2025年兰州交通大学铁路工程试验班土木工程专业课程试题及答案

2025年兰州交通大学铁路工程试验班土木工程专业课程试题及答案考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共10分）1.下列哪项不属于铁路桥涵设计中需要特别考虑的结构形式？（）A.桥墩基础B.桥梁上部结构C.轨道结构D.桥台身2.铁路隧道围岩分类中，属于硬质岩石且完整性好的围岩级别通常是？（）A.I级B.II级C.III级D.IV级3.在铁路路基工程中，用于提高路基承载力和减少沉降的主要措施是？（）A.路基边坡防护B.排水设施设置C.填筑材料选择与压实D.路基面整形4.铁路轨道结构中，直接承受列车荷载并将其传递给道床的部分是？（）A.道砟B.钢轨C.轨枕D.道床板5.下列哪种焊接方法常用于铁路钢轨的现场连接？（）A.手工电弧焊B.气压焊C.等离子弧焊D.激光焊二、名词解释（每题3分，共15分）1.土木工程2.铁路工程3.桥涵4.隧道5.路基三、简答题（每题5分，共20分）1.简述铁路桥梁与公路桥梁在主要设计荷载方面有何不同。2.简述隧道围岩稳定性分级的主要依据。3.简述铁路路基的基本组成结构。4.简述钢轨在铁路轨道系统中的作用。四、计算题（每题10分，共30分）1.某铁路单线桥涵，设计荷载为活载K=11，桥墩基础埋深处土的重度γ=18kN/m³，地下水位深2m，基础底面尺寸为4mx4m，基础底面以下为饱和粘土，其孔隙比e=0.8，压缩模量Es=10MPa。试计算该基础底面中心点下1m处的竖向自重应力和由设计荷载引起的附加应力（采用角点法计算，忽略基础埋深对附加应力的影响，地面标高为零，单位：kPa）。2.一根钢轨截面面积A=606mm²，每米长度的自重为60.6kg/m，线路设计坡度为2‰（上坡），列车通过时的垂直动载系数为1.25，钢轨材料的容许应力[σ]=160MPa。试计算该钢轨在自重和列车垂直动载共同作用下产生的最大拉应力（忽略温度应力和其他水平力）。3.某段铁路路基填筑材料为砂土，要求压实度达到90%。现场实测干密度ρd=17.5kN/m³，已知该砂土的最大干密度ρdmax=18.5kN/m³。试计算该路基填筑是否达到要求压实度？并说明压实度的物理意义。五、论述题（15分）试论述铁路隧道施工中，围岩失稳可能的表现形式及其主要的预防措施。试卷答案一、选择题1.C2.A3.C4.B5.B解析思路：1.铁路桥涵设计主要考虑承受列车荷载的结构，轨道结构属于线路系统，不是桥涵本身结构。A、B、D均为桥涵组成部分。2.I级围岩通常指坚硬完整岩体。3.提高路基承载力和减少沉降主要依靠压实填筑，使填料颗粒紧密，强度和稳定性增加。A、B、D是路基附属设施或表层处理，对整体承载力和沉降的直接影响不如C。4.钢轨直接承受轮轨压力。5.气压焊（通常指接触焊）是铁路钢轨现场连接的主要方法之一，效率高，适应性强。A多用于小口径管道，C、D技术成熟度及成本原因较少用于钢轨现场主连接。二、名词解释1.土木工程：指利用科学和工程原理来设计、建造、维护和修理结构（如建筑、桥梁、隧道）、基础设施（如道路、水坝、管道）和大型项目（如水处理设施、运输系统）的综合性学科领域。2.铁路工程：是指专门研究铁路线路、桥梁、隧道、车站、轨道、通信信号、车站建筑等工程的设计、施工、运营、维护和管理的技术学科。它是土木工程的一个重要分支，具有线路长、跨度大、技术复杂、服务运输等特点。3.桥涵：泛指横跨河流、山谷、道路或其他障碍物，用于承载铁路（或公路）交通的工程结构物。桥指主要承重结构为梁、拱、桁架等的工程；涵指主要功能是排水和通过小股水流，同时允许铁路通过的地下或半地下结构。4.隧道：是指为铁路（或公路、水路、管线等）在地下或水下修建的通道结构物，用于穿越山岭、河流、洼地或避开障碍物。5.路基：是指铁路轨道结构以下、路堤填土或路堑挖方形成的、用于支撑轨道结构、承受列车荷载并传递荷载给下方土体的基础部分。三、简答题1.答：铁路桥梁设计荷载除了考虑恒载（结构自重、桥面铺装、设备等）外，主要考虑列车竖向活载（如中-活载、活载系数）、制动力、离心力、风荷载、温度影响力、雪荷载、洪水位、地震作用等。公路桥梁设计荷载通常以车辆荷载（车道荷载、车辆荷载）为主，考虑冲击力、制动力、离心力（弯道）、温度影响力、雪荷载、洪水位、地震作用等。主要不同在于：铁路桥梁活载通常以移动的列车荷载（考虑动载系数）形式出现，且荷载图式和标准可能不同；公路桥梁活载则以固定车辆或车道均布荷载形式为主。此外，铁路桥梁对纵断面的平顺度、桥上线路养护要求也更高。2.答：隧道围岩稳定性分级的主要依据通常包括：围岩的地质构造（节理、裂隙的发育程度和产状）、岩石的坚硬程度（单轴抗压强度、弹性模量等）、完整性（节理密度、RQD值等）、初始地应力状态、地下水影响、岩土力学性质试验结果等。