路基动态特性及基床结构设计方法

路基动态特性及基床结构设计方法第1页/共53页路基动态特性的研究目标

基床附加静应力的分布规律

基床动应力的分布规律

基床动位移的分布规律

基床加速度的分布规律

基床的动刚度

对以上动态特性的分布规律的影响因素：加载荷重(列车轴重)、加载频率(列车运行速度)、基床含水量(降雨)、等等第2页/共53页基床结构设计方法的研究目标•

防止冒泥•减少向道床道碴路基的贯入(有碴)

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第3页/共53页既有基床结构简介

既有基床结构的设计理念：基床的作用以及对基床的要求

第4页/共53页铁路使用的主要轨道结构有碴轨道无砟轨道第5页/共53页土工结构(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总称○路基、路堤、路堑、加筋土、排水工、坡面防护以及与此类似的结构挖方路堤路基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第6页/共53页日本高速铁路(有碴)强化基床表层的构成第7页/共53页轨道结构体路床（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(无砟)基床表层的构成第8页/共53页中国高速铁路路基的构成(1)双线路堤标准横断面图第9页/共53页中国高速铁路路基的构成(2)双线路堑(硬质岩石)标准横断面图第10页/共53页双线路堑(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(3)第11页/共53页防渗作用及要求

具有一定的防渗功能(渗透系数约为10-4cm/s)。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。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印坑，以免留下隐患。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(1)第12页/共53页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要求（需做抗冻融试验）第13页/共53页路基动态特性的研究方法

试验

理论分析

解析计算

其他

影响因素：列车轴重、列车运行速度、降雨、等等第14页/共53页动态试验主要方法(1)：路基室内模拟循环加载试验模型横断面图及仪器布置第15页/共53页ZSS50循环加载试验设备动态试验主要方法(2)：路基现场循环加载试验第16页/共53页动态试验主要方法(2)：路基现场实车加载试验第17页/共53页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(1)：有碴轨道第18页/共53页基床动力响应(2)：板式无砟轨道路基面动应力横向分布轨下动应力沿路基深度分布第19页/共53页基床动力响应(3)：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第20页/共53页无砟轨道基床动态特性

研究目标

基床附加静应力

基床动应力

基床动位移

基床加速度

对以上动态特性的影响因素：加载荷重(列车轴重)、加载频率(列车运行速度)、基床含水量(降雨)、等等第21页/共53页基床附加静应力路基表面的横向分布中线下沿路基深度的分布第22页/共53页基床动应力路基表面横向分布轨下沿基床深度分布第23页/共53页基床动位移基础板动位移横向分布轨下沿路基深度方向分布第24页/共53页降雨前、后轨下方加速度、动位移与动应力的关系降雨的影响因素第25页/共53页基床动态特性基本结论(大比例室内模型试验)第26页/共53页第27页/共53页基床结构设计方法的研究研究目标

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第28页/共53页路基面动应力与列车速度的关系(日本有碴轨道)第29页/共53页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 ——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 ——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路基中产生的动应力大小和分布规律第30页/共53页单根轨枕下的压力分布（德国资料）第31页/共53页美国的实测结果(有碴)第32页/共53页路基面动应力的分布(有碴)第33页/共53页路基面动应力的分布(有碴)第34页/共53页路基面动应力的分布(有碴)第35页/共53页传统的简化计算方法基本假定轨枕底压力均匀分布从接触面边缘以Φ角向下扩散扩散角Φ约为30~45我国轨道专业取35

日本和欧美多取45也有个别取20第36页/共53页日本的简化计算方法基本假定传递到路基面上的动应力在全部受荷面积上均匀分布轨枕底面压力从轨枕四周边缘以折线向下扩散第37页/共53页枕面支承力的分配分例(有碴)日本第38页/共53页中国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纵向三角形分布第39页/共53页路基面动应力的实测值(有碴)机车车辆类型、轨道结构标准、行车速度、线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，路基面动应力幅值的集中域一般在50～70kPa左右，最大值可达110kPa第40页/共53页路基面动应力的实测值(无砟)日本中国德国可信度高的实测数很少！！！第41页/共53页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）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。第42页/共53页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第43页/共53页注：考虑实际设计中基床土层的差异(日本)第44页/共53页基床表层厚度的确定方法(动强度控制法)注：实际设计中应考虑基床土层的差异所引起的动强度的变化第45页/共53页累积应变0.3%时动应力与振次关系曲线基床表层厚度的确定方法(变形控制法)第46页/共53页日本(有碴轨道)基床表层厚度的确定方法(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30cm)第47页/共53页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

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道床和轨道上部结构的稳定性高速行车的安全性和舒适性第48页/共53页

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，最重要特点是基床表层有一层5cm厚的沥青混凝土。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θ的概念来进行控制 绕曲角θ：<0.002～0.003 弹性变形：<2.5mm第49页/共53页绕曲角θ解释示意图第50页/共53页

道床和轨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4mm以内比较合适

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 采用列车与线路相互作用动力分析模型，分析不同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，是振动控制的主要指标第51页/共53页

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。

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