地铁移动荷载作用下地基沉降的弹塑性分析

土体本构、隧道-地基模型与地铁荷载模拟是长期地铁移动荷载作用下地基土沉降研究的三个关键因素.本文以Drucker-Prager塑性本构模型表示土体应力-应变关系,采用与不平顺管理标准相应的激振力来模拟列车竖向动荷载,使用FLAC3D软件建立了地基结构的空间模型,详细探讨地铁隧道地基土沉降在不同加载次数下的动力反应和沉降规律.研究结果表明:埋深对地基土沉降的影响明显,随着埋深的减少,地基土的沉降逐渐增加;对于长期动荷载作用下的地基变形问题,采用塑性本构模型更能符合实际工况.     

列车移动荷载在地基中引起的主应力轴旋转

利用移动荷载作用下地基的应力解答,计算列车移动荷载在弹性半空间地基内产生的动应力.根据计算土单元与列车的相对位置,将动应力曲线分为3个阶段,分别对这3个阶段的土单元应力路径和主应力轴旋转进行分析.在每一个循环中,土单元应力路径变化规律和主应力轴旋转规律与单个轮轴荷载引起的主应力轴旋转相似,但轮轴荷载的相互叠加使得应力路径变化和主应力轴旋转都更加复杂.单个轮轴荷载引起的主应力轴旋转一直为顺时针方向,而在一个循环中由列车引起的主应力轴旋转则会发生摆动,尤其是大主应力旋转到z轴附近时.     

匀变速荷载作用下Vlazov地基上梁的动力响应分析

针对匀变速荷载作用下道路路面的动力响应问题,本文将荷载假设成匀变速均布荷载,将路面视为置于Vlazov地基上的Euler-Bernoulli梁,利用一种Fourier变换与有限差分法结合的方法,对Vlazov地基上梁在匀变速荷载作用下的动力响应进行了数值求解。与均质弹性地基上梁在单轴匀速荷载作用下的动挠度理论解进行了对比并验证了方法的正确性。分析了荷载加速、减速和初速度对梁的动态挠度的影响,研究结果表明:荷载加速、减速和初速度对梁的动力响应影响较大;初速度越大,随着荷载运动距离的增加,加速或减速对梁的动挠度峰值的影响越大;当初速度一定时,加速越大,梁的动挠度峰值越大,减速越大,梁的动挠度峰值减小,且加速对于梁的动挠度影响较减速更大。     

刚性长短桩复合地基桩土应力比试验

通过现场试验研究,对刚性基础与柔性基础下刚性长短桩复合地基桩、土应力及桩土应力比曲线的性状以及桩土应力比随荷载变化的规律及影响因素的作用机制进行了分析.研究表明柔性基础下的复合地基桩土应力比数值比刚性基础下的小,长、短桩桩土应力比差别不如刚性基础突出,反映出基础刚度对复合地基桩土荷载分担特性的影响;刚性基基础下长桩桩土应力比变化比短桩剧烈,其峰值是短桩的3倍左右,且刚性基础下复合地基桩土应力比随荷载变化规律也与柔性基础下的复合地基明显不同.     

波浪荷载下粉质土动应变和动强度的试验研究

为寻找不同振动频率的波浪荷载作用下海底粉质土的动应变和动强度发展规律,进行了一系列的模拟不同振动频率的波浪荷载的动三轴试验.试验选用杭州湾地区分布较广的粉土,研究了振动频率的变化对粉土动应变和动强度的影响.试验结果表明,粉土的动应变和动强度的发展与土样所受的固结应力、围压、循环应力比和振动频率有关;在等向固结条件下围压对土样的累积轴向应变增长的影响作用是由波浪荷载振动频率的高低决定的;波浪荷载振动频率的改变对不同围压作用下粉土的动强度影响很大,并且在该类粉土中存在临界循环应力比.     

飞机荷载作用下超载预压软土地基的长期沉降

为了研究超载预压地基在飞机荷载作用下的长期沉降,通过对温州淤泥质黏土进行室内循环三轴试验,建立饱和软黏土的累积塑性应变模型和累积孔压模型.利用层状弹性理论计算地基中的动偏应力,结合已建立的经验模型得到在交通荷载作用下软土地基的累积塑性应变和孔压消散应变.采用分层总和法计算飞机荷载作用下温州机场跑道超载预压地基的长期累积沉降,将计算沉降值与实测沉降值进行对比,验证了饱和超固结土不排水累积塑性应变模型和累积孔压模型的合理性.     

