路基基床ppt課件

1、路基的荷載 路基載荷 的含義及其組成 含義：鐵路路基路基載荷是指作用在路基面上的力。 組成： 靜載荷線路上部分結(jié)構(gòu)的重量作用在路基面上的應(yīng)力； 動(dòng)載荷另一部分是列車行駛通過上部結(jié)構(gòu)時(shí)傳遞到路基面上的動(dòng)壓力。普通鐵路路基設(shè)計(jì)當(dāng)須要考慮荷載的影響時(shí),計(jì)算中靜荷栽和動(dòng)荷載一并簡(jiǎn)化成靜荷栽處理,既通常的換算土柱法。但是高速鐵路的路基設(shè)計(jì)必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,這就不能簡(jiǎn)單地把動(dòng)荷載作為靜荷載處理,此時(shí)，須要計(jì)算列車動(dòng)荷載的作用在路基中所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力的大小和分步規(guī)律。 靜荷載換算土柱法1.列車(活)荷載標(biāo)準(zhǔn)列車（活）荷載按規(guī)范規(guī)定采用中華人民共和國(guó)鐵路標(biāo)活載，簡(jiǎn)稱中-活載。標(biāo)準(zhǔn)荷載的計(jì)算如圖8-1所示。該活載

2、通過軌傳播到路基面上，在橫斷面上的分布寬度自軌底兩端向下按45度擴(kuò)散角計(jì)算，如圖8-2所示。 在橫斷面設(shè)計(jì)中，路堤、路塹或擋土墻等 路基建筑物是按平面問題考的。因此在橫斷面設(shè)計(jì)的計(jì)算圖式為沿線路縱向取一單位厚度。這時(shí)作用在路基面上的活載若安最不利情況計(jì)算，則只需考重既可，不需要考后面車輛部份的分布力。但是重是集中力，因此在具體計(jì)算水又把它簡(jiǎn)化成縱向均布的線荷載，并假定每個(gè)重的分布寬度等于距，最后得到沿縱向作用在路基面上的列車(活)荷載分布強(qiáng)度。 換算土柱普通鐵路路基設(shè)計(jì)中，對(duì)路基荷載作了兩個(gè)簡(jiǎn)化假定:(1):把列車荷載作為靜荷載處理；(2)列車(活)荷載和軌道靜荷載的總重P，簡(jiǎn)化為與路基同質(zhì)的

3、土柱，均布的作用在路基面上。該土柱的高度稱為換算高度， 式中：a為土柱的寬度，按荷載擴(kuò)散角45度計(jì)算； 為路基土的容重，如圖8-2所示。換算土柱計(jì)算算例：如圖8-3所示。動(dòng)荷載 荷載的分擔(dān)作用在輪載P作用下，鋼軌的垂直撓曲線的影響范圍與輪栽力大小和鋼軌、軌枕、道床、路基等的剛度有關(guān)。剛度大影響范圍小,剛度小則影響范圍大。一般約為7根軌枕寬度,亦即輪栽力P由7根軌枕分擔(dān)。分?jǐn)偟矫扛壵砻嫔系闹С辛赏ㄟ^有關(guān)計(jì)算解出。此外,可采用簡(jiǎn)化假定:由于第4根軌枕(向一側(cè)排序)枕面的支承力已經(jīng)很小,因此常簡(jiǎn)化假定由5根軌枕分擔(dān),分擔(dān)到每根枕面上的支承力,日本假定分別為0.4P、0.2P及0.1P，如圖8-5

4、所示。路基面上的動(dòng)應(yīng)力 1一般規(guī)律 圖8-6表示單根軌枕在線路縱向既軌枕橫斷面的方向上的傳播情況，左側(cè)為木枕情況，右側(cè)為鋼筋混凝土軌枕情況。軌道頂面的支承力通過軌枕和道床向下往路基中傳播軌枕底面與道床之間的接觸壓力，對(duì)于木枕可視為柔性板,其接觸應(yīng)力大致為均布。混凝土枕因?yàn)閯傂源?視作剛性板,剛性板底面接應(yīng)力的分布比較復(fù)雜，其值約在平均值的95%-125%范圍。 圖8-7表明鄰枕對(duì)壓力分布的影響,從圖中可見,當(dāng)深度達(dá)到軌枕寬度的3倍,既距軌底70cm左右時(shí),沿線路縱向的壓力分布就比較均勻了。一般情況下路基面上的應(yīng)力分布其最大值位于軌枕正下方(線路縱向)或鋼軌正下方(橫斷面方向)，而兩側(cè)最小。實(shí)計(jì)

