第三章路基受力和變形3.1路基面上的荷載 3.1.1列車荷載圖式 3.1.2列車和軌道荷載換算 3.2路基沉降 3.2.1天然地基的總沉降量 3.2.2復合地基的總沉降量 3.2.3路基工后沉降 3.2.4路基不均勻沉降 3.3路基與其他建筑物的連接 3.3.1過渡段的基本問題 3.3.2過渡段的設計 本章內容3.1路基面上的荷載對于鐵路來說，作用在路基面上的荷載可分為兩部分：列車荷載和軌道荷載。列車荷載包括機車荷載和車輛荷載。軌道荷載包括鋼軌重力、軌枕重力、道砟重力、扣件重力，其與軌道類型、道砟厚度有關，它是一種長期靜荷載。列車荷載軌道荷載3.1路基面上的荷載鐵路路基設計需要考慮荷載的影響時，計算中常把靜荷載和動荷載一并簡化作為靜荷載處理——換算土柱法。高速鐵路路基設計不能簡單把動荷載作為靜荷載處理，必須進行動態分析，計算列車動荷載的作用在路基中所產生的動應力的大小和分布規律。3.1路基面上的荷載3.1.1列車荷載圖式列車荷載由機車荷載和車輛荷載組成。對鐵路路基作用的影響主要是軸重、軸間距以及列車運營速度產生的沖擊。可按表3-1選用設計圖式。表3-1鐵路列車荷載圖示3.1路基面上的荷載3.1路基面上的荷載3.1.2列車和軌道荷載換算一、有砟軌道荷載在路基面上的單位荷載可按式（3-1）計算，其分布自軌枕底面端部向下按45°擴散，如圖3-1所示。3.1路基面上的荷載3.1路基面上的荷載以重型軌道結構，道床厚度30cm為例，軌枕及扣件重力=（3.53+0.09）×1.667=6.03（kN/m）。鋼軌重力0.6kN/m。道砟重力：20×（2.233－0.128×1.667）=40.39（kN/m）。計算軌道荷載P=40.39+6.03+0.6=47.02（kN/m）。荷載分布寬度按軌枕端部向下45°擴散計算，得L0=3.3m。軌道單位荷載p=P1/L0=47.02/3.3=14.25（kN/m2）。3.1路基面上的荷載二、客貨共線鐵路列車荷載的單位荷載和列車動荷載標準計算應滿足下列要求：1、在靜力分析時，采用列車等效均布荷載，列車荷載自軌枕底面端部向下45°擴散，作用在路基面上的單位荷載標準值可按式（3-2）計算。路基面上的列車荷載分布如圖3-2所示。3.1路基面上的荷載3.1路基面上的荷載表3-2路基軌道荷載、列車荷載3.1路基面上的荷載2、在基床分析時，道床頂面上的列車動荷載可按式（3-3）計算。3.1路基面上的荷載三、高速鐵路列車荷載、軌道結構荷載分布如圖3-3所示，路基面上均布荷載的取值應按表3-3選用。3.1路基面上的荷載表3-3高速鐵路軌道和列車均布荷載3.1路基面上的荷載四、城際鐵路列車荷載、軌道結構荷載分布如圖3-4所示，路基面上均布荷載的取值應按表3-4選用。3.1路基面上的荷載表3-4城際鐵路路基面上的軌道及列車荷載3.1路基面上的荷載3.2.1天然地基的總沉降量計算天然地基是指未經人工處理的地基。天然地基的總沉降量可按式（3-4）計算確定，采用排水固結法處理后地基的總沉降量也可按式（3-5）計算。3.2路基沉降計算一、單一壓縮土層的沉降量計算3.2路基沉降計算3.2路基沉降計算3.2路基沉降計算3.2路基沉降計算3.2路基沉降計算通過室內壓縮試驗測得e-p曲線后，即可得到相應的孔隙比e1、e2，從而便可通過式（3-9）計算得到在無限均布荷載作用下土體的沉降量。二、分層總和法1、基本假定（1）地基土的每一分層土為均勻、連續、各向同性的半無限空間彈性體；在外部荷載作用下，土中的應力和應變呈直線關系；可用彈性理論方法計算地基中的附加應力。（2）地基土的變形條件為完全側限條件，即在外部荷載作用下，地基土層只發生豎向變形，沒有側向變形，計算沉降量時，可采用室內壓縮試驗測定壓縮性指標。3.2路基沉降計算3.2路基沉降計算

