第3章路基.课件.ppt
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1、 1 1 多层结构系统多层结构系统 3-1 高速铁路路基的特点高速铁路路基的特点 2 2 控制变形是路基设计的关键控制变形是路基设计的关键 3在列车、线路这一整体系统中,在列车、线路这一整体系统中,路基是重要的组成部分路基是重要的组成部分图图3-1 3-1 德国高速铁路有碴轨道路堤的断面型式德国高速铁路有碴轨道路堤的断面型式 1 1 多层结构系统多层结构系统 3-1 高速铁路路基的特点高速铁路路基的特点图图3-2 3-2 德国高速铁路无碴轨道路堤德国高速铁路无碴轨道路堤a-a-UIC60UIC60钢轨扣件;钢轨扣件;b b钢筋混凝土连续板;钢筋混凝土连续板;c c混凝土绝热层及支持层;混凝土绝
2、热层及支持层;d d素混凝土;素混凝土;e e矿渣混凝土;矿渣混凝土;f f下伏土层;下伏土层;g g透水材料;透水材料;h h冷沥青层;冷沥青层;i i道碴道碴 图图3-3 3-3 法国高速铁路路堤的断面型式(单位:法国高速铁路路堤的断面型式(单位:m m) 图图3-4 3-4 日本高速铁路板式轨道路基的断面型式之一日本高速铁路板式轨道路基的断面型式之一w w变形控制变形控制是高速铁路设计考虑的主要因素。是高速铁路设计考虑的主要因素。 例:例:日本东海道新干线。日本东海道新干线。 路基严重下沉,病害不断,线路严重变形路基严重下沉,病害不断,线路严重变形; 以年均以年均30km以上的速度大举整
3、修以上的速度大举整修; 10年内中断行车年内中断行车200多次多次; 列车平均速度由列车平均速度由220km/h降到降到100110km/h。 2 2 控制变形是路基设计的关键控制变形是路基设计的关键 轨道变形轨道变形是高速铁路线路平顺性控制的是高速铁路线路平顺性控制的关键关键 ; 3在列车、线路这一整体系统中,在列车、线路这一整体系统中,路基是重要的组成部分路基是重要的组成部分在轮轨系统相互作用的研究中,在轮轨系统相互作用的研究中,必须把车轮、钢必须把车轮、钢轨、道床、路基各部分作为一个整体系统来分析轨、道床、路基各部分作为一个整体系统来分析,建立适当的模型,着眼于各自的基本参数和运用建立适
4、当的模型,着眼于各自的基本参数和运用状态,进行系统的最佳设计,实现轮轨系统的合状态,进行系统的最佳设计,实现轮轨系统的合理匹配,尽可能降低轮轨作用力,以保证列车的理匹配,尽可能降低轮轨作用力,以保证列车的高速安全运行。高速安全运行。路基变形轨道变形 铁路路基作为承受轨道和列车荷载的基铁路路基作为承受轨道和列车荷载的基础,如果选择了础,如果选择了合理的刚度合理的刚度(弹性模量弹性模量),则能则能明显地影响轮载的分配明显地影响轮载的分配,可以使轨面的,可以使轨面的最大支承力减小最大支承力减小60%70%,而且还可以,而且还可以改改善基床动应力分布善基床动应力分布,减弱重复荷载的动力作,减弱重复荷载
5、的动力作用,减少列车荷载对线路的不良影响。用,减少列车荷载对线路的不良影响。 3-2 高速铁路路基的设计荷载高速铁路路基的设计荷载路基荷载路基荷载是指作用在路基面上的应力。是指作用在路基面上的应力。静荷载静荷载动荷载动荷载线路上部结构自重线路上部结构自重列车动载列车动载 常速铁路常速铁路路基设计需要考虑荷载的影路基设计需要考虑荷载的影响时,在计算中常把静荷载和动荷载一并响时,在计算中常把静荷载和动荷载一并简化作为静荷载处理,即简化作为静荷载处理,即换算土柱法换算土柱法。 高速铁路高速铁路的路基设计不能简单地把的路基设计不能简单地把动荷载作为静荷载处理,动荷载作为静荷载处理,必须进行动态分必须进
