盾构隧道与周围土体在列车振动荷载作用下的动力响应特性

为研究列车振动荷载作用下盾构隧道结构及周围土体的动力响应特性,采用模型试验方法,通过布置在盾构隧道底部的激振器施加扫频激振荷载和列车振动荷载,采用频率响应函数FRF与最大加速度分析了盾构隧道衬砌结构与周围土体不同位置处的动力响应及其衰减规律。研究结果表明：FRF是隧道衬砌结构和周围土体自身的动力响应特性的体现,与激振力的大小、扫频方向及扫频时间无关;在隧道管片衬砌结构的底部和顶部均体现出高频响应大于低频响应的特性,隧道顶部加速度响应沿隧道纵向衰减幅度明显小于隧道底部;隧道周围土体的动力响应沿深度有明显变化,但均表现出沿隧道轴向衰减的规律。隧道结构上部第1层测点土体的动力响应在全频域内随频率的增加逐渐增大。但在第2层和地表的第3层测点,土体的动力响应在30～90 Hz区段线性增长,在90～300 Hz区段出现波动变化,并无明显增大趋势;与扫频激振荷载引起的动力响应规律一致,由列车运行振动荷载引起的隧道管片衬砌结构和周围土体的振动沿隧道轴向逐渐衰减,隧道底部的加速度响应大于顶部,随着列车车速的增大,在隧道内部引起的加速度响应将显著增大。同时,在列车振动荷载作用下发现地表存在加速度放大效应,地表第3层测点的加速度响应均大于隧道结构上部第1层测点。     

考虑不均匀冻胀土体-衬砌隧道在寒区的振动响应

在频域内研究简谐均布荷载作用在寒区不均匀冻胀土体-衬砌隧道中的动力响应问题。将衬砌与冻土间视为紧密接触,冻土及非冻土间由于组构、性质间的差异可发生相对移动,在考虑覆盖于隧道周围冻结土体发生不均匀冻胀的前提下得到简谐荷载作用在衬砌内径所引发的系统振动解析解。根据非冻土、冻土以及衬砌间的连续条件和边界条件得到待定系数,并得到寒区隧道系统中不同介质的位移以及应力的解析解。对具体参数模型进行算例分析,发现：隧道系统的介质（衬砌,冻土及非冻土）参数变化会对冻土环向应力幅值、不同冻结状态土体径向位移幅值及其基频产生影响;不均匀冻胀会改变外荷载作用下隧道周围冻土中的动力响应;寒区隧道系统径向位移幅值随距离隧道圆心的增加呈现衰减的趋势,非冻土径向位移幅值较冻土减小明显。     

高架轨道交通引起的地表振动参数化分析

基于Abaqus软件64CPU并行计算集群平台,建立了车辆-轨道-高架桥-基础-地基耦合的三维有限元分析模型。得到了不同工况下列车运行时引起的地表振动特征,对地表振动振级随着与桥墩距离增大而衰减的规律进行了参数化分析,结果表明,随着列车车速的增大,地表振动振级明显增大;与空载时相比,列车乘客满载时仅靠近桥墩处的地表振级略微增大,对远处几乎无影响;列车车厢数量对地表振动振级的影响不明显;列车双线运行时引起的地表振动振级比单线运行时有明显的增大。扣件刚度的增大会略微减小地表振动振级。随着桩长的增加,地表振动振级有较大幅度的减小;增加桥墩的跨度能减小地表振动振级,但增加到一定值时再增加也不会有明显的减振效果;桥墩高度对地表振动振级无明显影响。随着场地土层剪切波速的增加,地表振动振级呈逐渐减小的趋势。     

青海热水煤矿多年冻土区列车引起的地面振动检测与模拟

对热水煤矿铁路多年冻土地段的地面振动情况进行了现场实测,得到了列车经过时多年冻土地表振动加速度的衰减情况,在此基础上对列车运行时所引起振动在冻土区地面振动问题建立了数值分析模型.数值分析得到的结果与现场实测吻合较好,为研究多年冻土振动问题提供了分析方法.     

