第二章-1路基的本体工程.ppt
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1、第二章 路基的本体工程,第一节 路基本体工程各构成部分 及其设计原则,路基高度:OO 在路基面上,未被道床覆盖的那部分路基面称为路肩,路堑深度:OO 一般线路路堑的路肩宽小于路堤的路肩宽度,路肩的作用,加强路基的稳定性 保障道床的稳固 方便养护维修作业,为了减少开挖量,一般线路路堑的路肩宽小于路堤的路肩宽度 我国现行规范规定的路肩宽度标准为: 级铁路的路堤不得小于0.8m,路堑不得小于0.6m 为测量工作方便起见,常用路肩高程代替路基高程,路基横断面,1,:,1,.,8,1,:,1,.,8,粒,調,砕,石,.,.,4,0,0,以,上,以,上,以,上,a:轨道中心间隔,b:施工基面宽度,c:至各
2、限界的距离,d:余量宽度,通,信,電,力,轨 道 中 心,车 辆 限 界,(风压限界),路肩高程有一个最小值的要求 规范规定,路肩的最小高程应比设计洪水频率的水位连同波浪侵袭洪水高(h1)和雍水高(h2)在内,再加0.5m富余量,采用的设计洪水频率,在一般情况下,、级铁路为1/100,级铁路为1/50,第二节 路基承受的荷载,路基承受的荷载是指作用在路基面上的应力,包括线路上部结构重量作用在路基面上的静荷载以及列车运行中通过轨道传递到路基面上的动荷载,是确定路基本体构造的重要依据,一 路基荷载的定义,普通铁路路基设计必须要考虑荷载的影响时,计算中常把静荷载和动荷载一并简化作为静荷载处理,即通常
3、的换算土柱法 高速铁路的路基设计必须进行动态分析,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及分布规律,二 路基承受的静荷载及其计算方法,轨道荷载和停留在轨道上的机车车辆荷载为静荷载。 路基标准活载的计算如图所示,该活载通过轨道传播到路基面上,中-活载图式,换算土柱图式,在横断面上的分布宽度自轨枕底两端向下45度扩散角计算,轴重是集中力,因此在具体计算时又把它简化成纵向分布的线荷载,并假定每个轴重的分布宽度等于轴距,最后得到沿纵向作用在路基面上的列车(活)荷载分布强度,轨道和列车荷载换算土柱高度及分布宽度,三 路基动荷载,荷载分担作用及钢轨挠曲变形曲线,(一) 荷载的分担作用 在
4、轮载力P作用下,钢轨的垂向挠曲变形曲线的影响范围与轮载力大小和钢轨、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。,枕面支承力的分配比例 (日本),路基面动应力与列车速度 的关系(日本有碴轨道),(二) 路基面上的动应力,轨枕顶面的支承力通过轨枕和道床向下往路基中传播。图表示单根轨枕在线路纵向即轨枕断面方向上的传播情况。 轨枕底面与道床之间的接触压力,对于木枕可视为柔性板,其接触压力大致为均布。混凝土枕因为刚性大,视作刚性板,刚性板底面接触压力的分布比较复杂,其值约在平均值的95%-125%范围。,1 一般规律,单根轨枕下的压力分布(德国资料),路基
5、面动应力沿横向呈马鞍型,钢轨下最大,道心处次之,轨枕端头最小;轨枕端头的动应力约为钢轨下动应力的3537 ,道心的动应力约为钢轨下的4550 。 综合国内外的实测数据表明,路基面动应力幅值的集中域一般在5070kPa左右,最大值可达110kPa,美国的实测结果(有碴),图表示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,即距枕底70 cm左右时,沿线路纵向的压力分布就比较均匀了,路基面动应力的分布(有碴),2 简化计算法,路基面平均动应力简化计算图式(日本道床厚度25cm),日本在设计东海道新干线时,采用了图所示的计算图式。并且假设传播到路基面上的动应力在全部受荷面积上为均布。按
6、此图式计算出的是路基面上的平均动应力。,轮载力P是按动轮载计算的,即,普通线路,无缝线路,式中,Pd为动轮载;Ps为静轮载;v为时速(km/h)。若v300,仍按300计。 式中括号内第二项的系数0.5及0.3代表与速度相关的动力冲击系数,或称速度影响系数。,单轮载作用下路基面上的动应力分布,沿线路纵向的动应力分布如图所示,简化成了5个均布的矩形荷载,每个矩形荷载的平均动应力值可按下式计算:,注:实际上路基面上的动应力分布是不均匀的,但是,固为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。,参考以上日本的简化计算法,我国铁
