第3章-路基受力與變形第一頁(yè)，共43頁(yè)。

現(xiàn)行列車活載圖式為“中—活載”，是從1951年制定的“中—Z活載”，經(jīng)過(guò)幾十年隨著機(jī)車車輛的發(fā)展變化，不斷研究分析概化出的一種標(biāo)準(zhǔn)活載圖式，它代表了我國(guó)客貨混運(yùn)線上各種機(jī)車車輛對(duì)橋梁產(chǎn)生的最大影響，除了考慮線路上的運(yùn)營(yíng)荷載外，還考慮了各種臨時(shí)荷載，如施工荷載（架橋機(jī)、鋪軌機(jī)），并留有一定的強(qiáng)度安全儲(chǔ)備。中－荷載計(jì)算圖式簡(jiǎn)介第二頁(yè)，共43頁(yè)。1列車豎向靜活載采用中華人民共和國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載，即“中—活載”。有關(guān)設(shè)計(jì)荷載的采用除本暫規(guī)提到的規(guī)定外、其余按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB10002.1-99）辦理。2列車豎向活載包括列車豎向動(dòng)力作用時(shí)，該列車豎向活載等于列車豎向靜活載乘以動(dòng)力系數(shù)（1+μ），其動(dòng)力系數(shù)按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB10002.1-99）4.3.5計(jì)算。解釋：第三頁(yè)，共43頁(yè)。3.2鐵路路基受力狀況_3.2.1路基面上的靜荷載作用在路基面上的荷載分為兩類：靜荷載、動(dòng)荷載.靜荷載：也即長(zhǎng)期荷載，是由道碴、軌枕、鋼軌、扣件等自重產(chǎn)生的軌道荷載。動(dòng)荷載：由列車通過(guò)時(shí)的輪載產(chǎn)生，與列車軸重、列車速度、軌道狀況有關(guān)。是分析路基本體結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)！第四頁(yè)，共43頁(yè)。路基面上的靜荷載：鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范將列車和軌道荷載全部作為靜荷載計(jì)算，換算成具有一定高度與分布寬度的土柱，計(jì)算時(shí)將路基面上的軌道靜載和列車豎向活載一起換算成與路基土體重度相同的矩形土體。第五頁(yè)，共43頁(yè)。第六頁(yè)，共43頁(yè)。3.2.2路基面上的動(dòng)荷載普速鐵路路基設(shè)計(jì)時(shí)，采用換算土柱，將靜荷載和動(dòng)荷載一并簡(jiǎn)化為均布的靜荷載處理，但這只是對(duì)路基面上荷載總量的計(jì)算，土柱的分布形式與實(shí)際作用在路基面上的應(yīng)力分布有較大的差別。第七頁(yè)，共43頁(yè)。實(shí)際作用在路基面上的荷載只是在沒有列車通過(guò)時(shí)是軌道結(jié)構(gòu)的靜荷載，而在列車通過(guò)時(shí)則附加有頻率與周期隨列車速度與軸重變化的周期性荷載。土動(dòng)力學(xué)已經(jīng)揭示土在靜荷載和動(dòng)荷載作用下的強(qiáng)度特性和變形特性是有較大區(qū)別的。第八頁(yè)，共43頁(yè)。因此要路基填土在動(dòng)荷載作用下的特性，尤其是在隨著列車速度的不斷提高的情況下，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，掌握列車動(dòng)荷載的作用在路基中所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移的大小和分布規(guī)律以及疲勞特性就顯得越來(lái)越重要。第九頁(yè)，共43頁(yè)。3.2.2路基面上的動(dòng)荷載_1、荷載的分擔(dān)輪載P大致由7根軌枕承擔(dān)，簡(jiǎn)化假定P由5根軌枕分擔(dān)，分擔(dān)到每根軌枕上的力分別為0.4p、0.2p、0.1p第十頁(yè)，共43頁(yè)。車體在路基內(nèi)引起的附加應(yīng)力沿縱向分布示意圖3.2.2路基面上的動(dòng)荷載_2、路基面上的動(dòng)應(yīng)力第十一頁(yè)，共43頁(yè)。3.2.2路基面上的動(dòng)荷載_2、路基面上的動(dòng)應(yīng)力軌道下路基面上某點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力的時(shí)程曲線，明顯看出前后的機(jī)車和中間3個(gè)拖車對(duì)路基面的動(dòng)荷載，證明了路基面動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律的分析。第十二頁(yè)，共43頁(yè)。