CN113047087B - 一种多层式高速铁路基床结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种多层式高速铁路基床结构的设计方法，以克服当前高速铁路基床结构在底层2.3m范围内均采用相同的填料等级和压实标准的不足，在可靠承担上部列车荷载的同时实现与动应力荷载衰减规律的匹配，在技术上和经济上都更为合理。按如下步骤进行：初步确定高速铁路基床的基床层数N，及各基床结构层的厚度、填料等级和地基系数K_30(第i层)；根据路基面荷载确定动应力沿深度的分布，有砟轨道路基面荷载为三角形分布，无砟轨道路基面荷载为梯形分布，并确定基床不同深度处的路基动应力；根据第i基床结构层处的动应力数值及变形模量，确定各基床结构层处的动应变值；确定基床范围内的动变形；最终确定基床结构层层数N和各基床结构层的厚度及压实标准。

Description

一种多层式高速铁路基床结构的设计方法

技术领域

本发明涉及铁路路基技术领域，具体涉及一种多层式高速铁路基床结构的设计方法。

背景技术

铁路路基面以下受到列车动荷载作用显著影响的范围称之为基床。基床是高速铁路路基最重要的关键部位，其在列车荷载长期重复作用下，容易发生破坏或是产生过大的有害变形，从而影响高速铁路正常运营。因此对高速铁路路基基床进行强化，采用较好的填料和较高的压实标准(通常用地基系数K₃₀表征)填筑。

根据Boussinesq理论，列车荷载在基床范围内产生的动应力自上而下逐渐衰减，因此在理论上基床对填料的要求也可自上而下逐渐降低。而当前高速铁路最为常用的基床结构为两层式：基床表层和基床底层。有砟轨道表层厚0.7m，无砟轨道表层厚0.4m，采用级配碎石填筑；底层厚2.3m，采用A、B组填料填筑。无论是有砟轨道还是无砟轨道，基床底层2.3m范围内均采用相同的填料等级和压实标准，与动应力自上而下逐渐衰减的趋势不符。一方面基床底层上部的填料等级和压实标准偏低，在长期服役状态下有可能劣化，危害高速铁路列车运营安全性和舒适性；另一方面基床底层下部填料压实标准偏高，施工成本较高，存在一定程度的浪费。因此传统的两层式基床结构在技术上和经济上都存在不合理，有必要提出一种更为经济、适用的高速铁路路基基床结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多层式高速铁路基床结构的设计方法，以克服当前高速铁路基床结构在底层2.3m范围内均采用相同的填料等级和压实标准的不足，在可靠承担上部列车荷载的同时实现与动应力荷载衰减规律的匹配，在技术上和经济上都更为合理，为确定多层式高速铁路基床结构层数及各层厚度、压实标准提供依据。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本发明一种多层式高速铁路基床结构的设计方法，按如下步骤进行：①初步确定高速铁路基床的基床结构层层数N，及各基床结构层的厚度、填料等级和地基系数K_{30(第i层)，}基床结构层层数N≥3；由第1基床结构层至第N基床结构层，各基床结构层地基系数K_30(第i层)依次降低，i为基床结构层所在层数，i＝1、2、……N，其中第1基床结构层采用级配碎石填筑，地基系数K_30(第1层)不小于190MP/m，地基系数K_30(第N层)不小于90MP/m；各基床结构层的厚度均不小于0.3m；各基床结构层的地基系数K_30(第i层)按下式确定：

K_30(第i层)＝90+(190-90)×(i-1)/N；

②根据路基面荷载确定动应力沿深度的分布，有砟轨道路基面荷载为三角形分布，无砟轨道路基面荷载为梯形分布，并确定基床不同深度处的路基动应力；

根据填料强度与地基系数K₃₀的关系确定第i基床结构层的填料强度[σ]_(第i层)：

式中，A为拟合参数，10^-3m；B为拟合参数，kPa，A和B通过试验确定；K_30(第i层)为第i层基床结构层的地基系数，MPa/m；K为安全系数，取3.0；

绘制动应力分布曲线和填料强度曲线，如动应力曲线包络在填料强度曲线内则进行如下步骤③，否则需从动应力超出填料强度的位置开始增大地基系数，并重复进行步骤②；

③根据各基床结构层处的动应力数值及变形模量，按下式确定第i床结构层处的动应变值：

E_(第i层)＝C×K_30(第i层)

式中：ε_(第i层)为第i基床结构层处的应变，10^-6；σ_(第i层)为第i基床结构层处的应力kPa；E_(第i层)为各基床结构层处填料的变形模量，Mpa；C为考虑填料非线性特性后的模量转换参数，m，对于非粘性土C取1.33；K_30(第i层)为第i基床结构层的地基系数，MPa/m。