7、科院建议按下图的计算图式计算路基面动应力的最大值,并以此作为高速铁路路基的设计荷载。 当Ps=200kN,枕距a=56cm,车速v=300km/h时,路基面动应力的最大值约为100kPa。,路基面动应力的最大值,(三) 路基面上的动应力沿深度的衰减,列车荷载以动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。 一般地说,路基面以下0.6m范围内(距枕底约1m)动应力衰减最急剧。 日本资料认为基面下3.0m处的动应力约为自重应力的10%,它对路堤变形的影响也已忽略不计,因此日本把3.0m范围定为基床厚度
8、。 路基面动应力的大小及其沿深度的衰减可按半空间弹性理论公式计算。,列车动应力和路基自重应力沿路基面下深度的分布,注:实际设计中应考虑基床土层的差异!,注:考虑实际设计中基床土层的差异(日本),(四) 动应力沿线路纵向的分布特征,图为西南交通大学在大秦线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,动应力沿线路纵向的分布特征,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与加载时的最太值P之比值P/P表示分布特征的不均匀性,这种不均匀性反映荷载重复作用的次数。注:每个转向架有两个轮载力。有碴轨道与无碴轨道的动应力特征。,(五) 多层系统中的应力计算,荷载通过
9、道床的扩散传播可用土力学教科书介绍的半空间弹性理论来计算。为使用方便,德国将此计算方法绘成下图所示的曲线 考虑一根轨枕,作用在道床顶面,近似地按条形荷载计算。注:计算假定道床和路基具有相同的弹性模量,1. Odemark当量理论,对于三层系统(道床和路基之间有一层2530cm的垫层或称路基保护层),可按Odemark理论进行简化,如图所示用一个当量半空间来换算。,Odemark当量理论计算多层系统中的应力(Eisenmann),2 二层系统计算公式,当计算矩形均布荷载中心点下方的应力和中心点的变形时可直接采用下面两式计算,E1-基床表层的变形模量; E2-基床下层的变形模量;,3 多层系统换算
10、法,该法仍以三层系统为基础,把多层系统换算成三层系统计算。以底层为基本层不变,其上各层当量厚度为,换算系数值与m值,表中E0为基本层,Ei为换算层,多层系统换算成三层系统,计算多层系统时,如图所示,基本层的En不动,第一层的E1、h1也保持不动,而把第一层和基本层之间的其余各层均化为具有E2的当量层,再连同原来的h2相加成新的中间层H,组成当量的三层系统,H的换算公式为:,第三节 路基面的构筑要求、形状及宽度,路基面的高程应使轨面标高和线路纵断面设计要求相一致,当路基面的高程可因路基面以下土体压密等出现变化时,应先作好加大路基面的宽度等的预处理工作,以便用加厚道床的措施,保持轨面标高不变,一
11、路基面的构筑要求,路基面的宽度,除了应满足轨道铺设的要求外,还应按路基面以下土体稳固、线路养护、设置线路标志、通信、电力设施和其他需要而决定 路基面形状应便于轨道的铺设与养护,由于大气降水在路基面上积聚下渗和流动,会使路基性状不良,因此路基面的形状应有利于排水,二 路基面的形状,水是造成路基病害的重要原因,保证良好的排水条件是路基设计的重要原则,因此路基面的形状主要与路基面以下土质的渗水性有关 根据路基材料是否为渗水材料,路基面的形状可分为有路拱和无路拱两种,当路基面以下的土体为砂、石类渗水土或岩体时,由于土体渗水性较好以及短暂的湿润对土体强度影响不大,区间单、双线路基面可不设排水坡而修建成水
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- 第二 路基 本体 工程
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