《路基的本体工程》PPT课件.ppt

1、第二章 路基的本体工程,第一节 路基本体工程各构成部分及其设计原则,路基高度:OO 在路基面上，未被道床覆盖的那部分路基面称为路肩,路堑深度:OO 一般线路路堑的路肩宽小于路堤的路肩宽度,路肩的作用,加强路基的稳定性 保障道床的稳固 方便养护维修作业,为了减少开挖量，一般线路路堑的路肩宽小于路堤的路肩宽度 我国现行规范规定的路肩宽度标准为： 级铁路的路堤不得小于0.8m，路堑不得小于0.6m 为测量工作方便起见，常用路肩高程代替路基高程,路基横断面,1,:,1,.,8,1,:,1,.,8,粒,調,砕,石,.,.,4,0,0,以,上,以,上,以,上,a:轨道中心间隔,b:施工基面宽度,c:至各限

2、界的距离,d:余量宽度,通,信,電,力,轨 道 中 心,车 辆 限 界,（风压限界）,路肩高程有一个最小值的要求 规范规定，路肩的最小高程应比设计洪水频率的水位连同波浪侵袭洪水高(h1)和雍水高(h2)在内，再加0.5m富余量，采用的设计洪水频率，在一般情况下，、级铁路为1/100，级铁路为1/50,第二节 路基承受的荷载,路基承受的荷载是指作用在路基面上的应力，包括线路上部结构重量作用在路基面上的静荷载以及列车运行中通过轨道传递到路基面上的动荷载，是确定路基本体构造的重要依据,一 路基荷载的定义,普通铁路路基设计必须要考虑荷载的影响时，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

3、换算土柱法 高速铁路的路基设计必须进行动态分析，此时须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及分布规律,二 路基承受的静荷载及其计算方法,轨道荷载和停留在轨道上的机车车辆荷载为静荷载。 路基标准活载的计算如图所示，该活载通过轨道传播到路基面上,中-活载图式,换算土柱图式,在横断面上的分布宽度自轨枕底两端向下45度扩散角计算,轴重是集中力，因此在具体计算时又把它简化成纵向分布的线荷载，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,轨道和列车荷载换算土柱高度及分布宽度,三 路基动荷载,荷载分担作用及钢轨挠曲变形曲线,（一） 荷载的分担作用 在轮

4、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。,枕面支承力的分配比例 (日本),路基面动应力与列车速度 的关系(日本有碴轨道),（二） 路基面上的动应力,轨枕顶面的支承力通过轨枕和道床向下往路基中传播。图表示单根轨枕在线路纵向即轨枕断面方向上的传播情况。 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。,1 一般规律,单根轨枕下的压力分布（德国资料）,路基面

5、动应力沿横向呈马鞍型，钢轨下最大，道心处次之，轨枕端头最小；轨枕端头的动应力约为钢轨下动应力的3537 ，道心的动应力约为钢轨下的4550 。 综合国内外的实测数据表明，路基面动应力幅值的集中域一般在5070kPa左右，最大值可达110kPa,美国的实测结果(有碴),图表示邻枕对压力分布的影响。从图中可见，当深度达到轨枕宽度的3倍，即距枕底70 cm左右时，沿线路纵向的压力分布就比较均匀了,路基面动应力的分布(有碴),2 简化计算法,路基面平均动应力简化计算图式（日本道床厚度25cm）,日本在设计东海道新干线时，采用了图所示的计算图式。并且假设传播到路基面上的动应力在全部受荷面积上为均布。按此

6、图式计算出的是路基面上的平均动应力。,轮载力P是按动轮载计算的，即,普通线路,无缝线路,式中，Pd为动轮载；Ps为静轮载；v为时速（km/h)。若v300，仍按300计。 式中括号内第二项的系数0.5及0.3代表与速度相关的动力冲击系数，或称速度影响系数。,单轮载作用下路基面上的动应力分布,沿线路纵向的动应力分布如图所示，简化成了5个均布的矩形荷载，每个矩形荷载的平均动应力值可按下式计算：,注：实际上路基面上的动应力分布是不均匀的，但是,固为计算路基面上动应力分布的一个重要目的是在设计基床结构时计算路基面的弹性变形,而按均布矩形荷载计算弹性变形是比较简便的。,参考以上日本的简化计算法，我国铁科

7、院建议按下图的计算图式计算路基面动应力的最大值，并以此作为高速铁路路基的设计荷载。 当Ps=200kN,枕距a=56cm,车速v=300km/h时,路基面动应力的最大值约为100kPa。,路基面动应力的最大值,（三） 路基面上的动应力沿深度的衰减,列车荷载以动力波的形式通过道床传递到基床面，再向深层传播。在动力波传播的过程中要消耗能量,或者说由于阻尼作用土要吸收能量,因此,动应力沿深度的增加而衰减。 一般地说，路基面以下0.6m范围内（距枕底约1m）动应力衰减最急剧。 日本资料认为基面下3.0m处的动应力约为自重应力的10%，它对路堤变形的影响也已忽略不计，因此日本把3.0m范围定为基床厚度。

