1、第3章 路基受力與變形3.1 3.1 土動力學基礎土動力學基礎動荷載的主要類型動荷載對土體的影響土的動強度及其影響因素第3章 路基受力與變形 現(xiàn)行列車活載圖式為現(xiàn)行列車活載圖式為“中中活載活載”，是從，是從1951年制定的年制定的“中中Z活載活載”，經(jīng)過幾十年隨著機車車輛的發(fā)展變化，不，經(jīng)過幾十年隨著機車車輛的發(fā)展變化，不斷研究分析概化出的一種標準活載圖式，它代表了我國客貨斷研究分析概化出的一種標準活載圖式，它代表了我國客貨混運線上各種機車車輛對橋梁產(chǎn)生的最大影響，除了考慮線混運線上各種機車車輛對橋梁產(chǎn)生的最大影響，除了考慮線路上的運營荷載外，還考慮了各種臨時荷載，如施工荷載路上的運營荷載外，

2、還考慮了各種臨時荷載，如施工荷載架橋機、鋪軌機），并留有一定的強度安全儲備。架橋機、鋪軌機），并留有一定的強度安全儲備。中荷載計算圖式簡介中荷載計算圖式簡介第3章 路基受力與變形1 1 列車豎向靜活載采用中華人民共和國鐵路標準列車豎向靜活載采用中華人民共和國鐵路標準活載，即活載，即“中中活載活載”。有關設計荷載的采用除。有關設計荷載的采用除本暫規(guī)提到的規(guī)定外、其余按本暫規(guī)提到的規(guī)定外、其余按 鐵路橋涵設計基本鐵路橋涵設計基本規(guī)范規(guī)范（TB10002.1-99TB10002.1-99辦理。辦理。2 2 列車豎向活載包括列車豎向動力作用時，該列列車豎向活載包括列車豎向動力作用時，該列車豎向活載等于

3、列車豎向靜活載乘以動力系數(shù)車豎向活載等于列車豎向靜活載乘以動力系數(shù)1+1+），其動力系數(shù)按），其動力系數(shù)按 鐵路橋涵設計基本規(guī)范鐵路橋涵設計基本規(guī)范（TB10002.1-99TB10002.1-994.3.54.3.5計算。計算。 解釋：解釋：第3章 路基受力與變形3.2 3.2 鐵路路基受力狀況鐵路路基受力狀況_ 3.2.1 _ 3.2.1 路基面上的靜荷載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、動荷載作用在路基面上的荷載分為兩類：靜荷載、動荷載.靜荷載：也即長期荷載，是由道碴、軌枕、鋼軌、扣靜荷載：也即長期荷載，是由道碴、軌枕、鋼軌、扣件等自重產(chǎn)生的軌道荷載。件等自重產(chǎn)生的軌

4、道荷載。動荷載：由列車通過時的輪載產(chǎn)生，與列車軸重、列動荷載：由列車通過時的輪載產(chǎn)生，與列車軸重、列車速度、軌道狀況有關。車速度、軌道狀況有關。是分析路基本體結構的重要依據(jù)！是分析路基本體結構的重要依據(jù)！第3章 路基受力與變形路基面上的靜荷載：路基面上的靜荷載：鐵路路基設計規(guī)范將列車和軌道荷載全鐵路路基設計規(guī)范將列車和軌道荷載全部作為靜荷載計算，換算成具有一定高部作為靜荷載計算，換算成具有一定高度與分布寬度的土柱，計算時將路基面度與分布寬度的土柱，計算時將路基面上的軌道靜載和列車豎向活載一起換算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。成與路基土體重度相同的矩形土體。第

5、3章 路基受力與變形00PQhrb第3章 路基受力與變形3.2.2 路基面上的動荷載普速鐵路路基設計時，采用換算土柱，將普速鐵路路基設計時，采用換算土柱，將靜荷載和動荷載一并簡化為均布的靜荷載靜荷載和動荷載一并簡化為均布的靜荷載處理，但這只是對路基面上荷載總量的計處理，但這只是對路基面上荷載總量的計算，土柱的分布形式與實際作用在路基面算，土柱的分布形式與實際作用在路基面上的應力分布有較大的差別。上的應力分布有較大的差別。第3章 路基受力與變形實際作用在路基面上的荷載只是在實際作用在路基面上的荷載只是在沒有列車通過時是軌道結構的靜荷沒有列車通過時是軌道結構的靜荷載，而在列車通過時則附加有頻率載，