3.2.2路基面上的動(dòng)荷載_2、路基面上的動(dòng)應(yīng)力動(dòng)應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算時(shí)通常假定軌底應(yīng)力均布，并從軌枕邊以一定的角度向下擴(kuò)散，擴(kuò)散角約為30～45度第十三頁(yè)，共43頁(yè)。路基面動(dòng)應(yīng)力與列車速度的關(guān)系曲線，在300km/h路基面上動(dòng)應(yīng)力與列車速度成正比。第十四頁(yè)，共43頁(yè)。3.2.2路基面上的動(dòng)荷載_3、路基設(shè)計(jì)動(dòng)應(yīng)力估算（規(guī)范法）規(guī)范推薦計(jì)算作用于基床表面上的動(dòng)應(yīng)力幅值計(jì)算公式機(jī)車車輛的靜軸重沖擊系數(shù)客運(yùn)專線鐵路最大的沖擊系數(shù)為1.9注意：路基面上的動(dòng)應(yīng)力幅值是與列車速度、軸重、機(jī)車車輛動(dòng)態(tài)特性、軌道結(jié)構(gòu)、軌道不平順、距軌底深度及路基狀態(tài)有關(guān)的一個(gè)隨機(jī)函數(shù)。第十五頁(yè)，共43頁(yè)。3.2.2路基面上的動(dòng)荷載_3、路基設(shè)計(jì)動(dòng)應(yīng)力估算（規(guī)范法）例如：采用中－活載，機(jī)車車輛的靜軸重p＝220kN，α可以取0.004，則設(shè)計(jì)時(shí)速為200km時(shí)例如：采用ZK活載，機(jī)車車輛的靜軸重p＝200kN，α可以取0.003，則設(shè)計(jì)時(shí)速為200km時(shí)第十六頁(yè)，共43頁(yè)。3.2.2路基面上的動(dòng)荷載_4、動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減路基面上單位面積的動(dòng)應(yīng)力通過(guò)道床傳遞到路基面并繼續(xù)向深層傳遞，在傳遞過(guò)程中大小會(huì)隨著深度的增加而衰減，路基面以下0.6m深度處的動(dòng)應(yīng)力已衰減了40%~60%第十七頁(yè)，共43頁(yè)。根據(jù)我國(guó)的研究，動(dòng)靜應(yīng)力比為0.2時(shí)的深度約為3.2m，動(dòng)靜應(yīng)力比為0.1時(shí)的深度約為4.2m。根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)動(dòng)靜應(yīng)力比在0.2以下時(shí)，土的塑性變形在0.2%以下，且很快能達(dá)到穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，時(shí)速為200km/h及以上各類客運(yùn)專線基床厚度定為3m3.2.2路基面上的動(dòng)荷載_4、動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減第十八頁(yè)，共43頁(yè)。3.2.2路基面上的動(dòng)荷載_4、動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減動(dòng)應(yīng)力沿深度的分布可以通過(guò)Boussinesq解析解獲得。用上述公式計(jì)算的路基內(nèi)動(dòng)應(yīng)力的分布曲線，與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比表面，可以近似用Boussinesq公式估算路基內(nèi)部的動(dòng)應(yīng)力第十九頁(yè)，共43頁(yè)。3.2.2路基面上的動(dòng)荷載_4、動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減從圖中可以看出，深度達(dá)到軌枕寬度的3倍，及距軌枕底約70cm時(shí)，沿線路縱向的壓力分布就比較均勻了。第二十頁(yè)，共43頁(yè)。3.3公路路基受力狀況1、公路路基受力計(jì)算：路基承受著路基自重和汽車車輪荷載，在兩種荷載共同作用下，在一定深度范圍內(nèi)，路基土處于受力狀態(tài)。路基土在車輪荷載作用下所引起的垂直應(yīng)力可以根據(jù)彈性力學(xué)理論，假定車輪荷載為以圓形均布垂直荷載，路基為一彈性均質(zhì)半空間體進(jìn)行計(jì)算。P－車輪荷載的均不單位壓力(kPa)D－圓形均布荷載的作用面積的直徑（m）Z－圓形均布荷載中心下應(yīng)力作用點(diǎn)的深度（m）γ－土的容重（kN/m）Z－應(yīng)力作用點(diǎn)深度（m）第二十一頁(yè)，共43頁(yè)。