根据下式确定第i基床结构层的填料应变阈值：

[ε]_(第i层)＝D×K_30(第i层)+F

式中：[ε]_(第i层)为第i基床结构层处的应变，10^-6；D为试验参数，m/Mpa，F为试验参数；当填料为非粘性土时，对于有砟轨道D取0.47，F取173；对于无砟轨道D取0.28，F取107；K_30(第i层)为第i层基床结构层的地基系数，MPa/m。

④根据各基床结构层处的动应变确定基床范围内的动变形s：

式中：s为基床范围的动变形，mm；h为各基床结构层处的深度，m；

基床范围内的动变形限值，有砟轨道取1mm，无砟轨道取0.22mm；如动变形小于动变形限值则满足要求，否则，自第1层基床开始增大地基系数，并重复步骤②、步骤③和步骤④；

⑤根据步骤②至步骤④的计算结果，最终确定基床结构层层数N和各基床结构层的厚度及压实标准。

本发明的有益效果主要体现在如下方面：

一、提出了一种多层式高速铁路基床结构，填料压实标准自上而下逐渐见底，在可靠承担上部列车荷载的同时，还实现了与动应力荷载衰减规律的匹配，降低了施工成本，较传统的两层式基床结构，在技术上和经济上都更为合理；

二、提出了一种多层式高速铁路基床结构的设计方法，为确定多层式高速铁路基床结构层数、各层厚度及压实标准提供了依据；

三，通过该设计方法可确保基床结构同时满足强度、应变和变形的要求，能够确保高速铁路基床结构的安全性。

附图说明

本说明书包括如下五幅附图：

图1是本发明一种层式高速铁路基床结构的设计方法的流程图；

图2是高速铁路基床结构动应力曲线与填料强度阈值曲线(调整地基系数K₃₀前)；

图3为高速铁路基床结构动应变曲线与应变阈值曲线(调整地基系数K₃₀前)；

图4为高速铁路基床结构动应力曲线与填料强度阈值曲线(调整地基系数K₃₀后)；

图5为高速铁路基床结构动应变曲线与应变阈值曲线(调整地基系数K₃₀后)。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

多层式高速铁路基床自上而下由N层基床结构层构筑而成，分别为第1基床结构层，第2基床结构层，……第N基床结构层。在可靠承担上部列车荷载的同时，还实现了与动应力荷载衰减规律的匹配，较传统的两层式基床结构，在技术上和经济上都更为合理。

本发明一种多层式高速铁路基床结构的设计方法，按如下步骤进行：

①初步确定高速铁路基床的基床结构层层数N，及各基床结构层的厚度及地基系数K_{30(第i层)，}基床结构层层数N≥3；由第1基床结构层至第N基床结构层，各基床结构层的填料等级和地基系数K_30(第i层)依次降低，i为基床结构层所在层数，i＝1、2、……N，其中第1基床结构层采用级配碎石填筑，地基系数K_30(第1层)不小于190MP/m，地基系数K_30(第N层)不小于90MP/m；各基床结构层的厚度均不小于0.3m；各基床结构层的地基系数K_30(第i层)按下式确定：

K_30(第i层)＝90+(190-90)×(i-1)/N；；

②根据路基面荷载确定动应力沿深度的分布，按照Boussinesq理论确定动应力沿深度的分布，有砟轨道路基面荷载为三角形分布，无砟轨道路基面荷载为梯形分布，根据Boussinesq理论，可确定基床不同深度处的路基动应力；

根据填料强度与地基系数K₃₀的关系确定第i基床结构层的填料强度[σ]_(第i层)：

式中，A为拟合参数，10^-3m；B为拟合参数，kPa，A和B通过试验确定；K为安全系数，取3.0；K_30(第i层)为第i基床结构层的地基系数，MPa/m。

绘制动应力分布曲线和填料强度曲线，如动应力曲线包络在填料强度曲线内则进行如下步骤③，否则需从动应力超出填料强度的位置开始增大地基系数，并重复进行步骤②；

③根据各基床结构层处的动应力数值及变形模量，按下式确定第i基床结构层处的动应变值：

E_(第i层)＝C×K_30(第i层)

式中：ε_(第i层)为第i基床结构层处的应变，10^-6；σ_(第i层)为第i基床结构层处的应力kPa；E_(第i层)为第i基床结构层处填料的变形模量，Mpa；C为考虑填料非线性特性后的模量转换参数，m，对于非粘性土C取1.33；K_30(第i层)为第i基床结构层的地基系数，MPa/m。

根据下式确定第i基床结构层的填料应变阈值：

[ε]_(第i层)＝D×K_30(第i层)+F

式中：[ε]_(第i层)为各基床结构层处的应变，10^-6；D为试验参数，m/Mpa，F为试验参数；当填料为非粘性土时，对于有砟轨道D取0.47，F取173；对于无砟轨道D取0.28，F取107；K_30(第i层)为第i基床结构层的地基系数，MPa/m。

