地表交通荷载引起邻近浅埋隧道振动评价研究

为研究地表交通荷载引起邻近浅埋隧道振动问题,建立地表移动荷载下三维弹性半空间中隧道振动分析模型。隧道衬砌模拟为中空圆柱体,隧道周围土体模拟为含有圆柱形空腔的黏弹性半空间。地表车辆荷载简化为4个均布矩形荷载,矩形荷载可以分解为关于隧道轴线正对称和反对称2种荷载分量。含有圆柱形孔洞的地基中位移场分解为下行平面波引起的位移场和外行圆柱波引起的位移场,通过波场转换可对地表和衬砌–土体接触处的边界条件进行描述,在频域中获得控制方程基本解,然后利用快速Fourier变换获得时域结果求得。地表车辆荷载下邻近隧道的振动响应可由正对称和反对称荷载工况下的结果叠加得到。计算结果表明:隧道两侧车辆荷载在隧道处引起径向动应力最大值分布在以竖向为中心的-45°～45°范围;增加隧道埋深或车辆距隧道的水平距离,可显著减小隧道的振动速度响应和应力响应;一定隧道埋深下,车辆荷载与浅埋隧道的水平距离达到最小安全距离时隧道振动可以满足相关振动规范的要求,且该安全距离跟车辆速度在研究范围内呈线性关系。     

高速列车引起的地基振动

针对高速列车引起的环境振动问题,分别以移动线源非均布荷载和粘弹性半空间体模拟运动列车荷载和地基,分析了高速列车引起的地基振动。首先采用积分变换法推导了移动线源非均布荷载作用下粘弹性半空间体动力响应的二维积分解析解,包括位移、速度和加速度。然后采用IFFT算法和自适应数值积分算法计算二维积分,得到了低音速、跨音速和超音速移动荷载作用下动力响应的数值结果。最后分析了荷载移动速度对动力响应最大值和分布的影响,发现当荷载移动速度大于Rayleigh波速时,粘弹性半空间体的动力响应出现显著变化。     

浅埋隧道在部分集中脉冲荷载作用下的波动响应

基于Hamilton理论-弹性波动理论,采用解析法研究了局部集中瞬态脉冲荷载下半空间隧道的动力响应。衬砌采用Hamilton壳体理论模拟,土体采用弹性介质动力学理论模拟,通过波函数展开法、Graf坐标转换法和Laplace变换法及其数值逆变换,求解了半空间中隧道瞬态集中荷载响应的半解析解。通过MATLAB数值计算,分析了隧道不同位置衬砌刚度、土体波速、衬砌环向角度的波动特性。结果表明:隧道环向各位置处位移与应力幅值随埋深增加而减小,环向应力和径向位移曲线波动趋势相似,在各角度上的响应幅值各不相同,由于地表存在,隧道顶部响应大于其他各位置;衬砌外表面的位移与应力随土体波数增加而减小,同时隧道位置的改变对土体波数变化影响较大,以隧道顶部响应最为显著;当衬砌刚度增大时,其环向各位置响应衰减幅度不同,其中隧道底部位置处的幅值衰减最大。     

模拟路基动力响应的原位激振试验研究

动荷载下路基动力响应规律是研究路基长期动力稳定性的基础。采用自行研制的分离式变频激振器,开展铁路路基动力响应的模型试验,研究不同激振频率、动载水平下铁路路基本体的动力响应规律,掌握石灰改良土+粉质黏土填筑的铁路路基本体的共振频率约为25 Hz,路基表层的振动加速度、动应力随着激振频率的增加而显著增大;弄清了振动加速度、动应力沿深度和水平方向的变化规律,两者在主要影响深度1.5 m处已衰减90%,表明其沿深度方向的衰减速度较无砟轨道路基情况下快,而两者沿水平方向的变化受到应力扩散效应的影响,在浅层水平面会迅速衰减,而一定深度(0.7 m)处反而比较稳定,反映了路基动力响应的空间变化特征。     

基于解析层元法的成层半平面地基移动荷载动力响应研究

解析层元法具有较高的计算效率和数值稳定性,为此基于解析层元法研究移动荷载作用下层状各向同性地基的平面应变动力响应问题。假定研究坐标系随移动荷载同步移动,移动荷载相对于移动坐标系处于相对静止状态,从而将移动荷载作用下的动力问题转化为准静态问题。结合移动坐标系下的控制方程和傅里叶变换方法,推导出单层有限厚度和半空间土体在傅里叶变换域内的解析层元。根据有限层法原理组装各土层的解析层元得到总刚度矩阵,再结合边界条件求解总刚度矩阵方程在积分变换域内的解。然后,利用傅里叶积分逆变换将变换域内的解答转换为物理域内的解。最后,通过算例验证本文理论的正确性,并分析荷载移动速度、荷载作用深度、成层性及地基加固厚度与加固效果等对成层地基动力响应的影响。研究表明:地基的竖向位移和竖向应力随荷载移动速度的提高而不断增大,当移动速度接近土体的剪切波速时,地基竖向位移和竖向应力均迅速增加;移动荷载作用下地基的成层性对土体的竖向位移有较大的影响,且主要受地基表层土体性质的影响;表层土体的加固对减小地基沉降有显著效果,随着加固效果的增加,地表沉降的减小量逐渐降低。     

