路基工程 課件 第三章 路基受力和變形

第三章路基受力和變形3.1路基面上的荷載 3.1.1列車荷載圖式 3.1.2列車和軌道荷載換算 3.2路基沉降 3.2.1天然地基的總沉降量 3.2.2復(fù)合地基的總沉降量 3.2.3路基工后沉降 3.2.4路基不均勻沉降 3.3路基與其他建筑物的連接 3.3.1過(guò)渡段的基本問(wèn)題 3.3.2過(guò)渡段的設(shè)計(jì) 本章內(nèi)容3.1路基面上的荷載對(duì)于鐵路來(lái)說(shuō)，作用在路基面上的荷載可分為兩部分：列車荷載和軌道荷載。列車荷載包括機(jī)車荷載和車輛荷載。軌道荷載包括鋼軌重力、軌枕重力、道砟重力、扣件重力，其與軌道類型、道砟厚度有關(guān)，它是一種長(zhǎng)期靜荷載。列車荷載軌道荷載3.1路基面上的荷載鐵路路基設(shè)計(jì)需要考慮荷載的影響時(shí)，計(jì)算中常把靜荷載和動(dòng)荷載一并簡(jiǎn)化作為靜荷載處理——換算土柱法。高速鐵路路基設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單把動(dòng)荷載作為靜荷載處理，必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，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)力的大小和分布規(guī)律。3.1路基面上的荷載3.1.1列車荷載圖式列車荷載由機(jī)車荷載和車輛荷載組成。對(duì)鐵路路基作用的影響主要是軸重、軸間距以及列車運(yùn)營(yíng)速度產(chǎn)生的沖擊?？砂幢?-1選用設(shè)計(jì)圖式。表3-1鐵路列車荷載圖示3.1路基面上的荷載3.1路基面上的荷載3.1.2列車和軌道荷載換算一、有砟軌道荷載在路基面上的單位荷載可按式（3-1）計(jì)算，其分布自軌枕底面端部向下按45°擴(kuò)散，如圖3-1所示。3.1路基面上的荷載3.1路基面上的荷載以重型軌道結(jié)構(gòu)，道床厚度30cm為例，軌枕及扣件重力=（3.53+0.09）×1.667=6.03（kN/m）。鋼軌重力0.6kN/m。道砟重力：20×（2.233－0.128×1.667）=40.39（kN/m）。計(jì)算軌道荷載P=40.39+6.03+0.6=47.02（kN/m）。荷載分布寬度按軌枕端部向下45°擴(kuò)散計(jì)算，得L0=3.3m。軌道單位荷載p=P1/L0=47.02/3.3=14.25（kN/m2）。3.1路基面上的荷載二、客貨共線鐵路列車荷載的單位荷載和列車動(dòng)荷載標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算應(yīng)滿足下列要求：1、在靜力分析時(shí)，采用列車等效均布荷載，列車荷載自軌枕底面端部向下45°擴(kuò)散，作用在路基面上的單位荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按式（3-2）計(jì)算。路基面上的列車荷載分布如圖3-2所示。3.1路基面上的荷載3.1路基面上的荷載表3-2路基軌道荷載、列車荷載3.1路基面上的荷載2、在基床分析時(shí)，道床頂面上的列車動(dòng)荷載可按式（3-3）計(jì)算。3.1路基面上的荷載三、高速鐵路列車荷載、軌道結(jié)構(gòu)荷載分布如圖3-3所示，路基面上均布荷載的取值應(yīng)按表3-3選用。3.1路基面上的荷載表3-3高速鐵路軌道和列車均布荷載3.1路基面上的荷載四、城際鐵路列車荷載、軌道結(jié)構(gòu)荷載分布如圖3-4所示，路基面上均布荷載的取值應(yīng)按表3-4選用。3.1路基面上的荷載表3-4城際鐵路路基面上的軌道及列車荷載3.1路基面上的荷載3.2.1天然地基的總沉降量計(jì)算天然地基是指未經(jīng)人工處理的地基。