路基动态特性及基床结构设计方法

1、路基动态特性路基动态特性的研究目标的研究目标 基床基床附加静应力附加静应力的分布规律的分布规律 基床动应力基床动应力的分布规律的分布规律 基床动位移基床动位移的分布规律的分布规律 基床加速度基床加速度的分布规律的分布规律 基床的动刚度基床的动刚度 对以上动态特性的分布规律的影响因素：加载荷对以上动态特性的分布规律的影响因素：加载荷 重重( (列车轴重列车轴重) )、加载频率、加载频率( (列车运行速度列车运行速度) )、基床含水、基床含水 量量( (降雨降雨) )、等等、等等 基床结构设计方法的研究目标基床结构设计方法的研究目标 防止冒泥防止冒泥 减少向道床道碴路基的贯入减少向道床道碴路基的贯

2、入( (有碴有碴) ) 防止动应超过动强度防止动应超过动强度( (临界动应力临界动应力) ) 减少路堤的压缩沉降减少路堤的压缩沉降 减小列车通过时的动态沉降减小列车通过时的动态沉降 既有基床结构简介既有基床结构简介 既有基床结构的设计理念：既有基床结构的设计理念：基床的作用以及对基基床的作用以及对基 床的要求床的要求 铁路使用的主要轨道结构铁路使用的主要轨道结构 有碴轨道 无砟轨道 土工结构(路基)的概要 以土层、岩石等为材料构筑的结构以及与其相邻的小结构的以土层、岩石等为材料构筑的结构以及与其相邻的小结构的 总称总称 路基、路堤、路堑、加路基、路堤、路堑、加筋筋土、排水土、排水工工、坡面防护

3、以及与此类、坡面防护以及与此类 似的结构似的结构 挖方挖方 路堤路堤 路基路基 路床路床 坡顶截水沟 坡面排水沟 线路侧沟 线路侧沟 排水层 坡顶 层厚管理材料 坡面排水沟 护坡道 坡面 坡底 坡顶 坡面 坡底 护坡道 原地基 上部路堤 下部路堤 原地基面 排水层坡底排水沟 日本高速铁路日本高速铁路( (有碴有碴) )强化基床表层的构成强化基床表层的构成 轨道结构体 路床 （路堤） 填充层 钢筋混凝土板 透层 级配碎石层 轨道结构体 混凝土路基 路床 （路堑平地） 排水层 混凝土路基 (a)路堤 (b)路堑平地 日本高速铁路日本高速铁路( (无砟无砟) )基床表层的构成基床表层的构成 中国高速

4、铁路路基的构成中国高速铁路路基的构成(1) 双线路堤标准横断面图 中国高速铁路路基的构成中国高速铁路路基的构成(2) 双线路堑(硬质岩石)标准横断面图 双线路堑(软岩、风化严重的硬岩及土质)标准横断面图 中国高速铁路路基的构成中国高速铁路路基的构成(3) 防渗作用及要求防渗作用及要求 具有一定的具有一定的防渗功能防渗功能( (渗透系数约为渗透系数约为10-10-4 4cm/s)cm/s)。能够能够 防止雨水浸入造成路基土软化，防止发生翻浆冒泥等病害。防止雨水浸入造成路基土软化，防止发生翻浆冒泥等病害。 强度作用及要求强度作用及要求 应有足够的强度以抵抗列车荷载产生的动应力而不致应有足够的强度以

5、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，防止道碴陷槽等病害的破坏；能抵抗道碴压入基床土中，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。印坑，以免留下隐患。 变形作用及要求变形作用及要求 在列车荷载的重复作用下，塑性累积变形很小，避免在列车荷载的重复作用下，塑性累积变形很小，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的困难；在列车高速行驶时，基床的弹性变形应满足