利用热棒阵对多年冻土区桥墩进行主动热防护研究

为解决青藏铁路沿线多年冻土区各大桥的桥梁桥墩沉降问题,以K1401特大桥桥墩为研究治理对象,设计出一种主动热防护的热棒阵治理方法。热棒阵设计思想是利用外侧热棒使土体冻结形成冰幕,保护和维持内侧热棒冻结区的稳定发展,降低桥墩桩基附近多年冻土温度,使桩基承载力增强,保护桥墩长期热稳定性。在典型桥墩周围内外侧平行布置热棒阵,热棒埋深依据初始冻土上下限决定,且埋设间距不超过2 m。开展了现场监测,用2个冻融循环周期的监测数据分析地温和沉降变形时空效应,研究热棒阵主动热防护方法的降温效能和治理效果。结果表明：桥墩外侧热棒水平方向3 m范围内降温明显,经过两个冬季后热棒周边3 m范围内平均降温幅度为1.1℃;竖直方向上随深度增加,降温幅度有所减小,冻土上限至埋深15 m范围内平均降幅超过0.4℃;整治前桥墩每年沉降量超过10 mm,布置热棒阵后年沉降量小于3 mm,热棒阵整治后沉降变形得到有效控制。本研究可为寒区同类桥梁桩基融沉病害整治提供借鉴。     

青藏冻结粉土与混凝土基础接触面本构关系研究

土冻结过程中,冰胶结作用使周围土体颗粒与建（构）筑物基础联成一体,这种胶结力称为土与基础间的冻结强度,通常采用冻土沿物体（例如基础材料）表面的剪切强度来度量。因而,冻土与基础接触面的应力-应变关系及其强度特征是确定冻土区基础工程承载力、抗拔性能和分析构筑物与冻土相互作用的基础和关键。为了更好地服务于工程实际,通过大量的冻结粉土与混凝土基础接触面剪切试验,总结了冻土接触面的基本力学特征和受力变形规律。根据获取的剪应力-位移曲线和冻结粉土接触面强度变化规律,利用标准本构模型建模方法,建立了冻结粉土接触面应力-位移-温度本构方程。该模型可以较好地描述不同温度冻结粉土接触面应力-位移变化规律,并为冻土区构筑物受力和变形数值计算提供基础。     

长期动荷载作用下冻结粉土的变形和强度特征

根据长期动荷载作用下的蠕变试验结果,研究了冻结粉土的变形和动强度特征.试验分3组,第一、二组是小振幅动荷载试验,且第二组的动荷载幅值为第一组的两倍;第三组是大振幅动荷载试验,荷载最小值取接近于零的值,最大值与第一组对应.试验结果表明:各种振幅的动荷载作用下,冻土的累积应变随荷载振动次数的变化规律相同(都包括初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段、渐进流阶段)但数值上有差异.在初始和稳定蠕变阶段,第三组试验的累积应变小于第一、二组的,但是第三组试验稳定蠕变阶段的应变速率很大,蠕变曲线迅速进入渐进流阶段,此后其累积应变值大于小振幅动荷载试验的;第一、二组试验的应变幅值随振次的变化规律相似,但与第三组的有明显不同,而且,第三组试验的应变幅值明显大于第一、二组试验的.各种振幅动荷载作用下冻土的残余应变随振次的变化规律相同,且偏移荷载载越大或动荷载振动幅值越大,残余应变越大;冻土的动强度随荷载振动次数的增加而衰减,直至趋于极限动强度,大振幅动荷载试验的极限动强度明显小于小振幅动荷载试验的.     

多年冻土区列车行驶路基动力响应及永久变形

<正>版次:第一版出版时间:2019-01开本:异16开出版单位:中国建筑工业出版社标准书号:978-7-112-22390-9【内容简介】本书以青藏铁路高温极不稳定多年冻土区路基在气候变化和列车荷载共同作用下的长期服役性能为背景,采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的技术手段,对青藏铁路列车荷载下冻土、融土的动力变形特性、列车荷载下路基振动反应和长期列车荷载作用下路基动力永久变形等问题进行了研究。全书共分为6章,包括:绪论、列车荷载下青藏铁路冻     

