CN111914337A - 重载铁路的路基基床结构及其确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种重载铁路的路基基床结构及其确定方法，路基基床结构包括以自下而上顺序填筑的路基本体、基床表层，路基本体的填筑材料为C1组填料，基床表层的填筑材料为级配碎石或A1组填料，基床表层的厚度为0.7m～0.8m；或者包括以自下而上顺序填筑的路基本体、基床底层和基床表层，路基本体的填筑材料为C2或C3组填料，基床底层的填筑材料为A、B组填料，基床表层的填筑材料为级配碎石或A1组填料，基床底层与基床表层的厚度之和为1.1m～1.9m。该基床结构适用于轴重40t重载铁路有砟轨道路堤，填料及其厚度均可调节，具有强度高变形小的特点；重载铁路的高应力能够在基床表层得以迅速衰减，稳定性及耐久性好。
Description
技术领域
本发明涉及铁路工程技术领域，特别涉及一种重载铁路的路基基床结构及其确定方法。
背景技术
目前，重载铁路运输被国际公认为铁路运输货运发展的主方向，成为世界铁路发展的重要趋势。与普通铁路、高铁及城市轨道交通不同，路基在重载铁路线桥隧基础结构中占比更高，一般均在50％以上。国内设计建造的重载铁路的轴重大多在30t及以下，没有轴重达到40t的重载铁路的设计建造经验。我国重载铁路设计规范(TB10625-2017)适用于轴重25t～30t的重载铁路，对于轴重30t以上的重载铁路也无明确规定。
重载铁路的路基基床结构的受力特征及工作特点有别于普通铁路和高速铁路，其控制目标和填筑要求也均存在较大差别，因而现有路基基床结构填筑方法不能直接被重载铁路路基采用，需要针对工程施工条件设计安全可靠、经济适用的重载铁路的路基基床结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种重载铁路的路基基床结构及其确定方法，以解决现有技术中路基基床结构不适用于重载铁路的技术问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种重载铁路的路基基床结构，所述路基基床结构包括以自下而上顺序填筑的路基本体、基床表层，所述路基本体的填筑材料为C1组填料，所述C1组填料压实后满足压实系数K≥0.90，地基系数K30为90MPa/m～110MPa/m；所述基床表层的填筑材料为级配碎石或A1组填料，其压实后满足压实系数K≥0.95，地基系数K30≥170MPa/m；所述基床表层的厚度为0.7m～0.8m；或者，
所述路基基床结构包括以自下而上顺序填筑的路基本体、基床底层和基床表层，所述路基本体的填筑材料为C2组填料或C3组填料，所述C2组填料或所述C3组填料压实后满足压实系数K≥0.90，地基系数K30为90MPa/m～110MPa/m；所述基床底层的填筑材料为A、B组填料，其压实后满足压实系数K≥0.93，地基系数K30≥130MPa/m；所述基床表层的填筑材料为级配碎石或A1组填料，其压实后满足压实系数K≥0.95，地基系数K30≥170MPa/m；所述基床底层与所述基床表层的厚度之和为1.1m～1.9m。
进一步地，所述路基本体的填筑材料为C1组填料，所述C1组填料的细粒含量小于或等于30％。
进一步地，所述基床表层的填筑材料为0.7m厚的级配碎石或者0.8m厚的A1组填料。
进一步地，所述路基本体的填筑材料为C2组填料，所述基床底层的填筑材料为0.5m～0.8m厚的A、B组填料，所述基床表层的填筑材料为0.6m厚的级配碎石或者0.7m厚的A1组填料。
进一步地，所述路基本体的填筑材料为C3组填料，所述基床底层的填筑材料为0.8m～1.2m厚的A、B组填料，所述基床表层的填筑材料为0.6m厚的级配碎石或者0.7m厚的A1组填料。
进一步地，所述A1组填料包括细粒含量小于15％的角砾土填料。
进一步地，所述路基基床结构的宽度为6.0m。
根据本发明的另一方面，还提供了一种重载铁路的路基基床结构的确定方法，用于确定上述的路基基床结构，包括以下步骤：
确定路基上列车的动荷载；
计算动应力沿所述路基的深度分布，得到应力分布曲线；
确定所述路基的每层用填料的类型，并确定每层用填料的弹性模量及动强度；
在所述应力分布曲线上找到与下层填料的动强度相等的动应力，所述动应力在所述应力分布曲线上对应的厚度即为上层填料的临界厚度，设置上层填料的厚度大于或者等于所述临界厚度。