天然地基的總沉降量可按式（3-4）計(jì)算確定，采用排水固結(jié)法處理后地基的總沉降量也可按式（3-5）計(jì)算。3.2路基沉降計(jì)算一、單一壓縮土層的沉降量計(jì)算3.2路基沉降計(jì)算3.2路基沉降計(jì)算3.2路基沉降計(jì)算3.2路基沉降計(jì)算3.2路基沉降計(jì)算通過(guò)室內(nèi)壓縮試驗(yàn)測(cè)得e-p曲線后，即可得到相應(yīng)的孔隙比e1、e2，從而便可通過(guò)式（3-9）計(jì)算得到在無(wú)限均布荷載作用下土體的沉降量。二、分層總和法1、基本假定（1）地基土的每一分層土為均勻、連續(xù)、各向同性的半無(wú)限空間彈性體；在外部荷載作用下，土中的應(yīng)力和應(yīng)變呈直線關(guān)系；可用彈性理論方法計(jì)算地基中的附加應(yīng)力。（2）地基土的變形條件為完全側(cè)限條件，即在外部荷載作用下，地基土層只發(fā)生豎向變形，沒(méi)有側(cè)向變形，計(jì)算沉降量時(shí)，可采用室內(nèi)壓縮試驗(yàn)測(cè)定壓縮性指標(biāo)。3.2路基沉降計(jì)算3.2路基沉降計(jì)算

3.2路基沉降計(jì)算3.2路基沉降計(jì)算3.2路基沉降計(jì)算（6）計(jì)算每一分層土的沉降量和地基的最終沉降量。由于分層總和法包括上述基本假設(shè)，且壓縮層厚度的確定方法沒(méi)有嚴(yán)格的理論依據(jù)，研究表明，確定壓縮層厚度的不同方法使計(jì)算結(jié)果相差10%左右，因?yàn)樵摲椒▽?shí)際上為半經(jīng)驗(yàn)性的方法，沉降量計(jì)算值與工程中的實(shí)測(cè)值不完全相同。對(duì)于軟土，沉降量計(jì)算值比實(shí)際值要小很多；對(duì)于硬土，沉降量計(jì)算值要比實(shí)際值要高。但分層總和法計(jì)算沉降量概念比較明確，計(jì)算過(guò)程及變形指標(biāo)的選取比較簡(jiǎn)便、易于掌握，故其依然是該被工程界廣泛采用的沉降量計(jì)算方法。303.2路基沉降計(jì)算3.2路基沉降計(jì)算3.2.2復(fù)合地基的總沉降量計(jì)算復(fù)合地基是指部分土體被增強(qiáng)或被置換形成增強(qiáng)體，由增強(qiáng)體和周圍地基土共同承擔(dān)荷載的地基。復(fù)合地基的總沉降量可按下式計(jì)算確定。3.2路基沉降計(jì)算一、加固區(qū)沉降量S1計(jì)算方法1、置換率復(fù)合模量法散體材料樁、加固土樁復(fù)合地基加固區(qū)壓縮量可采用下式計(jì)算：3.2路基沉降計(jì)算3.2路基沉降計(jì)算2、承載力比復(fù)合模量法水泥粉煤灰碎石（CFG）樁及低標(biāo)號(hào)素混凝土樁復(fù)合地基加固區(qū)壓縮量可按式（3-17）計(jì)算，其中復(fù)合模量值通過(guò)加固區(qū)土的模量提高系數(shù)用下式計(jì)算：3.2路基沉降計(jì)算3、樁身模量法水泥粉煤灰碎石（CFG）樁及低標(biāo)號(hào)素混凝土樁等剛性樁復(fù)合地基、剛性樁結(jié)構(gòu)加固區(qū)壓縮量可按式（3-19）計(jì)算：3.2路基沉降計(jì)算二、下臥層沉降量計(jì)算方法復(fù)合地基下臥層壓縮量的計(jì)算仍用分層總和法進(jìn)行計(jì)算，下臥層的附加應(yīng)力可按下列方法進(jìn)行計(jì)算。1、Boussinesq法