6、而在列車通過時則附加有頻率與周期隨列車速度與軸重變化的周與周期隨列車速度與軸重變化的周期性荷載。土動力學已經(jīng)揭示土在期性荷載。土動力學已經(jīng)揭示土在靜荷載和動荷載作用下的強度特性靜荷載和動荷載作用下的強度特性和變形特性是有較大區(qū)別的。和變形特性是有較大區(qū)別的。第3章 路基受力與變形因此要路基填土在動荷載作用下的因此要路基填土在動荷載作用下的特性，尤其是在隨著列車速度的不特性，尤其是在隨著列車速度的不斷提高的情況下，進行動態(tài)分析，斷提高的情況下，進行動態(tài)分析，掌握列車動荷載的作用在路基中所掌握列車動荷載的作用在路基中所產(chǎn)生的動應力、動位移的大小和分產(chǎn)生的動應力、動位移的大小和分布規(guī)律以及疲勞特性就

7、顯得越來越布規(guī)律以及疲勞特性就顯得越來越重要。重要。第3章 路基受力與變形3.2.2 3.2.2 路基面上的動荷載路基面上的動荷載_1_1、荷載的分擔、荷載的分擔輪載輪載P大致由大致由7根軌枕承擔，根軌枕承擔，簡化假定簡化假定P由由5根軌枕分擔，根軌枕分擔，分擔到每根軌枕上的力分別分擔到每根軌枕上的力分別為為0.4p、0.2p、0.1p第3章 路基受力與變形車體在路車體在路基內(nèi)引起基內(nèi)引起的附加應的附加應力沿縱向力沿縱向分布示意分布示意圖圖3.2.2 3.2.2 路基面上的動荷載路基面上的動荷載_2_2、路基面上的動應、路基面上的動應力力第3章 路基受力與變形3.2.2 3.2.2 路基面上的

8、動荷載路基面上的動荷載_ 2_ 2、路基面上的動應、路基面上的動應力力軌道下路基面上某點的動應力的時程曲線，明顯看出前后的機車和中間3個拖車對路基面的動荷載，證明了路基面動應力分布規(guī)律的分析。第3章 路基受力與變形3.2.2 3.2.2 路基面上的動荷載路基面上的動荷載_ 2_ 2、路基面上的動應、路基面上的動應力力動應力計算，計算時通常假定軌底應力均布，并從軌枕邊以一定的角度向下擴散，擴散角約為3045度第3章 路基受力與變形路基面動應力與列車速度的關系曲線，在300km/h路基面上動應力與列車速度成正比。第3章 路基受力與變形3.2.2 3.2.2 路基面上的動荷載路基面上的動荷載_ 3_

9、 3、路基設計動應力估算規(guī)、路基設計動應力估算規(guī)范法）范法）0.26(1)dlp規(guī)范推薦計算作用于基床表面上的動應力幅值計算公式機車車輛機車車輛的靜軸重的靜軸重沖擊系數(shù)客運專線鐵路最沖擊系數(shù)客運專線鐵路最大的沖擊系數(shù)為大的沖擊系數(shù)為1.91.9留意：路基面上的動應力幅值是與列車速度、軸重、機車車留意：路基面上的動應力幅值是與列車速度、軸重、機車車輛動態(tài)特性、軌道結構、軌道不平順、距軌底深度及路基狀輛動態(tài)特性、軌道結構、軌道不平順、距軌底深度及路基狀態(tài)有關的一個隨機函數(shù)。態(tài)有關的一個隨機函數(shù)。第3章 路基受力與變形3.2.2 3.2.2 路基面上的動荷載路基面上的動荷載_ 3_ 3、路基設計動應

10、力估算規(guī)、路基設計動應力估算規(guī)范法）范法）例如：采用中活載，機車車輛的靜軸重p220kN，可以取0.004，則設計時速為200km時0.26 220 (1 0.004 200)93.6dlkPa例如：采用例如：采用ZKZK活載，機車車輛的靜軸重活載，機車車輛的靜軸重p p200kN200kN，可以取可以取0.0030.003，則設計時速為，則設計時速為200km200km時時0.26 200 (1 0.003 200)83.2dlkPa第3章 路基受力與變形3.2.2 3.2.2 路基面上的動荷載路基面上的動荷載_ 4_ 4、動應力沿深度的衰減、動應力沿深度的衰減路基面上單位面積路基面上單位面

