1、第八章 路基基床第1頁(yè)，共36頁(yè)。路基的荷載 路基載荷 的含義及其組成 含義：鐵路路基路基載荷是指作用在路基面上的力。 組成： 靜載荷線路上部分結(jié)構(gòu)的重量作用在路基面上的應(yīng)力； 動(dòng)載荷另一部分是列車(chē)行駛通過(guò)上部結(jié)構(gòu)時(shí)傳遞到路基面上的動(dòng)壓力。普通鐵路路基設(shè)計(jì)當(dāng)須要考慮荷載的影響時(shí),計(jì)算中靜荷栽和動(dòng)荷載一并簡(jiǎn)化成靜荷栽處理,既通常的換算土柱法。但是高速鐵路的路基設(shè)計(jì)必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,這就不能簡(jiǎn)單地把動(dòng)荷載作為靜荷載處理,此時(shí)，須要計(jì)算列車(chē)動(dòng)荷載的作用在路基中所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力的大小和分步規(guī)律。 第2頁(yè)，共36頁(yè)。靜荷載換算土柱法1.列車(chē)(活)荷載標(biāo)準(zhǔn)列車(chē)（活）荷載按規(guī)范規(guī)定采用中華人民共和國(guó)鐵路標(biāo)活載

2、，簡(jiǎn)稱(chēng)中-活載。標(biāo)準(zhǔn)荷載的計(jì)算如圖8-1所示。該活載通過(guò)軌傳播到路基面上，在橫斷面上的分布寬度自軌底兩端向下按45度擴(kuò)散角計(jì)算，如圖8-2所示。 第3頁(yè)，共36頁(yè)。在橫斷面設(shè)計(jì)中，路堤、路塹或擋土墻等 路基建筑物是按平面問(wèn)題考的。因此在橫斷面設(shè)計(jì)的計(jì)算圖式為沿線路縱向取一單位厚度。這時(shí)作用在路基面上的活載若安最不利情況計(jì)算，則只需考重既可，不需要考后面車(chē)輛部份的分布力。但是重是集中力，因此在具體計(jì)算水又把它簡(jiǎn)化成縱向均布的線荷載，并假定每個(gè)重的分布寬度等于距，最后得到沿縱向作用在路基面上的列車(chē)(活)荷載分布強(qiáng)度。 第4頁(yè)，共36頁(yè)。換算土柱普通鐵路路基設(shè)計(jì)中，對(duì)路基荷載作了兩個(gè)簡(jiǎn)化假定:(1)

3、:把列車(chē)荷載作為靜荷載處理；(2)列車(chē)(活)荷載和軌道靜荷載的總重P，簡(jiǎn)化為與路基同質(zhì)的土柱，均布的作用在路基面上。該土柱的高度稱(chēng)為換算高度， 式中：a為土柱的寬度，按荷載擴(kuò)散角45度計(jì)算； 為路基土的容重，如圖8-2所示。換算土柱計(jì)算算例：如圖8-3所示。第5頁(yè)，共36頁(yè)。動(dòng)荷載 荷載的分擔(dān)作用在輪載P作用下，鋼軌的垂直撓曲線的影響范圍與輪栽力大小和鋼軌、軌枕、道床、路基等的剛度有關(guān)。剛度大影響范圍小,剛度小則影響范圍大。一般約為7根軌枕寬度,亦即輪栽力P由7根軌枕分擔(dān)。第6頁(yè)，共36頁(yè)。分?jǐn)偟矫扛壵砻嫔系闹С辛赏ㄟ^(guò)有關(guān)計(jì)算解出。此外,可采用簡(jiǎn)化假定:由于第4根軌枕(向一側(cè)排序)枕面的支