在條形荷載作用下，地基中心點(diǎn)下任一點(diǎn)的深度z處的附加應(yīng)力，可按下式（3-20）計(jì)算：3.2路基沉降計(jì)算2、應(yīng)力擴(kuò)散法3.2路基沉降計(jì)算2、應(yīng)力擴(kuò)散法3.2路基沉降計(jì)算3.2.3路基工后沉降路基工后沉降量應(yīng)滿足式（3-22）的要求，可按式（3-23）~（3-25）進(jìn)行計(jì)算：3.2路基沉降計(jì)算3.2路基沉降計(jì)算3.2路基沉降計(jì)算3.2.4路基不均勻沉降一、路基填土壓實(shí)度不足1、路基填料含水率控制不佳2、填料顆粒級(jí)配不良3、土的性質(zhì)4、壓實(shí)厚度3.2路基沉降計(jì)算二、路堤填料不均勻在路基施工工程中，由于路基的填料通常來(lái)自于路塹的挖方、隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的廢方，所以填料的級(jí)配和填料的性質(zhì)很難得到有效的控制。一方面，在施工過(guò)程中，如果分層碾壓過(guò)程中遇到厚度過(guò)大、小顆粒填料和軟弱物質(zhì)的土層，很難使其得到有效壓實(shí)，在荷載的長(zhǎng)期作用下，填料會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降變形，導(dǎo)致路基會(huì)產(chǎn)生局部沉陷。另一方面，由于回填料的性質(zhì)不一樣，特別是有的填料具有膨脹性，在路基排水系統(tǒng)局部失效后，水的滲入會(huì)使路面局部隆起，破壞路基的整體性，影響行車的安全和舒適度。3.2路基沉降計(jì)算三、排水系統(tǒng)不完善由于排水系統(tǒng)不完善，導(dǎo)致排水時(shí)水流會(huì)沖刷填方邊坡，導(dǎo)致路基下沉、開(kāi)裂，破壞了路基的強(qiáng)度和邊坡的穩(wěn)定，使得路基產(chǎn)生不均勻沉降。四、施工工藝施工工藝的不恰當(dāng)也會(huì)引起路基的不均勻沉降，主要表現(xiàn)為填筑順序不當(dāng)，壓實(shí)機(jī)械選用不當(dāng)，分層壓實(shí)厚度過(guò)大，土石混填不滿足規(guī)范，施工中未按要求做好排水措施，壓實(shí)不足，填挖交界未按設(shè)計(jì)要求設(shè)置臺(tái)階和布置土工格柵等。3.2路基沉降計(jì)算五、列車動(dòng)荷載影響路基基床是軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，承受著線路上部靜載和列車作用產(chǎn)生的動(dòng)載，在動(dòng)荷載和外界因素長(zhǎng)期的作用下，路基基床會(huì)出現(xiàn)翻漿冒泥等淺層病害和下沉擠出變形等較深層的病害。當(dāng)路基面動(dòng)載超過(guò)基床土體的承載能力時(shí)，隨著列車荷載的作用，道床會(huì)不斷地“切入”基床土體內(nèi)，導(dǎo)致線路路基持續(xù)下沉。3.2路基沉降計(jì)算3.3.1路橋（涵、隧）過(guò)渡段的基本問(wèn)題一、過(guò)渡段的受力特點(diǎn)與變形規(guī)律3.3路基與其他建筑物的連接二、過(guò)渡段的幾何不平順與力學(xué)不平順由于路基與橋臺(tái)、涵洞的沉降經(jīng)常會(huì)不同，在路基部分的沉降變形會(huì)大一些，在其過(guò)渡點(diǎn)附近極易產(chǎn)生變形差，這種變形差稱之為幾何不平順。這種不平順會(huì)導(dǎo)致軌面發(fā)生彎折。當(dāng)列車通過(guò)時(shí)，必然會(huì)引起車輛與線路相互作用力的增加，加速線路狀態(tài)的劣化，降低線路設(shè)備的服務(wù)質(zhì)量，增加線路的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，嚴(yán)重時(shí)甚至危及行車安全。路基與橋梁、涵洞等剛度差別較大，它們對(duì)列車車輛通過(guò)時(shí)的動(dòng)載荷的響應(yīng)會(huì)不同，這種兩種線路結(jié)構(gòu)存在的剛度上的差異稱為力學(xué)不平順。