进一步地，所述计算动应力沿所述路基的深度分布得到应力分布曲线的步骤，具体包括：采用模量与厚度当量假定理论，将所述路基的实际厚度转化为等效厚度，所述等效厚度为将所述路基假定为均质半空间体的厚度；假设路基上列车的所述动荷载为矩形均布荷载，计算所述动荷载的中心下方沿所述路基深度变化对应的动应力，即可得到所述应力分布曲线。
本发明提供的重载铁路的路基基床结构，适用于轴重40t重载铁路有砟轨道路堤，其包括路基本体、基床表层两层或者路基本体、基床底层和基床表层三层，为填料及填料厚度均可调节的基床结构，具有强度高、变形小的特点；重载铁路的高应力能够在基床表层得以迅速衰减，稳定性及耐久性好。
附图说明
图1为本发明实施例提供的重载铁路的路基基床结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的路基基床结构的确定方法的流程图。
附图标记说明：1、基床表层；2、基床底层；3、路基本体。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。在本发明的描述中，相关方位或位置关系为基于图1所示的方位或位置关系，其中，“上”、“下”是指图1的上下方向。需要理解的是，这些方位术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1，本申请实施例的第一方面，提供了一种重载铁路的路基基床结构，包括以自下而上顺序填筑的路基本体3、基床表层1，路基本体3的填筑材料为C1组填料，C1组填料压实后满足压实系数K≥0.90，地基系数K30为90MPa/m～110MPa/m；基床表层1的填筑材料为级配碎石或A1组填料，其压实后满足压实系数K≥0.95，地基系数K30≥170MPa/m；基床表层1的厚度为0.7m～0.8m；或者，
路基基床结构包括以自下而上顺序填筑的路基本体3、基床底层2和基床表层1，路基本体3的填筑材料为C2组填料或C3组填料，C2组填料或C3组填料压实后满足压实系数K≥0.90，地基系数K30为90MPa/m～110MPa/m；基床底层2的填筑材料为A、B组填料，其压实后满足压实系数K≥0.93，地基系数K30≥130MPa/m；基床表层1的填筑材料为级配碎石或A1组填料，其压实后满足压实系数K≥0.95，地基系数K30≥170MPa/m；基床底层2与基床表层1的厚度之和为1.1m～1.9m。
也就是说，本申请实施例中，路基基床结构的厚度与路基本体3所填筑的填料有关，本申请实施例确定了合理的路基基床厚度、填料选择及压实标准等技术参数，以适用于轴重40t、道床厚度0.35m的重载铁路的有砟轨道路堤中，能够在保证路基基床的强度、路基的稳定与变形控制要求的前提下，降低路基基床的建造成本，同时保证列车安全运行。
国内尚未公开40t轴重重载铁路的设计建造经验，本申请实施例提供的重载铁路的路基基床结构，适用于轴重40t重载铁路有砟轨道路堤，其包括路基本体3、基床表层1两层或者路基本体3、基床底层2和基床表层1三层，为填料及填料厚度均可调节的基床结构，具有强度高、变形小的特点；重载铁路的高应力能够在基床表层1得以迅速衰减，稳定性及耐久性好。
其中，A1组填料包括细粒含量小于15％的角砾土填料。A组填料为优质填料，具体细分见表1，包括硬块石、级配良好且细粒土含量小于15％的漂石土、卵石土、碎石土、圆砾土、角砾土、砾砂、粗砂、中砂。
B组填料为良好填料，具体细分见表2，包括不易风化的软块石(胶结物为硅质或钙质)，级配不良的漂石土、卵石土、碎石土、圆砾土、角砾土、砾砂、粗砂、中砂、细粒土含量在15％～30％的漂石土、卵石土、碎石土、圆砾土、角砾土和细砂、黏砂、砂粉土、砂黏土。
表1 A组填料细分表
表2 B组填料细分表
C组填料具有分布范围广、填料性能差异大等特点。为便于使用，C组填料又分为C1组～C3组，具体细分见表3，这一特点也决定了路基基床结构中各结构层填料类型及厚度的灵活调整。其与A、B组填料的区别在于细粒土的含量，细粒土含量小于15％的为A组，细粒土含量在15％～30％之间的为B组，细粒土含量大于30％的为C组。
表3 C组填料细分表