多层混合结构楼盖梁板与墙体的整体工作

本文把墙体作为楼盖梁板支承部分的弹性地基,考虑二者整体协同工作;同时考虑支承部分上部墙体的压应力(σ_0)对梁板和墙体内力相互影响。本文较合理地解决了多层混合结构在竖向荷载作用下梁板和墙体整体协同工作的内力计算问题。     

橡胶水泥土桩复合地基受力性能的有限元分析

目的 分析橡胶水泥土桩复合地基在上部荷载作用下的受力性能,为研究橡胶水泥土桩复合地基奠定基础.方法 通过ABAQUS有限元软件建立了桩土三维有限元模型,对不同橡胶粉掺入的橡胶水泥土桩进行计算分析,研究荷载-位移、桩身应力等各种影响其性能的曲线.结果 随着橡胶粉掺量的增加,荷载-沉降曲线拐点弱化.橡胶粉掺量增大,桩间土的竖向附加应力越大.由于橡胶粉掺入增加了桩间土的水平位移,使桩间土处于三向受压状态,促进了其承载能力的发挥,调整了桩土应力比.结论 合理的调配橡胶掺入比,可以在满足复合地基的沉降控制条件下,发挥桩土共同作用,改善复合地基的受力性能.     

柔性桩复合地基的沉降分析

为了分析柔性基础下柔性桩复合地基的沉降问题，提出了改进的单元体位移模型.通过假定的单元体竖向位移模式和纯摩擦桩桩侧摩阻力分布模式，利用桩土间无相对滑移、桩土界面处桩土压缩量相等和单元体边界处竖向切应力为零等边界条件，推导出复合地基纯摩擦桩桩侧摩阻力分布的具体表达式，以及加固区桩土压缩量的计算公式.随着荷载的增大，当桩体不再是纯摩擦桩时，计算方法同样适用于有桩端力或桩侧摩阻力达到极限值的情况.实例计算表明，理论公式计算结果与实测值比较接近.     

Gibson地基在简谐荷载下的竖向振动分析

用解析方法研究了下卧基岩的Gibson地基的动力问题.基于Biot动力固结方程,考虑了土体和水体的惯性力以及水土耦合作用的影响,采用Hankel积分变换求解耦联合方程组,得到动荷载下饱和土振动问题的解答.根据下边界为不透水基岩的边界条件,获得了地基表面作用圆形轴对称周期荷载时土层应力、位移等的一般积分形式解,并利用矩阵传递法完成了对多层地基和Gibson地基的计算.研究表明,激振频率的影响与渗透系数密切相关;随着层厚的增加,反射波的影响迅速衰减.     

移动荷载作用下地基-轨道系统的土动力分析

以列车运行时的轨道--地基系统为对象，将轨道--地基系统简化为成层地基上的Winkler梁模型，对移动荷载作用下成层地基的动力响应进行分析，得到了移动荷载作用下土的动力响应．     

高速列车荷载作用下路轨系统及饱和地基的动力响应

将在高速移动列车荷载作用下的铁路系统分为上覆路轨系统和下卧土体两部分.对于下卧土体部分,通过Fourier变换求解Biot多孔饱和介质的动力方程.对于路轨系统,将钢轨简化为无限长弹性Euler梁,将枕木简化为连续质量块,同时考虑道渣层的影响.用一系列符合列车几何尺寸的点荷载来模拟列车荷载.在Fourier变换域内,联立路轨系统和下卧土体的动力方程,求解在列车荷载作用下的钢轨位移和加速度、土体位移和加速度及土体孔压的表达式.利用数值积分方法对表达式进行Fourier逆变换,得到钢轨位移和加速度、土体孔压在时域内的表达式.通过算例讨论了荷载移动速度和土体渗透系数对钢轨速度和加速度及土体孔压的影响.结果表明,水相介质的存在和荷载移动速度均对土体动力响应产生很大影响.     

地震-高铁荷载共同作用下分层地基震动规律

为研究地震期间高速列车运行引起的地基震动规律,基于等效荷载法推导了频域内地震荷载输入公式,采用等效线性化方法考虑地基土非线性特性,结合高铁荷载下地基振动2.5维有限元计算方法,建立了地震-高铁荷载共同作用下非线性分层地基2.5维有限元模型,计算分析了车速及地基软硬对两动荷载共同作用下分层地基震动影响。结果表明：地震-高铁荷载引起的轨道中心处地面震动位移随车速的增大而增大;车速相同时轨道中心处地面震动位移随地基土刚度的增大而减小。地震和高铁荷载共同作用时地基震动会产生低频放大效应,车速越高、地基越软时地基低频震动放大效应越明显;两动载共同作用引起的地基中高频震动主要受列车荷载影响。近轨道中心处,地面震动主要受地震和高铁荷载共同作用影响;距轨道中心较远处,地面震动主要受地震荷载影响,高铁荷载的影响较小。     

移动荷载作用下的轨道—地基系统的动力响应

以列车运行时的轨道－地基系统为对象,将轨道－地基系统简化为半无限地基及成层地基上的Winkle梁,对高速移动荷载作用下的梁－地基系统的协同工作进行了分析,得到了轨道与地表面的动力响应的计算公式。     

