第3章路基受力与变形.ppt

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1、第3章 路基受力与变形3.1 3.1 土动力学基础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第3章 路基受力与变形 现行列车活载图式为现行列车活载图式为“中中活载活载”，是从，是从1951年制定的年制定的“中中Z活载活载”，经过几十年随着机车车辆的发展变化，不，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，如施工荷载路上的运营荷载外，

2、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。（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中荷载计算图式简介第3章 路基受力与变形1 1 列车列车竖向静活载竖向静活载采用中华人民共和国铁路标采用中华人民共和国铁路标准活载，即准活载，即“中中活载活载”。有关设计荷载的采用。有关设计荷载的采用除本暂规提到的规定外、其余按除本暂规提到的规定外、其余按铁路桥涵设计铁路桥涵设计基本规范基本规范（TB10002.1-99TB10002.1-99）办理。）办理。2 2 列车列车竖向活载竖向活载包括列车竖向动力作用时，该包括列车竖向动力作用时，该列车竖向活载

3、等于列车竖向静活载乘以动力系数列车竖向活载等于列车竖向静活载乘以动力系数（1+1+），其动力系数按），其动力系数按铁路桥涵设计基本规铁路桥涵设计基本规范范（TB10002.1-99TB10002.1-99）4.3.54.3.5计算。计算。解释：解释：第3章 路基受力与变形3.2 3.2 铁路路基受力状况铁路路基受力状况_ 3.2.1 _ 3.2.1 路基面上的静荷载路基面上的静荷载作用在路基面上的荷载分为两类作用在路基面上的荷载分为两类：静荷载、动荷载静荷载、动荷载.静荷载静荷载：也即长期荷载，是由道碴、轨也即长期荷载，是由道碴、轨枕、钢轨、扣件等自重产生的轨道荷载。枕、钢轨、扣件等自重产生的

4、轨道荷载。动荷载：动荷载：由列车通过时的轮载产生，与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。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！是分析路基本体结构的重要依据！第3章 路基受力与变形路基面上的静荷载：路基面上的静荷载：铁路路基设计规范将铁路路基设计规范将列车和轨道荷载列车和轨道荷载全部作为全部作为静荷载计算，换算成具有一定高度与分布宽度静荷载计算，换算成具有一定高度与分布宽度的的土柱土柱，计算时将路基面上的轨道静载和列车，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竖向活载一起换算成与路基土体重度相同的矩形土体。形土体。

5、第3章 路基受力与变形00PQhrb第3章 路基受力与变形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静荷载和动荷载一并简化为均布的静荷载处理，处理，但但这只是对路基面上这只是对路基面上荷载总量荷载总量的计的计算，算，土柱的分布形式与实际作用在路基面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上的应力分布有较大的差别。第3章 路基受力与变形实际作用在路基面上的荷载只是在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没有列车通过时是轨道结构的静荷载，载，而而在列车通过时则附加有频

6、率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与周期随列车速度与轴重变化的周周期性荷载期性荷载。土动力学已经揭示土在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和变形特性是有较大区别的。第3章 路基受力与变形因此因此要路基填土在动荷载作用下的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特性，尤其是在随着列车速度的不断提高的情况下，进行断提高的情况下，进行动态分析动态分析，掌握列车动荷载的作用在路基中所掌握列车动荷载的作用在路基中所产生的动应力、动位移的大小和分产生的动应力、动位移的大小和分布规律以及疲劳特性布规律以

7、及疲劳特性就显得越来越就显得越来越重要。重要。第3章 路基受力与变形3.2.2 3.2.2 路基面上的动荷载路基面上的动荷载_ _1、荷载的分担、荷载的分担轮载轮载P大致由大致由7根轨枕承担，根轨枕承担，简化假定简化假定P由由5根轨枕分担，根轨枕分担，分担到每根轨枕上的力分别分担到每根轨枕上的力分别为为0.4p、0.2p、0.1p第3章 路基受力与变形车体在路车体在路基内引起基内引起的附加应的附加应力沿纵向力沿纵向分布示意分布示意图图3.2.2 3.2.2 路基面上的动荷载路基面上的动荷载_ _2、路基面上的动应力、路基面上的动应力第3章 路基受力与变形3.2.2 3.2.2 路基面上的动荷载

8、路基面上的动荷载_ _ 2、路基面上的动应力、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。第3章 路基受力与变形3.2.2 3.2.2 路基面上的动荷载路基面上的动荷载_ _ 2、路基面上的动应力、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度第3章 路基受力与变形路基面动应力与列车速度的关系曲线，在300km/h路基面上动应力与列车速度成正比。第3章 路基受力与变形3.2.2 3.2.2 路基面上的动荷载路基面上的动荷载_ _ 3、路基设