4、承力已經(jīng)很小,因此常簡(jiǎn)化假定由5根軌枕分擔(dān),分擔(dān)到每根枕面上的支承力,日本假定分別為0.4P、0.2P及0.1P，如圖8-5所示。第7頁(yè)，共36頁(yè)。路基面上的動(dòng)應(yīng)力 1一般規(guī)律 圖8-6表示單根軌枕在線路縱向既軌枕橫斷面的方向上的傳播情況，左側(cè)為木枕情況，右側(cè)為鋼筋混凝土軌枕情況。軌道頂面的支承力通過(guò)軌枕和道床向下往路基中傳播軌枕底面與道床之間的接觸壓力，對(duì)于木枕可視為柔性板,其接觸應(yīng)力大致為均布。混凝土枕因?yàn)閯傂源?視作剛性板,剛性板底面接應(yīng)力的分布比較復(fù)雜，其值約在平均值的95%-125%范圍。 第8頁(yè)，共36頁(yè)。圖8-7表明鄰枕對(duì)壓力分布的影響,從圖中可見(jiàn),當(dāng)深度達(dá)到軌枕寬度的3倍,既距

5、軌底70cm左右時(shí),沿線路縱向的壓力分布就比較均勻了。第9頁(yè)，共36頁(yè)。一般情況下路基面上的應(yīng)力分布其最大值位于軌枕正下方(線路縱向)或鋼軌正下方(橫斷面方向)，而兩側(cè)最小。實(shí)計(jì)算時(shí)通常假設(shè)軌底應(yīng)力為均勻分布,并從兩側(cè)枕端以 角向下擴(kuò)散,擴(kuò)散角 約為30度至45度，各國(guó)取值不同。 路基面的動(dòng)應(yīng)力與機(jī)車(chē)車(chē)輛的類(lèi)型、軌道結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)、行車(chē)速度、線路不平順等多種因素有關(guān)。除可以通過(guò)理論計(jì)算確定之外，世界各國(guó)均進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。 第10頁(yè)，共36頁(yè)。簡(jiǎn)化計(jì)算法假設(shè)傳播到路基面上的動(dòng)應(yīng)力在全部受荷面積上均勻分布，按此圖式計(jì)算出的是路基面上的平均動(dòng)應(yīng)力。計(jì)算簡(jiǎn)化圖第11頁(yè)，共36頁(yè)。輪載力P是按動(dòng)荷載計(jì)

6、算的，既：括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)的序數(shù)0.5及0.3代表與速度有關(guān)的動(dòng)力沖擊系數(shù),或稱(chēng)速度影響系數(shù)，式（8-1）中的速度影響系數(shù)讓步為0.5，我國(guó)鐵道科學(xué)研究院用0.4。 第12頁(yè)，共36頁(yè)。考慮荷載分擔(dān)作用后,單個(gè)輪載力傳播到路基面上，沿線路縱向的動(dòng)應(yīng)力分布如圖所示,簡(jiǎn)化成了五個(gè)均布的矩形荷載,每矩形荷載的動(dòng)應(yīng)力可按下式計(jì)算：第13頁(yè)，共36頁(yè)。實(shí)際上路基面上的動(dòng)應(yīng)力分布是不均勻的，但是，計(jì)算路基面上動(dòng)應(yīng)力分布的一個(gè)重要目的是在設(shè)計(jì)基床結(jié)構(gòu)時(shí)計(jì)算路基面的彈性變形，而按均布矩形荷載計(jì)算彈性變形是比較簡(jiǎn)便的。 第14頁(yè)，共36頁(yè)。參考以上日本的簡(jiǎn)化計(jì)算法,我國(guó)鐵科院建議按圖8-10的計(jì)算圖式計(jì)算路基面的最

