R(專用線)、G(貨運)，字母后面的數值代表設計時速；(2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為凍害敏感等級；(3)Ev2為靜態變形模量；(4)Evd為動態變形模量。

3 中國鐵路路基填料技術標準

3.1 中國鐵路巖土分類標準

中國鐵路巖土分類采用“粒徑累積法”，即“粒度成分法”，該方法根據地基土顆粒的粒徑大小和塑性指數等指標來分類。中國鐵路巖土分類依據主要是《鐵路工程巖土分類標準》(TB 10077—2001)。局部區域如鐵路站房同時也考慮《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)的相關規定。一般土按照顆粒形狀、級配或塑性指數分為碎石類土、砂類土、粉土、黏性土等四大類。

3.2 中國鐵路路基填料類型

中國標準《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2016)中規定：路基填料分為普通填料、級配碎石、物理改良土和化學改良土。普通填料按顆粒粒徑大小進行一級分類，分為3個類別：巨粒土、粗粒土、細粒土[12]。再進行二級分類，分為7個類別：漂(塊)石、卵(碎)石、粗圓(角)礫、細圓(角)礫、砂粒、粉粒、黏粒。最后再根據細粒含量和顆粒級配進行三級分類，分為A1、A2、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、E共11類。同時對于每一種填料的具體量化指標給予明確說明。

3.3 中國鐵路路基填料填筑部位相關技術標準

《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2016)中規定：路基基床結構由基床表層和基床底層構成。基床表層填料根據鐵路等級、設計速度、軌道類型等選擇級配碎石或A1、A2組填料。基床底層填料根據鐵路等級、設計速度、軌道類型等選擇礫石類、碎石類及砂類土中的A、B、C組填料或化學改良土。基床以下路基填料選用A、B、C1、C2組填料或化學改良土。

3.4 中國鐵路路基填料壓實指標相關技術標準

《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2016)中規定：無砟軌道鐵路、高速鐵路及重載鐵路采用的級配碎石、礫石類、碎石類及砂類土應采用壓實系數、地基系數、動態變形模量作為壓實控制指標；其余鐵路采用的級配碎石、礫石類、碎石類及砂類土應采用壓實系數、地基系數作為壓實控制指標。化學改良土應采用壓實系數、7 d飽和無側限抗壓強度作為控制指標。

4 中德鐵路標準對比分析

通過對比中德鐵路標準在路基填料方面的規定，表明中德標準之間的主要差異如下。

4.1 巖土分類標準體系對比

(1)采用的分類體系差異

德國鐵路采用“統一分類法”，該方法根據地基土顆粒的粒徑大小、細顆粒含量、相鄰粒組的含量、顆粒的級配以及塑性指數、液限等塑性指標來進行分類[7]。

中國鐵路采用“粒徑累積法”，即“粒度成分法”，該方法根據地基土顆粒的粒徑大小和塑性指數等指標來分類。對細粒土而言，液限也是影響土性的一個重要因素。這是粒度累積法的不足。

(2)粒組劃分界限差異

兩種不同的分類方法均認為，影響土體強度的重要因素是土體的粒徑大小及塑性指數。土體粒徑大小與土體強度呈正比、塑性指數與土體強度呈反比。因此，按照土體的粒徑大小分組是土體分類的第一步。德國標準的粒徑界限與歐洲規范標準一致，中國鐵路標準稍有差異，對比情況詳見表3。

表3 中德有關規范的粒徑界限

(3)土體的顆粒級配標準差異

土的顆粒級配也影響著土體的物理性質，土體級配狀況由不均勻系數Cu和曲率系數Cc確定。德國鐵路標準規定，當Cu≥6且Cc=1～3時，屬良好級配；當Cu<6時，屬于不良級配。而在中國鐵路標準中，當Cu≥5且Cc=1～3時，屬良好級配；當Cu<5且Cc≠1～3時，屬于不良級配[7]。

(4)土的細粒含量分類界限差異

土的細粒含量劃分標準是中德標準之間的又一處差異。德國鐵路標準中細粒含量的分類界限為5%、12%和40%，而中國鐵路標準中細粒含量的分類界限為5%、15%和50%。

(5)黏性土劃分標準差異

對于黏性土的劃分，中國鐵路標準TB 10077—2001主要是按液性指數IL進行劃分；而歐洲標準EN ISO 14688—2(2004)則主要依據稠度指數IC進行劃分(表4)。

表4 黏性土的稠度指數和液性指數分類

注：(1)稠度指數IC：細粒土液限和天然含水量的差值與塑性指數的比值。(2)液性指數IL：細粒土天然含水量和塑限的差值與塑性指數的比值。(3)塑性指數Ip：細粒土液限和塑限的差值。