11、積的動應力通過道床的動應力通過道床傳遞到路基面并繼傳遞到路基面并繼續(xù)向深層傳遞，在續(xù)向深層傳遞，在傳遞過程中大小會傳遞過程中大小會隨著深度的增加而隨著深度的增加而衰減，路基面以下衰減，路基面以下0.6m0.6m深度處的動應深度處的動應力已衰減了力已衰減了40%60%40%60%第3章 路基受力與變形根據(jù)我國的研究，動靜應力根據(jù)我國的研究，動靜應力比為比為0.2時的深度約為時的深度約為3.2m，動靜應力比為動靜應力比為0.1時的深度約時的深度約為為4.2m。根據(jù)三軸試驗結果，當動靜應根據(jù)三軸試驗結果，當動靜應力比在力比在0.2以下時，土的塑性變以下時，土的塑性變形在形在0.2%以下，且很快能達到

12、以下，且很快能達到穩(wěn)定。穩(wěn)定。在此基礎上，時速為在此基礎上，時速為200km/h及以上各類客及以上各類客運專線基床厚度定為運專線基床厚度定為3m3.2.2 3.2.2 路基面上的動荷載路基面上的動荷載_ 4_ 4、動應力沿深度的衰減、動應力沿深度的衰減第3章 路基受力與變形3.2.2 3.2.2 路基面上的動荷載路基面上的動荷載_ 4_ 4、動應力沿深度的衰減、動應力沿深度的衰減動應力沿深度的分布可以通動應力沿深度的分布可以通過過BoussinesqBoussinesq解析解獲得。解析解獲得。2202222222212arctan(1)()11/ ,/pm nmnmnmnmnmnma b nz

13、 b用上述公式計算的路基內(nèi)動應用上述公式計算的路基內(nèi)動應力的分布曲線，與實測的數(shù)據(jù)力的分布曲線，與實測的數(shù)據(jù)進行對比表面，可以近似用進行對比表面，可以近似用BoussinesqBoussinesq公式估算路基內(nèi)部公式估算路基內(nèi)部的動應力的動應力第3章 路基受力與變形3.2.2 3.2.2 路基面上的動荷載路基面上的動荷載_ 4_ 4、動應力沿深度的衰減、動應力沿深度的衰減從圖中可以看出，從圖中可以看出，深度達到軌枕寬深度達到軌枕寬度的度的3倍，及距倍，及距軌枕底約軌枕底約70cm時，沿線路縱向時，沿線路縱向的壓力分布就比的壓力分布就比較均勻了。較均勻了。第3章 路基受力與變形3.3 公路路基受

14、力狀況1、公路路基受力計算：、公路路基受力計算：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，在下，在 一定深度范圍內(nèi)，路基土處于受力狀態(tài)。一定深度范圍內(nèi)，路基土處于受力狀態(tài)。路基土在車輪荷載路基土在車輪荷載作用下所引起的垂作用下所引起的垂直應力可以根據(jù)彈直應力可以根據(jù)彈性力學理論，假定性力學理論，假定車輪荷載為以圓形車輪荷載為以圓形均布垂直荷載，路均布垂直荷載，路基為一彈性均質半基為一彈性均質半空間體進行計算?？臻g體進行計算。212.5()zpZDP P車輪荷載的均不單位壓車輪荷載的均不單位壓力力(kPa)(kPa)D D圓形均布

15、荷載的作用面圓形均布荷載的作用面積的直徑積的直徑m m）Z Z圓形均布荷載中心下應圓形均布荷載中心下應力作用點的深度力作用點的深度m m）BZ土的容重土的容重kN/mkN/m）Z Z應力作用點深度應力作用點深度m m）第3章 路基受力與變形3.3 3.3 公路路基受力狀況公路路基受力狀況2 2、公路路基工作區(qū)、公路路基工作區(qū)在路基某一深度在路基某一深度ZaZa處，當車輪荷載引起的垂直壓力處，當車輪荷載引起的垂直壓力zz與路與路基自重引起的垂直壓力基自重引起的垂直壓力BB相比所占比例很小，僅為相比所占比例很小，僅為1/101/51/101/5時，該深度時，該深度ZaZa范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)

16、。范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)。3aKnPZZa路基工作區(qū)的深度m）；P一側輪重荷載kN）；K系數(shù)，取K0.5；土的重度kN/m）；n系數(shù)，n510。第3章 路基受力與變形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)，土基的強度和穩(wěn)定性對保證路面結構的強度和穩(wěn)定性極為重要，所以對工作區(qū)深度范圍內(nèi)的土質選擇，路基的壓實度應提出較高的要求。留意：當工作區(qū)深度大于路基填土高度時，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同時滿足工作區(qū)的要求，均應充分壓實。第3章 路基受力與變形3.3.3 重復荷載對路基填土的影響重復荷載對路基填土的作用可以產(chǎn)生彈