7、大動(dòng)應(yīng)力,并以此作為高速鐵路路基的設(shè)計(jì)荷載。當(dāng)： 第15頁(yè)，共36頁(yè)?；嫔系膭?dòng)應(yīng)力沿深度的衰減列車(chē)荷載以動(dòng)應(yīng)力波的形式通過(guò)道床傳遞到基床面,再向深層傳播,在動(dòng)力波傳播的過(guò)程中要消耗能量，或者說(shuō)由于阻尼作用土要吸收能量,因此,動(dòng)應(yīng)力沿深度的增加而衰減， 第16頁(yè)，共36頁(yè)。動(dòng)應(yīng)力沿線路縱向的分布特征在列車(chē)荷載重復(fù)作用下，路基不良的動(dòng)態(tài)行為是產(chǎn)生路基病害的重要原因,因此分析動(dòng)應(yīng)力沿線路縱向的分布特征的影響是十分重要的。 圖8-12為某實(shí)測(cè)的多個(gè)輪載所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力沿縱向的典型分布特征圖 。第17頁(yè)，共36頁(yè)。對(duì)路基面上某一點(diǎn)，每當(dāng)一個(gè)輪軸通過(guò)時(shí)都有一次加載和卸載循環(huán)，卸載時(shí)的最小值P與加載時(shí)的最大

8、值P之比值P/P表示分布特征的不均勻性，這種不均勻性反映了荷載重復(fù)作用的次數(shù)，對(duì)于線路與機(jī)車(chē)車(chē)輛之間具有理想匹配的情況,應(yīng)當(dāng)使比P/P最大。這樣,每通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)向架雖然有兩個(gè)輪載力，但只有一次應(yīng)力變動(dòng)(加、卸載)而不是兩次,因而大大延長(zhǎng)線路的維修周期.第18頁(yè)，共36頁(yè)?；驳膭?dòng)力特性基床的動(dòng)力特性意含兩方面的內(nèi)容: 一方面指基床對(duì)列車(chē)動(dòng)荷載的響涉,及應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、加速度場(chǎng)、幅頻特性、和動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算等內(nèi)容，這些將不在本教材中討論； 另一方面指基床土的疲勞特性與臨界動(dòng)應(yīng)力慨念，它們是指基床設(shè)計(jì)和既有線基床病害整治的基本思想。 鐵路路基，尤其是高速鐵路對(duì)基床表層需要特別加強(qiáng)，以提供更大的剛度和強(qiáng)

9、度；對(duì)既有線基床病害的整治也需要考慮適當(dāng)?shù)募庸毯穸取Ｒ虼?，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上確定一個(gè)合理的基床表層厚度是十分重要的。 第19頁(yè)，共36頁(yè)。基床土的疲勞特性與臨界動(dòng)應(yīng)力的慨念 基床土承受的荷載的列車(chē)產(chǎn)生的長(zhǎng)期重復(fù)作用的動(dòng)應(yīng)力,在它的作用下，基床的破壞或過(guò)大的有害變形不是短期發(fā)生的,而是長(zhǎng)期累積發(fā)展的結(jié)果。這就是疲勞破壞的表現(xiàn)形式。 圖8-19 是西南交通大學(xué)采用成都黏土實(shí)驗(yàn)獲得的相似實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 第20頁(yè)，共36頁(yè)。從圖上見(jiàn),有二組不同形狀的試驗(yàn)曲線,其中一組為破壞型曲線,其變形隨試驗(yàn)正次的增加而逐漸發(fā)展直到破壞,如圖中的曲線9、10、11、12;另一組為衰減型曲線,其變形速率逐漸緩慢最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)

10、（彈性條件）。如曲線1、2、3、4、5.介于這兩組 曲線之間的擺動(dòng)型曲線如曲線7、8。 顯然,擺動(dòng)型曲線的應(yīng)力水平標(biāo)志著一個(gè)區(qū)分破壞型與衰減型的界限， 第21頁(yè)，共36頁(yè)。把圖8-17的數(shù)據(jù)整理變換成另一種表達(dá)形式，如圖8-18所示。 可以發(fā)現(xiàn)一共很有意義的結(jié)果：左部點(diǎn)子的累積應(yīng)變達(dá)到10%,右部點(diǎn)子則未達(dá)到10%，兩者之間有一個(gè)界限,既圖中虛線所示，相應(yīng)的彈性應(yīng)變稱(chēng)為臨界彈性應(yīng)變（文獻(xiàn)中或稱(chēng)為極限彈性應(yīng)變，門(mén)檻彈性應(yīng)變等）。 第22頁(yè)，共36頁(yè)。臨界動(dòng)應(yīng)力就是10%累積應(yīng)變或該臨界彈性應(yīng)變相對(duì)應(yīng)的動(dòng)壓力。如果基床動(dòng)應(yīng)力小于該臨界動(dòng)應(yīng)力，則基床累積永久變形便灰得到有效的控制。這個(gè)慨念啟發(fā)我們，

