路基动力特性与稳定性分析解析课件.ppt

1、第八章 路基基床第1页，共36页。路基的荷载 路基载荷 的含义及其组成 含义：铁路路基路基载荷是指作用在路基面上的力。组成：静载荷线路上部分结构的重量作用在路基面上的应力；动载荷另一部分是列车行驶通过上部结构时传递到路基面上的动压力。普通铁路路基设计当须要考虑荷载的影响时,计算中静荷栽和动荷载一并简化成静荷栽处理,既通常的换算土柱法。但是高速铁路的路基设计必须进行动态分析,这就不能简单地把动荷载作为静荷载处理,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和分步规律。第2页，共36页。静荷载换算土柱法1.列车(活)荷载标准列车（活）荷载按规范规定采用中华人民共和国铁路标活载，简称中

2、-活载。标准荷载的计算如图8-1所示。该活载通过轨传播到路基面上，在横断面上的分布宽度自轨底两端向下按45度扩散角计算，如图8-2所示。第3页，共36页。在横断面设计中，路堤、路堑或挡土墙等 路基建筑物是按平面问题考的。因此在横断面设计的计算图式为沿线路纵向取一单位厚度。这时作用在路基面上的活载若安最不利情况计算，则只需考重既可，不需要考后面车辆部份的分布力。但是重是集中力，因此在具体计算水又把它简化成纵向均布的线荷载，并假定每个重的分布宽度等于距，最后得到沿纵向作用在路基面上的列车(活)荷载分布强度。第4页，共36页。换算土柱普通铁路路基设计中，对路基荷载作了两个简化假定:(1):把列车荷载

3、作为静荷载处理；(2)列车(活)荷载和轨道静荷载的总重P，简化为与路基同质的土柱，均布的作用在路基面上。该土柱的高度称为换算高度，式中：a为土柱的宽度，按荷载扩散角45度计算；为路基土的容重，如图8-2所示。换算土柱计算算例：如图8-3所示。第5页，共36页。动荷载 荷载的分担作用在轮载P作用下，钢轨的垂直挠曲线的影响范围与轮栽力大小和钢轨、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,亦即轮栽力P由7根轨枕分担。第6页，共36页。分摊到每根轨枕面上的支承力可通过有关计算解出。此外,可采用简化假定:由于第4根轨枕(向一侧排序)枕面的支承力已经很小,因

4、此常简化假定由5根轨枕分担,分担到每根枕面上的支承力,日本假定分别为0.4P、0.2P及0.1P，如图8-5所示。第7页，共36页。路基面上的动应力 1一般规律 图8-6表示单根轨枕在线路纵向既轨枕横断面的方向上的传播情况，左侧为木枕情况，右侧为钢筋混凝土轨枕情况。轨道顶面的支承力通过轨枕和道床向下往路基中传播轨枕底面与道床之间的接触压力，对于木枕可视为柔性板,其接触应力大致为均布。混凝土枕因为刚性大,视作刚性板,刚性板底面接应力的分布比较复杂，其值约在平均值的95%-125%范围。第8页，共36页。图8-7表明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,既距轨底70cm左右时

5、,沿线路纵向的压力分布就比较均匀了。第9页，共36页。一般情况下路基面上的应力分布其最大值位于轨枕正下方(线路纵向)或钢轨正下方(横断面方向)，而两侧最小。实计算时通常假设轨底应力为均匀分布,并从两侧枕端以 角向下扩散,扩散角 约为30度至45度，各国取值不同。路基面的动应力与机车车辆的类型、轨道结构的标准、行车速度、线路不平顺等多种因素有关。除可以通过理论计算确定之外，世界各国均进行了大量的现场实测。第10页，共36页。简化计算法假设传播到路基面上的动应力在全部受荷面积上均匀分布，按此图式计算出的是路基面上的平均动应力。计算简化图第11页，共36页。轮载力P是按动荷载计算的，既：括号内第二项

