路基動(dòng)態(tài)特性及基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1、路基動(dòng)態(tài)特性及基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法路基動(dòng)態(tài)特性及基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法路基動(dòng)態(tài)特性路基動(dòng)態(tài)特性的研究目標(biāo)的研究目標(biāo) 基床基床附加靜應(yīng)力附加靜應(yīng)力的分布規(guī)律的分布規(guī)律 基床動(dòng)應(yīng)力基床動(dòng)應(yīng)力的分布規(guī)律的分布規(guī)律 基床動(dòng)位移基床動(dòng)位移的分布規(guī)律的分布規(guī)律 基床加速度基床加速度的分布規(guī)律的分布規(guī)律 基床的動(dòng)剛度基床的動(dòng)剛度 對(duì)以上動(dòng)態(tài)特性的分布規(guī)律的影響因素：加載荷對(duì)以上動(dòng)態(tài)特性的分布規(guī)律的影響因素：加載荷重重( (列車軸重列車軸重) )、加載頻率、加載頻率( (列車運(yùn)行速度列車運(yùn)行速度) )、基床含水、基床含水量量( (降雨降雨) )、等等、等等基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究目標(biāo)基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究目標(biāo) 防止冒泥防

2、止冒泥 減少向道床道碴路基的貫入減少向道床道碴路基的貫入( (有碴有碴) ) 防止動(dòng)應(yīng)超過(guò)動(dòng)強(qiáng)度防止動(dòng)應(yīng)超過(guò)動(dòng)強(qiáng)度( (臨界動(dòng)應(yīng)力臨界動(dòng)應(yīng)力) ) 減少路堤的壓縮沉降減少路堤的壓縮沉降 減小列車通過(guò)時(shí)的動(dòng)態(tài)沉降減小列車通過(guò)時(shí)的動(dòng)態(tài)沉降既有基床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介既有基床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介既有基床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念：既有基床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念：基床的作用以及對(duì)基基床的作用以及對(duì)基床的要求床的要求鐵路使用的主要軌道結(jié)構(gòu)鐵路使用的主要軌道結(jié)構(gòu)有碴軌道無(wú)砟軌道土工結(jié)構(gòu)(路基)的概要以土層、巖石等為材料構(gòu)筑的結(jié)構(gòu)以及與其相鄰的小結(jié)構(gòu)的以土層、巖石等為材料構(gòu)筑的結(jié)構(gòu)以及與其相鄰的小結(jié)構(gòu)的總稱總稱路基、路堤、路塹、加路基、路堤、路塹、加

3、筋筋土、排水土、排水工工、坡面防護(hù)以及與此類、坡面防護(hù)以及與此類似的結(jié)構(gòu)似的結(jié)構(gòu)挖方挖方路堤路堤路基路基路床路床坡頂截水溝坡面排水溝線路側(cè)溝線路側(cè)溝排水層坡頂層厚管理材料坡面排水溝護(hù)坡道坡面坡底坡頂坡面坡底護(hù)坡道原地基上部路堤下部路堤原地基面排水層坡底排水溝日本高速鐵路日本高速鐵路( (有碴有碴) )強(qiáng)化基床表層的構(gòu)成強(qiáng)化基床表層的構(gòu)成軌道結(jié)構(gòu)體路床（路堤）填充層鋼筋混凝土板透層級(jí)配碎石層軌道結(jié)構(gòu)體混凝土路基路床（路塹平地）排水層混凝土路基(a)路堤 (b)路塹平地日本高速鐵路日本高速鐵路( (無(wú)砟無(wú)砟) )基床表層的構(gòu)成基床表層的構(gòu)成中國(guó)高速鐵路路基的構(gòu)成中國(guó)高速鐵路路基的構(gòu)成(1)雙線路堤

