路基動態(tài)特性及基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

1、路基動態(tài)特性及基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法路基動態(tài)特性及基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法路基動態(tài)特性路基動態(tài)特性的研究目標的研究目標 基床基床附加靜應(yīng)力附加靜應(yīng)力的分布規(guī)律的分布規(guī)律 基床動應(yīng)力基床動應(yīng)力的分布規(guī)律的分布規(guī)律 基床動位移基床動位移的分布規(guī)律的分布規(guī)律 基床加速度基床加速度的分布規(guī)律的分布規(guī)律 基床的動剛度基床的動剛度 對以上動態(tài)特性的分布規(guī)律的影響因素：加載荷對以上動態(tài)特性的分布規(guī)律的影響因素：加載荷重重( (列車軸重列車軸重) )、加載頻率、加載頻率( (列車運行速度列車運行速度) )、基床含水、基床含水量量( (降雨降雨) )、等等、等等基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究目標基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究目標 防止冒泥防

2、止冒泥 減少向道床道碴路基的貫入減少向道床道碴路基的貫入( (有碴有碴) ) 防止動應(yīng)超過動強度防止動應(yīng)超過動強度( (臨界動應(yīng)力臨界動應(yīng)力) ) 減少路堤的壓縮沉降減少路堤的壓縮沉降 減小列車通過時的動態(tài)沉降減小列車通過時的動態(tài)沉降既有基床結(jié)構(gòu)簡介既有基床結(jié)構(gòu)簡介既有基床結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念：既有基床結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念：基床的作用以及對基基床的作用以及對基床的要求床的要求鐵路使用的主要軌道結(jié)構(gòu)鐵路使用的主要軌道結(jié)構(gòu)有碴軌道無砟軌道土工結(jié)構(gòu)(路基)的概要以土層、巖石等為材料構(gòu)筑的結(jié)構(gòu)以及與其相鄰的小結(jié)構(gòu)的以土層、巖石等為材料構(gòu)筑的結(jié)構(gòu)以及與其相鄰的小結(jié)構(gòu)的總稱總稱路基、路堤、路塹、加路基、路堤、路塹、加

3、筋筋土、排水土、排水工工、坡面防護以及與此類、坡面防護以及與此類似的結(jié)構(gòu)似的結(jié)構(gòu)挖方挖方路堤路堤路基路基路床路床坡頂截水溝坡面排水溝線路側(cè)溝線路側(cè)溝排水層坡頂層厚管理材料坡面排水溝護坡道坡面坡底坡頂坡面坡底護坡道原地基上部路堤下部路堤原地基面排水層坡底排水溝日本高速鐵路日本高速鐵路( (有碴有碴) )強化基床表層的構(gòu)成強化基床表層的構(gòu)成軌道結(jié)構(gòu)體路床（路堤）填充層鋼筋混凝土板透層級配碎石層軌道結(jié)構(gòu)體混凝土路基路床（路塹平地）排水層混凝土路基(a)路堤 (b)路塹平地日本高速鐵路日本高速鐵路( (無砟無砟) )基床表層的構(gòu)成基床表層的構(gòu)成中國高速鐵路路基的構(gòu)成中國高速鐵路路基的構(gòu)成(1)雙線路堤

4、標準橫斷面圖中國高速鐵路路基的構(gòu)成中國高速鐵路路基的構(gòu)成(2)雙線路塹(硬質(zhì)巖石)標準橫斷面圖雙線路塹(軟巖、風化嚴重的硬巖及土質(zhì))標準橫斷面圖中國高速鐵路路基的構(gòu)成中國高速鐵路路基的構(gòu)成(3) 防滲作用及要求防滲作用及要求 具有一定的具有一定的防滲功能防滲功能( (滲透系數(shù)約為滲透系數(shù)約為10-10-4 4cm/s)cm/s)。能夠能夠防止雨水浸入造成路基土軟化，防止發(fā)生翻漿冒泥等病害。防止雨水浸入造成路基土軟化，防止發(fā)生翻漿冒泥等病害。 強度作用及要求強度作用及要求 應(yīng)有足夠的強度以抵抗列車荷載產(chǎn)生的動應(yīng)力而不致應(yīng)有足夠的強度以抵抗列車荷載產(chǎn)生的動應(yīng)力而不致破壞；能抵抗道碴壓入基床土中，防