3.3公路路基受力狀況2、公路路基工作區(qū)在路基某一深度Za處，當(dāng)車輪荷載引起的垂直壓力σz與路基自重引起的垂直壓力σB相比所占比例很小，僅為1/10~1/5時(shí)，該深度Za范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)。Za－路基工作區(qū)的深度（m）；P－一側(cè)輪重荷載（kN）；K－系數(shù)，取K＝0.5；γ－土的重度（kN/m）；n－系數(shù)，n＝5～10。第二十二頁(yè)，共43頁(yè)。3.3公路路基受力狀況2、公路路基工作區(qū)路基工作區(qū)內(nèi)，土基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性對(duì)保證路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性極為重要，所以對(duì)工作區(qū)深度范圍內(nèi)的土質(zhì)選擇，路基的壓實(shí)度應(yīng)提出較高的要求。注意：當(dāng)工作區(qū)深度大于路基填土高度時(shí)，行車荷載的作用不僅施加于路堤，而且施加于天然地基的上部土層，因此天然地基上部土層和路堤應(yīng)同時(shí)滿足工作區(qū)的要求，均應(yīng)充分壓實(shí)。第二十三頁(yè)，共43頁(yè)。3.3.3重復(fù)荷載對(duì)路基填土的影響重復(fù)荷載對(duì)路基填土的作用可以產(chǎn)生彈性和塑性變形導(dǎo)致情況1、土體逐漸壓密，土體顆粒之間進(jìn)一步靠攏，每一次加載產(chǎn)生的塑性變形量愈來(lái)愈小，直至穩(wěn)定，停止增長(zhǎng)，這種情況不致形成土基的整體性剪切破壞。2、每一次加載作用在土體中產(chǎn)生了逐步發(fā)展的剪切變形，形成能引起土體整體破壞的剪裂面，最后達(dá)到破壞階段。取決于1、土的性質(zhì)和狀態(tài)2、相對(duì)荷載3、荷載作用的性質(zhì)，即重復(fù)荷載施加的速度，每次作用的持續(xù)時(shí)間以及重復(fù)作用的頻率。第二十四頁(yè)，共43頁(yè)。3.4彈性變形與臨界動(dòng)應(yīng)力3.4.1路基面上的彈性變形作為路基填土，不希望產(chǎn)生積累的塑性變形或永久沉降，理想狀態(tài)是只產(chǎn)生可以恢復(fù)的彈性變形取決于動(dòng)模量(回彈模量)Ed=σd/εdσd－動(dòng)應(yīng)力幅值εd－動(dòng)應(yīng)變第二十五頁(yè)，共43頁(yè)。彈性變形現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果實(shí)測(cè)路基橫斷面內(nèi)動(dòng)附加應(yīng)力分布圖3.4彈性變形與臨界動(dòng)應(yīng)力3.4.1路基面上的彈性變形第二十六頁(yè)，共43頁(yè)。3.4彈性變形與臨界動(dòng)應(yīng)力:3.4.2基床土的疲勞特性與臨界動(dòng)應(yīng)力基床土承受的動(dòng)應(yīng)力存在一個(gè)極限，超過(guò)這個(gè)極限路基就會(huì)產(chǎn)生塑性變形。大小影響因素：圍壓大?。惶钔恋姆N類、強(qiáng)度、變形模量、含水量、密實(shí)度；荷載頻率取決于⑤所對(duì)應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力稱為臨界動(dòng)應(yīng)力。第二十七頁(yè)，共43頁(yè)。3.4彈性變形與臨界動(dòng)應(yīng)力3.4.2基床土的疲勞特性與臨界動(dòng)應(yīng)力臨界動(dòng)應(yīng)力隨加載頻率的提高而減小。啟示：列車的速度越高，相應(yīng)的加載頻率也就越大，因此對(duì)既有線路基而言，隨著列車速度的提高，基床病害將增多。第二十八頁(yè)，共43頁(yè)。3.4彈性變形與臨界動(dòng)應(yīng)力3.4.2基床土的疲勞特性與臨界動(dòng)應(yīng)力圍壓越高，臨界動(dòng)應(yīng)力越大。啟示：由于列車產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力隨著深度的增加逐漸減小，而路基填土的臨界動(dòng)應(yīng)力隨著深度的增加而增大，因此基床的表層工作條件是最惡劣的，這也是在高速鐵路路基設(shè)計(jì)過(guò)程中，強(qiáng)化路基基床表層的主要原因。第二十九頁(yè)，共43頁(yè)。荷載動(dòng)應(yīng)力沿深度的衰減曲線與一般未設(shè)置基床的路基土體的隨深度增加的臨界動(dòng)應(yīng)力曲線疊加在一起。