11、各種不同的基床結(jié)構(gòu)型式包括道床的厚度和基床加固厚度的設(shè)計(jì)都應(yīng)當(dāng)使基床土的動(dòng)應(yīng)力控制在臨界動(dòng)應(yīng)力的范圍內(nèi)。 臨界動(dòng)應(yīng)力的大小與土的種類(lèi)、含水量、密實(shí)度、圍壓大小、荷載的作用頻率有關(guān)，其中圍壓大小相當(dāng)于深度大小，荷載頻率相當(dāng)于列車(chē)速度。 第23頁(yè)，共36頁(yè)。圖8-20表示臨界動(dòng)應(yīng)力隨加載頻率的增加而減小，因此對(duì)于路基而言，當(dāng)列車(chē)速度低時(shí)，路基病害較小,隨著列車(chē)速度的提高，路基病害迅速增加,這已被既有線的實(shí)際情況所證實(shí)臨界動(dòng)應(yīng)力也是動(dòng)強(qiáng)度的反映，通過(guò)不同的圍壓試驗(yàn)，可以求得土的動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，從靜。動(dòng)強(qiáng)度比較可知，動(dòng)強(qiáng)度一般是靜強(qiáng)度的60%-70%。這又給我們一個(gè)慨念:荷載的動(dòng)應(yīng)力小時(shí)雖然滿(mǎn)足靜強(qiáng)度，但

12、小應(yīng)力的多次從復(fù)作用可能導(dǎo)致兩種不利后果。一是動(dòng)強(qiáng)度不足而破壞。二是雖不破壞,但變形不斷發(fā)展,結(jié)果累積永久下沉仍然很大。可見(jiàn)，傳統(tǒng)的按靜強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法是不恰當(dāng)?shù)模徊贿^(guò)因?yàn)槠胀ㄨF路速度低，變形問(wèn)題不突出而已，對(duì)于高速鐵路而言。頻繁出現(xiàn)過(guò)大的累積下沉是不允許的。 第24頁(yè)，共36頁(yè)?；脖韺雍穸鹊拇_定原則圖8-21為臨界動(dòng)應(yīng)力與圍壓的關(guān)系曲線。 臨界應(yīng)力與圍壓大小呈線性關(guān)系,隨深度而增加,如果把荷載沿深度的傳播曲線疊加在該圖上,它門(mén)的交點(diǎn)則表示所要求的深度，在此交點(diǎn)以上的部份,荷載的動(dòng)應(yīng)力大于臨界動(dòng)應(yīng)力,這就是基床表層厚度的確定原則。 一般情況下，基床表層厚度建議取0.6m。 第25頁(yè)，共

13、36頁(yè)。路基基床結(jié)構(gòu)含義：基床是鐵路路基最重要的關(guān)鍵部位, 路基頂面以下3.0m范圍是列車(chē)動(dòng)荷載的主要影響范圍,并把它定為基床的厚度基床的作用以及對(duì)基床的要求主要有三個(gè)方面：1.強(qiáng)度要求：應(yīng)有足夠的強(qiáng)度以抵抗列車(chē)荷載產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力而不置破壞；能抵抗道壓如基床土中從而防止道砟陷槽等病害的形成；在路基填筑階段能承受重型車(chē)輛走行而不留下印坑，以免留下隱患。2.剛度要求：在列車(chē)荷載的重復(fù)作用下,塑性累積變形要小,以免形成過(guò)大的不均勻下沉造成軌道的不平順，增加養(yǎng)護(hù)維修的困難。在列車(chē)車(chē)高速行使時(shí)，基床的彈性變形應(yīng)滿(mǎn)足走行的安全性要求，同時(shí)能保障道床的穩(wěn)固。3.優(yōu)良的排水性：能夠防止雨水侵入軟化和凍融等危害。