这些因素综合决定了围岩的变形量和破坏可能性，是选择隧道支护方案、确定施工方法的重要依据。常用分级标准（如工程分级）会根据这些因素赋予不同权重进行量化评价。3.答：铁路路基的基本组成结构通常包括：路堤填体（或路堑挖方形成的路基基床）、路基面（供轨道铺设）、道床（承担列车荷载并分散到路基）、轨枕（支撑钢轨并传递荷载）、道岔（实现列车转线）、排水设施（排除路基和边坡雨水、地下水）、路基边坡（防止路基侧向失稳）以及必要的防护与加固措施（如边坡防护）等。对于路堤，还包括填筑层的分层结构（如基床表层、基床底层）。对于路堑，还包括必要的截水沟、排水沟等。4.答：钢轨在铁路轨道系统中主要作用是：承受并传递来自列车车轮的巨大压力和冲击力；通过接头与下方的轨枕连接，将荷载传递给轨枕和道床；构成线路的直线或曲线形态，引导列车按预定路线运行；作为导电体，通过接触导线为列车提供电力（电气化铁路）；保证轨道的几何形状和轨距。四、计算题1.解：自重应力：σ_z=γ_0h+γ'(z+h)*B/(2*(B/2)^2)+γ'(z)*B/(2*(B/2)^2)其中：γ_0=10kN/m³(假设地下水位以上土重)，h=2m，γ'=e*γ/(1+e)=0.8*18/(1+0.8)=9.33kN/m³(饱和粘土有效重度)，z=1m，B=4m。σ_z=10*2+9.33*(1+2)*4/(2*2^2)+9.33*4/(2*2^2)σ_z=20+9.33*12/8+9.33*4/8σ_z=20+14.00+4.67=38.67kPa（注：角点法计算自重应力时，深度z以上土柱重和深度z处土层重都需要考虑，但通常简化为从地表开始计算各层土重。此计算为简化模型，实际计算可能更复杂。附加应力部分因题目条件不足无法计算。）*修正思路*：更精确的自重应力计算应分层计算，或使用积分。附加应力计算需给出荷载分布（如列车荷载图式）和计算点位置关系。题目条件不全，无法完成。*此处按原题意，仅计算部分自重应力*。结果：中心点下1m处自重应力约为38.67kPa。2.解：钢轨承受的最大拉应力主要发生在列车荷载作用下的弯矩最大处，通常简化计算为钢轨跨中（简支梁模型）或接头处。此处按简支梁模型估算最大拉应力。最大弯矩M≈(列车总重/2)*L/4（L为计算跨度，此处可假设为1m简化）+(列车动载系数*单位长度重力*L/8)M≈(P/2)*(1/4)+(1.25*60.6*9.8/1000*1/8)M≈(P/8)+(0.945kN/m*1/8)M≈(P/8)+0.118kN·m其中P为列车单线总重，假设为500kN（常作为估算值）。M≈(500/8)+0.118=62.118kN·m最大拉应力σ_max=M*Wx/Ix其中Wx为钢轨截面模量，Ix为截面惯性矩。对于标准钢轨（如60kg/m），Wx≈412.7cm³=4.127×10⁶mm³。σ_max≈62.118*10³N·m*(4.127×10⁶mm³)/(7850×10⁶mm⁴)*(假设为60kg/m钢轨截面)*σ_max≈62.118*4.127/7.85≈32.9MPa（实际计算中，列车荷载分布复杂，常采用铁路标准活载图式和换算荷载法，结果会有差异。此处为简化的估算。）结果：估算的最大拉应力约为32.9MPa。3.解：压实度是衡量路基填筑密实程度的指标，定义为现场压实后的干密度与最大干密度的比值，通常用百分比表示。压实度=(ρ_d/ρ_dmax)*100%压实度=(17.5kN/m³/18.5kN/m³)*100%压实度=0.9459*100%≈94.59%比较计算结果与要求压实度（90%）：94.59%>90%结果：该路基填筑达到了要求的压实度（90%）。物理意义是现场压实后的路基材料单位体积内的干土重，是其达到最紧密状态时理论最大干重的94.59%。五、论述题答：铁路隧道施工中，围岩失稳是指隧道围岩在开挖扰动下，其完整性遭到破坏，产生过度变形、开裂，甚至发生局部或整体坍塌的现象。主要表现形式包括：1.顶板下沉或冒顶：隧道顶部围岩失去支撑而下沉，严重时发生整体坍塌。2.两帮（侧壁）收敛或失稳：隧道两侧围岩向隧道内挤压变形，严重时导致壁后空洞或片帮。3.底板隆起或鼓包：隧道底部围岩因应力释放而向上鼓起。4.围岩变形速率加快：监测显示围岩变形量或变形速率异常增大。5.出现新的裂隙或原有裂隙扩展：围岩内部或表面出现新的破坏面或原有裂缝加宽加深。6.地表沉降加剧：对于浅埋隧道，围岩失稳可能引起地表较大范围或快速的沉降。主要的预防措施包括：1.加强地质勘察与超前预报：准确掌握隧道掌子面前方围岩的地质条件、软弱结构面、应力状态和地下水情况，提前预警潜在风险。2.优化开挖方法与支护设计：根据围岩等级和地质条件，选择合适的开挖方式（如新奥法、矿山法、盾构法等），并设计科学合理的初期支护（锚杆、喷射混凝土、钢拱架等）和二次衬砌。初期支护应遵循“及时、有效、复合”的原则。3.做好初期支护：及时施作锚杆、喷射混凝土等，尽早提供支护力，限制围岩