《路基基床》PPT课件.ppt

2路基基床 YourSubtitleGoesHere 内容提要路基的荷载 静荷载 换算土柱法 动荷载 路基基床结构 基床的作用及对基床的要求 基床结构和材料 基床病害及整治 基床病害 基床病害整治 第2章路基基床 第一节路基的荷载 路基的荷载是指作用在路基面上的应力 路基荷载的组成静荷载 线路上部结构的重量作用在路基面上的应力 动荷载 列车行驶时轮载力通过上部结构传递到路基面上的动应力 路基设计中考虑荷载影响时的基本方法 普通铁路路基设计 计算中常把静荷载和动荷载一并简化作为静荷载处理 即通常的换算土柱法 高速铁路路基设计 不能简单地把动荷载作为静荷载处理 必须进行动态分析 需要计算列车动荷载的作用在路基中所产生的动应力的大小和分布规律 第一节路基的荷载 一 静荷载 换算土柱法 1 列车 活 荷载标准列车 活 荷载按规范规定采用 中华人民共和国铁路标准活载 简称中 活载 标准活载的计算如图2 1 该活载通过轨道传播到路基面上 在横断面上的分布宽度自轨枕底两端向下按45 扩散角计算 见图2 2 第一节路基的荷载 中 活载图示 图2 2 图2 1 换算土柱图示 路基横断面设计中对活载的处理方法 横断面设计的计算图式为沿线路纵向取一单位厚度 即路堤 路堑或挡土墙等路基建筑物的设计理论是按平面问题考虑的 作用在路基面上的活载若按最不利情况计算 则只需考虑轴重即可 不需考虑后面车辆部分的分布力 把轴重的集中力简化成纵向均布的线荷载 并假定每个轴重的分布宽度等于轴距 最后得到沿纵向作用在路基面上的列车 活 荷载分布强度q q 220 1 5 146 67 kN m 第一节路基的荷载 2 换算土柱 普通铁路路基设计对路基荷载所作的两个简化假定 1 把列车 活 荷载作为静荷载处理 2 把列车 活 荷载和轨道静荷载的总重P 简化为与路基土同质的土柱 均布地作用在路基面上 该土柱的高度称换算高度 h0 P g a 式中a为土柱的宽度 按荷载扩散角45 计算 为路基土的容重 见图8 2 第一节路基的荷载 换算土柱算例如图2 3 2 换算土柱 第一节路基的荷载 换算土柱算例 图2 3 二 动荷载 一 荷载的分担作用 图2 4为荷载分担作用示意图 在轮载力P作用下 钢轨的垂向挠曲变形曲线的影响范围与轮载力大小和钢轨 轨枕 道床 路基等的刚度有关 刚度大影响范围小 刚度小则影响范围大 一般约为7根轨枕宽度 亦即轮载力P由7根轨枕分担 第一节路基的荷载 荷载分担作用及钢轨绕曲变形曲线 图2 4 二 动荷载 一 荷载的分担作用 分摊到每根轨枕面上的支承力可通过有关计算解出 此外 可采用简化假定 由于第4根轨枕 向一侧排序 枕面的支承力已经很小 因此常简化假定由5根轨枕分担 分担到每根枕面上的支承力 日本假定分别为0 4P 0 2P及0 1P 如图2 5所示 第一节路基的荷载 枕面支承力的分布比例 日本 图2 5 二 动荷载 二 路基面上动应力的一般规律 轨枕顶面的支承力通过轨枕和道床向下往路基中传播 图2 6表示单根轨枕在线路纵向即轨枕横断面方向上的传播情况 图中左侧为木枕情况 右侧为钢筋混凝土轨枕情况 轨枕底面与道床之间的接触压力对于木枕可视为柔性板 其接触压力大致为均布 混凝土枕因为刚性大 视作刚性板 刚性板底面接触压力的分布比较复杂 其值约在平均值的95 125 范围 第一节路基的荷载 单根轨枕下的压力分布 德国资料 图2 6 枕底压力在介质中传播的等压线为钟形曲线见图2 6 木枕和混凝土枕两种情况的等压线的数值在较浅深度范围内 例如在道床范围内 差别较大 若在相同深度处则以混混凝土枕情况为小 