黄土地基动力沉降特性试验研究

路基工后沉降控制是客运专线路基工程研究的重点内容,其中地基在列车荷载长期重复作用下的累积沉降不可忽视。为揭示黄土地基在列车振动荷载长期作用下的沉降变形,通过对原状黄土试样的循环三轴试验,模拟实际列车荷载瞬时加载状态,采用不等向长持时加载,得出了在不同围压条件下黄土的动强度特性和循环应力-累积应变关系,并对较小循环应力下的循环应力-累积应变关系进行了归一化处理,得到了以下结论：①黄土的累积应变随时间的增加而增大,当循环应力不超过临界应力时,应变会最终达到稳定;反之,黄土结构遭到破坏,应变不能达到稳定;②不同围压下的黄土累积应变均随循环应力的增大而增大,且临界循环应力随围压的增大而增大。③在同一围压状态和同一应变破坏标准下,动强度随振次的增加而减小;④在不同围压、相同振次条件下达到相同的应变所需要的循环应力随围压的增大而增大;⑤在较小循环应力作用下,不同围压下黄土的累积应变随循环应力增加呈线性增长。     

列车振动荷载作用下南京细砂振动累积变形特性试验研究

列车振动荷载作用下松散砂土振密造成的早期路基沉降将对列车的正常运行产生很大的影响。本文以南京地区新近沉积片状细砂为研究对象,采用英国GDS空心圆柱扭剪仪模拟列车振动荷载的实际应力路径,并考虑排水条件、试样围压和加载幅值等因素,初步研究了2000列次(14000振次)列车振动荷载作用下南京新近沉积片状细砂的振动排水特性和竖向累积变形特性。实验结果表明,试样围压对南京片状细砂的竖向累积变形的影响较为明显,同时,当试验围压较小时,加载幅值对试样的竖向累积变形的影响更大。其次,排水条件主要对列车运营前期的路基累积变形产生明显的影响,对后期的累积变形的影响基本可以忽略。最后,根据试验结果,本文也初步给出了排水条件和不排水条件下南京片状细砂的竖向累积应变增长曲线的新预测公式及其参数取值。研究结论对列车振动荷载作用下新近沉积砂性土的动力学特性及其累积变形的计算方法等问题的研究具有很好的参考价值。     

路基高架过渡段高铁运行引起的地表振动现场试验研究

高速列车(HST)诱发的振动可能对周边生活、仪器运营甚至建筑安全造成负面影响,已引起学者和政府的关注。在京-沪(北京至上海)高铁段开展大量的路基高架过渡段场地振动现场实测,同时记录列车运行速度在250～350km/h之间的场地垂向、横向和纵向三个方向的振动,分析其在时域、频域及振幅在不同距离和车速下的特性,基于加速度级评价过渡段高铁引起场地振动的水平。分析结果表明,垂向振动通常在近场范围内占主导,在中远场和水平向振动相当;距离轨道20m左右范围存在振动区;地面的主要振动频率通常是与列车的几何尺寸和轨道的不均匀性相关的特征频率的n倍。测试结果对于研究高铁环境振动及数值的验证具有重要意义。     

冻土动力学研究的现状及展望

随着我国"一带一路"倡议发展主线的逐步开展,寒区交通运输工程必将得到广泛的建设。为确保寒区工程构筑物在动荷载作用下的长期稳定,对冻土动力学相关理论与实践问题的研究迫切地需要做出解答。冻土动力学主要研究的是动荷载作用下冻土的强度、变形和稳定性问题。通过归纳和总结,阐述了冻土动力学在动力学参数、动强度、动应力-应变关系、动蠕变特征及蠕变模型、冻土场地地震反应特性、冻土区桩基结构动力特性、列车荷载下冻土路基的动力响应等7个方面的研究进展及成果,并结合各方向的发展趋势进行了展望。     

粉细砂地层对地铁列车荷载的动力响应及长期变形研究

为探明地铁列车荷载作用下粉细砂地层的动力响应特征及长期累积变形发展规律,首先基于南京地铁2号线沉降监测数据,分析了位于粉细砂地层中某区段隧道结构的沉降发展规律;然后采用2.5维数值方法,模拟分析了地铁列车荷载作用下粉细砂地层的振动响应特征;最后,基于振动荷载作用下粉细砂的累积变形经验公式,采用分层总和法研究了粉细砂地层由列车荷载诱发长期累积变形的发展规律。研究结果表明:(1)列车运行引发地铁隧道地基粉细砂地层的动偏应力随着深度的增加呈先增大后减小的变化趋势,其最大值通常出现在隧道底部以下1 m处,最大值约为3.5 kPa;(2)列车振动荷载诱发粉细砂地层的长期变形在运营初期发展较快,并在运营1年左右达到稳定,随后缓慢增长,其稳定后的地基总变形量约为15.1 mm;(3)由列车振动荷载长期作用诱发的隧道粉细砂地基沉降量约占运营7年后总沉降量值的26%。     

