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 基床基床附加靜應力附加靜應力的分布規(guī)律的分布規(guī)律 基床動應力基床動應力的分布規(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

2、入( (有碴有碴) ) 防止動應超過動強度防止動應超過動強度( (臨界動應力臨界動應力) ) 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、加筋筋土、排水土、排水工工、坡面防護

3、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

4、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 應有足夠的強度以抵抗列車荷載產(chǎn)生的動應力而不致應有足夠的強度以

5、抵抗列車荷載產(chǎn)生的動應力而不致 破壞；能抵抗道碴壓入基床土中，防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 在列車荷載的重復作用下，塑性累積變形很小，避免在列車荷載的重復作用下，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，基床的彈性變形應滿足高速的困難；在列車高速行駛時，基床的彈性變形應滿足

6、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)，還應具有防凍等特殊在可能發(fā)生凍害的地區(qū)，還應具有防凍等特殊 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 0,501,60 0,5 1,6 0,30,6 A

7、、B組填料 級配碎石 1:1.5 混凝土基礎(chǔ)板 0,20 9,20 1,800,40 0,75 2,60 土工隔柵4 6可埋式動位移計W 8靜土壓力盒Y 5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D 6 15 9 沉降板(百分表)C 7 圖 例 線路縱向 1,12 斷面位置 0,40 0,50 0,50 0,30 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 模型橫斷面圖及儀器布置 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)：

8、路基現(xiàn)場實車加載試驗路基現(xiàn)場實車加載試驗 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -0.50.00.51.01.52.02.53.0 工況1 工況2 工況3 枕端軌下枕中軌下 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力變化曲線 動應力/kPa 枕端 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 05101520253035404550 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力衰減曲線 動應力/kPa 路基面動應力橫向分布軌下動應力沿路基深度分布 基床動力響應基床動力響應( (1 1) )：有碴軌道有碴軌道 100 90

9、 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 板邊軌下板邊軌下 板底路基面橫向?qū)挾?m 動應力/kPa 1級 2級 3級 4級 5級 6級 7級 8級 9級 板中 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0102030405060708090100 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 基床動力響應基床動力響應(2)：板式板式無砟軌道無砟軌道

10、路基面動應力橫向分布 軌下動應力沿路基深度分布 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -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 km/h 橫斷面距離/m 動應力值kPa 板中 05101520 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 5 km/h 160 km/h 180 km/h 190 km/h 200 km/h 210 km/h 220 km/h 深度/m 動應力/kPa 基床動力響應基床動力響應

11、( (3 3) )：長枕埋入式長枕埋入式 路基面動應力橫向分布 軌下動應力沿路基深度分布 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 基床基床附加靜應力附加靜應力 基床動應力基床動應力 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 140 120 100 80 60 40 20 0 0.00.20.40.60.81.01.21.41.6 板邊軌下板邊軌下 5 級 4 級 3 級 2 級 附加應力

12、值/kPa 板下路基面橫向?qū)挾?m 1 級 板中 基床附加靜應力基床附加靜應力 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0102030405060708090100 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分布 基床動應力基床動應力 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 板邊軌下板邊軌下

13、板底路基面橫向?qū)挾?m 動應力/kPa 1級 2級 3級 4級 5級 6級 7級 8級 9級 板中 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0102030405060708090100 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 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.00.20.40.60.81.01.21.41

14、.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 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 0.00.10.20.30.40.50.60.7 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、動位移與動應力的關(guān)系降雨前、后軌下方加速度、動位移與動應力的關(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)

15、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 防止動應超過動強度(臨界動應力) 減少路堤的壓縮沉降 減小列車通過時的動態(tài)沉降 路基面動應力與列車速度的關(guān)系路基面動應力與列車速度的關(guān)系(日本有碴軌道) 動應力在路基面的分布動應力在路基面的分布 動應力在路基面的分布是非均勻的動應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 應力最大值出現(xiàn)在軌枕與鋼軌交叉處應力最大值出現(xiàn)在軌枕與鋼軌交叉處 對基床結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需計算列車動荷載在

16、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)生的動應力大小和分布規(guī)律基中產(chǎn)生的動應力大小和分布規(guī)律 單根軌枕下的壓力分布 （德國資料） 美國的實測結(jié)果(有碴) 路基面動應力的分布(有碴) 路基面動應力的分布(有碴) 路基面動應力的分布(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 基本假定基本假定 傳

17、遞到路基面上的動應力在全部受荷面積上均傳遞到路基面上的動應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 路基面動應力沿橫向均勻分布路基面動應力沿橫向均勻分布 路基面動應力沿縱向三角形分布路基面動應力沿縱向三角形分布 路基面動應力的實測值路基面動應力的實測值(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)

18、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，路基面動應力幅大量既有線的現(xiàn)場實測表明，路基面動應力幅 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 路基面動應力的實測值路基面動應力的實測值(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！ 動應力沿深度的衰減動應力沿深度的衰減 由于荷載的擴散作用，動應力隨著深度的增加 而衰減 動應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 限體上的應力分布問題（Boussinesg解）

19、多層的均質(zhì)土層，應采用多層系統(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致動應力 沿深度的衰減，而且隨車速的增加其影響加大。 列車動應力和路基自重應力沿路基面下深度的分布列車動應力和路基自重應力沿路基面下深度的分布 注：實際設(shè) 計中應考慮 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)計中應注：實際設(shè)計中應 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 累積應變0.3%時動應力與振次關(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

20、形控制法) 日本(有碴軌道) 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) 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

21、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

22、道上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 基床較大的彈性變形會導致道床的流動，增加基床較大的彈性變形會導致道床的流動，增加 軌道養(yǎng)護維修的困難。軌道養(yǎng)護維修的困難。 根據(jù)日本的經(jīng)驗，基床的彈性變形控制在根據(jù)日本的經(jīng)驗，基床的彈性變形控制在4 4mmmm以以 內(nèi)比較合適內(nèi)比較合適 由于我國目前尚無這些方面的經(jīng)驗， 在“暫行 規(guī)定”中的設(shè)計控制值為3.5mm。 高速行車的安全性和舒適性高速行車的安全性和舒適性 采用采用列車與線路相互作用動力分析模型，列車與線路相互作用動力分析模型，分析不同分析不同 基床剛度對車輛和線路振動特性的影響基床剛度對車輛和線路振動特性的影響 車體的振動影響列車運行的平穩(wěn)性和乘座的舒適性，車體的

23、振動影響列車運行的平穩(wěn)性和乘座的舒適性， 是振動控制的主要指標是振動控制的主要指標 在動應力作用下路基面的累積下沉變形規(guī)在動應力作用下路基面的累積下沉變形規(guī) 律，我國缺乏高速條件下的實測數(shù)據(jù)律，我國缺乏高速條件下的實測數(shù)據(jù)。 中國基床壓實標準：中國基床壓實標準： 表層表層K30 190 MPa/mK30 190 MPa/m（級配碎石），厚級配碎石），厚3030 70cm70cm 底層底層K30 110 MPa/mK30 110 MPa/m（細粒土）細粒土） K30K30 130 MPa/m130 MPa/m（粗粒土）粗粒土） K30K30 150 150 MPa/mMPa/m（碎石土）碎石土） 一般認為，累積下沉量在經(jīng)過一段時間行車后一般認為，累積下沉量在經(jīng)過一段時間行車