5、止道碴陷槽等病害的破壞；能抵抗道碴壓入基床土中，防止道碴陷槽等病害的形成；在路基填筑階段能承受重型施工車輛走行而不形成形成；在路基填筑階段能承受重型施工車輛走行而不形成印坑，以免留下隱患。印坑，以免留下隱患。 變形作用及要求變形作用及要求 在列車荷載的重復(fù)作用下，塑性累積變形很小，避免在列車荷載的重復(fù)作用下，塑性累積變形很小，避免形成過大的不均勻下沉造成軌道的不平順，增加養(yǎng)護維修形成過大的不均勻下沉造成軌道的不平順，增加養(yǎng)護維修的困難；在列車高速行駛時，基床的彈性變形應(yīng)滿足高速的困難；在列車高速行駛時，基床的彈性變形應(yīng)滿足高速走行的安全性和舒適性要求，同時還能保障道床的穩(wěn)固。走行的安全性和舒適

6、性要求，同時還能保障道床的穩(wěn)固。基床的作用以及對基床的要求基床的作用以及對基床的要求(1)基床的作用以及對基床的要求基床的作用以及對基床的要求(2) 在可能發(fā)生凍害的地區(qū)，還應(yīng)具有防凍等特殊在可能發(fā)生凍害的地區(qū)，還應(yīng)具有防凍等特殊要求（需做抗凍融試驗）要求（需做抗凍融試驗）路基動態(tài)特性路基動態(tài)特性的研究的研究方法方法 試驗試驗 理論分析理論分析 解析計算解析計算 其他其他 影響因素：列車軸重、列車運行速度、降雨、等影響因素：列車軸重、列車運行速度、降雨、等等等0,501,600,51,60,30,6A、B組填料級配碎石1:1.5混凝土基礎(chǔ)板0,209,201,800,400,752,60土工隔

7、柵46可埋式動位移計W8靜土壓力盒Y5板上百分表B位移觀測樁G加速度傳感器J電阻式土壓力盒D6159沉降板(百分表)C7圖 例線路縱向1,12斷面位置0,400,500,500,30動態(tài)試驗主要方法動態(tài)試驗主要方法(1) ：路基室內(nèi)模擬循環(huán)加載試驗路基室內(nèi)模擬循環(huán)加載試驗?zāi)Ｐ蜋M斷面圖及儀器布置ZSS50循環(huán)加載試驗設(shè)備動態(tài)試驗主要方法動態(tài)試驗主要方法(2)：路基現(xiàn)場循環(huán)加載試驗路基現(xiàn)場循環(huán)加載試驗動態(tài)試驗主要方法動態(tài)試驗主要方法(2)：路基現(xiàn)場實車加載試驗路基現(xiàn)場實車加載試驗80706050403020100-0.50.00.51.01.52.02.53.0 工況1 工況2 工況3枕端軌下枕中

8、軌下 路基面橫向?qū)挾?m軸重25t降雨前工況路基橫斷面方向動應(yīng)力變化曲線動應(yīng)力/kPa枕端3.02.52.01.51.00.50.005101520253035404550 工況1 工況2 工況3路基面下深度/m軸重25t降雨前工況軌下方向動應(yīng)力衰減曲線 動應(yīng)力/kPa路基面動應(yīng)力橫向分布軌下動應(yīng)力沿路基深度分布基床動力響應(yīng)基床動力響應(yīng)( (1 1) )：有碴軌道有碴軌道10090807060504030201000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0板邊軌下板邊軌下 板底路基面橫向?qū)挾?m動應(yīng)力/kPa 1級 2級 3級 4級 5級 6級 7級 8級 9級板中1.

9、81.61.41.21.00.80.60.40.20.00102030405060708090100路基面下0.3m路基面下0.3m路基面下0.3m 路基面下0.3m表層與底層分界面 動應(yīng)力/kPa沿軌下深度/m 1級 2級 3級 4級 5級 6級 7級 8級 9級基床動力響應(yīng)基床動力響應(yīng)(2)：板式板式無砟軌道無砟軌道路基面動應(yīng)力橫向分布軌下動應(yīng)力沿路基深度分布4.03.53.02.52.01.51.00.50.0-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0板邊軌下5 km/h 160 km/h 180 km/h 190 km/h 200 km/h 210 km/h 220

10、 km/h橫斷面距離/m 動應(yīng)力值kPa板中051015203.02.52.01.51.00.50.0 5 km/h160 km/h180 km/h190 km/h200 km/h210 km/h220 km/h深度/m動應(yīng)力/kPa基床動力響應(yīng)基床動力響應(yīng)( (3 3) )：長枕埋入式長枕埋入式路基面動應(yīng)力橫向分布軌下動應(yīng)力沿路基深度分布無砟軌道基床動態(tài)特性無砟軌道基床動態(tài)特性 研究目標研究目標 基床基床附加靜應(yīng)力附加靜應(yīng)力 基床動應(yīng)力基床動應(yīng)力 基床動位移基床動位移 基床加速度基床加速度 對以上動態(tài)特性的影響因素：加載荷重對以上動態(tài)特性的影響因素：加載荷重(列車軸列車軸重重)、加載頻率、加