5、算時(shí)通常假設(shè)軌底應(yīng)力為均勻分布,并從兩側(cè)枕端以 角向下擴(kuò)散,擴(kuò)散角 約為30度至45度，各國(guó)取值不同。 路基面的動(dòng)應(yīng)力與機(jī)車車輛的類型、軌道結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)、行車速度、線路不平順等多種因素有關(guān)。除可以通過理論計(jì)算確定之外，世界各國(guó)均進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。 簡(jiǎn)化計(jì)算法假設(shè)傳播到路基面上的動(dòng)應(yīng)力在全部受荷面積上均勻分布，按此圖式計(jì)算出的是路基面上的平均動(dòng)應(yīng)力。計(jì)算簡(jiǎn)化圖輪載力P是按動(dòng)荷載計(jì)算的，既：括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)的序數(shù)0.5及0.3代表與速度有關(guān)的動(dòng)力沖擊系數(shù),或稱速度影響系數(shù)，式（8-1）中的速度影響系數(shù)讓步為0.5，我國(guó)鐵道科學(xué)研究院用0.4。 考慮荷載分擔(dān)作用后,單個(gè)輪載力傳播到路基面上，沿線路縱向

6、的動(dòng)應(yīng)力分布如圖所示,簡(jiǎn)化成了五個(gè)均布的矩形荷載,每矩形荷載的動(dòng)應(yīng)力可按下式計(jì)算：實(shí)際上路基面上的動(dòng)應(yīng)力分布是不均勻的，但是，計(jì)算路基面上動(dòng)應(yīng)力分布的一個(gè)重要目的是在設(shè)計(jì)基床結(jié)構(gòu)時(shí)計(jì)算路基面的彈性變形，而按均布矩形荷載計(jì)算彈性變形是比較簡(jiǎn)便的。 參考以上日本的簡(jiǎn)化計(jì)算法,我國(guó)鐵科院建議按圖8-10的計(jì)算圖式計(jì)算路基面的最大動(dòng)應(yīng)力,并以此作為高速鐵路路基的設(shè)計(jì)荷載。當(dāng)： 基面上的動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減列車荷載以動(dòng)應(yīng)力波的形式通過道床傳遞到基床面,再向深層傳播,在動(dòng)力波傳播的過程中要消耗能量，或者說由于阻尼作用土要吸收能量,因此,動(dòng)應(yīng)力沿深度的增加而衰減， 動(dòng)應(yīng)力沿線路縱向的分布特征在列車荷載重復(fù)作用

7、下，路基不良的動(dòng)態(tài)行為是產(chǎn)生路基病害的重要原因,因此分析動(dòng)應(yīng)力沿線路縱向的分布特征的影響是十分重要的。 圖8-12為某實(shí)測(cè)的多個(gè)輪載所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力沿縱向的典型分布特征圖 。對(duì)路基面上某一點(diǎn)，每當(dāng)一個(gè)輪軸通過時(shí)都有一次加載和卸載循環(huán)，卸載時(shí)的最小值P與加載時(shí)的最大值P之比值P/P表示分布特征的不均勻性，這種不均勻性反映了荷載重復(fù)作用的次數(shù)，對(duì)于線路與機(jī)車車輛之間具有理想匹配的情況,應(yīng)當(dāng)使比P/P最大。這樣,每通過一個(gè)轉(zhuǎn)向架雖然有兩個(gè)輪載力，但只有一次應(yīng)力變動(dòng)(加、卸載)而不是兩次,因而大大延長(zhǎng)線路的維修周期.基床的動(dòng)力特性基床的動(dòng)力特性意含兩方面的內(nèi)容: 一方面指基床對(duì)列車動(dòng)荷載的響涉,及應(yīng)力場(chǎng)