4、標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖中國(guó)高速鐵路路基的構(gòu)成中國(guó)高速鐵路路基的構(gòu)成(2)雙線路塹(硬質(zhì)巖石)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖雙線路塹(軟巖、風(fēng)化嚴(yán)重的硬巖及土質(zhì))標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖中國(guó)高速鐵路路基的構(gòu)成中國(guó)高速鐵路路基的構(gòu)成(3) 防滲作用及要求防滲作用及要求 具有一定的具有一定的防滲功能防滲功能( (滲透系數(shù)約為滲透系數(shù)約為10-10-4 4cm/s)cm/s)。能夠能夠防止雨水浸入造成路基土軟化，防止發(fā)生翻漿冒泥等病害。防止雨水浸入造成路基土軟化，防止發(fā)生翻漿冒泥等病害。 強(qiáng)度作用及要求強(qiáng)度作用及要求 應(yīng)有足夠的強(qiáng)度以抵抗列車荷載產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力而不致應(yīng)有足夠的強(qiáng)度以抵抗列車荷載產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力而不致破壞；能抵抗道碴壓入基床土中，防

5、止道碴陷槽等病害的破壞；能抵抗道碴壓入基床土中，防止道碴陷槽等病害的形成；在路基填筑階段能承受重型施工車輛走行而不形成形成；在路基填筑階段能承受重型施工車輛走行而不形成印坑，以免留下隱患。印坑，以免留下隱患。 變形作用及要求變形作用及要求 在列車荷載的重復(fù)作用下，塑性累積變形很小，避免在列車荷載的重復(fù)作用下，塑性累積變形很小，避免形成過(guò)大的不均勻下沉造成軌道的不平順，增加養(yǎng)護(hù)維修形成過(guò)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；在列車高速行駛時(shí)，基床的彈性變形應(yīng)滿足高速的困難；在列車高速行駛時(shí)，基床的彈性變形應(yīng)滿足高速走行的安全性和舒適性要求，同時(shí)還能保障道床的穩(wěn)固。走行的安全性和舒適

6、性要求，同時(shí)還能保障道床的穩(wěn)固?；驳淖饔靡约皩?duì)基床的要求基床的作用以及對(duì)基床的要求(1)基床的作用以及對(duì)基床的要求基床的作用以及對(duì)基床的要求(2) 在可能發(fā)生凍害的地區(qū)，還應(yīng)具有防凍等特殊在可能發(fā)生凍害的地區(qū)，還應(yīng)具有防凍等特殊要求（需做抗凍融試驗(yàn)）要求（需做抗凍融試驗(yàn)）路基動(dòng)態(tài)特性路基動(dòng)態(tài)特性的研究的研究方法方法 試驗(yàn)試驗(yàn) 理論分析理論分析 解析計(jì)算解析計(jì)算 其他其他 影響因素：列車軸重、列車運(yùn)行速度、降雨、等影響因素：列車軸重、列車運(yùn)行速度、降雨、等等等0,501,600,51,60,30,6A、B組填料級(jí)配碎石1:1.5混凝土基礎(chǔ)板0,209,201,800,400,752,60土工隔

7、柵46可埋式動(dòng)位移計(jì)W8靜土壓力盒Y5板上百分表B位移觀測(cè)樁G加速度傳感器J電阻式土壓力盒D6159沉降板(百分表)C7圖 例線路縱向1,12斷面位置0,400,500,500,30動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要方法動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要方法(1) ：路基室內(nèi)模擬循環(huán)加載試驗(yàn)路基室內(nèi)模擬循環(huán)加載試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋M斷面圖及儀器布置ZSS50循環(huán)加載試驗(yàn)設(shè)備動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要方法動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要方法(2)：路基現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)加載試驗(yàn)路基現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)加載試驗(yàn)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要方法動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要方法(2)：路基現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車加載試驗(yàn)路基現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車加載試驗(yàn)80706050403020100-0.50.00.51.01.52.02.53.0 工況1 工況2 工況3枕端軌下枕中

8、軌下 路基面橫向?qū)挾?m軸重25t降雨前工況路基橫斷面方向動(dòng)應(yīng)力變化曲線動(dòng)應(yīng)力/kPa枕端3.02.52.01.51.00.50.005101520253035404550 工況1 工況2 工況3路基面下深度/m軸重25t降雨前工況軌下方向動(dòng)應(yīng)力衰減曲線 動(dòng)應(yīng)力/kPa路基面動(dòng)應(yīng)力橫向分布軌下動(dòng)應(yīng)力沿路基深度分布基床動(dòng)力響應(yīng)基床動(dòng)力響應(yīng)( (1 1) )：有碴軌道有碴軌道10090807060504030201000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0板邊軌下板邊軌下 板底路基面橫向?qū)挾?m動(dòng)應(yīng)力/kPa 1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí) 5級(jí) 6級(jí) 7級(jí) 8級(jí) 9級(jí)板中1.