9、计动应力估算（规范法）、路基设计动应力估算（规范法）0.26(1)dlp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机车车辆的静轴重的静轴重冲击系数客运专线铁路最冲击系数客运专线铁路最大的冲击系数为大的冲击系数为1.91.9注意：路基面上的动应力幅值是与列车速度、轴重、机车车注意：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。态有关的一个随机函数。第3章 路基受力与变形3.2.2 3.2.2 路基面上的动荷载路基面上的动荷载_ _ 3、路基设计动应力估算（规

10、范法）、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0.26 220(1 0.004 200)93.6dlkPa例如：采用例如：采用ZKZK活载，机车车辆的静轴重活载，机车车辆的静轴重p p200kN200kN，可以取可以取0.0030.003，则设计时速为，则设计时速为200km200km时时0.26 200(1 0.003 200)83.2dlkPa第3章 路基受力与变形3.2.2 3.2.2 路基面上的动荷载路基面上的动荷载_ _ 4、动应力沿深度的衰减、动应力沿深度的衰减路基面上单位面积路基面上单位面积的动应力通

11、过道床的动应力通过道床传递到路基面并继传递到路基面并继续向深层传递，在续向深层传递，在传递过程中大小会传递过程中大小会随着深度的增加而随着深度的增加而衰减，路基面以下衰减，路基面以下0.6m0.6m深度处的动应深度处的动应力已衰减了力已衰减了40%60%40%60%第3章 路基受力与变形根据我国的研究，动静应力根据我国的研究，动静应力比为比为0.2时的深度约为时的深度约为3.2m，动静应力比为动静应力比为0.1时的深度约时的深度约为为4.2m。根据三轴试验结果，当动静应根据三轴试验结果，当动静应力比在力比在0.2以下时，土的塑性变以下时，土的塑性变形在形在0.2%以下，且很快能达到以下，且很快

12、能达到稳定。稳定。在此基础上，时速为在此基础上，时速为200km/h及以上各类客及以上各类客运专线基床厚度定为运专线基床厚度定为3m3.2.2 3.2.2 路基面上的动荷载路基面上的动荷载_ _ 4、动应力沿深度的衰减、动应力沿深度的衰减第3章 路基受力与变形3.2.2 3.2.2 路基面上的动荷载路基面上的动荷载_ _ 4、动应力沿深度的衰减、动应力沿深度的衰减动应力沿深度的分布可以通动应力沿深度的分布可以通过过BoussinesqBoussinesq解析解获得。解析解获得。2202222222212arctan(1)()11/,/pm nmnmnmnmnmnma b nz b用上述公式计算

13、的路基内动应用上述公式计算的路基内动应力的分布曲线，与实测的数据力的分布曲线，与实测的数据进行对比表面，可以近似用进行对比表面，可以近似用BoussinesqBoussinesq公式估算路基内部公式估算路基内部的动应力的动应力第3章 路基受力与变形3.2.2 3.2.2 路基面上的动荷载路基面上的动荷载_ _ 4、动应力沿深度的衰减、动应力沿深度的衰减从图中可以看出，从图中可以看出，深度达到轨枕宽深度达到轨枕宽度的度的3倍，及距倍，及距轨枕底约轨枕底约70cm时，沿线路纵向时，沿线路纵向的压力分布就比的压力分布就比较均匀了。较均匀了。第3章 路基受力与变形3.3 公路路基受力状况1、公路路基受

14、力计算：、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，在下，在 一定深度范围内，路基土处于受力状态。一定深度范围内，路基土处于受力状态。路基土在车轮荷载路基土在车轮荷载作用下所引起的垂作用下所引起的垂直应力可以根据弹直应力可以根据弹性力学理论，假定性力学理论，假定车轮荷载为以圆形车轮荷载为以圆形均布垂直荷载，路均布垂直荷载，路基为一弹性均质半基为一弹性均质半空间体进行计算。空间体进行计算。212.5()zpZDP P车轮荷载的均不单位压车轮荷载的均不单位压力力(kPa)(kPa)D D圆形均布荷载的作用面圆形均布

15、荷载的作用面积的直径（积的直径（m m）Z Z圆形均布荷载中心下应圆形均布荷载中心下应力作用点的深度（力作用点的深度（m m）BZ土的容重（土的容重（kN/mkN/m）Z Z应力作用点深度（应力作用点深度（m m）第3章 路基受力与变形3.3 3.3 公路路基受力状况公路路基受力状况2 2、公路路基工作区、公路路基工作区在路基某一深度在路基某一深度Z Za a处，当车轮荷载引起的垂直压力处，当车轮荷载引起的垂直压力z z与路基与路基自重引起的垂直压力自重引起的垂直压力B B相比所占比例很小，仅为相比所占比例很小，仅为1/101/51/101/5时，时，该深度该深度Z Za a范围内的路基称为路

16、基工作区。范围内的路基称为路基工作区。3aKnPZZa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。第3章 路基受力与变形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重要，所以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，因因此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。第3章 路基受力与变形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、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增长，这种情况不致形成土基的整体性剪切破坏。体性剪切破坏。2、每一次加载作用在土体中产生了、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