這種不平順會(huì)影響到乘坐的舒適度。3.3路基與其他建筑物的連接三、幾何不平順與力學(xué)不平順的原因1、路基與橋（涵）的結(jié)構(gòu)差異橋（涵）結(jié)構(gòu)一般是剛性的，而路基是柔性的。由于這兩種結(jié)構(gòu)的差異，在路基與橋（涵）之間必然存在著變形差異（圖3-10）。路橋（涵）過(guò)渡段由于剛性、自重、強(qiáng)度不同，在列車荷載作用下又是應(yīng)力集中區(qū)域，必然產(chǎn)生變形的不一致。3.3路基與其他建筑物的連接2、路基填料普通鐵路的路堤填料一般是填土，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低。同時(shí)，過(guò)渡段往往作業(yè)面相對(duì)狹小，碾壓質(zhì)量不易控制，其壓實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。3、地基地基土的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)不同，所產(chǎn)生的沉降和沉降達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間也不同。橋頭路基一般填筑較高，地基土承受的附加應(yīng)力較大，地基的沉降變形較其他路段要大，軟弱地基路段尤其如此3.3路基與其他建筑物的連接4、施工施工時(shí)，對(duì)工期或工序安排不當(dāng)，以致過(guò)渡段的填土碾壓工作安排在施工工期尾部，被迫趕工期，不能夠很好地控制填土壓實(shí)質(zhì)量，使得過(guò)渡段路基產(chǎn)生較大的壓密下沉變形。5、重橋輕路意識(shí)設(shè)計(jì)和施工中重橋輕路的意識(shí)是影響路橋過(guò)渡段施工質(zhì)量的又一因素。目前在鐵路建設(shè)工程中，往往是路橋分家，重橋輕路。橋梁施工中集中了大量精干的工程技術(shù)人員，而路基施工卻未能投人必要的技術(shù)人員。在設(shè)計(jì)中沒(méi)有把路橋過(guò)渡段作為一種結(jié)構(gòu)物來(lái)考慮，沒(méi)有較為合理的設(shè)計(jì)要求，在施工過(guò)程中路橋過(guò)渡段又是質(zhì)量控制的薄弱環(huán)節(jié)。3.3路基與其他建筑物的連接3.3.2過(guò)渡段的設(shè)計(jì)一、過(guò)渡段一般處理原則與方法1、受荷載影響范圍（基床以上部分）線路結(jié)構(gòu)抵抗動(dòng)載變形的能力，即線路綜合模量（剛度）的平順過(guò)渡，避免力學(xué)不平順2、剛性橋臺(tái)與柔性路基間工后沉降差即幾何不平順問(wèn)題。這兩個(gè)方面都對(duì)列車或車輛的運(yùn)行產(chǎn)生影響，但產(chǎn)生的原因各不相同，影響程度也不一樣，必須區(qū)別對(duì)待，有針對(duì)性地進(jìn)行處理，才能達(dá)到較好的效果。需要設(shè)置過(guò)渡段的有：路基與橋梁或涵洞的過(guò)渡；路堤、路塹過(guò)渡；隧道洞口過(guò)渡等。3.3路基與其他建筑物的連接處理方法1：在過(guò)渡段較軟一側(cè)，增大基床剛度，減小路堤沉降碎石類優(yōu)質(zhì)材料填筑法使用碎石、級(jí)配砂礫石、水泥石灰穩(wěn)定砂石土等強(qiáng)度高、變形小的優(yōu)質(zhì)材料進(jìn)行填筑過(guò)渡段，能夠減小路堤自身的壓縮性，并根據(jù)施工順序的不同，設(shè)置一定的幾何形狀使過(guò)渡段的剛度和變形能夠均勻變化。該方法設(shè)計(jì)意圖明確，材料性質(zhì)可靠、易控制，但由于靠近橋臺(tái)背面的空間比較狹窄，可能導(dǎo)致填料壓實(shí)質(zhì)量不足，相對(duì)較重的填料質(zhì)量引起的地基沉降也較大，所以，填筑時(shí)要進(jìn)行充分壓實(shí)，并進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。