6、的序数0.5及0.3代表与速度有关的动力冲击系数,或称速度影响系数，式（8-1）中的速度影响系数让步为0.5，我国铁道科学研究院用0.4。第12页，共36页。考虑荷载分担作用后,单个轮载力传播到路基面上，沿线路纵向的动应力分布如图所示,简化成了五个均布的矩形荷载,每矩形荷载的动应力可按下式计算：第13页，共36页。实际上路基面上的动应力分布是不均匀的，但是，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。第14页，共36页。参考以上日本的简化计算法,我国铁科院建议按图8-10的计算图式计算路基面的最大动应力,并以此作为高速铁

7、路路基的设计荷载。当：第15页，共36页。基面上的动应力沿深度的衰减列车荷载以动应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，第16页，共36页。动应力沿线路纵向的分布特征在列车荷载重复作用下，路基不良的动态行为是产生路基病害的重要原因,因此分析动应力沿线路纵向的分布特征的影响是十分重要的。图8-12为某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。第17页，共36页。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与加载时的最大值P之比值P/P表示分布特征的不均

8、匀性，这种不均匀性反映了荷载重复作用的次数，对于线路与机车车辆之间具有理想匹配的情况,应当使比P/P最大。这样,每通过一个转向架虽然有两个轮载力，但只有一次应力变动(加、卸载)而不是两次,因而大大延长线路的维修周期.第18页，共36页。基床的动力特性基床的动力特性意含两方面的内容:一方面指基床对列车动荷载的响涉,及应力场、应变场、加速度场、幅频特性、和动力学分析计算等内容，这些将不在本教材中讨论；另一方面指基床土的疲劳特性与临界动应力慨念，它们是指基床设计和既有线基床病害整治的基本思想。铁路路基，尤其是高速铁路对基床表层需要特别加强，以提供更大的刚度和强度；对既有线基床病害的整治也需要考虑适当

9、的加固厚度。因此，从技术和经济上确定一个合理的基床表层厚度是十分重要的。第19页，共36页。基床土的疲劳特性与临界动应力的慨念 基床土承受的荷载的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。这就是疲劳破坏的表现形式。图8-19 是西南交通大学采用成都黏土实验获得的相似实验结果。第20页，共36页。从图上见,有二组不同形状的试验曲线,其中一组为破坏型曲线,其变形随试验正次的增加而逐渐发展直到破坏,如图中的曲线9、10、11、12;另一组为衰减型曲线,其变形速率逐渐缓慢最后达到稳定状态（弹性条件）。如曲线1、2、3、4、5.介于这

10、两组 曲线之间的摆动型曲线如曲线7、8。显然,摆动型曲线的应力水平标志着一个区分破坏型与衰减型的界限，第21页，共36页。把图8-17的数据整理变换成另一种表达形式，如图8-18所示。可以发现一共很有意义的结果：左部点子的累积应变达到10%,右部点子则未达到10%，两者之间有一个界限,既图中虚线所示，相应的弹性应变称为临界弹性应变（文献中或称为极限弹性应变，门槛弹性应变等）。第22页，共36页。临界动应力就是10%累积应变或该临界弹性应变相对应的动压力。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灰得到有效的控制。这个慨念启发我们，各种不同的基床结构型式包括道床的厚度和基床加固厚度的设

11、计都应当使基床土的动应力控制在临界动应力的范围内。临界动应力的大小与土的种类、含水量、密实度、围压大小、荷载的作用频率有关，其中围压大小相当于深度大小，荷载频率相当于列车速度。第23页，共36页。图8-20表示临界动应力随加载频率的增加而减小，因此对于路基而言，当列车速度低时，路基病害较小,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临界动应力也是动强度的反映，通过不同的围压试验，可以求得土的动强度指标，从静。动强度比较可知，动强度一般是静强度的60%-70%。这又给我们一个慨念:荷载的动应力小时虽然满足静强度，但小应力的多次从复作用可能导致两种不利后果。一是动强度不足而

12、破坏。二是虽不破坏,但变形不断发展,结果累积永久下沉仍然很大。可见，传统的按静强度为标准的设计方法是不恰当的，只不过因为普通铁路速度低，变形问题不突出而已，对于高速铁路而言。频繁出现过大的累积下沉是不允许的。第24页，共36页。基床表层厚度的确定原则图8-21为临界动应力与围压的关系曲线。临界应力与围压大小呈线性关系,随深度而增加,如果把荷载沿深度的传播曲线叠加在该图上,它门的交点则表示所要求的深度，在此交点以上的部份,荷载的动应力大于临界动应力,这就是基床表层厚度的确定原则。一般情况下，基床表层厚度建议取0.6m。第25页，共36页。路基基床结构含义：基床是铁路路基最重要的关键部位,路基顶面