高速列车运行引起路基-场地体系振动特性研究

基于子结构法思想,把轨枕-路基-场地体系从列车-轨道-路基-场地这一耦联的大系统中分离出来。以荷载输入等同于一种边界条件,采用高速列车以265 km/h和300 km/h的速度运行时现场实测竖向速度时程作为荷载输入尝试,以ABAQUS软件为计算平台,考虑土的动力非线性特性,研究了以这两种速度不同组合的双线和单线高速列车运行引起路基-场地体系动力反应,初步探讨了其规律。     

青藏铁路冻土区路桥过渡段沉降原因分析

青藏铁路开通近10 a以来,各类冻土工程稳定,保证了列车平稳安全的运行。然而,青藏铁路工程也不可避免出现了一些病害问题。现场调查资料表明,冻土区路桥过渡段下沉现象较为严重。通过冻土区路桥过渡段的沉降特点和工程地质条件综合分析,结果表明：地表水或冻结层上水水热侵蚀,引起人为多年冻土上限下降、高含冰量冻土层融化,致使路基发生强烈的融化下沉。建议这类工程病害应采取主动降温措施增强地基土的冻结能力,并加强防排水设施和改善地表水条件,消除水热侵蚀所产生的融化下沉。研究结果为青藏铁路路桥过渡段的稳定性和养护提供了科学依据。     

青藏直流联网工程多年冻土区砼灌注桩基础长期热稳定性预测研究北大核心CSCD

对于冻土工程而言, 基础热稳定性是决定工程稳定性及服役性能的关键. 为预测±400 kV青藏直流联网工程多年冻土区砼灌注桩基础的长期热稳定性, 建立了考虑相变问题的二维数值传热分析模型, 应用有限元方法研究了气候变暖背景下, 不同年平均地温、不同含冰量条件下灌注桩基础传热特性和长期热稳定性. 结果表明： 单桩对周围土体的热影响范围是桩径的4~5倍, 桩基周围融化深度随时间推移而增大, 在低含冰量的高温和低温冻土区桩基50 a后最大融化深度分别为6.65 m和3.05 m, 所对应的冻土上限平均融化速率分别为9.5 cm·a-1和3.6 cm·a-1;在高含冰量的高温和低温冻土区50 a后最大融化深度分别为5.25 m和2.77 m, 其冻土上限平均融化速率分别为6.7 cm·a-1和2.0 cm·a-1. 在气候变暖背景下, 桩基上部周围冻土逐渐升温、融化, 50 a后, 在低含冰量的高温冻土区桩基由于融化深度增大导致有效冻结长度减少28%, 在高含冰量的高温冻土区桩基的有效冻结长度减少15%, 桩侧冻结力随之相应减小. 该研究对于冻土区桩基长度设计、桩基工程的维护和冻土稳定性评价提供了重要的科学依据.     

分级加卸载作用下冻结界面黏弹塑性剪切蠕变解耦分析研究

桩-土界面间冻结力及荷载作用下界面的剪切力学行为是决定冻土区桩基础承载性能和荷载传递的关键。由于冰的显著流变性及高含冰量冻土区上限附近厚层地下冰的广泛分布特征,桩基础中上位具有的冰冻结界面剪切蠕变特性对桩基础的承载性能有显著影响。为研究桩冰冻结界面剪切变形特征及其内在机制,开展了-3℃、-5℃下冰-钢管结构分级加卸载剪切蠕变试验。通过对变形曲线的分段独立解耦,分析了冻结界面的黏弹塑性剪切变形行为。结果表明,界面剪切变形可分解为瞬弹性(S_ie)、瞬塑性(S_ip)、黏塑性(S_vp)以及黏弹性变形(S_ve)。广义弹性剪切模量随分级荷载的增加逐渐变大,表明加卸载过程中结构未加速破坏前界面存在明显的强化效应。界面剪切蠕变特征随剪应力水平的增加由衰减向非衰减过渡。其中,黏弹性变形和低剪应力水平下黏塑性变形均表现为衰减性,且荷载越大,黏弹性变形越大。高应力水平下黏塑性表现为非衰减性,且变形速率随剪应力水平增加显著提升。整体而言,冻结界面塑性变形值占总累计变形的比例先减小,后增大,其中瞬塑性变形主要存在于应力水平较...     