9、81.61.41.21.00.80.60.40.20.00102030405060708090100路基面下0.3m路基面下0.3m路基面下0.3m 路基面下0.3m表層與底層分界面 動(dòng)應(yīng)力/kPa沿軌下深度/m 1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí) 5級(jí) 6級(jí) 7級(jí) 8級(jí) 9級(jí)基床動(dòng)力響應(yīng)基床動(dòng)力響應(yīng)(2)：板式板式無(wú)砟軌道無(wú)砟軌道路基面動(dòng)應(yīng)力橫向分布軌下動(dòng)應(yīng)力沿路基深度分布4.03.53.02.52.01.51.00.50.0-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0板邊軌下5 km/h 160 km/h 180 km/h 190 km/h 200 km/h 210 km/h 220

10、 km/h橫斷面距離/m 動(dòng)應(yīng)力值kPa板中051015203.02.52.01.51.00.50.0 5 km/h160 km/h180 km/h190 km/h200 km/h210 km/h220 km/h深度/m動(dòng)應(yīng)力/kPa基床動(dòng)力響應(yīng)基床動(dòng)力響應(yīng)( (3 3) )：長(zhǎng)枕埋入式長(zhǎng)枕埋入式路基面動(dòng)應(yīng)力橫向分布軌下動(dòng)應(yīng)力沿路基深度分布無(wú)砟軌道基床動(dòng)態(tài)特性無(wú)砟軌道基床動(dòng)態(tài)特性 研究目標(biāo)研究目標(biāo) 基床基床附加靜應(yīng)力附加靜應(yīng)力 基床動(dòng)應(yīng)力基床動(dòng)應(yīng)力 基床動(dòng)位移基床動(dòng)位移 基床加速度基床加速度 對(duì)以上動(dòng)態(tài)特性的影響因素：加載荷重對(duì)以上動(dòng)態(tài)特性的影響因素：加載荷重(列車軸列車軸重重)、加載頻率、加

11、載頻率(列車運(yùn)行速度列車運(yùn)行速度)、基床含水量、基床含水量(降雨降雨)、等等等等1401201008060402000.00.20.40.60.81.01.21.41.6板邊軌下板邊軌下5 級(jí)4 級(jí)3 級(jí)2 級(jí) 附加應(yīng)力值/kPa板下路基面橫向?qū)挾?m1 級(jí)板中基床附加靜應(yīng)力基床附加靜應(yīng)力1.81.61.41.21.00.80.60.40.20.00102030405060708090100 110 120路基面下1.6m 路基面下0.3m(表層與底層分界面)路基面下1.1m路基面下0.7m 1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí) 5級(jí)附加應(yīng)力值/kPa 中線下深度/m 路基表面的橫向分布 中線下沿路基深度的

12、分布 基床動(dòng)應(yīng)力基床動(dòng)應(yīng)力10090807060504030201000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0板邊軌下板邊軌下 板底路基面橫向?qū)挾?m動(dòng)應(yīng)力/kPa 1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí) 5級(jí) 6級(jí) 7級(jí) 8級(jí) 9級(jí)板中1.81.61.41.21.00.80.60.40.20.00102030405060708090100路基面下0.3m路基面下0.3m路基面下0.3m 路基面下0.3m表層與底層分界面 動(dòng)應(yīng)力/kPa沿軌下深度/m 1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí) 5級(jí) 6級(jí) 7級(jí) 8級(jí) 9級(jí)路基表面橫向分布 軌下沿基床深度分布 基床動(dòng)位移基床動(dòng)位移1.00.90.80.7

13、0.60.50.40.30.20.10.00.00.20.40.60.81.01.21.41.6軌下軌下 板橫向?qū)?m動(dòng)位移/mm 1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí) 5級(jí) 6級(jí) 7級(jí) 8級(jí) 9級(jí)板中1.21.00.80.60.40.20.0-0.20.00.10.20.30.40.50.60.7基礎(chǔ)板頂面路基面路基面下1.1m路基面下0.3m 動(dòng)位移/mm沿軌下深度/m 1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí) 5級(jí) 6級(jí) 7級(jí) 8級(jí) 9級(jí)基礎(chǔ)板動(dòng)位移橫向分布 軌下沿路基深度方向分布 降雨前、后軌下方加速度、動(dòng)位移與動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系降雨前、后軌下方加速度、動(dòng)位移與動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系 降雨的影響因素降雨的影響因素基床動(dòng)態(tài)特性基本結(jié)論

