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1、3.1 土动力学基础,动荷载的主要类型动荷载对土体的影响土的动强度及其影响因素,现行列车活载图式为“中活载”，是从1951年制定的“中Z活载”，经过几十年随着机车车辆的发展变化，不断研究分析概化出的一种标准活载图式，它代表了我国客货混运线上各种机车车辆对桥梁产生的最大影响，除了考虑线路上的运营荷载外，还考虑了各种临时荷载，如施工荷载（架桥机、铺轨机），并留有一定的强度安全储备。,中荷载计算图式简介,1 列车竖向静活载采用中华人民共和国铁路标准活载，即“中活载”。有关设计荷载的采用除本暂规提到的规定外、其余按铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-99）办理。2 列车竖向活载包括列车竖向动力作
2、用时，该列车竖向活载等于列车竖向静活载乘以动力系数（1+），其动力系数按铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-99）4.3.5计算。,解释：,3.2 铁路路基受力状况_ 3.2.1 路基面上的静荷载,作用在路基面上的荷载分为两类：静荷载、动荷载.静荷载：也即长期荷载，是由道碴、轨枕、钢轨、扣件等自重产生的轨道荷载。动荷载：由列车通过时的轮载产生，与列车轴重、列车速度、轨道状况有关。,是分析路基本体结构的重要依据！,路基面上的静荷载：铁路路基设计规范将列车和轨道荷载全部作为静荷载计算，换算成具有一定高度与分布宽度的土柱，计算时将路基面上的轨道静载和列车竖向活载一起换算成与路基土体重度相同的矩
3、形土体。,3.2.2 路基面上的动荷载,普速铁路路基设计时，采用换算土柱，将静荷载和动荷载一并简化为均布的静荷载处理，但这只是对路基面上荷载总量的计算，土柱的分布形式与实际作用在路基面上的应力分布有较大的差别。,实际作用在路基面上的荷载只是在没有列车通过时是轨道结构的静荷载，而在列车通过时则附加有频率与周期随列车速度与轴重变化的周期性荷载。土动力学已经揭示土在静荷载和动荷载作用下的强度特性和变形特性是有较大区别的。,因此要路基填土在动荷载作用下的特性，尤其是在随着列车速度的不断提高的情况下，进行动态分析，掌握列车动荷载的作用在路基中所产生的动应力、动位移的大小和分布规律以及疲劳特性就显得越来越
4、重要。,3.2.2 路基面上的动荷载_1、荷载的分担,轮载P大致由7根轨枕承担，简化假定P由5根轨枕分担，分担到每根轨枕上的力分别为0.4p、0.2p、0.1p,车体在路基内引起的附加应力沿纵向分布示意图,3.2.2 路基面上的动荷载_2、路基面上的动应力,3.2.2 路基面上的动荷载_ 2、路基面上的动应力,轨道下路基面上某点的动应力的时程曲线，明显看出前后的机车和中间3个拖车对路基面的动荷载，证明了路基面动应力分布规律的分析。,3.2.2 路基面上的动荷载_ 2、路基面上的动应力,动应力计算，计算时通常假定轨底应力均布，并从轨枕边以一定的角度向下扩散，扩散角约为3045度,路基面动应力与列
5、车速度的关系曲线，在300km/h路基面上动应力与列车速度成正比。,3.2.2 路基面上的动荷载_ 3、路基设计动应力估算（规范法）,规范推荐计算作用于基床表面上的动应力幅值计算公式,机车车辆的静轴重,冲击系数客运专线铁路最大的冲击系数为1.9,注意：路基面上的动应力幅值是与列车速度、轴重、机车车辆动态特性、轨道结构、轨道不平顺、距轨底深度及路基状态有关的一个随机函数。,3.2.2 路基面上的动荷载_ 3、路基设计动应力估算（规范法）,例如：采用中活载，机车车辆的静轴重p220kN，可以取0.004，则设计时速为200km时,例如：采用ZK活载，机车车辆的静轴重p200kN，可以取0.003，