小半径曲线隧道下地铁运行对粉砂土层引起的振动响应规律

小曲线地铁盾构隧道位于粉细砂层中对于列车运营水平及竖向循环荷载的响应较为敏感,特别是离心水平荷载,而郑州大部分地层以此地质构成为主,因此地铁在长期运营状态下,由于粉细砂土层的动力响应导致的砂土层沉降,给列车运行会带较大隐患.进行了长期孔隙水监测,并利用MIDAS有限元计算平台建立地铁道床-衬砌-土体耦合动力模型进行相互验证,研究了单列列车运行与双向会车、不同隧道埋深时对隧道周围土层的振动响应规律.结果表明,孔隙水压力在列车运营初期较大,后期逐渐减小并稳定,其中受到上下班高峰期、季节性气候,以及地下水位的影响,孔压可能造成小幅度上升,但总体趋势是下降.由于荷载叠加效应,双向列车同时经过会使孔隙水压力增幅大于单向列车运行的情况,在隧道下方的最大沉降发生在隧道左端,离隧道越远沉降量越小;在地下水位一定时,隧道埋深与孔隙水压力大小成正比,与隧道周围土体沉降成反比.     

间歇性循环荷载下路基细粒土填料永久变形特性及预测模型

实际列车运营条件下相邻列车间存在一定的时间间隔,因此,列车对路基的长期作用由列车通过时的振动加载和无列车通过时的荷载间歇组成,即间歇性循环荷载。为探究路基在列车间歇性动荷载作用下的变形特性,开展了连续加载与间歇加载(单级、多级加载)的动三轴试验,研究了间歇加载下累积塑性应变的发展规律,并提出了相应的累积塑性应变预测模型。研究结果表明,间歇加载提高了试样抵抗荷载的能力、降低了累积塑性变形的发展;间歇加载下试样的累积塑性应变曲线呈"阶段式"增长,不同于连续加载下累积塑性应变曲线"平顺型"发展的特点;基于时间硬化方法对双曲线模型进行改进,并对间歇加载(单级、多级加载)下稳定型和临界型试样的累积塑性应变进行预测,取得了良好的预测效果。研究结果对于深入分析实际列车荷载作用下路基土体的变形特性和沉降预测具有一定的指导意义。     

不同成桩工艺条件下冻结粉土中基桩承载性状试验研究

桩基础作为冻土工程中最适宜的基础形式,主要采用插入桩、静压桩和灌注桩三种桩型,因其成桩工艺不同对冻土地基及桩基自身造成的差异不一。为研究不同成桩工艺对冻土地基及基桩承载性状的影响,通过开展室内-1.5 ℃条件下单桩静载模型试验,分析在冻结粉土中不同成桩工艺对地温场、桩基极限承载力、桩身轴力以及桩侧摩阻（冻结力）的影响规律。试验结果表明：灌注桩对桩周地温场扰动剧烈,桩侧温度较高,地温变化幅度大。随着桩周土体的回冻,地温逐步降低,其中灌注桩桩侧降温速率最大;在承载力方面,2根灌注桩的极限承载力约为12.8 kN,静压桩为11.6 kN,插入桩极限承载力最小,仅为钻孔灌注桩的2/3。并对比4种不同成桩工艺的基桩在不同荷载条件下对应的沉降量,体现出成桩工艺对基桩沉降造成的差异性;随着桩顶荷载的逐级增加,桩侧摩阻（冻结力）和桩端阻力逐渐发挥作用,桩身上部1/3由于温度较低,致使桩侧摩阻（冻结力）较大,在10 cm深度附近温度最低,使桩侧摩阻（冻结力）达到最大值;并对比4种不同成桩工艺的基桩在荷载5.6 kN下轴力沿桩身的传递情况,发现静压桩更易把荷载传递到冻土区深层地基。