8、、應(yīng)變場(chǎng)、加速度場(chǎng)、幅頻特性、和動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算等內(nèi)容，這些將不在本教材中討論； 另一方面指基床土的疲勞特性與臨界動(dòng)應(yīng)力慨念，它們是指基床設(shè)計(jì)和既有線基床病害整治的基本思想。 鐵路路基，尤其是高速鐵路對(duì)基床表層需要特別加強(qiáng)，以提供更大的剛度和強(qiáng)度；對(duì)既有線基床病害的整治也需要考慮適當(dāng)?shù)募庸毯穸?。因此，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上確定一個(gè)合理的基床表層厚度是十分重要的。 基床土的疲勞特性與臨界動(dòng)應(yīng)力的慨念 基床土承受的荷載的列車產(chǎn)生的長(zhǎng)期重復(fù)作用的動(dòng)應(yīng)力,在它的作用下，基床的破壞或過大的有害變形不是短期發(fā)生的,而是長(zhǎng)期累積發(fā)展的結(jié)果。這就是疲勞破壞的表現(xiàn)形式。 圖8-19 是西南交通大學(xué)采用成都黏土實(shí)驗(yàn)獲得的相

9、似實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 從圖上見,有二組不同形狀的試驗(yàn)曲線,其中一組為破壞型曲線,其變形隨試驗(yàn)正次的增加而逐漸發(fā)展直到破壞,如圖中的曲線9、10、11、12;另一組為衰減型曲線,其變形速率逐漸緩慢最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（彈性條件）。如曲線1、2、3、4、5.介于這兩組 曲線之間的擺動(dòng)型曲線如曲線7、8。 顯然,擺動(dòng)型曲線的應(yīng)力水平標(biāo)志著一個(gè)區(qū)分破壞型與衰減型的界限， 把圖8-17的數(shù)據(jù)整理變換成另一種表達(dá)形式，如圖8-18所示。 可以發(fā)現(xiàn)一共很有意義的結(jié)果：左部點(diǎn)子的累積應(yīng)變達(dá)到10%,右部點(diǎn)子則未達(dá)到10%，兩者之間有一個(gè)界限,既圖中虛線所示，相應(yīng)的彈性應(yīng)變稱為臨界彈性應(yīng)變（文獻(xiàn)中或稱為極限彈性應(yīng)變，門檻彈

10、性應(yīng)變等）。 臨界動(dòng)應(yīng)力就是10%累積應(yīng)變或該臨界彈性應(yīng)變相對(duì)應(yīng)的動(dòng)壓力。如果基床動(dòng)應(yīng)力小于該臨界動(dòng)應(yīng)力，則基床累積永久變形便灰得到有效的控制。這個(gè)慨念啟發(fā)我們，各種不同的基床結(jié)構(gòu)型式包括道床的厚度和基床加固厚度的設(shè)計(jì)都應(yīng)當(dāng)使基床土的動(dòng)應(yīng)力控制在臨界動(dòng)應(yīng)力的范圍內(nèi)。 臨界動(dòng)應(yīng)力的大小與土的種類、含水量、密實(shí)度、圍壓大小、荷載的作用頻率有關(guān)，其中圍壓大小相當(dāng)于深度大小，荷載頻率相當(dāng)于列車速度。 圖8-20表示臨界動(dòng)應(yīng)力隨加載頻率的增加而減小，因此對(duì)于路基而言，當(dāng)列車速度低時(shí)，路基病害較小,隨著列車速度的提高，路基病害迅速增加,這已被既有線的實(shí)際情況所證實(shí)臨界動(dòng)應(yīng)力也是動(dòng)強(qiáng)度的反映，通過不同的圍壓

11、試驗(yàn)，可以求得土的動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，從靜。動(dòng)強(qiáng)度比較可知，動(dòng)強(qiáng)度一般是靜強(qiáng)度的60%-70%。這又給我們一個(gè)慨念:荷載的動(dòng)應(yīng)力小時(shí)雖然滿足靜強(qiáng)度，但小應(yīng)力的多次從復(fù)作用可能導(dǎo)致兩種不利后果。一是動(dòng)強(qiáng)度不足而破壞。二是雖不破壞,但變形不斷發(fā)展,結(jié)果累積永久下沉仍然很大?？梢姡瑐鹘y(tǒng)的按靜強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法是不恰當(dāng)?shù)模徊贿^因?yàn)槠胀ㄨF路速度低，變形問題不突出而已，對(duì)于高速鐵路而言。頻繁出現(xiàn)過大的累積下沉是不允許的。 基床表層厚度的確定原則圖8-21為臨界動(dòng)應(yīng)力與圍壓的關(guān)系曲線。 臨界應(yīng)力與圍壓大小呈線性關(guān)系,隨深度而增加,如果把荷載沿深度的傳播曲線疊加在該圖上,它門的交點(diǎn)則表示所要求的深度，在此交點(diǎn)以上