④根据各基床结构层处的动应变确定基床范围内的动变形s：

式中：s为基床范围的动变形，mm；h为各基床结构层处的深度，m；

基床范围内的动变形限值，有砟轨道取1mm，无砟轨道取0.22mm；如动变形小于动变形限值则满足要求，否则，自第1层基床开始增大地基系数，并重复步骤②、步骤③和步骤④；

⑤根据步骤②至步骤④的计算结果，最终确定基床结构层层数N和各基床结构层的填料类型及压实标准。

所述基床层数N在高速铁路所在区域优质填料丰富时可取3～6，在优质填料匮乏时可取7～8。所述各基床结构层的厚度为H/N，H为高速铁路基床厚度，有砟轨道H取3.0m,无砟轨道H取2.7m。

实施例：

1、设计参数

某无砟轨道高速铁路，所在地优质填料丰富。

2、设计过程

①给定多层式高速铁路基床结构的基床结构层层数N及各基床结构层厚度，初步确定各基床结构层地基系数K_30(第i层)。

所在地缺乏优质填料丰富，基床结构层层数N取为6，第1基床结构层采用级配碎石，其余各基床结构层采用A、B组填料。

本实施例为无砟轨道，基床总厚度H取2.7m，各基床结构层厚度可取为2.7/6＝0.45m。

第1基床结构层的地基系数K_30(第1层)取190MP/m；

第2基床结构层的地基系数K_30(第2层)取173MP/m；

第3基床结构层的地基系数K_30(第3层)取156MP/m；

第4基床结构层的地基系数K_30(第4层)取139MP/m；

第5基床结构层的地基系数K_30(第5层)取122MP/m；

第6基床结构层的地基系数K_30(第6层)取110MP/m。

②根据路基面荷载，按照Boussinesq理论确定动应力沿深度的分布：本例为有砟轨道，路基面荷载为梯形分布，根据Boussinesq理论，可确定基床不同深度处的路基动应力。

根据填料强度与地基系数K₃₀的关系确定第i基床结构层的填料强度[σ]_(第i层)：

因此，第1基床结构层的填料强度[σ]_(第1层)＝157kPa；

第2基床结构层的填料强度[σ]_(第2层)＝143.4kPa；

第3基床结构层的填料强度[σ]_(第3层)＝129.8kPa；

第4基床结构层的填料强度[σ]_(第4层)＝116.2kPa；

第5基床结构层的填料强度[σ]_(第5层)＝102.6kPa；

第6基床结构层的填料强度[σ]_(第6层)＝93.0kPa；

绘制动应力分布曲线和填料强度曲线，如图2所示，可知动应力曲线包络在填料强度曲线内，因此可进行如下步骤③。

③根据各基床结构层处的动应力数值及变形模量，按下式确定第i基床结构层处的动应变值：

E_(第i层)＝C×K_30(第i层)

第1基床结构层填料的变形模量E_(第1层)＝253MP；

第2基床结构层填料的变形模量E_(第2层)＝230MP；

第3基床结构层填料的变形模量E_(第3层)＝207MP；

第4基床结构层填料的变形模量E_(第4层)＝185MP；

第5基床结构层填料的变形模量E_(第5层)＝162MP；

第6基床结构层填料的变形模量E_(第6层)＝146MP；

按下式确定第i基床结构层填料应变阈值：

[ε]_(第i层)＝D×K_30(第i层)+F

各基床结构层填料均采用非粘性土，D可取0.28，F可取107。

第1基床结构层的填料应变阈值[ε]_(第1层)＝160.2(×10^-6)；

第2基床结构层的填料应变阈值[ε]_(第2层)＝155.4(×10^-6)；

第3基床结构层的填料应变阈值[ε]_(第3层)＝150.7(×10^-6)；

第4基床结构层的填料应变阈值[ε]_(第4层)＝145.9(×10^-6)；

第5基床结构层的填料应变阈值[ε]_(第5层)＝141.2(×10^-6)；

第6基床结构层的填料应变阈值[ε]_(第6层)＝137.8(×10^-6)；

绘制动应变曲线和动应变阈值曲线，如图3所示，可知动应变曲线未能包络在填料应变阈值曲线内，因此需从动应变超出应变阈值的位置即第3基床结构层开始增大地基系数，各层地基系数调整为如下：

第1基床结构层的地基系数K_30(第1层)取190MP/m；

第2基床结构层的地基系数K_30(第2层)取173MP/m；

第3基床结构层的地基系数K_30(第3层)取160MP/m；

第4基床结构层的地基系数K_30(第4层)取145MP/m；

第5基床结构层的地基系数K_30(第5层)取130MP/m；

第6基床结构层的地基系数K_30(第6层)取120MP/m。

重复步骤②和步骤③，根据调整后的地基系数绘制动应力分布曲线和填料强度曲线，如图4所示，可知动应力曲线包络在填料强度曲线内，因此可进行步骤③；绘制动应变曲线和动应变阈值曲线，如图5所示，可知动应变曲线包络在填料应变阈值曲线内，因此可进行步骤④。