6、高速 走行的安全性和舒适性要求，同时还能保障道床的稳固。走行的安全性和舒适性要求，同时还能保障道床的稳固。 基床的作用以及对基床的要求基床的作用以及对基床的要求(1) 基床的作用以及对基床的要求基床的作用以及对基床的要求(2) 在可能发生冻害的地区，还应具有防冻等特殊在可能发生冻害的地区，还应具有防冻等特殊 要求（需做抗冻融试验）要求（需做抗冻融试验） 路基动态特性路基动态特性的研究的研究方法方法 试验试验 理论分析理论分析 解析计算解析计算 其他其他 影响因素：列车轴重、列车运行速度、降雨、等影响因素：列车轴重、列车运行速度、降雨、等 等等 0,501,60 0,5 1,6 0,30,6 A

7、、B组填料 级配碎石 1:1.5 混凝土基础板 0,20 9,20 1,800,40 0,75 2,60 土工隔栅4 6可埋式动位移计W 8静土压力盒Y 5板上百分表B 位移观测桩G 加速度传感器J 电阻式土压力盒D 6 15 9 沉降板(百分表)C 7 图 例 线路纵向 1,12 断面位置 0,40 0,50 0,50 0,30 动态试验主要方法动态试验主要方法(1) ：路基室内模拟循环加载试验路基室内模拟循环加载试验 模型横断面图及仪器布置 ZSS50循环加载试验设备 动态试验主要方法动态试验主要方法(2)：路基现场循环加载试验路基现场循环加载试验 动态试验主要方法动态试验主要方法(2)：

8、路基现场实车加载试验路基现场实车加载试验 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -0.50.00.51.01.52.02.53.0 工况1 工况2 工况3 枕端轨下枕中轨下 路基面横向宽度/m 轴重25t降雨前工况路基横断面方向动应力变化曲线 动应力/kPa 枕端 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 05101520253035404550 工况1 工况2 工况3 路基面下深度/m 轴重25t降雨前工况轨下方向动应力衰减曲线 动应力/kPa 路基面动应力横向分布轨下动应力沿路基深度分布 基床动力响应基床动力响应( (1 1) )：有碴轨道有碴轨道 100 90

9、 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 板边轨下板边轨下 板底路基面横向宽度/m 动应力/kPa 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级 板中 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0102030405060708090100 路基面下0.3m 路基面下0.3m 路基面下0.3m 路基面下0.3m 表层与底层分界面 动应力/kPa 沿轨下深度/m 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级 基床动力响应基床动力响应(2)：板式板式无砟轨道无砟轨道

10、路基面动应力横向分布 轨下动应力沿路基深度分布 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0 板边轨下 5 km/h 160 km/h 180 km/h 190 km/h 200 km/h 210 km/h 220 km/h 横断面距离/m 动应力值kPa 板中 05101520 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 5 km/h 160 km/h 180 km/h 190 km/h 200 km/h 210 km/h 220 km/h 深度/m 动应力/kPa 基床动力响应基床动力响应

11、( (3 3) )：长枕埋入式长枕埋入式 路基面动应力横向分布 轨下动应力沿路基深度分布 无砟轨道基床动态特性无砟轨道基床动态特性 研究目标研究目标 基床基床附加静应力附加静应力 基床动应力基床动应力 基床动位移基床动位移 基床加速度基床加速度 对以上动态特性的影响因素：加载荷重对以上动态特性的影响因素：加载荷重(列车轴列车轴 重重)、加载频率、加载频率(列车运行速度列车运行速度)、基床含水量、基床含水量(降雨降雨)、 等等等等 140 120 100 80 60 40 20 0 0.00.20.40.60.81.01.21.41.6 板边轨下板边轨下 5 级 4 级 3 级 2 级 附加应力

12、值/kPa 板下路基面横向宽度/m 1 级 板中 基床附加静应力基床附加静应力 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0102030405060708090100 110 120 路基面下1.6m 路基面下0.3m (表层与底层分界面) 路基面下1.1m 路基面下0.7m 1级 2级 3级 4级 5级 附加应力值/kPa 中线下深度/m 路基表面的横向分布 中线下沿路基深度的分布 基床动应力基床动应力 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 板边轨下板边轨下