具体地，当路基本体3填筑C1组填料时，基床底层2可以取消，基床表层1可以选择填筑0.7m厚度的级配碎石或者0.8m厚度的A1组填料；其中，C1组填料的细粒含量小于或等于30％。当路基本体3填筑C2组填料时，基床表层1填筑0.6m厚度的级配碎石或者0.7m厚度的A1组填料，基床底层2填筑0.5m～0.8mA、B组填料；当路基本体3填筑C3组填料时，基床表层1填筑0.6m厚度的级配碎石或者0.7m厚度的A1组填料，基床底层2填筑0.8m～1.2m厚度的A、B组填料。
本申请实施例中，路基基床面的宽度为6.0m。本申请实施例的路基基床面宽度较国内现行相关规范中的规定值低，可以实现较经济的大轴重重载铁路建造。
参照图2，本申请实施例的第二方面，提供了一种重载铁路的路基基床结构的确定方法，用于确定上述的路基基床结构，包括以下步骤：确定路基上列车的动荷载；计算动应力沿路基的深度分布，得到应力分布曲线；确定路基的每层用填料的类型，并确定每层用填料的弹性模量及动强度；在应力分布曲线上找到与下层填料的动强度相等的动应力，动应力在应力分布曲线上对应的厚度即为上层填料的临界厚度，设置上层填料的厚度大于或者等于临界厚度。
路基基床是指路基上部受列车动力作用和水文气候变化影响较大的土层，基床的状态直接影响列车运行的平稳和速度的提高，因此路基基床结构应满足强度和变形的要求，保证其在列车荷载、降水、干湿循环等因素的影响下具有长期稳定性。基床是铁路路基最重要的关键部位，也是受力最为复杂，最易破损的部位。基床厚度偏小，基床会容易因强度及支承刚度不足破损，进而降低铁路的运营寿命并影响列车的安全运行；基床厚度过厚，容易造成铁路修建成本过高，建设效率降低，形成浪费。因此需要合理的分析动荷载特征及其作用深度以确定基床的结构及厚度。
在路基基床结构的设计中，主要有变形控制和强度控制两种设计方法。其中，变形控制方法是使列车运行平顺、基床不会产生过大的塑形变形为依据；强度控制方法是以作用在填土上的动应力不大于填土允许的应力为控制条件。无论变形控制还是强度控制的设计方法，均是为了满足重载列车运营的要求，并无本质上的区别。对于本申请实施例的重载铁路而言，尤其是40t轴重的重载铁路，路基上列车的行驶速度低，对轨道的平顺性要求较低，在养护维修周期内允许产生一定量的变形，本申请实施例采用强度控制方法进行重载铁路的路基基床结构设计。
本申请实施例中，在采用强度控制方法进行路基基床结构的设计时，必须确保路基基床内的动应力小于填料的动强度；也就是说，将动应力沿路基深度的分布与该深度处填土的动强度进行对比，当路基基床内的动应力等于填料动强度时的基床厚度，则确定为路基基床内该填料的上一层填料的临界厚度。根据动三轴试验研究，动静应力比小于0.2左右时，填土的累积塑性变形在0.2％以下，且很快达到稳定，可以不考虑动力影响，所以基床厚度主要取决于列车动应力及其衰减，通常按照列车荷载产生的动应力与路基自重应力之比为0.2进行确定。
本申请实施例中重载铁路的路基基床结构的确定方法，包括以下步骤：
S1、确定路基上列车的动荷载。
列车的动荷载按照设计的行车速度和轴重，根据公式(1)进行计算。方法一是考虑5根轨枕承担轮载，分担比例为0.1∶0.2∶0.4∶0.2∶0.1，并以轨枕的有效支承面积作为分布面积，将列车荷载作用在道床顶面，从而确定动荷载的大小和分布。列车的动荷载计算公式(1)如下：
Pd＝Ps(1+αv) (1)
式中，Pd为动荷载，单位kN；Ps为静轴重，单位kN，本申请实施例以40t轴重的重载铁路为例，则Ps取400kN；α为动力冲击系数或称速度影响系数，无缝线路取值为0.004；ν为行车速度，超过300km/h时以300km/h计。
方法二是考虑7根轨枕承担轮载，分担比例为0.05∶0.09∶0.18∶0.36∶0.18∶0.09∶0.05，并以轨枕的有效支承面积作为分布面积，将列车荷载作用在道床顶面，从而确定动荷载的大小和分布。列车的动荷载通过计算公式(1)计算得到。
S2、计算动应力沿路基的深度分布，得到应力分布曲线。
在计算路基基床内部的动应力分布时，要首先确定道床和路基基床的变形模量，变形模量一般通过实测试验获得；在缺少实测试验资料时，按照以往试验数据取经验值。假定基床表层为级配碎石，变形模量可取180MPa；道床为碎石，变形模量可取300MPa。