2.5D有限元分析列车荷载引起非饱和土地面振动

为研究高速列车荷载引起非饱和土地面振动,将地基视为三相介质,开发非饱和地基2.5维有限单元方法.用Euler梁模型模拟轨道系统,对控制方程进行时间Fourier变换和轨道方向波数变换,结合边界条件和Galerkin法推导出频域内2.5维有限元方程,频域-波数域内解答通过快速Fourier逆变换得到时域-空间域结果,通过数值分析考察车速和路基饱和度对地面振动及超静孔隙水压力影响.结果表明:车速较低时,路基从近饱和到完全饱和轨道中心处地面竖向振动位移幅值显著增加;同一速度下非饱和路面加速度幅值大于饱和路面,其地面振动位移和加速度随时间更快衰减.同一车速下距轨道中心8 m处非饱和路基地面振动加速度峰值远大于饱和路基,车速超过300 km/h后两者地面振动位移幅值趋于相等.近轨道处地面振动幅值快速衰减,远轨道处衰减变慢.轨道中心下超静孔隙水压力分布深度为地表下0～4.5 m,最大峰值约在1.8 m,且随路基饱和度降低显著减少.     

Numerical investigation of piled raft foundation in mitigating embankment vibrations induced by high-speed trains

A three-dimensional dynamic finite element model of track-ballast-embankment and piled raft foundation system is established. Dynamic response of a railway embankment to a high-speed train is simulated for two cases: soft ground improved by piled raft foundation, and untreated soft ground. The obtained results are compared both in time domain and frequency domain to evaluate the effectiveness of the ground improvement in mitigating the embankment vibrations induced by high-speed trains. The results show that ground improving methods can significantly reduce the embankment vibrations at all considered train speeds(36-432 km/h). The ground response to a moving load is dictated largely by the relationship between load speed and characteristic value of wave velocities of the ground medium. At low speeds, the ground response from a moving load is essentially quasi-static. That is, the displacements fields are essential the static fields under the load simply moving with it. For the soft ground, the displacement on the ballast surface is large at all observed train speeds. For the model case where the ground is improved by piled raft foundation, the peak displacement is reduced at all considered train speeds compared with the case without ground improvement. Based on the effect of energy-dissipating of ballast-embankment-ground system with damping, the train-induced vibration waves moving in ballast and embankment are trapped and dissipated, and thus the vibration amplitudes of dynamic displacement outside the embankment are significantly reduced. But for the vibration amplitude of dynamic velocity, the vibration waves in embankment are absorbed or reflected back, and the velocity amplitudes at the ballast and embankment surface are enhanced. For the change of the vibration character of embankment and ballast, the bearing capacity and dynamic character are improved. Therefore, both of the static and dynamic displacements are reduced by ground improvement; the dynamic velocity of ballast and embankment increases with the increase of train speed and its vibration noise is another issue of concern that should be carefully evaluated because it is associated with the running safety and comfort of high-speed trains.     

高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法

针对高铁运行引起的地基振动和塑性变形问题,提出高铁荷载作用下弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法。将高铁运行诱发的地基变形视为材料非线性问题,采用改进的摩尔-库伦模型模拟地基土,基于弹性地基2.5维有限元法,将通过弹性理论计算得到的位移作为试探位移,经摩尔-库伦屈服准则判定屈服后,引入切线刚度迭代法、后向欧拉积分算法和一致切线模量算法实现刚度矩阵的更新迭代,从而求解出高铁运行引起的塑性变形。在此基础上,将轨道视为Eular梁,采用修正的多频列车荷载模拟高铁列车运行,并使用黏弹性人工边界处理截断边界,建立高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元验证模型。通过与移动点荷载弹性半空间解析解和地面振动实测结果进行对比,验证本文弹塑性地基2.5维有限元法理论的正确性及模型应用的可靠性,表明该方法可用于高效求解高铁运行引起的地面振动及累积变形问题。     

列车加减速引起轨道结构和饱和地基振动

为了研究列车加减速引起的饱和地基振动问题,基于两相介质Biot动力控制方程的简化u-p格式,开发二维饱和土体单元. 通过引入饱和土体黏弹性人工边界,求解移动点荷载作用下的二维饱和地基动力响应,并与半解析解进行对比验证,说明饱和土体单元的正确性和黏弹性人工边界的适用性. 结合E-B梁单元、弹簧-黏壶单元和集中质量单元对轨枕、道砟离散支承的轨道结构及饱和地基进行二维有限单元离散. 将列车荷载简化为平面内的移动轴荷载,通过与列车匀速时对比研究列车加速和减速时饱和地基的孔压、位移响应及离散轨枕、道砟的加速度响应. 结果表明列车减速将增大轨枕、道砟的水平及竖向加速度峰值;列车加速和减速在饱和地基中引起方向相反的土体水平向位移,且减速时土体水平位移峰值更大;列车加速和减速均增大土体竖向位移峰值.     

移动荷载作用下轨道-高架桥系统的动力分析

以城市轻轨系统为研究对象，建立了轨道—高架桥系统的计算模型，分别以二次梁模型和Euler梁离散化模型计算移动荷载作用下轨道和高架桥的动力响应，并对2种模型的计算结果作了比较与分析。