6、行动态分析析,计算列车动荷载的作用在路基中所产,计算列车动荷载的作用在路基中所产生的动应力的大小和分布规律。生的动应力的大小和分布规律。 (2)计算公式:)计算公式:)1 (26. 0Pdl式中,式中, d1d1路基设计动应力幅值(路基设计动应力幅值(kPakPa););P P机车车辆的静轴重(机车车辆的静轴重(kNkN););速度影响系数,高速铁路无缝线路速度影响系数,高速铁路无缝线路0.0040.004 准高速铁路无缝线路准高速铁路无缝线路0.0030.003v v列车运行速度,速度在列车运行速度,速度在300km/h300km/h以内时以实际以内时以实际 速度计,超过速度计,超过300k
7、m/h300km/h时按时按300km/h300km/h计。计。(3-1)1 1 动荷载动荷载(1)确定方法:)确定方法:实测法;计算机模拟计算。实测法;计算机模拟计算。1.1 高速铁路路基设计动应力幅值高速铁路路基设计动应力幅值图图3-5 3-5 动应力沿线路纵向在路基面的扩散情况动应力沿线路纵向在路基面的扩散情况1maxmax10)17. 69 .82(/Lmax单位为单位为 kPa,L单位为单位为m.(3-2)1.2 路基面上的动应力沿线路纵向的分布路基面上的动应力沿线路纵向的分布 将设计线路参数分别带入将设计线路参数分别带入式(式(3-1)和和(3-2)即即可算出设计线路的动应力可算出
8、设计线路的动应力max和分布范围和分布范围L。 取取v350km/h,P=200kN,则则 max=0.26200(1+0.003300)=98.8100kPaL=100/(82.9+6.17100) 0.1 1.4m分布如图分布如图 3-6 所示所示:1.3 京沪高速路基设计荷载京沪高速路基设计荷载图图3-6 3-6 京沪高铁基面上设计动应力及分布图(单位:京沪高铁基面上设计动应力及分布图(单位:m m) 计算公式 (Boussinesq理论,半空间弹性理论公式)222222222201arcsin)(1 (2112nnmmnmnnmnmnmP式中, 在长方形均布荷载作用下(图3-7), 荷
9、载中心点下深度z处的垂直应力(图3-8); P0荷载强度,m=a/b,n=z/b;a、b荷载分布范围边长; z计算点深度。1.4 动应力沿深度的衰减动应力沿深度的衰减 图3-7 土中应力计算示意图 图3-8 动应力沿深度衰减曲线 3-3 高速铁路路基横断面图高速铁路路基横断面图三角形,三角形,4%4%的横向排水坡。的横向排水坡。1 路基面形状路基面形状(1)路肩宽度路肩宽度:1.4m(双线),(双线),1.5m(单线)。(单线)。 影响因素:影响因素:稳定性稳定性养护维修养护维修行人安全行人安全 为路堤压密与道床边坡坍塌留有余地。为路堤压密与道床边坡坍塌留有余地。(2)道床肩宽道床肩宽:0.5
10、m。(3)道床边坡宽道床边坡宽:1.2m(双线),(双线),1.1m(单线)(单线)(4)轨枕长度轨枕长度:2.6m。(5)线间距线间距:有碴:有碴:5.0m(300km/h 350km/h ) 无碴:无碴:4.8 (300km/h ) , 5.0m (350km/h )2 路基面宽度路基面宽度2.1 直线地段路基面宽度速度速度线间距线间距单线单线双线双线有碴有碴300-35058.813.8无碴无碴3004.88.613.435058.613.62.2 曲线地段路基面宽度曲线半径(曲线半径(m)路基外侧加宽值(路基外侧加宽值(m)14000R110000.311000R70000.47000