11、載頻率(列車運行速度列車運行速度)、基床含水量、基床含水量(降雨降雨)、等等等等1401201008060402000.00.20.40.60.81.01.21.41.6板邊軌下板邊軌下5 級4 級3 級2 級 附加應(yīng)力值/kPa板下路基面橫向?qū)挾?m1 級板中基床附加靜應(yīng)力基床附加靜應(yīng)力1.81.61.41.21.00.80.60.40.20.00102030405060708090100 110 120路基面下1.6m 路基面下0.3m(表層與底層分界面)路基面下1.1m路基面下0.7m 1級 2級 3級 4級 5級附加應(yīng)力值/kPa 中線下深度/m 路基表面的橫向分布 中線下沿路基深度的

12、分布 基床動應(yīng)力基床動應(yīng)力10090807060504030201000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0板邊軌下板邊軌下 板底路基面橫向?qū)挾?m動應(yīng)力/kPa 1級 2級 3級 4級 5級 6級 7級 8級 9級板中1.81.61.41.21.00.80.60.40.20.00102030405060708090100路基面下0.3m路基面下0.3m路基面下0.3m 路基面下0.3m表層與底層分界面 動應(yīng)力/kPa沿軌下深度/m 1級 2級 3級 4級 5級 6級 7級 8級 9級路基表面橫向分布 軌下沿基床深度分布 基床動位移基床動位移1.00.90.80.7

13、0.60.50.40.30.20.10.00.00.20.40.60.81.01.21.41.6軌下軌下 板橫向?qū)?m動位移/mm 1級 2級 3級 4級 5級 6級 7級 8級 9級板中1.21.00.80.60.40.20.0-0.20.00.10.20.30.40.50.60.7基礎(chǔ)板頂面路基面路基面下1.1m路基面下0.3m 動位移/mm沿軌下深度/m 1級 2級 3級 4級 5級 6級 7級 8級 9級基礎(chǔ)板動位移橫向分布 軌下沿路基深度方向分布 降雨前、后軌下方加速度、動位移與動應(yīng)力的關(guān)系降雨前、后軌下方加速度、動位移與動應(yīng)力的關(guān)系 降雨的影響因素降雨的影響因素基床動態(tài)特性基本結(jié)論

14、基床動態(tài)特性基本結(jié)論( (大比例室內(nèi)模型試驗大比例室內(nèi)模型試驗) )基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究研究目標研究目標 防止冒泥 減少向道床道碴路基的貫入 防止動應(yīng)超過動強度(臨界動應(yīng)力) 減少路堤的壓縮沉降 減小列車通過時的動態(tài)沉降路基面動應(yīng)力與列車速度的關(guān)系路基面動應(yīng)力與列車速度的關(guān)系(日本有碴軌道) 動應(yīng)力在路基面的分布動應(yīng)力在路基面的分布動應(yīng)力在路基面的分布是非均勻的動應(yīng)力在路基面的分布是非均勻的橫向呈馬鞍型分布，鋼軌下最大橫向呈馬鞍型分布，鋼軌下最大縱向呈波浪型分布，輪載作用處最大縱向呈波浪型分布，輪載作用處最大應(yīng)力最大值出現(xiàn)在軌枕與鋼軌交叉處應(yīng)力最大值出現(xiàn)在軌枕與鋼軌交叉

15、處對基床結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需計算列車動荷載在路對基床結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需計算列車動荷載在路基中產(chǎn)生的動應(yīng)力大小和分布規(guī)律基中產(chǎn)生的動應(yīng)力大小和分布規(guī)律美國的實測結(jié)果(有碴)美國的實測結(jié)果(有碴)路基面動應(yīng)力的分布(有碴)路基面動應(yīng)力的分布(有碴)路基面動應(yīng)力的分布(有碴)傳統(tǒng)的簡化計算方法傳統(tǒng)的簡化計算方法 基本假定基本假定 軌枕底壓力均勻分布軌枕底壓力均勻分布 從接觸面邊緣以從接觸面邊緣以角向下擴散角向下擴散 擴散角擴散角 約為約為3030 45 45 我國軌道專業(yè)取我國軌道專業(yè)取3535 日本和歐美多取日本和歐美多取4545 也有個別取也有個別取2020 日本的簡化計算方法日本的簡化計算方法 基本假定