3.2路基沉降計算3.2路基沉降計算3.2路基沉降計算（6）計算每一分層土的沉降量和地基的最終沉降量。由于分層總和法包括上述基本假設，且壓縮層厚度的確定方法沒有嚴格的理論依據，研究表明，確定壓縮層厚度的不同方法使計算結果相差10%左右，因為該方法實際上為半經驗性的方法，沉降量計算值與工程中的實測值不完全相同。對于軟土，沉降量計算值比實際值要小很多；對于硬土，沉降量計算值要比實際值要高。但分層總和法計算沉降量概念比較明確，計算過程及變形指標的選取比較簡便、易于掌握，故其依然是該被工程界廣泛采用的沉降量計算方法。303.2路基沉降計算3.2路基沉降計算3.2.2復合地基的總沉降量計算復合地基是指部分土體被增強或被置換形成增強體，由增強體和周圍地基土共同承擔荷載的地基。復合地基的總沉降量可按下式計算確定。3.2路基沉降計算一、加固區沉降量S1計算方法1、置換率復合模量法散體材料樁、加固土樁復合地基加固區壓縮量可采用下式計算：3.2路基沉降計算3.2路基沉降計算2、承載力比復合模量法水泥粉煤灰碎石（CFG）樁及低標號素混凝土樁復合地基加固區壓縮量可按式（3-17）計算，其中復合模量值通過加固區土的模量提高系數用下式計算：3.2路基沉降計算3、樁身模量法水泥粉煤灰碎石（CFG）樁及低標號素混凝土樁等剛性樁復合地基、剛性樁結構加固區壓縮量可按式（3-19）計算：3.2路基沉降計算二、下臥層沉降量計算方法復合地基下臥層壓縮量的計算仍用分層總和法進行計算，下臥層的附加應力可按下列方法進行計算。1、Boussinesq法

在條形荷載作用下，地基中心點下任一點的深度z處的附加應力，可按下式（3-20）計算：3.2路基沉降計算2、應力擴散法3.2路基沉降計算2、應力擴散法3.2路基沉降計算3.2.3路基工后沉降路基工后沉降量應滿足式（3-22）的要求，可按式（3-23）~（3-25）進行計算：3.2路基沉降計算3.2路基沉降計算3.2路基沉降計算3.2.4路基不均勻沉降一、路基填土壓實度不足1、路基填料含水率控制不佳2、填料顆粒級配不良3、土的性質4、壓實厚度3.2路基沉降計算二、路堤填料不均勻在路基施工工程中，由于路基的填料通常來自于路塹的挖方、隧道掘進產生的廢方，所以填料的級配和填料的性質很難得到有效的控制。一方面，在施工過程中，如果分層碾壓過程中遇到厚度過大、小顆粒填料和軟弱物質的土層，很難使其得到有效壓實，在荷載的長期作用下，填料會產生不均勻沉降變形，導致路基會產生局部沉陷。另一方面，由于回填料的性質不一樣，特別是有的填料具有膨脹性，在路基排水系統局部失效后，水的滲入會使路面局部隆起，破壞路基的整體性，影響行車的安全和舒適度。3.2路基沉降計算三、排水系統不完善由于排水系統不完善，導致排水時水流會沖刷填方邊坡，導致路基下沉、開裂，破壞了路基的強度和邊坡的穩定，使得路基產生不均勻沉降。四、施工工藝施工工藝的不恰當也會引起路基的不均勻沉降，主要表現為填筑順序不當，壓實機械選用不當，分層壓實厚度過大，土石混填不滿足規范，施工中未按要求做好排水措施，壓實不足，填挖交界未按設計要求設置臺階和布置土工格柵等。3.2路基沉降計算五、列車動荷載影響路基基床是軌道結構的基礎，承受著線路上部靜載和列車作用產生的動載，在動荷載和外界因素長期的作用下，路基基床會出現翻漿冒泥等淺層病害和下沉擠出變形等較深層的病害。當路基面動載超過基床土體的承載能力時，隨著列車荷載的作用，道床會不斷地“切入”基床土體內，導致線路路基持續下沉。3.2路基沉降計算3.3.1路橋（涵、隧）過渡段的基本問題一、過渡段的受力特點與變形規律3.3路基與其他建筑物的連接二、過渡段的幾何不平順與力學不平順由于路基與橋臺、涵洞的沉降經常會不同，在路基部分的沉降變形會大一些，在其過渡點附近極易產生變形差，這種變形差稱之為幾何不平順。