13、板底路基面横向宽度/m 动应力/kPa 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级 板中 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0102030405060708090100 路基面下0.3m 路基面下0.3m 路基面下0.3m 路基面下0.3m 表层与底层分界面 动应力/kPa 沿轨下深度/m 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级 路基表面横向分布 轨下沿基床深度分布 基床动位移基床动位移 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.00.20.40.60.81.01.21.41

14、.6 轨下轨下 板横向宽/m 动位移/mm 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级 板中 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 0.00.10.20.30.40.50.60.7 基础板顶面 路基面 路基面下1.1m 路基面下0.3m 动位移/mm 沿轨下深度/m 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级 9级 基础板动位移横向分布 轨下沿路基深度方向分布 降雨前、后轨下方加速度、动位移与动应力的关系降雨前、后轨下方加速度、动位移与动应力的关系 降雨的影响因素降雨的影响因素 基床动态特性基本结论基床动态特性基本结论( (大比例室内模型试验大比例室内

15、模型试验) ) 基床结构设计方法的研究基床结构设计方法的研究 研究目标研究目标 防止冒泥 减少向道床道碴路基的贯入 防止动应超过动强度(临界动应力) 减少路堤的压缩沉降 减小列车通过时的动态沉降 路基面动应力与列车速度的关系路基面动应力与列车速度的关系(日本有碴轨道) 动应力在路基面的分布动应力在路基面的分布 动应力在路基面的分布是非均匀的动应力在路基面的分布是非均匀的 横向呈马鞍型分布，钢轨下最大横向呈马鞍型分布，钢轨下最大 纵向呈波浪型分布，轮载作用处最大纵向呈波浪型分布，轮载作用处最大 应力最大值出现在轨枕与钢轨交叉处应力最大值出现在轨枕与钢轨交叉处 对基床结构设计时，需计算列车动荷载在

16、路对基床结构设计时，需计算列车动荷载在路 基中产生的动应力大小和分布规律基中产生的动应力大小和分布规律 单根轨枕下的压力分布 （德国资料） 美国的实测结果(有碴) 路基面动应力的分布(有碴) 路基面动应力的分布(有碴) 路基面动应力的分布(有碴) 传统的简化计算方法传统的简化计算方法 基本假定基本假定 轨枕底压力均匀分布轨枕底压力均匀分布 从接触面边缘以从接触面边缘以角向下扩散角向下扩散 扩散角扩散角 约为约为3030 45 45 我国轨道专业取我国轨道专业取3535 日本和欧美多取日本和欧美多取4545 也有个别取也有个别取2020 日本的简化计算方法日本的简化计算方法 基本假定基本假定 传

17、递到路基面上的动应力在全部受荷面积上均传递到路基面上的动应力在全部受荷面积上均 匀分布匀分布 轨枕底面压力从轨枕四周边缘以折线向下扩散轨枕底面压力从轨枕四周边缘以折线向下扩散 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 中国的简化计算方法中国的简化计算方法 基本假定同日本的简化计算方法基本假定同日本的简化计算方法 路基面动应力沿横向均匀分布路基面动应力沿横向均匀分布 路基面动应力沿纵向三角形分布路基面动应力沿纵向三角形分布 路基面动应力的实测值路基面动应力的实测值(有碴有碴) 机车车辆类型、轨道结构标准、行车速度、线机车车辆类型、轨道结构标准、行车速度、线 路不平顺状态

18、等多种因素影响路不平顺状态等多种因素影响 大量既有线的现场实测表明，路基面动应力幅大量既有线的现场实测表明，路基面动应力幅 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 达达110110kPa kPa 路基面动应力的实测值路基面动应力的实测值(无砟无砟) 日本 中国 德国 可信度高的实测数很少！可信度高的实测数很少！ 动应力沿深度的衰减动应力沿深度的衰减 由于荷载的扩散作用，动应力随着深度的增加 而衰减 动应力沿深度的衰减可采用理论计算方法进行 求解（计算法） 单层的均质土层，为局部荷载作用在弹性半无 限体上的应力分布问题（Boussinesg解）