通過上述對比可以看出，在巖土分類標準方面，德國標準采用統一分類法，中國采用粒度累積法。中德巖土分類主要區別在于各種參數值的范圍不同，如粒組劃分界限、顆粒級配標準、細粒含量分界界限、黏性土劃分標準等方面。

4.2 路基填料類型對比

通過對比中國鐵路標準、德國標準在路基填料類型方面的規定，中德標準的主要差異如下。

德國標準DIN 18196—2006根據顆粒組成、顆粒級配、細粒含量、塑性指標等將地基巖土分為粗粒土、多粒徑土、細粒土、有機土、填土。路基普通填料按顆粒粒徑大小進行一級分類，分為3個類別：粗粒土、多粒徑土、細粒土。再進行二級分類，分為20類，分別命名為GW、GI、GE、SW、SI、SE、GU、GT、SU、ST、GU*、GT*、SU*、ST*、UL、UM、UA、TL、TM、TA。

中國標準《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2016)中規定：路基填料分為普通填料、級配碎石、物理改良土和化學改良土。普通填料按顆粒粒徑大小進行一級分類，分為3個類別：巨粒土、粗粒土、細粒土[12]。再進行二級分類，分為7個類別：漂(塊)石、卵(碎)石、粗圓(角)礫、細圓(角)礫、砂粒、粉粒、黏粒。最后再根據細粒含量和顆粒級配進行三級分類，分為A1、A2、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、E共11類。同時對于每一種填料的具體量化指標給予了明確說明。

中德標準在填料類型上差異較大。中國標準對粗粒土側重粒度分析；而德國標準則根據地基土顆粒的粒徑大小、細顆粒含量、相鄰粒組的含量、顆粒的級配以及塑性指數、液限等塑性指標來進行統一分類[12]。

4.3 路基填料填筑部位要求

通過對比中德鐵路標準在路基填料填筑部位要求方面的規定，中德標準的主要差異如下。

(1)路基基床結構對比

中國鐵路路基基床分為基床表層、基床底層、路基本體。德國鐵路路基基床為強化基床結構(多層系統)，即在道床和路基之間再設置一層路基保護層或墊層作為過渡層。中德鐵路的基床結構大致的對應關系見表5。從表5可以看出，中國鐵路的基床表層采用單一結構，施工組織簡單。德國鐵路采用雙層結構，更能滿足使用功能的要求[10]。

(2)路基填料填筑部位對比

中國鐵路標準針對不同設計時速、客運或貨運、重載、Ⅲ、Ⅳ鐵路等不同等級的鐵路，各基床結構的路基填料有不同要求。在相應的規范中有詳細說明。歐洲規范針對各基床結構的填料也各有不同。現按照中國鐵路基床結構的順序逐一進行對比。

表5 中德鐵路的基床結構

①基床表層填料選擇

基床表層的材料主要考慮應具有較高的強度和彈性模量以及耐磨、反濾等特性。中國普速鐵路的路基基床表層填料允許使用細粒土，德國鐵路不允許使用細粒土。中國高速鐵路的路基基床表層填料采用級配碎石或級配礫石，德國鐵路的路基基床表層填料普遍采用級配砂礫石。級配、防滲性等要求相差不大，但對耐磨性有差距。

②基床底層填料選擇

中國鐵路標準規定：基床底層填料根據鐵路等級、設計速度、軌道類型可選擇A、B、C組填料。德國鐵路標準規定：基床底層填料可選用粉土質礫石GU、黏土質礫石GT、粉土質砂SU或黏土質砂ST。

③路基本體填料選擇

路基本體填料中國鐵路標準規定：根據鐵路等級、設計速度、軌道類型可選擇A、B、C組填料或改良土。德國鐵路標準規定：路基本體填料可選用級配良好的礫石GW、粒徑缺失礫石GI、級配不好的礫石GE、級配不好的砂SE、級配良好的砂SW和粒徑缺失的砂SI、粉土質礫石GU、黏土質礫石GT、粉土質砂SU或黏土質砂ST、富含粉土質礫石GU*，富含黏土質礫石GT*，富含粉土質砂SU*，富含黏土質砂ST*，弱塑性的黏土UL，中等塑性的粉土UM和弱塑性的黏土TL。

通過上述對比，德國鐵路的路基結構層一般均采取多層結構，其路基保護層的功能大致相當于我國鐵路的基床表層，但其基床厚度差異較大。中國標準基床各層填料的選擇更具量化操作性。

4.4 路基填料壓實指標要求

通過對比中德鐵路標準在路基填料壓實指標方面的規定，中德標準的主要差異如下。

中國、德國對路基的壓實質量均采用物理指標和力學指標兩類指標控制。

中國標準《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2016)規定：無砟軌道鐵路、高速鐵路及重載鐵路采用的級配碎石、礫石類、碎石類及砂類土應采用壓實系數K、地基系數K30、動態變形模量Evd作為控制指標；其余鐵路采用的級配碎石、礫石類、碎石類及砂類土應采用壓實系數K、地基系數K30作為控制指標。化學改良土應采用壓實系數K及7 d飽和無側限抗壓強度作為控制指標。