這種不平順會導致軌面發生彎折。當列車通過時，必然會引起車輛與線路相互作用力的增加，加速線路狀態的劣化，降低線路設備的服務質量，增加線路的養護維修費用，嚴重時甚至危及行車安全。路基與橋梁、涵洞等剛度差別較大，它們對列車車輛通過時的動載荷的響應會不同，這種兩種線路結構存在的剛度上的差異稱為力學不平順。這種不平順會影響到乘坐的舒適度。3.3路基與其他建筑物的連接三、幾何不平順與力學不平順的原因1、路基與橋（涵）的結構差異橋（涵）結構一般是剛性的，而路基是柔性的。由于這兩種結構的差異，在路基與橋（涵）之間必然存在著變形差異（圖3-10）。路橋（涵）過渡段由于剛性、自重、強度不同，在列車荷載作用下又是應力集中區域，必然產生變形的不一致。3.3路基與其他建筑物的連接2、路基填料普通鐵路的路堤填料一般是填土，壓實標準相對較低。同時，過渡段往往作業面相對狹小，碾壓質量不易控制，其壓實度達不到設計要求。3、地基地基土的性質及結構不同，所產生的沉降和沉降達到穩定所需要的時間也不同。橋頭路基一般填筑較高，地基土承受的附加應力較大，地基的沉降變形較其他路段要大，軟弱地基路段尤其如此3.3路基與其他建筑物的連接4、施工施工時，對工期或工序安排不當，以致過渡段的填土碾壓工作安排在施工工期尾部，被迫趕工期，不能夠很好地控制填土壓實質量，使得過渡段路基產生較大的壓密下沉變形。5、重橋輕路意識設計和施工中重橋輕路的意識是影響路橋過渡段施工質量的又一因素。目前在鐵路建設工程中，往往是路橋分家，重橋輕路。橋梁施工中集中了大量精干的工程技術人員，而路基施工卻未能投人必要的技術人員。在設計中沒有把路橋過渡段作為一種結構物來考慮，沒有較為合理的設計要求，在施工過程中路橋過渡段又是質量控制的薄弱環節。3.3路基與其他建筑物的連接3.3.2過渡段的設計一、過渡段一般處理原則與方法1、受荷載影響范圍（基床以上部分）線路結構抵抗動載變形的能力，即線路綜合模量（剛度）的平順過渡，避免力學不平順2、剛性橋臺與柔性路基間工后沉降差即幾何不平順問題。這兩個方面都對列車或車輛的運行產生影響，但產生的原因各不相同，影響程度也不一樣，必須區別對待，有針對性地進行處理，才能達到較好的效果。需要設置過渡段的有：路基與橋梁或涵洞的過渡；路堤、路塹過渡；隧道洞口過渡等。3.3路基與其他建筑物的連接處理方法1：在過渡段較軟一側，增大基床剛度，減小路堤沉降碎石類優質材料填筑法使用碎石、級配砂礫石、水泥石灰穩定砂石土等強度高、變形小的優質材料進行填筑過渡段，能夠減小路堤自身的壓縮性，并根據施工順序的不同，設置一定的幾何形狀使過渡段的剛度和變形能夠均勻變化。該方法設計意圖明確，材料性質可靠、易控制，但由于靠近橋臺背面的空間比較狹窄，可能導致填料壓實質量不足，相對較重的填料質量引起的地基沉降也較大，所以，填筑時要進行充分壓實，并進行質量檢測。3.3路基與其他建筑物的連接加筋土法在過渡段路堤填土（必要時也可包括地基）中埋設一定數量的加筋材料，如土工格柵、土工布、土工網等形成加筋土路堤結構。加筋土不僅能增加路基強度，而且還能大幅提高路基剛度，顯著減小或均衡路基變形，能將橋背土路基與路橋交界處的臺階式跳躍沉降變成連續的斜坡式沉降。3.3路基與其他建筑物的連接輕型材料法使用如EPS、人工氣泡混凝土等力學性能較好的輕型材料對過渡段進行填筑時，主要是為了減輕結構物的自重，從而降低對地基豎向加載作用及橋臺結構的水平土壓力，使得地基變形減小。3.3路基與其他建筑物的連接過渡板法在過渡段范圍內路基填土上現澆一塊鋼筋混凝土厚板，并使一端支承在剛性基礎（橋臺）上，利用鋼筋混凝土厚板的抗彎模量來增大剛度。常見的過渡形式為上置式鋼筋混凝土搭板，它一端支撐在橋臺上，另一端簡支于枕梁上。由于過渡段的范圍較大，列車的質量很大，速度很快，板底的支撐條件不確定，結構受力情況非常復雜，一旦破壞，更換將極為困難。