8、 路基面动应力的大小及其沿深度的衰减可按半空间弹性理论公式计算。,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),（四） 动应力沿线路纵向的分布特征,图为西南交通大学在大秦线实测的多个轮载所产生的动应力沿纵向的典型分布特征图,动应力沿线路纵向的分布特征,对路基面上某一点，每当一个轮轴通过时都有一次加载和卸载循环。卸载时的最小值P与加载时的最太值P之比值P/P表示分布特征的不均匀性,这种不均匀性反映荷载重复作用的次数。注：每个转向架有两个轮载力。有碴轨道与无碴轨道的动应力特征。,（五） 多层系统中的应力计算,荷载通过道

9、床的扩散传播可用土力学教科书介绍的半空间弹性理论来计算。为使用方便，德国将此计算方法绘成下图所示的曲线 考虑一根轨枕，作用在道床顶面，近似地按条形荷载计算。注：计算假定道床和路基具有相同的弹性模量,1. Odemark当量理论,对于三层系统（道床和路基之间有一层2530cm的垫层或称路基保护层），可按Odemark理论进行简化，如图所示用一个当量半空间来换算。,Odemark当量理论计算多层系统中的应力(Eisenmann),2 二层系统计算公式,当计算矩形均布荷载中心点下方的应力和中心点的变形时可直接采用下面两式计算,E1-基床表层的变形模量； E2-基床下层的变形模量；,3 多层系统换算法

10、,该法仍以三层系统为基础，把多层系统换算成三层系统计算。以底层为基本层不变，其上各层当量厚度为,换算系数值与m值,表中E0为基本层，Ei为换算层,多层系统换算成三层系统,计算多层系统时，如图所示，基本层的En不动，第一层的E1、h1也保持不动，而把第一层和基本层之间的其余各层均化为具有E2的当量层，再连同原来的h2相加成新的中间层H，组成当量的三层系统，H的换算公式为：,第三节 路基面的构筑要求、形状及宽度,路基面的高程应使轨面标高和线路纵断面设计要求相一致，当路基面的高程可因路基面以下土体压密等出现变化时，应先作好加大路基面的宽度等的预处理工作，以便用加厚道床的措施，保持轨面标高不变,一 路

11、基面的构筑要求,路基面的宽度，除了应满足轨道铺设的要求外，还应按路基面以下土体稳固、线路养护、设置线路标志、通信、电力设施和其他需要而决定 路基面形状应便于轨道的铺设与养护，由于大气降水在路基面上积聚下渗和流动，会使路基性状不良，因此路基面的形状应有利于排水,二 路基面的形状,水是造成路基病害的重要原因，保证良好的排水条件是路基设计的重要原则，因此路基面的形状主要与路基面以下土质的渗水性有关 根据路基材料是否为渗水材料，路基面的形状可分为有路拱和无路拱两种,当路基面以下的土体为砂、石类渗水土或岩体时，由于土体渗水性较好以及短暂的湿润对土体强度影响不大，区间单、双线路基面可不设排水坡而修建成水平

12、面，即无路拱路基面，但在年降水量大于400mm地区的易风化泥质软岩路基面除外,当区间路基的路基材料为渗水性弱的细粒土时，如粘性土和粉土类土，以及粉砂，粘砂，或在砂、石类土中含有15以上的细粒土时，应使路基面有较强的排水能力，需设置排水坡，即路基面为有路拱的路基面,按照单线、双线，路拱可分为梯形路拱和三角形路拱两种,梯形路基面,三角形路基面,站场路基应有良好的排水设施，各种土质的路基面均设排水坡，每一排水坡面上应控制最大线路数 在线路数较小时，可以设计成单面坡、双面坡 在线路数大于单坡限值时，则可设计成锯齿形,站场路基面的双面坡路拱,渗水土和非渗水土路基的路肩设计标高差,三 路基面宽度,区间单线

13、路基面宽度由铺设轨道部分和路肩组成，区间双线路基面宽度由线间距加左、右两侧线路中心以外轨道的铺设宽度和路肩宽度求得,直线地段路基面宽度（m）,高速和重载线路，以及高速线路的路肩宽，如在其上埋设通信电缆或有其他需要时，可按需要加大 双线路基的线间距也常加大，因此高速和重载线路的路基面宽度比一般线路的路基面宽度宽 在曲线地段，因线路的外轨设有超高，道床加厚，道床坡脚外移，因此在曲线外侧的路基宽度亦应随超高的不同而相应加宽才能保证路肩所需的宽度标准，加宽的数值可根据超高计算而确定 双线路基的线间距也需按曲线加宽的规定加宽。一般线路曲线地段双线线间距加宽和单、双线外侧路基面的加宽值在铁路路基设计规范中

14、已经计算得出 当线路需作个别设计和为非标准轨距线路时，可通过计算得出路基面的宽度值,第四节 路基基床结构,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，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,一 对基床的要求,刚度要求：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行走的安全性和舒适性要求，同时还能保障道床的稳固,防渗要求：能够防止雨水浸入造成路基土软化，防止翻浆冒泥等病害 在可能发生冻害的地区，还有防冻等