11、R55000.5图图3-13 有碴轨道单线路基标准横断面示意图(有碴轨道单线路基标准横断面示意图(m)3. 标准横断面图标准横断面图3. 标准横断面图标准横断面图图图3-12 有砟轨道双线路堤标准横断面示意图(有砟轨道双线路堤标准横断面示意图(m)定义定义作用作用结构结构基床表层基床表层3.13.1 基床表层的作用基床表层的作用3.2 3.2 基床表层厚度基床表层厚度3.3 3.3 基床表层填料基床表层填料3.4 3.4 基床表层结构基床表层结构3.5 3.5 基床表层压实标准基床表层压实标准4 基床底层基床底层3-4 高速铁路路基基床高速铁路路基基床 动静应力比动静应力比1/5或或1/10。
12、图3-9 列车动应力与路基自重 应力沿深度变化曲线定义:路基上部受动应力影响较大的部分。定义:路基上部受动应力影响较大的部分。确定依据确定依据:京沪基床厚度京沪基床厚度:3m 1/51/5:3.2m; 1/101/10: 4.2m(1 1)强度)强度(2 2)刚度)刚度(3 3)排水)排水(4 4)防冻)防冻1 1 作用作用防止基床破坏、避免道床压入基床、防止基床破坏、避免道床压入基床、施工阶段承受施工机具重量;施工阶段承受施工机具重量;防止路基浸水软化,避免翻浆冒泥。防止路基浸水软化,避免翻浆冒泥。避免过大的不均匀沉降,保避免过大的不均匀沉降,保证行车安全性和舒适性;证行车安全性和舒适性;防
13、止路基土冻胀。防止路基土冻胀。2 2 结构结构1 1)双层结构)双层结构2 2)多层结构)多层结构钢筋混凝土连续板钢筋混凝土连续板混凝土绝热层混凝土绝热层支持层支持层素混凝土素混凝土矿渣混凝土等。矿渣混凝土等。基床表层基床表层基床底层基床底层京沪:双层结构京沪:双层结构3 基床表层基床表层 研究历程:研究历程:u 1950s1950s,日本日本最早开始研究最早开始研究; ;u 7070年代年代,欧盟欧盟;u 法国、德国法国、德国。路基上部直接承受列车荷载的部分路基上部直接承受列车荷载的部分,又被称为路基的又被称为路基的承载层承载层或或持力层持力层。1)增加线路强度和刚度,控制线路变形;)增加线
14、路强度和刚度,控制线路变形;2)扩散作用到基床底层顶面上的动应力;)扩散作用到基床底层顶面上的动应力;3)防止道碴与基床土相互渗压;)防止道碴与基床土相互渗压; 4)防排水作用;)防排水作用; 5)防冻等。)防冻等。3.1 基床表层的作用基床表层的作用实践表明,基床表层的优劣实践表明,基床表层的优劣对轨道变形影响很大对轨道变形影响很大。 不良基床表层引起的轨道变不良基床表层引起的轨道变形是良好基床表层的几倍,形是良好基床表层的几倍,而且其差距与而且其差距与V成正比。成正比。1)控制因素)控制因素2)计算方法)计算方法 3.2 基床表层厚度基床表层厚度:变形条件。:变形条件。弹性变形弹性变形控制
15、法控制法动强度动强度控制法控制法作用在基床底层表面上的动应作用在基床底层表面上的动应力不超过该层填料的临界动应力不超过该层填料的临界动应力。力。根据路面回弹变形折角不大于根据路面回弹变形折角不大于规定值(规定值(2.5%2.5%)确定基床表层)确定基床表层弹性变形值(弹性变形值(2.5mm2.5mm)京沪京沪:0.7m。 级配砂砾石级配砂砾石 级配碎石级配碎石 级配矿物颗粒材料级配矿物颗粒材料( (高炉炉渣高炉炉渣) ) 各种结合料各种结合料( (如石灰、水泥等如石灰、水泥等) )的稳定土。的稳定土。 3.3 基床表层填料基床表层填料塑性指数塑性指数小于小于6 6、级配级配良好、良好、搅拌搅拌
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