但是当深度达到距枕底60cm左右时 则两种情况差不多 第一节路基的荷载 Boussinesq理论 图2 7表示邻枕对压力分布的影响 当深度达到轨枕宽度的3倍 即距枕底70cm左右时 沿线路纵向的压力分布就比较均匀了 一般情况下路基面上的应力分布其最大值位于轨枕正下方或钢轨正下方 而两侧最小 实际计算时通常假设枕底应力为均布 并从两侧枕端以 角向下扩散 扩散角 约为30 45 各国取值不同 我国取35 日 德 俄等欧洲国家取45 个别美国学者取20 第一节路基的荷载 美国实测结果 图2 7 第二节路基基床结构 一 基床的作用及对基床的要求基床是指路基顶面以下3 0m范围内的路基体 是列车动荷载的主要影响范围 也是铁路路基最重要的关键部位 并把它定为基床的厚度 基床的作用以及对基床的要求主要有三个方面 强度要求 应有足够的强度以抵抗列车荷载产生的动应力而不致破坏 能抵抗道碴压入基床土中从而防止道碴陷槽等病害的形成 在路基填筑阶段能承受重型施工车辆走行而不形成印坑 以免留下隐患 刚度要求 在列车荷载的重复作用下 塑性累积变形要小 以避免形成过大的不均匀下沉造成轨道的不平顺 增加养护维修的困难 在列车高速行驶时 基床的弹性变形应满足高速行车的安全性和舒适性要求 同时能保障道床的稳固 优良的排水性 能够防止雨水浸入软化和冻融等危害 第二节路基基床结构 基床的作用以及对基床的要求主要有三个方面 第二节路基基床结构 二 基床结构和材料基床结构基本上可分为两种 二层系统多层系统或强化基床结构 一 二层系统 传统的普通线路多为道床与土质基床直接相连的二层系统 称为土基床 土基床要求用优质填料填筑 表2 1为中 日两国有关土基床土质条件的长期研究和实践的总结 在此基础上 我国现行规范规定使用A B组填料 第二节路基基床结构 中日两国有关土基床土质条件 表2 1 第二节路基基床结构 二 多层系统或强化基床结构 设计规范对基床的土质及填土密度有明确的要求 但实际上我国既有线基床病害十分严重 年复一年不断发展 其主要原因是既不严格控制土质 又不重视压实质量 由于病害的困扰 人们对防治病害进行了长期的研究和实践 认识到基床表层的重要性 即在道床和路基之间再设置一层过渡层 称为路基保护层或垫层 实践证明 设置保护层是提高路基的承载力 消除基床病害的根本措施 我国重载铁路大秦线的道床有一层底碴 其作用同保护层的作用是相同的 第二节路基基床结构 二 多层系统或强化基床结构 图2 8 a b c d e 分别为德国和法国高速铁路一般路堤基床的断面型式 保护层的厚度为25 30cm 图2 8 f 为日本高速铁路板式轨道的基床结构型式之一 他们把基床表层称为路盘或强化路盘 厚30cm 亦即前面所谓的保护层 强化路盘的表面为5cm厚的沥青混凝土 其下为级配碎石 或高炉矿碴 粒度成份如表2 2所列 表2 2 a 德国高速铁路有碴轨道路堤 b 德国高速铁路无碴轨道路堤的断面型式之一a UIC60钢轨扣件 b 钢筋混凝土连续板 c 混凝土绝缘层及支持层 d 素混凝土 e 矿碴混凝土f 下伏土层 g 透水材料 h 冷沥青层 i 道碴 图2 8 图2 8 c 法国高速铁路路堤的断面型式 d 法国高速铁路路堑的断面型式 基床土质差 图2 8 图2 8 e 法国高速铁路路堑的断面型式 基床土质好 f 日本高速铁路板式轨道路基的断面型式之一 图2 8 图2 8 g 为我国大秦重载铁路路基断面 单位 m 图2 8 二 多层系统或强化基床结构 我国铁道科学研究院建议的高速铁路基床表层厚度0 7 0 8m 采用级配砂砾石填筑 粒度成份如表2 