15、特殊要求,二 基床土的疲劳特性,基床土承受的荷载是列车产生的长期重复作用的动应力，在它的作用下，基床的破坏或过大的有害变形不是短期发生的，而是长期累积发展的结果,Herth对伦敦粘土所做的疲劳试验,累积应变与荷载重复次数关系曲线（Herth）,从图上可见，有两组不同形状的试验曲线，其中一组为破坏性曲线，其变形随试验振次的增加而逐渐发展直到破坏 另一组为衰减性曲线，其变形速率逐渐缓慢最后达到稳定状态,介于这两组曲线之间的为摆动性曲线，摆动性曲线的应力水平标志着一个区分破坏性和衰减性的界限。 临界动应力，如果基床动应力小于该临界动应力，则基床累积永久变形便会得到有效的控制,临界动应力的大小与土的种

16、类、含水量、密实度、围压大小、荷载的作用频率等有关(动强度一般是静强度的60%-70%) 一般而言，临界动应力随加载频率的提高而减小，因此对路基而言，当列车速度较低时，路基病害减少，随着列车速度的提高，路基病害迅速增加，这已被既有线的实际情况所证实,三 基床厚度的确定原则,基床可分为基床表层和底层，把受列车动荷载作用强、又可受水和气温作用而影响土的性质的区域称为基床表层，把其以下部位称为基床底层 因此基床的厚度按列车荷载产生的动应力与自重应力之比小于0.1的原则确定(3.0m),基床表层厚度可采用变形控制或强度控制两种方法确定 变形控制法:在列车荷载作用下路基顶面变形量不大于允许值 强度控制法

17、:作用在基床表层下填土上的动应力不大于填土容许动应力,根据变形控制法，如已知基床表层材料的弹性模量E1和基床表层下的土弹性模量E2，根据Boussinesq理论，即可算出满足路基变形条件的基床表层厚度,满足变形条件的基床表层厚度与基床表层材料、土基模量的关系,按照强度控制法，如果把荷载动应力沿深度的衰减曲线与路基土动强度随深度增加的曲线叠加同一张图上，它们的交点则表示所要求的基床表层厚度，见图,按强度控制法确定的基床表层厚度,按铁路路基设计规范，常速铁路的基床范围规定为路肩高程以下1.2m，其中，、级铁路在路肩以下0.5m深范围内为基床表层，级铁路减为0.3m 京沪高速铁路设计暂行规定中规定高

18、速铁路基床加深为3.0m，表层0.7m，底层2.3m,四 基床结构,基床结构基本上可分为二层系统、多层系统或强化的基床结构两种型式 传统的普速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 在道床与土路基之间设置一层路基保护层或垫层的基床结构称为多层系统或强化的基床结构,多层系统中的路基保护层或垫层可以有效地防治基床病害 德国和法国高速铁路路基基床的保护层厚度为2530cm，日本高速铁路(有碴轨道及板式轨道)有30cm厚的保护层，其中表面为5cm厚的沥青混凝土或水硬性高炉矿碴碎石,日本强化基床表层结构图,第五节 路基填料和压实标准,构成路基的土常按颗粒大小分为细粒土、粗粒土和岩质土 有时

19、也按土的渗水性把它们区分为渗水土和非渗水土 在路基工程中，常依据土在压实后的工程性质能否满足要求而分为A、B、C、D、E五组,一 路基填料及分类,A组填料,也称为优质填料，如级配良好的各种硬质块石、碎石土和粗、中砂 压实后，常可使堤身保持持久的良好状态 由于级配良好，施工方法适当，压实时所需的压实动能也少,B组填料,为良好填料，为级配不良的各种碎石土，粗、中砂土，允许在碎石土中含有1530的细粒土，此外还包括由硅质或钙质胶结的软块石以及细砂，粘砂，砂粉土和砂粘土 因级配不良或含有少量细粒土，力学性质受细粒土的影响，稍差于A组，硅质或钙质胶结的软块石，因质软而少棱角，压实后的强度低于硬块石 这组土在压实后的力学性能仍可使路堤称为轨道的平顺稳固的支承体，所以是良好的填料,C组填料,为可使用的填料，包括细粒土含量在30以上的碎石土，易风化的泥质胶结软块石和粉砂，粉土，粉粘土 因细粒土含量增大和粉土类土易受水温因素的作用，土的强度将低于B组，特别是粉土类土不宜用于同时受水浸润和受振动力作用的情况 如土在压实后能保持干燥状态，则其强度也仍可满足堤身性状要求,D和E组填料分别为不应使用和严禁使用的填料 D组如粉粘土、粉土和已风化成泥状的严重风化软块石等，E组如有机质含量较高的有机质土等 因为这两组土的力学性质差，在受水温因素的影响下强度降低，不能确保堤身持久稳固，所以一般不应使用,二