德國鐵路路基的壓實標準主要采用普氏壓實系數Dpr和動態變形模量Evd控制。

中德鐵路路基壓實指標的選擇對比見表6。

表6 中國、德國(基床)壓實參數種類和使用情況比較

對于路基填筑壓實標準，中國標準《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2016)中對基床各部位路基填料的壓實標準有明確的規定。德國鐵路行業標準(DB 836.0501)對不同鐵路標準的路基填料壓實標準也有相應的要求。具體要求詳見表2。通過對比，中國和德國指標的要求是隨列車速度或線路等級而變化，兩國路基的壓實指標及標準大致相當。

5 結論和建議

綜上所述，可得出如下結論。

(1)在巖土分類標準方面，德國標準采用統一分類法，中國采用粒度累積法。中德巖土分類主要區別在于各種參數值的范圍不同，如粒組劃分界限、顆粒級配標準、細粒含量分界界限、黏性土劃分標準等方面。

(2)中德鐵路填料分類的主要差別和巖土分類的主要差別類似，主要體現在中國標準對粗粒土側重粒度分析；而德國標準則根據地基土顆粒的粒徑大小、細顆粒含量、相鄰粒組的含量、顆粒的級配以及塑性指數、液限等塑性指標來進行統一分類[12]。

(3)德國鐵路的路基結構層一般均采取多層結構，其路基保護層的功能大致相當于我國鐵路的基床表層，但其基床厚度差異較大。中國標準基床各層填料的選擇更具量化操作性。

(4)對于路基填筑壓實標準，中國和德國指標的要求是隨列車速度或線路等級而變化，兩國路基的壓實指標及標準大致相當。

通過中德鐵路路基填料的分類對比結論，建議如下。

隨著國家‘一帶一路’建設的持續推進，在進行海外德國標準鐵路設計時，對于本文研究的路基填料設計，應充分考慮所在國的實際路基填料來源情況，對歐洲標準、德國標準進一步融合、吸收、消化、再創新，把中國標準與當地情況進行結合，在實踐中不斷印證。結合中國已經完成的大量的路堤填筑試驗數據，提出合適的可供實施的滿足項目屬地國的填料標準。通過中國標準與歐洲標準的對接，降低技術的輸出門檻，推動實現設施聯通和互聯互通。

[1] 德國標準化學會(DIN).DIN 18196—2006 土方工程和地基土木工程土壤分類[S].德國：德國標準化學會(DIN)，2016.

[2] 德國聯邦鐵路公司.DB 836.0501—1999 路基工程的設計、施工與維護[S].德國：德國聯邦鐵路公司，1999.

[3] 歐洲標準學會(EN).ISO14688-2—2004 土工學調查和試驗.土壤的識別和分類.第2部分:分類原則[S].德國：歐洲標準化委員會(EN)，2004.

[4] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.TB 10001—2016 鐵路路基設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2016.

[5] 朱飛雄.優化調整我國鐵路工程建設標準體系的探討[J].鐵道標準設計，2010(S1):5-9.

[6] 朱飛雄，倪光斌.開展中德鐵路標準對比分析促進中國鐵路標準走向世界[J].鐵道經濟研究，2010(4):5-9.

[7] 葉陽升.論鐵路路基填料分類[J].中國鐵道科學，2004(2):36-42.

[8] 王仲錦，張千里，葉陽升.鐵路路基填料分類深化研究[J].中國鐵道科學，2012(2):13-20.

[9] 李怒放，胡一峰.中德高速鐵路無砟軌道路基壓實標準對比[J].鐵道標準設計，2007(12):1-4，11.

[10] 葉陽升，周鏡.鐵路路基結構設計的探討[J].鐵道工程學報，2005(1):39-46.

[11] 劉恒，焦國木，李芳慧，等.淺析UIC鐵路路基結構設計[J].路基工程，2015(6):54-57，61.

[12] 畢金洪.中國鐵路填料分類和AASHTO填料分類對比分析[J].路基工程，2011(6):56-58，61.

[13] 王小明，李勇，李剛.中歐巖土工程勘察分級及巖土分類對比[J].長江科學院院報，2013(10):72-76.

[14] 趙勇.我國客運專線路基壓實標準的分析與探討[J].路基工程，2010(S1)：75-79.

[15] 楊昉，肖朝乾.淺談鐵路路基工程海外項目技術管理[J].高速鐵路技術，2014，5(2):87-90，94.