14、基床動(dòng)態(tài)特性基本結(jié)論( (大比例室內(nèi)模型試驗(yàn)大比例室內(nèi)模型試驗(yàn)) )基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究研究目標(biāo)研究目標(biāo) 防止冒泥 減少向道床道碴路基的貫入 防止動(dòng)應(yīng)超過(guò)動(dòng)強(qiáng)度(臨界動(dòng)應(yīng)力) 減少路堤的壓縮沉降 減小列車通過(guò)時(shí)的動(dòng)態(tài)沉降路基面動(dòng)應(yīng)力與列車速度的關(guān)系路基面動(dòng)應(yīng)力與列車速度的關(guān)系(日本有碴軌道) 動(dòng)應(yīng)力在路基面的分布動(dòng)應(yīng)力在路基面的分布動(dòng)應(yīng)力在路基面的分布是非均勻的動(dòng)應(yīng)力在路基面的分布是非均勻的橫向呈馬鞍型分布，鋼軌下最大橫向呈馬鞍型分布，鋼軌下最大縱向呈波浪型分布，輪載作用處最大縱向呈波浪型分布，輪載作用處最大應(yīng)力最大值出現(xiàn)在軌枕與鋼軌交叉處應(yīng)力最大值出現(xiàn)在軌枕與鋼軌交叉

15、處對(duì)基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需計(jì)算列車動(dòng)荷載在路對(duì)基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需計(jì)算列車動(dòng)荷載在路基中產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力大小和分布規(guī)律基中產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力大小和分布規(guī)律美國(guó)的實(shí)測(cè)結(jié)果(有碴)美國(guó)的實(shí)測(cè)結(jié)果(有碴)路基面動(dòng)應(yīng)力的分布(有碴)路基面動(dòng)應(yīng)力的分布(有碴)路基面動(dòng)應(yīng)力的分布(有碴)傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法 基本假定基本假定 軌枕底壓力均勻分布軌枕底壓力均勻分布 從接觸面邊緣以從接觸面邊緣以角向下擴(kuò)散角向下擴(kuò)散 擴(kuò)散角擴(kuò)散角 約為約為3030 45 45 我國(guó)軌道專業(yè)取我國(guó)軌道專業(yè)取3535 日本和歐美多取日本和歐美多取4545 也有個(gè)別取也有個(gè)別取2020 日本的簡(jiǎn)化計(jì)算方法日本的簡(jiǎn)化計(jì)算方法 基本假定

16、基本假定 傳遞到路基面上的動(dòng)應(yīng)力在全部受荷面積上均傳遞到路基面上的動(dòng)應(yīng)力在全部受荷面積上均勻分布勻分布 軌枕底面壓力從軌枕四周邊緣以折線向下擴(kuò)散軌枕底面壓力從軌枕四周邊緣以折線向下擴(kuò)散枕面支承力的分配分例枕面支承力的分配分例( (有碴有碴) )日本中國(guó)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法中國(guó)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法 基本假定同日本的簡(jiǎn)化計(jì)算方法基本假定同日本的簡(jiǎn)化計(jì)算方法 路基面動(dòng)應(yīng)力沿橫向均勻分布路基面動(dòng)應(yīng)力沿橫向均勻分布 路基面動(dòng)應(yīng)力沿縱向三角形分布路基面動(dòng)應(yīng)力沿縱向三角形分布路基面動(dòng)應(yīng)力的實(shí)測(cè)值路基面動(dòng)應(yīng)力的實(shí)測(cè)值(有碴有碴) 機(jī)車車輛類型、軌道結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、行車速度、線機(jī)車車輛類型、軌道結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、行車速度、線路不平順狀態(tài)