17、性和塑性變形導致情況1、土體逐漸壓密，土體顆粒之間進、土體逐漸壓密，土體顆粒之間進一步靠攏，每一次加載產(chǎn)生的塑性一步靠攏，每一次加載產(chǎn)生的塑性變形量愈來愈小，直至穩(wěn)定，停止變形量愈來愈小，直至穩(wěn)定，停止增長，這種情況不致形成土基的整增長，這種情況不致形成土基的整體性剪切破壞。體性剪切破壞。2、每一次加載作用在土體中產(chǎn)生了、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，最后達到土體整體破壞的剪裂面，最后達到破壞階段。破壞階段。1、土的性質和狀態(tài)2、相對荷載3、荷載作用的性質，即重復荷載施加的速度，每次作用的持續(xù)時間以及重復作用的頻率

18、。第3章 路基受力與變形3.4 彈性變形與臨界動應力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)生可以恢復的彈性變形取決于動模量 (回彈模量)Ed=d/dd動應力幅值d動應變第3章 路基受力與變形彈性變形彈性變形現(xiàn)場實測現(xiàn)場實測結果結果實測路基橫斷面實測路基橫斷面內(nèi)動附加應力分內(nèi)動附加應力分布圖布圖3.4 彈性變形與臨界動應力3.4.1 路基面上的彈性變形第3章 路基受力與變形3.4 彈性變形與臨界動應力:3.4.2 基床土的疲勞特性與臨界動應力基床土承受的動應力存在一個極限，超過這個極限路基就會產(chǎn)基床土承受的動應力存在一個極限，超過這個極限路

19、基就會產(chǎn)生塑性變形。生塑性變形。大小影響因素：圍壓大??；填大小影響因素：圍壓大??；填土的種類、強度、變形模量、土的種類、強度、變形模量、含水量、密實度；荷載頻率含水量、密實度；荷載頻率所對應的循環(huán)應力稱為臨界動應力。第3章 路基受力與變形3.4 彈性變形與臨界動應力3.4.2 基床土的疲勞特性與臨界動應力臨界動應力隨加載頻率的提高而減小。啟示：列車的速度越高，相應的加載頻率也就越大，因此對既有線路基而言，隨著列車速度的提高，基床病害將增多。第3章 路基受力與變形3.4 彈性變形與臨界動應力3.4.2 基床土的疲勞特性與臨界動應力圍壓越高，臨界動應力越大。啟示：由于列車產(chǎn)生的動應力隨著深度的增加

20、逐漸減小，而路基填土的臨界動應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計過程中，強化路基基床表層的主要原因。第3章 路基受力與變形荷載動應力沿深度的衰減曲線荷載動應力沿深度的衰減曲線與一般未設置基床的路基土體與一般未設置基床的路基土體的隨深度增加的臨界動應力曲的隨深度增加的臨界動應力曲線疊加在一起。線疊加在一起。3.4 彈性變形與臨界動應力3.4.2 基床土的疲勞特性與臨界動應力交點以上表示實際的動應力水交點以上表示實際的動應力水平超過了路基填土的臨界動應平超過了路基填土的臨界動應力，如果不換填成力學性能高力，如果不換填成力學性能高的土，則在列車荷載作用

21、下路的土，則在列車荷載作用下路基上部將產(chǎn)生衰減的變形，這基上部將產(chǎn)生衰減的變形，這是不允許的。是不允許的。當壓實度當壓實度K K1 1時，基床表時，基床表層厚度約需層厚度約需0.6m,0.6m,當壓實當壓實度度K K0.950.95時，基床表層時，基床表層厚度約需厚度約需0.8m0.8m。第3章 路基受力與變形3.4 彈性變形與臨界動應力3.4.2 基床土的疲勞特性與臨界動應力綜上：交點以上的填綜上：交點以上的填土的臨界動應力一定土的臨界動應力一定要大于實際作用的附要大于實際作用的附加動應力，這樣才能加動應力，這樣才能防止或減少永久變形防止或減少永久變形的出現(xiàn)。也就是說交的出現(xiàn)。也就是說交點以