6、则设计时速为200km时,3.2.2 路基面上的动荷载_ 4、动应力沿深度的衰减,路基面上单位面积的动应力通过道床传递到路基面并继续向深层传递，在传递过程中大小会随着深度的增加而衰减，路基面以下0.6m深度处的动应力已衰减了40%60%,根据我国的研究，动静应力比为0.2时的深度约为3.2m，动静应力比为0.1时的深度约为4.2m。,根据三轴试验结果，当动静应力比在0.2以下时，土的塑性变形在0.2%以下，且很快能达到稳定。,在此基础上，时速为200km/h及以上各类客运专线基床厚度定为3m,3.2.2 路基面上的动荷载_ 4、动应力沿深度的衰减,3.2.2 路基面上的动荷载_ 4、动应力沿深
7、度的衰减,动应力沿深度的分布可以通过Boussinesq解析解获得。,用上述公式计算的路基内动应力的分布曲线，与实测的数据进行对比表面，可以近似用Boussinesq公式估算路基内部的动应力,3.2.2 路基面上的动荷载_ 4、动应力沿深度的衰减,从图中可以看出，深度达到轨枕宽度的3倍，及距轨枕底约70cm时，沿线路纵向的压力分布就比较均匀了。,3.3 公路路基受力状况,1、公路路基受力计算：路基承受着路基自重和汽车车轮荷载，在两种荷载共同作用下，在 一定深度范围内，路基土处于受力状态。,路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力可以根据弹性力学理论，假定车轮荷载为以圆形均布垂直荷载，路基为一弹性
8、均质半空间体进行计算。,P车轮荷载的均不单位压力(kPa)D圆形均布荷载的作用面积的直径（m）Z圆形均布荷载中心下应力作用点的深度（m）,土的容重（kN/m）Z应力作用点深度（m）,3.3 公路路基受力状况2、公路路基工作区在路基某一深度Za处，当车轮荷载引起的垂直压力z与路基自重引起的垂直压力B相比所占比例很小，仅为1/101/5时，该深度Za范围内的路基称为路基工作区。,Za路基工作区的深度（m）；P一侧轮重荷载（kN）；K系数，取K0.5；土的重度（kN/m）；n系数，n510。,3.3 公路路基受力状况2、公路路基工作区,路基工作区内，土基的强度和稳定性对保证路面结构的强度和稳定性极为
9、重要，所以对工作区深度范围内的土质选择，路基的压实度应提出较高的要求。,注意：当工作区深度大于路基填土高度时，行车荷载的作用不仅施加于路堤，而且施加于天然地基的上部土层，因此天然地基上部土层和路堤应同时满足工作区的要求，均应充分压实。,3.3.3 重复荷载对路基填土的影响,重复荷载对路基填土的作用可以产生弹性和塑性变形,导致情况,1、土体逐渐压密，土体颗粒之间进一步靠拢，每一次加载产生的塑性变形量愈来愈小，直至稳定，停止增长，这种情况不致形成土基的整体性剪切破坏。2、每一次加载作用在土体中产生了逐步发展的剪切变形，形成能引起土体整体破坏的剪裂面，最后达到破坏阶段。,取决于,1、土的性质和状态2
10、、相对荷载3、荷载作用的性质，即重复荷载施加的速度，每次作用的持续时间以及重复作用的频率。,3.4 弹性变形与临界动应力3.4.1 路基面上的弹性变形,作为路基填土，不希望产生积累的塑性变形或永久沉降，理想状态是只产生可以恢复的弹性变形,取决于,动模量(回弹模量),Ed=d/d,d动应力幅值d动应变,弹性变形现场实测结果,实测路基横断面内动附加应力分布图,3.4 弹性变形与临界动应力3.4.1 路基面上的弹性变形,3.4 弹性变形与临界动应力:3.4.2 基床土的疲劳特性与临界动应力,基床土承受的动应力存在一个极限，超过这个极限路基就会产生塑性变形。,大小影响因素：围压大小；填土的种类、强度、
11、变形模量、含水量、密实度；荷载频率,取决于,所对应的循环应力称为临界动应力。,3.4 弹性变形与临界动应力3.4.2 基床土的疲劳特性与临界动应力,临界动应力随加载频率的提高而减小。,启示：列车的速度越高，相应的加载频率也就越大，因此对既有线路基而言，随着列车速度的提高，基床病害将增多。,3.4 弹性变形与临界动应力3.4.2 基床土的疲劳特性与临界动应力,围压越高，临界动应力越大。,启示：由于列车产生的动应力随着深度的增加逐渐减小，而路基填土的临界动应力随着深度的增加而增大，因此基床的表层工作条件是最恶劣的，这也是在高速铁路路基设计过程中，强化路基基床表层的主要原因。,荷载动应力沿深度的衰减