3.3路基與其他建筑物的連接加筋土法在過(guò)渡段路堤填土（必要時(shí)也可包括地基）中埋設(shè)一定數(shù)量的加筋材料，如土工格柵、土工布、土工網(wǎng)等形成加筋土路堤結(jié)構(gòu)。加筋土不僅能增加路基強(qiáng)度，而且還能大幅提高路基剛度，顯著減小或均衡路基變形，能將橋背土路基與路橋交界處的臺(tái)階式跳躍沉降變成連續(xù)的斜坡式沉降。3.3路基與其他建筑物的連接輕型材料法使用如EPS、人工氣泡混凝土等力學(xué)性能較好的輕型材料對(duì)過(guò)渡段進(jìn)行填筑時(shí)，主要是為了減輕結(jié)構(gòu)物的自重，從而降低對(duì)地基豎向加載作用及橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的水平土壓力，使得地基變形減小。3.3路基與其他建筑物的連接過(guò)渡板法在過(guò)渡段范圍內(nèi)路基填土上現(xiàn)澆一塊鋼筋混凝土厚板，并使一端支承在剛性基礎(chǔ)（橋臺(tái)）上，利用鋼筋混凝土厚板的抗彎模量來(lái)增大剛度。常見(jiàn)的過(guò)渡形式為上置式鋼筋混凝土搭板，它一端支撐在橋臺(tái)上，另一端簡(jiǎn)支于枕梁上。由于過(guò)渡段的范圍較大，列車的質(zhì)量很大，速度很快，板底的支撐條件不確定，結(jié)構(gòu)受力情況非常復(fù)雜，一旦破壞，更換將極為困難。該方法雖然對(duì)軌道剛度的增加較顯著，但不能減小路堤地基的變形，必須配以其他處理措施才能有效地控制軌面彎折。3.3路基與其他建筑物的連接3.3路基與其他建筑物的連接輕質(zhì)填料法位于軟土地區(qū)的路橋過(guò)渡段，還可以釆用如二灰土這種重度小、強(qiáng)度大的輕質(zhì)填料。這種填料可減小對(duì)橋臺(tái)及基礎(chǔ)的附加水平力和地基沉降，并通過(guò)薄層填筑、機(jī)械壓實(shí)，減小地基的沉降，保護(hù)橋臺(tái)的穩(wěn)定。3.3路基與其他建筑物的連接處理方法2：在過(guò)渡段較軟一側(cè)，增大軌道豎向剛度通過(guò)調(diào)整軌枕長(zhǎng)度和間距提高軌道剛度。在過(guò)渡段范圍內(nèi)，通過(guò)使用逐步增長(zhǎng)的超長(zhǎng)軌枕和減小軌枕間距可實(shí)現(xiàn)軌道剛度的逐步過(guò)渡。通過(guò)加厚道床厚度提高軌道剛度。道砟是一種強(qiáng)度高、變形小的優(yōu)質(zhì)材料。在過(guò)渡段范圍內(nèi)逐漸增加道床厚度，可使軌道剛度逐步變化。注意：該法僅適用于既有線改造，高速鐵路級(jí)配碎石基床表層結(jié)構(gòu)的剛度大于道床剛度。3.3路基與其他建筑物的連接處理方法3：在過(guò)渡段較硬一側(cè)，通過(guò)設(shè)置軌下、枕下、砟底橡膠墊塊（板）來(lái)調(diào)整軌道豎向剛度，對(duì)于橋梁或隧道等剛性結(jié)構(gòu)物上的軌道可通過(guò)調(diào)整軌下墊板的剛度和設(shè)置枕下墊塊（無(wú)砟），使軌道較硬一側(cè)軌道剛度與較軟一側(cè)軌道剛度相匹配。墊板（塊）剛度可通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確定。對(duì)于有砟軌道結(jié)構(gòu)，由于列車荷載的動(dòng)力作用較大，常使橋上和隧道內(nèi)的道砟發(fā)生磨損粉化。通?？刹捎迷阼F路的道砟底鋪設(shè)一層約25mm厚的橡膠墊層來(lái)解決。