22、上厚度就表示所點以上厚度就表示所要求的基床表層深度。要求的基床表層深度。設置基床表層以后，實設置基床表層以后，實際路基在不同深度的臨際路基在不同深度的臨界動應力將在動應力沿界動應力將在動應力沿深度衰減的右邊，所以深度衰減的右邊，所以設置基床的目的就是提設置基床的目的就是提高臨界動應力，這就是高臨界動應力，這就是基床表層厚度的確定原基床表層厚度的確定原則。則。第3章 路基受力與變形3.4 彈性變形與臨界動應力:3.4.2 基床結構基于以上原因，為了使路基面以下列車動荷載影響范圍內(nèi)的基于以上原因，為了使路基面以下列車動荷載影響范圍內(nèi)的填土不至于產(chǎn)生疲勞變形，鐵路路基設計中把這一部分路基填土不至于產(chǎn)

23、生疲勞變形，鐵路路基設計中把這一部分路基填土的厚度和材料進行了專門的規(guī)定。填土的厚度和材料進行了專門的規(guī)定。基床內(nèi)受動應力影響最大的就是基床表層，基床內(nèi)受動應力影響最大的就是基床表層，也就是按照一般黏性土計算臨界動應力小于也就是按照一般黏性土計算臨界動應力小于實際動應力的厚度部分。所以將基床分成由實際動應力的厚度部分。所以將基床分成由基床表層和基床底層組成的基床表層和基床底層組成的2 2層?；脖韺訉??；脖韺邮锹坊苯映惺芰熊嚭奢d的部分，又常被稱是路基直接承受列車荷載的部分，又常被稱為路基的承載層或持力層，基床表層的設計為路基的承載層或持力層，基床表層的設計是路基設計的最重要部分。是路基設計

24、的最重要部分?；步Y構設計的理由。第3章 路基受力與變形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不平順幾何不平順：路基與橋臺、涵洞幾何不平順：路基與橋臺、涵洞的沉降經(jīng)常會不同，在過渡點附的沉降經(jīng)常會不同，在過渡點附加極易產(chǎn)生變形差。變形差導致加極易產(chǎn)生變形差。變形差導致軌面發(fā)生彎折，引起車輛與線路軌面發(fā)生彎折，引起車輛與線路相互作用力的增加。這種不平順相互作用力的增加。這種不平順稱為過渡段的幾何不平順。稱為過渡段的幾何不平順。力學不平順：路基與橋臺、涵洞力學不平順：路基與橋臺、涵洞的剛度差，他們對列車車輛通過的剛度差，他們對列車車輛通過

25、時的動荷載的響應會不同，從而時的動荷載的響應會不同，從而影響到乘坐的舒適性，這方面的影響到乘坐的舒適性，這方面的不平順稱為過渡段的力學不平順。不平順稱為過渡段的力學不平順。鐵路路橋過渡段的病害廣鐵路路橋過渡段的病害廣泛存在，縱向延伸較長。泛存在，縱向延伸較長。公路橋頭跳車。公路橋頭跳車。設置過渡段解決：線路綜合模量剛度的平順過渡；剛性橋臺與柔性路基面工后沉降差。第3章 路基受力與變形3.5 3.5 路基與其它建筑物的連接路基與其它建筑物的連接縱向不平順性縱向不平順性3.5.2 3.5.2 過渡段的受力特點與變形規(guī)律過渡段的受力特點與變形規(guī)律第3章 路基受力與變形3.5 路基與其它建筑物的連接縱

26、向不平順性3.5.3 過渡段設置方法1、碎石類優(yōu)質材料填筑法2、加筋土法3、輕型材料法4、過渡板法5、輕質材料第3章 路基受力與變形以以200公里高速鐵路為例：公里高速鐵路為例：路堤與橋臺連接處應設置過渡段，并符合下列規(guī)定：路堤與橋臺連接處應設置過渡段，并符合下列規(guī)定：1 過渡段的長度按下式確定：過渡段的長度按下式確定：L=2h+A （4.4.9）式中式中 L過渡段長度，過渡段長度，m。h路堤高度，路堤高度，m。A常數(shù)，可取常數(shù)，可取35m。2 在軟土地基上，可在臺后設置鋼筋混凝土搭板。在軟土地基上，可在臺后設置鋼筋混凝土搭板。3 臺后過渡段可按圖臺后過渡段可按圖4.4.9設計。過渡段的基床表層應符合設計。過渡段的基床表層應符合表表4.3.2-2的要求。表層以下可用級配碎石分層填筑，其壓實度的要求。表層以下可用級配碎