另外，路基基床内部的动应力通过Boussinesq公式计算，由于Boussinesq公式为均质半空间体的计算式，因此需要对基床结构的层状体系进行当量转化。也就是说，计算动应力沿路基的深度分布得到应力分布曲线的步骤，具体包括：采用模量与厚度当量假定理论，将路基的实际厚度转化为等效厚度，等效厚度为将路基假定为均质半空间体的厚度；假设路基上列车的动荷载为矩形均布荷载，计算动荷载的中心下方沿路基深度变化对应的动应力，即可得到应力分布曲线。
具体地，采用Odemark的模量与厚度当量假定理论对基床结构的层状体系进行当量转化，按照公式(2)将基床结构层状体系中各层的实际厚度换算为均质半空间体的等效厚度。
式中，he为换算为均质半空间体的等效厚度，且为基床结构层状体系中下一层的等效厚度；h为基床结构层状体系中上一层的实际厚度；E0为基床结构层状体系中下一层的变形模量；E为基床结构层状体系中需要进行转换的上一层结构的变形模量。
本申请实施例中，计算模型采用对称结构，将列车看作无限长作用在路基上。根据对称原则，选取其中最小计算单元，即两相邻转向架，计算深度取到路基面以下7.0m，沿线路长度15m，轨枕长度2.6m，宽度0.28m，高0.2m，轨枕间距0.60m，路堤边坡坡率1∶1.5。将其进行均质体当量转换，钢轨与路基本体采用8节点空间线弹性实体单元。
在当量转化后的等效空间中，采用Boussinesq公式计算路基面以下各点的动应力，得出路基内部的动应力分布，计算公式参见公式(3)。
式中，σz为矩形均布荷载的中心下方深度he处的垂直应力；m＝a/b，n＝he/b，其中，2a为荷载基础底面的长边，2b为荷载基础底面的短边，Pd为由公式(1)计算得到的列车动荷载。
具体地，本申请实施例以40t轴重计算，he＝7m，a＝15m，b＝2.6m，在7m范围内按照0.1m的深度逐步递增，计算7m深度内路基内部各点的垂直应力，结果参见表4。
表4 路基基床内部各点应力分布
S3、确定路基的每层用填料的类型，并确定每层用填料的弹性模量及动强度。初步确定路基基床每层填料的类型，通过试验确定填料的弹性模量及动强度。本申请实施例中，根据调查和试验，级配碎石的动强度为180MPa，实测值有时会更高，A1组填料动强度为140MPa。
S4、在应力分布曲线上找到与下层填料的动强度相等的动应力，动应力在应力分布曲线上对应的厚度即为上层填料的临界厚度，设置上层填料的厚度大于或者等于临界厚度。
具体地，本申请实施例中，基床底层填筑A、B组填料，调查和试验的典型填料动强度为75kPa。路基基床结构内动应力与基床底层动强度相等时，通过应力分布曲线得到均质半空间体的等效厚度he为0.85m。采用公式(2)计算得到基床表层的级配碎石厚度h为0.7m，其中均质体的弹性模量假定为100MPa，级配碎石的弹性模量以180MPa计算。考虑到实测级配碎石的弹性模量往往略高于计算采用的180MPa，基床表层厚度一般优选0.6m级配碎石。
A1组填料与级配碎石的力学性能基本一致，细粒含量略高于级配碎石，模量略低于级配碎石。当基床表层的填筑材料为A1组填料时，同样用上述方法计算得到基床表层的厚度为0.7m。
本申请实施例中，40t轴重作用下计算分析路基面应力131.8kPa，实测平均值135.8kPa，实测最大值162kPa，从试验数据来看级配碎石可达到这一要求。A组填料动强度差异较大，当基床表层填筑A组填料时，应采用性能较好的A1组填料，并控制细颗粒含量。参考级配碎石细粒含量要求，A1填料细粒含量应小于7％。
当路基基床本体填筑C1组填料时：考虑到C1组填料主要是块石和砂砾石填料，和A、B组填料主要区别在细粒含量，故控制C1组填料的细粒含量不大于30％。此种情况下，基床底层可不再填筑A、B组填料，基床表层填筑0.7m级配碎石。
当路基基床本体填筑C3组填料时：调查和试验的典型C3组填料强度为45kPa～52kPa，路基内动应力与填料动强度相等时，上部基床厚度对应应为1.4m～1.9m。即级配碎石以下填筑厚度为0.8m～1.2m的A、B组填料，再填筑级配碎石。
当路基基床本体填筑C2组填料时：C2组填料动强度介于C1与C3组填料动强度之间，选取基床对应厚度1.1m～1.4m，即级配碎石以下填筑厚度为0.5m～0.8m的A、B组填料，再填筑级配碎石。
经以上研究分析，本申请实施例提出3种类型的路基基床结构建议：
1)0.7m级配碎石(基床表层)+C1组填料(细颗粒含量不大于30％)(路基本体)。