該方法雖然對軌道剛度的增加較顯著，但不能減小路堤地基的變形，必須配以其他處理措施才能有效地控制軌面彎折。3.3路基與其他建筑物的連接3.3路基與其他建筑物的連接輕質填料法位于軟土地區的路橋過渡段，還可以釆用如二灰土這種重度小、強度大的輕質填料。這種填料可減小對橋臺及基礎的附加水平力和地基沉降，并通過薄層填筑、機械壓實，減小地基的沉降，保護橋臺的穩定。3.3路基與其他建筑物的連接處理方法2：在過渡段較軟一側，增大軌道豎向剛度通過調整軌枕長度和間距提高軌道剛度。在過渡段范圍內，通過使用逐步增長的超長軌枕和減小軌枕間距可實現軌道剛度的逐步過渡。通過加厚道床厚度提高軌道剛度。道砟是一種強度高、變形小的優質材料。在過渡段范圍內逐漸增加道床厚度，可使軌道剛度逐步變化。注意：該法僅適用于既有線改造，高速鐵路級配碎石基床表層結構的剛度大于道床剛度。3.3路基與其他建筑物的連接處理方法3：在過渡段較硬一側，通過設置軌下、枕下、砟底橡膠墊塊（板）來調整軌道豎向剛度，對于橋梁或隧道等剛性結構物上的軌道可通過調整軌下墊板的剛度和設置枕下墊塊（無砟），使軌道較硬一側軌道剛度與較軟一側軌道剛度相匹配。墊板（塊）剛度可通過室內試驗，計算和現場測試確定。對于有砟軌道結構，由于列車荷載的動力作用較大，常使橋上和隧道內的道砟發生磨損粉化。通常可采用在鐵路的道砟底鋪設一層約25mm厚的橡膠墊層來解決。3.3路基與其他建筑物的連接3.3.2過渡段的設計二、鐵路線路過渡段設計過渡段設計的核心問題是通過地基處理及提高過渡段路基填筑的質量來盡量減少沉降的差異性；通過改變填料使線路的剛度在過渡帶有一個逐漸的變化，達到平順過渡的目的。1、路基與橋臺連接過渡段設置根據《鐵路路基設計規范》TB10001的規定，路基與橋臺過渡段宜采用沿線路縱向倒梯形過渡形式，如圖3-13所示；當過渡段施工先于鄰近路基時，可采用沿線路縱向正梯形過渡形式，如圖3-14所示。3.3路基與其他建筑物的連接3.3路基與其他建筑物的連接圖3-13臺尾倒梯形過渡段設置示意圖3.3路基與其他建筑物的連接圖3-13臺尾正梯形過渡段設置示意圖3.3.2過渡段的設計（1）過渡段長度按下式確定，且不小于20m：

3.3路基與其他建筑物的連接3.3.2過渡段的設計（2）過渡段基床表層以下梯形部分的填料及填筑壓實應符合下列規定：①高速鐵路、無砟軌道及設計速度200km/h的有砟軌道城際鐵路應分層填筑摻入不小于3%水泥的級配碎石，壓實標準應符合壓實系數K≥0.95，地基系數K30≥150MPa/m、動態變形模量E_vd≥50MPa。②設計速度200km/h的客貨共線鐵路可分層填筑級配碎石，距離結構物2.0m范圍內應摻入不小于3%水泥，壓實標準應符合壓實系數K≥0.95，地基系數K30≥150MPa/m。3.3路基與其他建筑物的連接3.3.2過渡段的設計③重載鐵路應分層填筑A組填料，壓實標準應符合壓實系數K≥0.95，地基系數K30≥150MPa/m、動態變形模量Evd≥40MPa。④設計速度200km/h以下的有砟軌道城際鐵路和客貨共線鐵路應填筑A組填料，壓實標準應符合第二章中的相應規定。

3.3路基與其他建筑物的連接（3）高速鐵路、無砟軌道及設計速度200km/h的有砟軌道城際鐵路過渡段橋臺基坑應以混凝土回填或以碎石、改良土分層填筑，其他鐵路的過渡段橋臺基坑應以碎石、改良土分層填筑。混凝土應滿足設計速度要求，碎石、改良土填筑應滿足Evd≥30MPa。（4）地基需要加固的過渡段應考慮與相鄰地段進行協調漸變，且必須滿足軌道特殊結構要求。（5）過渡段相鄰路堤應同時施工，且分層填筑時填筑的高度大致相同。673.3路基與其他建筑物的連接2、路堤與路塹連接過渡段設置（1）當路堤與路塹連接處為軟巖或