3.3路基與其他建筑物的連接3.3.2過(guò)渡段的設(shè)計(jì)二、鐵路線路過(guò)渡段設(shè)計(jì)過(guò)渡段設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是通過(guò)地基處理及提高過(guò)渡段路基填筑的質(zhì)量來(lái)盡量減少沉降的差異性；通過(guò)改變填料使線路的剛度在過(guò)渡帶有一個(gè)逐漸的變化，達(dá)到平順過(guò)渡的目的。1、路基與橋臺(tái)連接過(guò)渡段設(shè)置根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10001的規(guī)定，路基與橋臺(tái)過(guò)渡段宜采用沿線路縱向倒梯形過(guò)渡形式，如圖3-13所示；當(dāng)過(guò)渡段施工先于鄰近路基時(shí)，可采用沿線路縱向正梯形過(guò)渡形式，如圖3-14所示。3.3路基與其他建筑物的連接3.3路基與其他建筑物的連接圖3-13臺(tái)尾倒梯形過(guò)渡段設(shè)置示意圖3.3路基與其他建筑物的連接圖3-13臺(tái)尾正梯形過(guò)渡段設(shè)置示意圖3.3.2過(guò)渡段的設(shè)計(jì)（1）過(guò)渡段長(zhǎng)度按下式確定，且不小于20m：

3.3路基與其他建筑物的連接3.3.2過(guò)渡段的設(shè)計(jì)（2）過(guò)渡段基床表層以下梯形部分的填料及填筑壓實(shí)應(yīng)符合下列規(guī)定：①高速鐵路、無(wú)砟軌道及設(shè)計(jì)速度200km/h的有砟軌道城際鐵路應(yīng)分層填筑摻入不小于3%水泥的級(jí)配碎石，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合壓實(shí)系數(shù)K≥0.95，地基系數(shù)K30≥150MPa/m、動(dòng)態(tài)變形模量E_vd≥50MPa。②設(shè)計(jì)速度200km/h的客貨共線鐵路可分層填筑級(jí)配碎石，距離結(jié)構(gòu)物2.0m范圍內(nèi)應(yīng)摻入不小于3%水泥，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合壓實(shí)系數(shù)K≥0.95，地基系數(shù)K30≥150MPa/m。3.3路基與其他建筑物的連接3.3.2過(guò)渡段的設(shè)計(jì)③重載鐵路應(yīng)分層填筑A組填料，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合壓實(shí)系數(shù)K≥0.95，地基系數(shù)K30≥150MPa/m、動(dòng)態(tài)變形模量Evd≥40MPa。④設(shè)計(jì)速度200km/h以下的有砟軌道城際鐵路和客貨共線鐵路應(yīng)填筑A組填料，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合第二章中的相應(yīng)規(guī)定。

3.3路基與其他建筑物的連接（3）高速鐵路、無(wú)砟軌道及設(shè)計(jì)速度200km/h的有砟軌道城際鐵路過(guò)渡段橋臺(tái)基坑應(yīng)以混凝土回填或以碎石、改良土分層填筑，其他鐵路的過(guò)渡段橋臺(tái)基坑應(yīng)以碎石、改良土分層填筑?；炷翍?yīng)滿足設(shè)計(jì)速度要求，碎石、改良土填筑應(yīng)滿足Evd≥30MPa。（4）地基需要加固的過(guò)渡段應(yīng)考慮與相鄰地段進(jìn)行協(xié)調(diào)漸變，且必須滿足軌道特殊結(jié)構(gòu)要求。（5）過(guò)渡段相鄰路堤應(yīng)同時(shí)施工，且分層填筑時(shí)填筑的高度大致相同。673.3路基與其他建筑物的連接2、路堤與路塹連接過(guò)渡段設(shè)置（1）當(dāng)路堤與路塹連接處為軟巖或