12、的部份,荷載的動(dòng)應(yīng)力大于臨界動(dòng)應(yīng)力,這就是基床表層厚度的確定原則。 一般情況下，基床表層厚度建議取0.6m。 路基基床結(jié)構(gòu)含義：基床是鐵路路基最重要的關(guān)鍵部位, 路基頂面以下3.0m范圍是列車動(dòng)荷載的主要影響范圍,并把它定為基床的厚度基床的作用以及對(duì)基床的要求主要有三個(gè)方面：1.強(qiáng)度要求：應(yīng)有足夠的強(qiáng)度以抵抗列車荷載產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力而不置破壞；能抵抗道壓如基床土中從而防止道砟陷槽等病害的形成；在路基填筑階段能承受重型車輛走行而不留下印坑，以免留下隱患。2.剛度要求：在列車荷載的重復(fù)作用下,塑性累積變形要小,以免形成過大的不均勻下沉造成軌道的不平順，增加養(yǎng)護(hù)維修的困難。在列車車高速行使時(shí)，基床的彈性

13、變形應(yīng)滿足走行的安全性要求，同時(shí)能保障道床的穩(wěn)固。3.優(yōu)良的排水性：能夠防止雨水侵入軟化和凍融等危害?；驳慕Y(jié)構(gòu)和材料基床結(jié)構(gòu)基本上可以分為兩種 (一)二層系統(tǒng)傳統(tǒng)的普通線路多為道床與土值基床相連的二層系統(tǒng),稱為土基床。 (二)多層系統(tǒng)及強(qiáng)化基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)基床的土質(zhì)及填土密度有明確的要求，但實(shí)際上既有線基床病害十分嚴(yán)重,年復(fù)一年不斷發(fā)展。經(jīng)過對(duì)防治病害進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐,認(rèn)識(shí)到基床表層的重要性，既在道床與路基之間再設(shè)置一層過渡層，稱為路基保護(hù)層或墊層 。設(shè)置保護(hù)層是提高路基的承載力,消除基病害的更本措施，我國(guó)重載線的道床有一層底渣，其作用同保護(hù)層的作用是相同的。圖分別是為德國(guó)高速鐵路一

14、般路基基床的端面形式，保護(hù)層的厚度為25-30cm?；膊『罢?基床病害 大量的調(diào)查及研究表明，基床病害的發(fā)生是三個(gè)主要因素：基床土質(zhì)不良，水的浸入，列車動(dòng)荷載同時(shí)作用的結(jié)果。 基床病害可分為翻漿冒泥，下沉，擠出和凍害四大類。（1） 翻漿冒泥發(fā)生于基床土質(zhì)不符合要求的部位,例如粘泥含量過高的填土和泥質(zhì)軟巖的路塹,其表層遇水軟化成泥漿，因列車的振動(dòng)而擠入道砟空隙，使道床脹污，減小彈性。 （2）下沉主要因道床填筑密度不夠和強(qiáng)度不足所致。列車振動(dòng)將道砟壓入基床內(nèi)，形成道砟袋或道砟囊，引起線路下沉這種現(xiàn)象繼續(xù)發(fā)展可能導(dǎo)致路堤坍滑。 (a) (b)道碴袋，道碴囊（3）擠出主要因基床強(qiáng) 度不足而產(chǎn)生剪

15、切破壞或塑性流動(dòng)常見的現(xiàn)象有路肩隆起，側(cè)溝被擠等， （4）凍害發(fā)生于寒冷地區(qū)，如路基土為透水性較差的細(xì)粒土，當(dāng)含水量較高或基面積水，在凍結(jié)過程中，土中水重新分布和聚集形成冰塊，引起不均勻的凍脹現(xiàn)象。冰塊融化又引起不均勻下沉。在地下水較高地段，地下水通過毛細(xì)管作用而不斷向上轉(zhuǎn)移補(bǔ)給，使凍脹量增大，持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。 基床病害整治1. 用沙墊層。處理土質(zhì)基床翻漿。其作用是將道砟與基床土隔離與排水。 2. 封閉層，在基床表面是鋪一層不透水的摻料土或其它材料將其封閉，防止地面水滲引起基床表層土軟化。此法宜用于整治和防止泥質(zhì)軟巖路塹的翻漿冒泥。 3. 基床改良。由于基床承載力不足而出現(xiàn)下沉擠出現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況采取灌漿、微型樁、置換等改良基床的措施。 4. 應(yīng)用土工合成材料。土工合成材料的類型較多,其功能差異較大，