④根据各基床结构层处的动应变确定基床范围内的动变形s：

本例为无砟轨道取0.22mm。动变形小于动变形限值，满足要求。

⑤根据步骤②～④的计算结果，明确基床结构层层数为6，各层填料厚度及压实标准如下：

基床结构层	厚度(m)	填料	地基系数K<sub>30</sub>(MPa/m)
				第1基床结构层	0.45	级配碎石	190
第2基床结构层	0.45	A、B组填料	173
				第3基床结构层	0.45	A、B组填料	160
第4基床结构层	0.45	A、B组填料	145
				第5基床结构层	0.45	A、B组填料	130
第6基床结构层	0.45	A、B组填料	120

由本实施例可知，采用本发明提出的一种多层式高速铁路基床结构的设计方法，能够确保基床结构同时满足强度、应变和变形的要求，能够确保高速铁路基床结构的安全性。

对比例1

按照现行设计规范，实施例1中的基床结构如下：

与实施例1对比可知，采用本发明提出的一种多层式高速铁路基床结构的设计方法，在上部采用更高的压实标准，在下部采用较低的压实标准，结构型式与动应力自上而下逐渐衰减趋势相符，同时降低了施工成本，在技术上更安全，在经济上更合理。

Claims (3)

1.一种多层式高速铁路基床结构的设计方法，按如下步骤进行：

①初步确定高速铁路基床的基床层数N，及各基床结构层的厚度、填料等级和地基系数K_30(第i层)，基床结构层层数N≥3；由第1基床结构层至第N基床结构层，各基床结构层的填料等级和地基系数K_30(第i层)依次降低，i为基床结构层所在层数，i＝1、2、……N，其中第1基床结构层采用级配碎石填筑，地基系数K_30(第1层)不小于190MP/m，地基系数K_30(第N层)不小于90MP/m；各基床结构层的厚度均不小于0.3m；各基床结构层的地基系数K_30(第i层)按下式确定：

K_30(第i层)＝90+(190-90)×(i-1)/N；

②根据路基面荷载确定动应力沿深度的分布，有砟轨道路基面荷载为三角形分布，无砟轨道路基面荷载为梯形分布，并确定基床不同深度处的路基动应力；

根据填料强度与地基系数K₃₀的关系确定第i基床结构层的填料强度[σ]_(第i层)：

式中，A为拟合参数，10^-3m；B为拟合参数，kPa，A和B通过试验确定；K为安全系数，取3.0；

绘制动应力分布曲线和填料强度曲线，如动应力曲线包络在填料强度曲线内则进行如下步骤③，否则需从动应力超出填料强度的位置开始增大地基系数，并重复进行步骤②；

③根据第i基床结构层处的动应力数值及变形模量，按下式确定各基床结构层处的动应变值：

E_(第i层)＝C×K_30(第i层)

式中：ε_(第i层)为各基床结构层处的应变，10^-6；σ_(第i层)为各基床结构层处的应力kPa；E_(第i层)为各基床结构层处填料的变形模量，Mpa；C为考虑填料非线性特性后的模量转换参数，m，对于非粘性土C取1.33；

根据下式确定各基床结构层的填料应变阈值：

[ε]_(第i层)＝D×K_30(第i层)+F

式中：[ε]_(第i层)为各基床结构层处的应变，10^-6；D为试验参数，m/Mpa，F为试验参数；当填料为非粘性土时，对于有砟轨道D取0.47，F取173；对于无砟轨道D取0.28，F取107；

④根据各基床结构层处的动应变确定基床范围内的动变形s：

式中：s为基床范围的动变形，mm；h为各基床结构层处的深度，m；

基床范围内的动变形限值，有砟轨道取1mm，无砟轨道取0.22mm；如动变形小于动变形限值则满足要求，否则，自第1层基床开始增大地基系数，并重复步骤②、步骤③和步骤④；

⑤根据步骤②至步骤④的计算结果，最终确定基床结构层层数N和各基床结构层的厚度及压实标准。

2.如权利要求1所述一种多层式高速铁路基床结构设计方法，其特征是：所述基床层数N在高速铁路所在区域优质填料丰富时为3～6层，在优质填料匮乏时为7～8层。

3.如权利要求1所述一种多层式高速铁路基床结构的设计方法，其特征是：所述各基床结构层的厚度为H/N，H为高速铁路基床厚度，有砟轨道H取3.0m,无砟轨道H取2.7m。

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