路基受力与变形课件

,第,3,章 路基受力与变形,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,第,1,页,/,共,42,页,现行列车活载图式为“中活载”，是从1951年,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：,第,2,页,/,共,42,页,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,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！,第,3,页,/,共,42,页,3.2 铁路路基受力状况_ 3.2.1 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,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形土体。,第,4,页,/,共,42,页,路基面上的静荷载：第4页/共42页,第,5,页,/,共,42,页,第5页/共42页,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,。,第,6,页,/,共,42,页,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,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,。,第,7,页,/,共,42,页,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,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,就显得越来越重要。,第,8,页,/,共,42,页,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,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,第,9,页,/,共,42,页,3.2.2 路基面上的动荷载_1、荷载的分担轮载P大致由7,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,第,10,页,/,共,42,页,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,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。,第,11,页,/,共,42,页,3.2.2 路基面上的动荷载_ 2、路基面上的动应力轨道下,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,30,45,度,第,12,页,/,共,42,页,3.2.2 路基面上的动荷载_ 2、路基面上的动应力动应力,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,13,页,/,共,42,页,路基面动应力与列车速度的关系曲线，在300km/h路基面上动,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。,第,14,页,/,共,42,页,3.2.2 路基面上的动荷载_ 3、路基设计动应力估算（规,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,p,220kN,，,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,p,200kN,，,可以取,0.003,，则设计时速为,200km,时,第,15,页,/,共,42,页,3.2.2 路基面上的动荷载_ 3、路基设计动应力估算（规,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%,第,16,页,/,共,42,页,3.2.2 路基面上的动荷载_ 4、动应力沿深度的衰减路基,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,第,17,页,/,共,42,页,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,3.2.2,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,第,18,页,/,共,42,页,3.2.2 路基面上的动荷载_ 4、动应力沿深度的衰减动应,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。,第,19,页,/,共,42,页,3.2.2 路基面上的动荷载_ 4、动应力沿深度的衰减从图,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,）,第,20,页,/,共,42,页,3.3 公路路基受力状况1、公路路基受力计算：路基土在车轮荷,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,Z,a,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,Z,a,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,K,0.5,；,土的重度（,kN/m,）；,n,系数，,n,5,10,。,第,21,页,/,共,42,页,3.3 公路路基受力状况Za路基工作区的深度（m）；第21,3.3,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,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。,第,22,页,/,共,42,页,3.3 公路路基受力状况路基工作区内，土基的强度和稳定性对保,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,、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。,第,23,页,/,共,42,页,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,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,第,24,页,/,共,42,页,3.4 弹性变形与临界动应力作为路基填土，不希望产生积累的,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,第,25,页,/,共,42,页,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3.4,3.4,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、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。,第,26,页,/,共,42,页,3.4 弹性变形与临界动应力:3.4.2 基床土的疲劳特性,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。,第,27,页,/,共,42,页,3.4 弹性变形与临界动应力临界动应力随加载频率的提高而减,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。,第,28,页,/,共,42,页,3.4 弹性变形与临界动应力围压越高，临界动应力越大。启示,荷载动应力沿深度的衰减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,K,1,时，基床表层厚度约需,0.6m,当压实度,K,0.95,时，基床表层厚度约需,0.8m,。,第,29,页,/,共,42,页,荷载动应力沿深度的衰减曲线与一般未设置基床的路基土体的随深度,3.4,弹性变