3所列 第二节路基基床结构 表2 3 基床表层沙砾石的级配要求 中国 二 多层系统或强化基床结构 图2 9 图2 10 图2 11为中 日 德高速铁路的典型路堤断面 各断面的基床表层 底层及其床以下路堤填土部份的厚度 压实密度 强度要求不全相同 但是它们的设计思想主要都是为了严格控制下沉量 为轨道结构提供一个有足够刚度的基础 第二节路基基床结构 高速铁路设计参数简图 中国 图中表层单位指变形模量E 图2 9 图2 11 高速铁路设计参数简图 德国 图中表层单位指变形模量E 图2 10 高速铁路设计参数简图 日本 图中表层单位指变形模量E 第三节基床病害及整治 我国铁路既有线多年来整治基床病害积累了丰富的经验 大量的调查和研究表明 基床病害的发生是三个主要因素 基床土质不良 水的浸入和列车动荷载同时作用的结果 基床病害可分为翻浆冒泥 下沉 挤出和冻害四大类 其症状及成因如下 翻浆冒泥发生于基床土质不符合要求的部位 例如粘粒含量过高的填土和泥质软岩的路堑 其表层遇水软化成泥浆 因列车的振动而挤入道碴空隙 使道床脏污 减小弹性 一 基床病害 第三节基床病害及整治 一 基床病害 翻浆冒泥 下沉主要因基床填筑密度不够和强度不足所致 列车振动将道碴压入基床内 形成道碴囊或道碴袋 如图2 12所示 引起线路下沉这种现象继续发展可能导致路堤坍滑 如图2 13所示 挤出主要因基床强度不足而产生剪切破坏或塑性流动 常见的现象有路肩隆起 侧沟被挤等 如图2 14 图2 15a b所示 冻害发生于寒冷地区 如路基土为透水性较差的细粒土 当含水量较高或路基面积水 在冻结过程中 土中水重新分布和聚集形成冰块 引起不均匀的冻胀现象 冰块融化又引起不均匀下沉 在地下水较高地段 地下水通过毛细管作用而不断向上转移补给 使冻胀量增大 持续时间延长 第三节基床病害及整治 下沉外挤 图2 12 a 道碴袋 道碴囊 图2 12 b 道碴袋 道碴囊 图2 13 路基坍塌 图2 14 路基隆起 第三节基床病害及整治 图2 15 侧沟被挤 二 基床病害整治 病害整治必须根据产生病害的原因 形成条件及类型 因地制宜地采取有效措施 砂垫层 用以处理土质基床翻浆 其作用是将道碴与基床土隔离和排水 封闭层 在基床面上铺一层不透水的掺料土或其它材料将其封闭 防止地面水渗入引起基床表层土软化 此法宜用于整治和防止泥质软岩路堑的翻浆冒泥 如用于路堤段则被封闭的基床土必须有足够的强度 以免封闭层出现断裂 一般以用柔性封闭层为宜 图2 16聚乙稀软板封闭层即为一例 第三节基床病害及整治 二 基床病害整治 第三节基床病害及整治 图2 16 聚乙烯软板封闭层 二 基床病害整治 病害整治必须根据产生病害的原因 形成条件及类型 因地制宜地采取有效措施 基床改良 由于基床土承载能力不足而出现下沉挤出现象时 应根据具体情况采用灌浆 微型桩 置换等改良基床的措施 如图2 17 18 19 第三节基床病害及整治 图2 17 微型柱加固基床 图2 18 换填诊治基床病害 图2 19 挖除道碴槽回填卵石 二 基床病害整治 应用土工合成材料 土工合成材料的类型较多 其功能差异较大 可用于隔离道碴和基床土 并具有透水和排水作用 亦可用于提高地基土的承载能力最近采用一种新结构即土工格室 如图2 20所示 铺设于道床底部与基床表层之间 能显著加强道床的稳固性 提高基床的承载能力 改善基床的动应力分布 减少线路的累积下沉 是一种具有发展前景的有效措施 为减小冻害发生 可在基床表层采用隔温材料 如炉碴 泡沫砖等填筑 保温层的厚度取决于当地冻结深度和材料的导热系数 第三节基床病害及整治 加强地面