13、以下3.0m范围是列车动荷载的主要影响范围,并把它定为基床的厚度基床的作用以及对基床的要求主要有三个方面：1.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置破坏；能抵抗道压如基床土中从而防止道砟陷槽等病害的形成；在路基填筑阶段能承受重型车辆走行而不留下印坑，以免留下隐患。2.刚度要求：在列车荷载的重复作用下,塑性累积变形要小,以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。在列车车高速行使时，基床的弹性变形应满足走行的安全性要求，同时能保障道床的稳固。3.优良的排水性：能够防止雨水侵入软化和冻融等危害。第26页，共36页。基床的结构和材料基床结构基本上可以分为两种(一)

14、二层系统传统的普通线路多为道床与土值基床相连的二层系统,称为土基床。(二)多层系统及强化基床结构设计规范对基床的土质及填土密度有明确的要求，但实际上既有线基床病害十分严重,年复一年不断发展。经过对防治病害进行了长期的研究和实践,认识到基床表层的重要性，既在道床与路基之间再设置一层过渡层，称为路基保护层或垫层。设置保护层是提高路基的承载力,消除基病害的更本措施，我国重载线的道床有一层底渣，其作用同保护层的作用是相同的。第27页，共36页。图分别是为德国高速铁路一般路基基床的端面形式，保护层的厚度为25-30cm。第28页，共36页。基床病害及整治 基床病害 大量的调查及研究表明，基床病害的发生是

15、三个主要因素：基床土质不良，水的浸入，列车动荷载同时作用的结果。基床病害可分为翻浆冒泥，下沉，挤出和冻害四大类。（1）翻浆冒泥发生于基床土质不符合要求的部位,例如粘泥含量过高的填土和泥质软岩的路堑,其表层遇水软化成泥浆，因列车的振动而挤入道砟空隙，使道床胀污，减小弹性。（2）下沉主要因道床填筑密度不够和强度不足所致。列车振动将道砟压入基床内，形成道砟袋或道砟囊，引起线路下沉这种现象继续发展可能导致路堤坍滑。第29页，共36页。(a)(b)道碴袋，道碴囊第30页，共36页。（3）挤出主要因基床强 度不足而产生剪切破坏或塑性流动常见的现象有路肩隆起，侧沟被挤等，第31页，共36页。（4）冻害发生于

16、寒冷地区，如路基土为透水性较差的细粒土，当含水量较高或基面积水，在冻结过程中，土中水重新分布和聚集形成冰块，引起不均匀的冻胀现象。冰块融化又引起不均匀下沉。在地下水较高地段，地下水通过毛细管作用而不断向上转移补给，使冻胀量增大，持续时间延长。第32页，共36页。基床病害整治1.用沙垫层。处理土质基床翻浆。其作用是将道砟与基床土隔离与排水。2.封闭层，在基床表面是铺一层不透水的掺料土或其它材料将其封闭，防止地面水渗引起基床表层土软化。此法宜用于整治和防止泥质软岩路堑的翻浆冒泥。第33页，共36页。3.基床改良。由于基床承载力不足而出现下沉挤出现象时，应根据具体情况采取灌浆、微型桩、置换等改良基床的措施。第34页，共36页。4.应用土工合成材料。土工合成材料的类型较多,其功能差异较大，可用于隔离道砟和基床土，具有透水和排水的作用，亦可用于提高地基土的承载力。土工格室铺设于道床底部与基床表层之间,能显著加强道床的稳固性,提高基床的承载力,改善基床的动应 力分布，减少线路的累积下沉，是一种具有发展前景的有效措施。第35页，共36页。5.为了减小冻害发生，可在基床表层采用隔温材料，如炉砟、聚笨已烯泡沫材料、泡沫砖等 6.加强排水、降低地下水或毛细水。这些方法对于处理道砟囊和减小深层冻害都有明显效果。排水结构如横向盲沟、纵盲沟、纵向渗沟或隔断层的布置，应根据具体情况设计。第36页，共36页。