16、基本假定 傳遞到路基面上的動應(yīng)力在全部受荷面積上均傳遞到路基面上的動應(yīng)力在全部受荷面積上均勻分布勻分布 軌枕底面壓力從軌枕四周邊緣以折線向下擴散軌枕底面壓力從軌枕四周邊緣以折線向下擴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) )日本中國的簡化計算方法中國的簡化計算方法 基本假定同日本的簡化計算方法基本假定同日本的簡化計算方法 路基面動應(yīng)力沿橫向均勻分布路基面動應(yīng)力沿橫向均勻分布 路基面動應(yīng)力沿縱向三角形分布路基面動應(yīng)力沿縱向三角形分布路基面動應(yīng)力的實測值路基面動應(yīng)力的實測值(有碴有碴) 機車車輛類型、軌道結(jié)構(gòu)標準、行車速度、線機車車輛類型、軌道結(jié)構(gòu)標準、行車速度、線路不平順狀態(tài)

17、等多種因素影響路不平順狀態(tài)等多種因素影響 大量既有線的現(xiàn)場實測表明，路基面動應(yīng)力幅大量既有線的現(xiàn)場實測表明，路基面動應(yīng)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，最大值可達達110110kPa kPa 路基面動應(yīng)力的實測值路基面動應(yīng)力的實測值(無砟無砟)日本中國德國可信度高的實測數(shù)很少！可信度高的實測數(shù)很少！動應(yīng)力沿深度的衰減動應(yīng)力沿深度的衰減 由于荷載的擴散作用，動應(yīng)力隨著深度的增加而衰減 動應(yīng)力沿深度的衰減可采用理論計算方法進行求解（計算法） 單層的均質(zhì)土層，為局部荷載作用在彈性半無限體上的應(yīng)力分布問題（Boussinesg解） 多層的均質(zhì)土層，應(yīng)采

18、用多層系統(tǒng)理論進行計算 注：上述方法均沒考慮土的阻尼作用也能導(dǎo)致動應(yīng)力沿深度的衰減，而且隨車速的增加其影響加大。列車動應(yīng)力和路基自重應(yīng)力沿路基面下深度的分布列車動應(yīng)力和路基自重應(yīng)力沿路基面下深度的分布注：實際設(shè)計中應(yīng)考慮基床土層的差異注：考慮實際設(shè)計中基床土層的差異(日本)基床表層厚度的確定方法基床表層厚度的確定方法(動強度控制法動強度控制法)注：實際設(shè)計中應(yīng)注：實際設(shè)計中應(yīng)考慮基床土層的差考慮基床土層的差異所引起的動強度異所引起的動強度的變化的變化累積應(yīng)變0.3%時動應(yīng)力與振次關(guān)系曲線基床表層厚度的確定方法基床表層厚度的確定方法(變形控制法變形控制法)日本(有碴軌道)基床表層厚度的確定方法基

19、床表層厚度的確定方法(變形控制法變形控制法)基床底層強度與路基面下沉量的關(guān)系( (基床表層厚度基床表層厚度30cm)30cm)路基的變形與控制標準路基的變形與控制標準 列車行駛時路基面產(chǎn)生的彈性變形列車行駛時路基面產(chǎn)生的彈性變形 運營階段由行車引起的基床累積下沉運營階段由行車引起的基床累積下沉 路堤及地基產(chǎn)生的壓密下沉路堤及地基產(chǎn)生的壓密下沉 基面產(chǎn)生的彈性變形對使用性能的影響基面產(chǎn)生的彈性變形對使用性能的影響 基床表層的疲勞破損及開裂破壞基床表層的疲勞破損及開裂破壞 道床和軌道上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性道床和軌道上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 高速行車的安全性和舒適性高速行車的安全性和舒適性 基床表層的疲勞破損及開

20、裂破壞基床表層的疲勞破損及開裂破壞 日本鐵路采用了強化基床表層的結(jié)構(gòu)型式，日本鐵路采用了強化基床表層的結(jié)構(gòu)型式，最重要特點是基床表層有一層最重要特點是基床表層有一層5 5cmcm厚的瀝青厚的瀝青混凝土?；炷痢?為了保證瀝青混凝土不致因彈性變形過大而為了保證瀝青混凝土不致因彈性變形過大而產(chǎn)生繞曲開裂，采用了繞曲角產(chǎn)生繞曲開裂，采用了繞曲角的概念來進的概念來進行控制行控制繞曲角繞曲角： 0.002 0.0020.0030.003彈性變形：彈性變形： 2.5 2.5 mmmm繞曲角解釋示意圖 道床和軌道上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性道床和軌道上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性基床較大的彈性變形會導(dǎo)致道床的流動，增加基床較大的彈性變形會導(dǎo)致道床的流動，增加軌道養(yǎng)護維修的困難