14、第26頁(yè)，共36頁(yè)?；驳慕Y(jié)構(gòu)和材料基床結(jié)構(gòu)基本上可以分為兩種 (一)二層系統(tǒng)傳統(tǒng)的普通線路多為道床與土值基床相連的二層系統(tǒng),稱(chēng)為土基床。 (二)多層系統(tǒng)及強(qiáng)化基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)基床的土質(zhì)及填土密度有明確的要求，但實(shí)際上既有線基床病害十分嚴(yán)重,年復(fù)一年不斷發(fā)展。經(jīng)過(guò)對(duì)防治病害進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐,認(rèn)識(shí)到基床表層的重要性，既在道床與路基之間再設(shè)置一層過(guò)渡層，稱(chēng)為路基保護(hù)層或墊層 。設(shè)置保護(hù)層是提高路基的承載力,消除基病害的更本措施，我國(guó)重載線的道床有一層底渣，其作用同保護(hù)層的作用是相同的。第27頁(yè)，共36頁(yè)。圖分別是為德國(guó)高速鐵路一般路基基床的端面形式，保護(hù)層的厚度為25-30cm。第28頁(yè)，

15、共36頁(yè)。基床病害及整治 基床病害 大量的調(diào)查及研究表明，基床病害的發(fā)生是三個(gè)主要因素：基床土質(zhì)不良，水的浸入，列車(chē)動(dòng)荷載同時(shí)作用的結(jié)果。 基床病害可分為翻漿冒泥，下沉，擠出和凍害四大類(lèi)。（1） 翻漿冒泥發(fā)生于基床土質(zhì)不符合要求的部位,例如粘泥含量過(guò)高的填土和泥質(zhì)軟巖的路塹,其表層遇水軟化成泥漿，因列車(chē)的振動(dòng)而擠入道砟空隙，使道床脹污，減小彈性。 （2）下沉主要因道床填筑密度不夠和強(qiáng)度不足所致。列車(chē)振動(dòng)將道砟壓入基床內(nèi)，形成道砟袋或道砟囊，引起線路下沉這種現(xiàn)象繼續(xù)發(fā)展可能導(dǎo)致路堤坍滑。 第29頁(yè)，共36頁(yè)。 (a) (b)道碴袋，道碴囊第30頁(yè)，共36頁(yè)。（3）擠出主要因基床強(qiáng) 度不足而產(chǎn)生剪

16、切破壞或塑性流動(dòng)常見(jiàn)的現(xiàn)象有路肩隆起，側(cè)溝被擠等， 第31頁(yè)，共36頁(yè)。（4）凍害發(fā)生于寒冷地區(qū)，如路基土為透水性較差的細(xì)粒土，當(dāng)含水量較高或基面積水，在凍結(jié)過(guò)程中，土中水重新分布和聚集形成冰塊，引起不均勻的凍脹現(xiàn)象。冰塊融化又引起不均勻下沉。在地下水較高地段，地下水通過(guò)毛細(xì)管作用而不斷向上轉(zhuǎn)移補(bǔ)給，使凍脹量增大，持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。 第32頁(yè)，共36頁(yè)?；膊『φ?. 用沙墊層。處理土質(zhì)基床翻漿。其作用是將道砟與基床土隔離與排水。 2. 封閉層，在基床表面是鋪一層不透水的摻料土或其它材料將其封閉，防止地面水滲引起基床表層土軟化。此法宜用于整治和防止泥質(zhì)軟巖路塹的翻漿冒泥。 第33頁(yè)，共36頁(yè)。3. 基床改良。由于基床承載力不足而出現(xiàn)下沉擠出現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況采取灌漿、微型樁、置換等改良基床的措施。 第34頁(yè)，共36頁(yè)。4. 應(yīng)用土工合成材料。土工合成材料的類(lèi)型較多,其功能差異較大，可用