17、等多種因素影響路不平順狀態(tài)等多種因素影響 大量既有線的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，路基面動(dòng)應(yīng)力幅大量既有線的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，路基面動(dòng)應(yīng)力幅值的集中域一般在值的集中域一般在50507070kPakPa左右，最大值可左右，最大值可達(dá)達(dá)110110kPa kPa 路基面動(dòng)應(yīng)力的實(shí)測(cè)值路基面動(dòng)應(yīng)力的實(shí)測(cè)值(無(wú)砟無(wú)砟)日本中國(guó)德國(guó)可信度高的實(shí)測(cè)數(shù)很少！可信度高的實(shí)測(cè)數(shù)很少！動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減 由于荷載的擴(kuò)散作用，動(dòng)應(yīng)力隨著深度的增加而衰減 動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減可采用理論計(jì)算方法進(jìn)行求解（計(jì)算法） 單層的均質(zhì)土層，為局部荷載作用在彈性半無(wú)限體上的應(yīng)力分布問(wèn)題（Boussinesg解） 多層的均質(zhì)土層，應(yīng)采

18、用多層系統(tǒng)理論進(jìn)行計(jì)算 注：上述方法均沒(méi)考慮土的阻尼作用也能導(dǎo)致動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減，而且隨車速的增加其影響加大。列車動(dòng)應(yīng)力和路基自重應(yīng)力沿路基面下深度的分布列車動(dòng)應(yīng)力和路基自重應(yīng)力沿路基面下深度的分布注：實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮基床土層的差異注：考慮實(shí)際設(shè)計(jì)中基床土層的差異(日本)基床表層厚度的確定方法基床表層厚度的確定方法(動(dòng)強(qiáng)度控制法動(dòng)強(qiáng)度控制法)注：實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)注：實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮基床土層的差考慮基床土層的差異所引起的動(dòng)強(qiáng)度異所引起的動(dòng)強(qiáng)度的變化的變化累積應(yīng)變0.3%時(shí)動(dòng)應(yīng)力與振次關(guān)系曲線基床表層厚度的確定方法基床表層厚度的確定方法(變形控制法變形控制法)日本(有碴軌道)基床表層厚度的確定方法基

19、床表層厚度的確定方法(變形控制法變形控制法)基床底層強(qiáng)度與路基面下沉量的關(guān)系( (基床表層厚度基床表層厚度30cm)30cm)路基的變形與控制標(biāo)準(zhǔn)路基的變形與控制標(biāo)準(zhǔn) 列車行駛時(shí)路基面產(chǎn)生的彈性變形列車行駛時(shí)路基面產(chǎn)生的彈性變形 運(yùn)營(yíng)階段由行車引起的基床累積下沉運(yùn)營(yíng)階段由行車引起的基床累積下沉 路堤及地基產(chǎn)生的壓密下沉路堤及地基產(chǎn)生的壓密下沉 基面產(chǎn)生的彈性變形對(duì)使用性能的影響基面產(chǎn)生的彈性變形對(duì)使用性能的影響 基床表層的疲勞破損及開(kāi)裂破壞基床表層的疲勞破損及開(kāi)裂破壞 道床和軌道上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性道床和軌道上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 高速行車的安全性和舒適性高速行車的安全性和舒適性 基床表層的疲勞破損及開(kāi)

20、裂破壞基床表層的疲勞破損及開(kāi)裂破壞 日本鐵路采用了強(qiáng)化基床表層的結(jié)構(gòu)型式，日本鐵路采用了強(qiáng)化基床表層的結(jié)構(gòu)型式，最重要特點(diǎn)是基床表層有一層最重要特點(diǎn)是基床表層有一層5 5cmcm厚的瀝青厚的瀝青混凝土?；炷?。 為了保證瀝青混凝土不致因彈性變形過(guò)大而為了保證瀝青混凝土不致因彈性變形過(guò)大而產(chǎn)生繞曲開(kāi)裂，采用了繞曲角產(chǎn)生繞曲開(kāi)裂，采用了繞曲角的概念來(lái)進(jìn)的概念來(lái)進(jìn)行控制行控制繞曲角繞曲角： 0.002 0.0020.0030.003彈性變形：彈性變形： 2.5 2.5 mmmm繞曲角解釋示意圖 道床和軌道上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性道床和軌道上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性基床較大的彈性變形會(huì)導(dǎo)致道床的流動(dòng)，增加基床較大的彈性變形會(huì)導(dǎo)致道床的流動(dòng)，增加軌道養(yǎng)護(hù)維修的困難