19、多层的均质土层，应采用多层系统理论进行计 算 注：上述方法均没考虑土的阻尼作用也能导致动应力 沿深度的衰减，而且随车速的增加其影响加大。 列车动应力和路基自重应力沿路基面下深度的分布列车动应力和路基自重应力沿路基面下深度的分布 注：实际设 计中应考虑 基床土层的 差异 注：考虑实际设计中基床土层的差异(日本) 基床表层厚度的确定方法基床表层厚度的确定方法(动强度控制法动强度控制法) 注：实际设计中应注：实际设计中应 考虑基床土层的差考虑基床土层的差 异所引起的动强度异所引起的动强度 的变化的变化 累积应变0.3%时动应力与振次关系曲线 基床表层厚度的确定方法基床表层厚度的确定方法(变形控制法变

20、形控制法) 日本(有碴轨道) 基床表层厚度的确定方法基床表层厚度的确定方法(变形控制法变形控制法) 基床底层强度与路基面下沉量的关系( (基床表层厚度基床表层厚度30cm)30cm) 路基的变形与控制标准路基的变形与控制标准 列车行驶时路基面产生的弹性变形列车行驶时路基面产生的弹性变形 运营阶段由行车引起的基床累积下沉运营阶段由行车引起的基床累积下沉 路堤及地基产生的压密下沉路堤及地基产生的压密下沉 基面产生的弹性变形对使用性能的影响基面产生的弹性变形对使用性能的影响 基床表层的疲劳破损及开裂破坏基床表层的疲劳破损及开裂破坏 道床和轨道上部结构的稳定性道床和轨道上部结构的稳定性 高速行车的安全

21、性和舒适性高速行车的安全性和舒适性 基床表层的疲劳破损及开裂破坏基床表层的疲劳破损及开裂破坏 日本铁路采用了强化基床表层的结构型式，日本铁路采用了强化基床表层的结构型式， 最重要特点是基床表层有一层最重要特点是基床表层有一层5 5cmcm厚的沥青厚的沥青 混凝土。混凝土。 为了保证沥青混凝土不致因弹性变形过大而为了保证沥青混凝土不致因弹性变形过大而 产生绕曲开裂，采用了绕曲角产生绕曲开裂，采用了绕曲角的概念来进的概念来进 行控制行控制 绕曲角绕曲角： 0.002 0.0020.0030.003 弹性变形：弹性变形： 2.5 2.5 mmmm 绕曲角解释示意图 道床和轨道上部结构的稳定性道床和轨

22、道上部结构的稳定性 基床较大的弹性变形会导致道床的流动，增加基床较大的弹性变形会导致道床的流动，增加 轨道养护维修的困难。轨道养护维修的困难。 根据日本的经验，基床的弹性变形控制在根据日本的经验，基床的弹性变形控制在4 4mmmm以以 内比较合适内比较合适 由于我国目前尚无这些方面的经验， 在“暂行 规定”中的设计控制值为3.5mm。 高速行车的安全性和舒适性高速行车的安全性和舒适性 采用采用列车与线路相互作用动力分析模型，列车与线路相互作用动力分析模型，分析不同分析不同 基床刚度对车辆和线路振动特性的影响基床刚度对车辆和线路振动特性的影响 车体的振动影响列车运行的平稳性和乘座的舒适性，车体的

23、振动影响列车运行的平稳性和乘座的舒适性， 是振动控制的主要指标是振动控制的主要指标 在动应力作用下路基面的累积下沉变形规在动应力作用下路基面的累积下沉变形规 律，我国缺乏高速条件下的实测数据律，我国缺乏高速条件下的实测数据。 中国基床压实标准：中国基床压实标准： 表层表层K30 190 MPa/mK30 190 MPa/m（级配碎石），厚级配碎石），厚3030 70cm70cm 底层底层K30 110 MPa/mK30 110 MPa/m（细粒土）细粒土） K30K30 130 MPa/m130 MPa/m（粗粒土）粗粒土） K30K30 150 150 MPa/mMPa/m（碎石土）碎石土） 一般认为，累积下沉量在经过一段时间行车后一般认为，累积下沉量在经过一段时间行车