3.4彈性變形與臨界動(dòng)應(yīng)力3.4.2基床土的疲勞特性與臨界動(dòng)應(yīng)力交點(diǎn)以上表示實(shí)際的動(dòng)應(yīng)力水平超過(guò)了路基填土的臨界動(dòng)應(yīng)力，如果不換填成力學(xué)性能高的土，則在列車荷載作用下路基上部將產(chǎn)生衰減的變形，這是不允許的。當(dāng)壓實(shí)度K＝1時(shí)，基床表層厚度約需0.6m,當(dāng)壓實(shí)度K＝0.95時(shí)，基床表層厚度約需0.8m。第三十頁(yè)，共43頁(yè)。3.4彈性變形與臨界動(dòng)應(yīng)力3.4.2基床土的疲勞特性與臨界動(dòng)應(yīng)力綜上：交點(diǎn)以上的填土的臨界動(dòng)應(yīng)力一定要大于實(shí)際作用的附加動(dòng)應(yīng)力，這樣才能防止或減少永久變形的出現(xiàn)。也就是說(shuō)交點(diǎn)以上厚度就表示所要求的基床表層深度。設(shè)置基床表層以后，實(shí)際路基在不同深度的臨界動(dòng)應(yīng)力將在動(dòng)應(yīng)力沿深度衰減的右邊，所以設(shè)置基床的目的就是提高臨界動(dòng)應(yīng)力，這就是基床表層厚度的確定原則。第三十一頁(yè)，共43頁(yè)。3.4彈性變形與臨界動(dòng)應(yīng)力:3.4.2基床結(jié)構(gòu)基于以上原因，為了使路基面以下列車動(dòng)荷載影響范圍內(nèi)的填土不至于產(chǎn)生疲勞變形，鐵路路基設(shè)計(jì)中把這一部分路基填土的厚度和材料進(jìn)行了專門的規(guī)定?；矁?nèi)受動(dòng)應(yīng)力影響最大的就是基床表層，也就是按照一般黏性土計(jì)算臨界動(dòng)應(yīng)力小于實(shí)際動(dòng)應(yīng)力的厚度部分。所以將基床分成由基床表層和基床底層組成的2層?；脖韺邮锹坊苯映惺芰熊嚭奢d的部分，又常被稱為路基的承載層或持力層，基床表層的設(shè)計(jì)是路基設(shè)計(jì)的最重要部分?；步Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理由。第三十二頁(yè)，共43頁(yè)。3.5路基與其它建筑物的連接——縱向不平順性3.5.1路基與其它建筑物連接處的問題——幾何不平順與力學(xué)不平順幾何不平順：路基與橋臺(tái)、涵洞的沉降經(jīng)常會(huì)不同，在過(guò)渡點(diǎn)附加極易產(chǎn)生變形差。變形差導(dǎo)致軌面發(fā)生彎折，引起車輛與線路相互作用力的增加。這種不平順稱為過(guò)渡段的幾何不平順。力學(xué)不平順：路基與橋臺(tái)、涵洞的剛度差，他們對(duì)列車車輛通過(guò)時(shí)的動(dòng)荷載的響應(yīng)會(huì)不同，從而影響到乘坐的舒適性，這方面的不平順稱為過(guò)渡段的力學(xué)不平順。影響鐵路路橋過(guò)渡段的病害廣泛存在，縱向延伸較長(zhǎng)。公路橋頭跳車。解決方案設(shè)置過(guò)渡段解決：線路綜合模量（剛度）的平順過(guò)渡；剛性橋臺(tái)與柔性路基面工后沉降差。第三十三頁(yè)，共43頁(yè)。3.5路基與其它建筑物的連接——縱向不平順性3.5.2過(guò)渡段的受力特點(diǎn)與變形規(guī)律第三十四頁(yè)，共43頁(yè)。3.5路基與其它建筑物的連接——縱向不平順性3.5.3過(guò)渡段設(shè)置方法1、碎石類優(yōu)質(zhì)材料填筑法2、加筋土法3、輕型材料法4、過(guò)渡板法5、輕質(zhì)材料第三十五頁(yè)，共43頁(yè)。以200公里高速鐵路為例：路堤與橋臺(tái)連接處應(yīng)設(shè)置過(guò)渡段，并符合下列規(guī)定：1過(guò)渡段的長(zhǎng)度按下式確定：L=2h+A（4.4.9）式中L——過(guò)渡段長(zhǎng)度，m。h——路堤高度，m。A——常數(shù)，可取3~5m。2在軟土地基上，可在臺(tái)后設(shè)置鋼筋混凝土搭板。3臺(tái)后過(guò)渡段可按圖4.4.9設(shè)計(jì)。過(guò)渡段的基床表層應(yīng)符合表4.3.2-2的要求。表層以下可用級(jí)配碎石分層填筑，其壓實(shí)度應(yīng)符合地基系數(shù)（k30）不小于150MPa/m和孔隙率（n）不大于28%的要求。碎石的級(jí)配范圍應(yīng)符合表4.4.9的規(guī)定。3.5路基與其它建筑物的連接——縱向不平順性3.5.3過(guò)渡段設(shè)置方法第三十六頁(yè)，共43頁(yè)。第三十七頁(yè)，共43頁(yè)。2-1010-3020-5030-6550-8095-10010032-1010-3020-5030-6560-9095-10010022-1010-3020-5030-6560-9095-10010010.07