2)0.6m级配碎石(基床表层)+0.5m～0.8mA、B组填料(基床底层)+C2组填料(路基本体)。
3)0.6m级配碎石(基床表层)+0.8m～1.2mA、B组填料(基床底层)+C3组填料(路基本体)。
A1组填料与级配碎石力学性能基本一致，细粒含量略高于级配碎石，模量略低于级配碎石，当采用A1组填料时采用当量换算，增加0.1m。基床表层采用A1组填料时的基床结构如下：
1)0.8mA1组填料(基床表层)+C1组填料(细颗粒含量不大于30％)(路基本体)。
2)0.7mA1组填料(基床表层)+0.5～0.8mA、B组填料(基床底层)+C2组填料(路基本体)。
3)0.7mA1组填料(基床表层)+0.8～1.2mA、B组填料(基床底层)+C3组填料(路基本体)。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不同限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种重载铁路的路基基床结构，其特征在于：
所述路基基床结构包括以自下而上顺序填筑的路基本体、基床表层，所述路基本体的填筑材料为C1组填料，所述C1组填料压实后满足压实系数K≥0.90，地基系数K30为90MPa/m～110MPa/m；所述基床表层的填筑材料为级配碎石或A1组填料，其压实后满足压实系数K≥0.95，地基系数K30≥170MPa/m；所述基床表层的厚度为0.7m～0.8m；或者，
所述路基基床结构包括以自下而上顺序填筑的路基本体、基床底层和基床表层，所述路基本体的填筑材料为C2组填料或C3组填料，所述C2组填料或所述C3组填料压实后满足压实系数K≥0.90，地基系数K30为90MPa/m～110MPa/m；所述基床底层的填筑材料为A、B组填料，其压实后满足压实系数K≥0.93，地基系数K30≥130MPa/m；所述基床表层的填筑材料为级配碎石或A1组填料，其压实后满足压实系数K≥0.95，地基系数K30≥170MPa/m；所述基床底层与所述基床表层的厚度之和为1.1m～1.9m。
2.根据权利要求1所述的重载铁路的路基基床结构，其特征在于，所述路基本体的填筑材料为C1组填料，所述C1组填料的细粒含量小于或等于30％。
3.根据权利要求2所述的重载铁路的路基基床结构，其特征在于，所述基床表层的填筑材料为0.7m厚的级配碎石或者0.8m厚的A1组填料。
4.根据权利要求1所述的重载铁路的路基基床结构，其特征在于，所述路基本体的填筑材料为C2组填料，所述基床底层的填筑材料为0.5m～0.8m厚的A、B组填料，所述基床表层的填筑材料为0.6m厚的级配碎石或者0.7m厚的A1组填料。
5.根据权利要求1所述的重载铁路的路基基床结构，其特征在于，所述路基本体的填筑材料为C3组填料，所述基床底层的填筑材料为0.8m～1.2m厚的A、B组填料，所述基床表层的填筑材料为0.6m厚的级配碎石或者0.7m厚的A1组填料。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的重载铁路的路基基床结构，其特征在于，所述A1组填料包括细粒含量小于15％的角砾土填料。
7.根据权利要求1～5任意一项所述的重载铁路的路基基床结构，其特征在于，所述路基基床结构的宽度为6.0m。
8.一种重载铁路的路基基床结构的确定方法，其特征在于，用于确定权利要求1～7任意一项所述的路基基床结构，包括以下步骤：
确定路基上列车的动荷载；
计算动应力沿所述路基的深度分布，得到应力分布曲线；
确定所述路基的每层用填料的类型，并确定每层用填料的弹性模量及动强度；
在所述应力分布曲线上找到与下层填料的动强度相等的动应力，所述动应力在所述应力分布曲线上对应的厚度即为上层填料的临界厚度，设置上层填料的厚度大于或者等于所述临界厚度。
9.根据权利要求8所述的路基基床结构的确定方法，其特征在于，所述计算动应力沿所述路基的深度分布得到应力分布曲线的步骤，具体包括：
采用模量与厚度当量假定理论，将所述路基的实际厚度转化为等效厚度，所述等效厚度为将所述路基假定为均质半空间体的厚度；
假设路基上列车的所述动荷载为矩形均布荷载，计算所述动荷载的中心下方沿所述路基深度变化对应的动应力，即可得到所述应力分布曲线。
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