12、曲线与一般未设置基床的路基土体的随深度增加的临界动应力曲线叠加在一起。,3.4 弹性变形与临界动应力3.4.2 基床土的疲劳特性与临界动应力,交点以上表示实际的动应力水平超过了路基填土的临界动应力，如果不换填成力学性能高的土，则在列车荷载作用下路基上部将产生衰减的变形，这是不允许的。,当压实度K1时，基床表层厚度约需0.6m,当压实度K0.95时，基床表层厚度约需0.8m。,3.4 弹性变形与临界动应力3.4.2 基床土的疲劳特性与临界动应力,综上：交点以上的填土的临界动应力一定要大于实际作用的附加动应力，这样才能防止或减少永久变形的出现。也就是说交点以上厚度就表示所要求的基床表层深度。,设置
13、基床表层以后，实际路基在不同深度的临界动应力将在动应力沿深度衰减的右边，所以设置基床的目的就是提高临界动应力，这就是基床表层厚度的确定原则。,3.4 弹性变形与临界动应力:3.4.2 基床结构,基于以上原因，为了使路基面以下列车动荷载影响范围内的填土不至于产生疲劳变形，铁路路基设计中把这一部分路基填土的厚度和材料进行了专门的规定。,基床内受动应力影响最大的就是基床表层，也就是按照一般黏性土计算临界动应力小于实际动应力的厚度部分。所以将基床分成由基床表层和基床底层组成的2层。基床表层是路基直接承受列车荷载的部分，又常被称为路基的承载层或持力层，基床表层的设计是路基设计的最重要部分。,基床结构设计
14、的理由。,3.5 路基与其它建筑物的连接纵向不平顺性3.5.1 路基与其它建筑物连接处的问题几何不平顺与力学不平顺,几何不平顺：路基与桥台、涵洞的沉降经常会不同，在过渡点附加极易产生变形差。变形差导致轨面发生弯折，引起车辆与线路相互作用力的增加。这种不平顺称为过渡段的几何不平顺。力学不平顺：路基与桥台、涵洞的刚度差，他们对列车车辆通过时的动荷载的响应会不同，从而影响到乘坐的舒适性，这方面的不平顺称为过渡段的力学不平顺。,影响,铁路路桥过渡段的病害广泛存在，纵向延伸较长。公路桥头跳车。,解决方案,设置过渡段解决：线路综合模量（刚度）的平顺过渡；刚性桥台与柔性路基面工后沉降差。,3.5 路基与其它
15、建筑物的连接纵向不平顺性3.5.2 过渡段的受力特点与变形规律,3.5 路基与其它建筑物的连接纵向不平顺性3.5.3 过渡段设置方法,1、碎石类优质材料填筑法2、加筋土法3、轻型材料法4、过渡板法5、轻质材料,以200公里高速铁路为例：,路堤与桥台连接处应设置过渡段，并符合下列规定：1 过渡段的长度按下式确定：L=2h+A（4.4.9）式中 L过渡段长度，m。h路堤高度，m。A常数，可取35m。2 在软土地基上，可在台后设置钢筋混凝土搭板。3 台后过渡段可按图4.4.9设计。过渡段的基床表层应符合表4.3.2-2的要求。表层以下可用级配碎石分层填筑，其压实度应符合地基系数（k30）不小于150
16、MPa/m和孔隙率（n）不大于28%的要求。碎石的级配范围应符合表4.4.9的规定。,3.5 路基与其它建筑物的连接纵向不平顺性3.5.3 过渡段设置方法,碎 石 级 配 范 围,注：颗粒中针状、片状碎石含量不大于20%；质软、易破碎的碎石含量不得超过10%；黏土团及有机物含量不得超过2%。,3.5 路基与其它建筑物的连接纵向不平顺性3.5.3 过渡段设置方法,4 台后基坑应以混凝土回填或以碎石分层填筑压实，并做好横向排水。5 过渡段应与其相连的路堤按一体同时施工。6 在台背不易碾压的2m范围内应掺35%的水泥。,3.5 路基与其它建筑物的连接纵向不平顺性3.5.3 过渡段设置方法,路堤与横向结构物（立交框构、箱涵等）连接处应设置过渡段。过渡段可按图4.4.10设计。但当横向结构物顶面距地面高度小于1.0m，且不足路堤高度1/2时，可不设过渡段。过渡段在基床表层以下可用级配碎石填筑，其压实标准应符合地基系数（k30）不小于150MPa/m和孔隙率（n）不大于28%的要求。,3.5 路基与其它建筑物的连接纵向不平顺性3.5.3 过渡段设置方法,在路堤与路堑的连接处应设置过渡段：,