岩石介质中地铁列车运行引起的环境振动响应研究

 利用弹性波理论,分析适于分层地基的黏弹性人工边界;以处于岩石中的青岛地铁三号线为研究对象,采用有限元方法建立环境振动计算模型,针对不同岩层弹性模量、隧道埋深、衬砌厚度对地铁运行所致环境振动响应的影响规律进行研究。研究结果表明,不同深度岩层弹性模量的变化对地铁振动所致环境响应的影响不同;在弹性模量较大岩石介质中地铁引起的自由地表振动垂向加速度只有隧道顶部正上方一个放大区;地铁对自由地表的振动响应随隧道埋深减小而增大;衬砌厚度对地铁振动环境响应影响较小。     

列车振动荷载作用下公轨合建隧道及周围土体动力响应特性研究

为了研究列车振动荷载作用下公轨合建隧道及周围土体的动力响应特性,采用模型试验与数值模拟相结合的方法,基于时频分析研究隧道管片和内部结构的动力响应特性以及振动波在地层中的衰减特性。研究结果表明：列车荷载作用下全频域范围内,隧道管片结构动力响应随着频率的增大而增大,而内部结构上部车道动力响应表现为随频率的增大先增大(0～140 Hz)后减小(140～200 Hz)。就不同位置动力响应衰减幅度而言,上部车道最大,其响应平均衰减幅度为20.05dB,相应地时域上峰值加速度的衰减幅度为72.6%。此外,考虑列车振动荷载的移动效应会使隧道结构的动力响应增大,移动荷载作用下道床处峰值加速度增加了约105%,内部结构侧壁处增大了41.9%,侧壁与上部车道连接处增大了47.3%,上部车道中心处增大了22.3%。单次列车振动荷载作用过程中隧道结构的最大位移发生于拱底,其峰值为3.85 mm。     

机场跑道下部隧道爆破施工的合理埋深研究

以正在规划中的重庆轨道交通轻轨三号线下穿重庆江北机场主跑道及滑行道的区段为研究背景,采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件对不同埋深的隧道掘进爆破施工进行数值模拟,通过对地表爆破振速与埋深的关系的分析研究,得出隧道施工的合理埋深。模拟计算的结果显示:软件中的高性能炸药材料MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN的模型能较好模拟爆炸荷载,模拟计算得出的地表最大振动速度与实测最大振速相近;地表震动响应随着隧道埋深的增加而减小;地表振动速度与爆破装药量近似呈正比例关系。结合机场跑道安全标准,确定了机场跑道下部的隧道爆破施工的合理埋深。     

列车荷载在地基中引起的应力响应分析

用弹性地基上Timoshenko梁及其在移动荷载作用下的动力解计算得到地基表面与路堤之间的反力。将其视为作用于地基表面的荷载,以单位移动荷载引起的半空间地基内部应力解为基础,对反力在作用空间上进行积分,得到了列车速度小于地基中Rayleigh波速时,列车荷载在地基中引起的稳态应力响应解答。通过与列车振动现场测试结果(路堤位移和速度)的比较,证明了所采用模型的合理性。给出了应力及其分布随时间和空间坐标的变化,分析了应力的特性及分布规律,发现列车经过时在地基中产生的动应力是一种以压应力为主的循环荷载。动应力的空间分布与地基表面作用静力荷载(如条形荷载)产生的应力分布相似,但随列车运动而呈动态变化。还研究了半空间地基的土性和列车速度对应力的影响,发现剪切模量对应力的影响与车速有关,列车速度对应力分布的影响很大,尤其是当速度比超过0.6时,而泊松比仅对水平应力影响较大。     

公交车移动荷载作用下浅埋电力隧道结构动力响应分析

为研究浅埋电力隧道在公交车移动荷载作用下的结构动力响应情况,以某城市既有浅埋电力隧道为例,建立了“公交车荷载-道路-电力隧道”多元耦合动力分析模型,并对公交车移动荷载加以简化,重点分析了公交车以36、54、72 km/h三种车速情况下路面和隧道顶板的动力响应特征。结果表明,在36、54、72 km/h三种不同车速条件下,路面和隧道顶板的最大沉降量和最大振动应力幅值随车速变化的幅度较小,而它们的最大振动速度幅值和最大振动加速度幅值随车速变化的幅度较大,但整体上路面和隧道顶板的振动效应随车速提高而增长。因此,在实际工程中应加强管控高速运营公交车辆对既有电力隧道产生的不利振动影响。     

Effect of underground tunnel on the ground surface acceleration

A series of dynamic centrifuge tests was designed and conducted to study the seismic behavior of buried box tunnels. In this study, numerical simulations of the same tests were also performed using a finite difference software. The simulation results were in very good agreement with the results observed in the centrifuge tests. Subsequently, verified numerical model was used to perform parametric studies on the effect of an underground box tunnel on the ground surface acceleration. The results of parametric studies revealed that an underground tunnel could have either positive or negative effect on the ground surface acceleration. Presence of the tunnel amplifies long periods and deamplifies short periods of the motion. Therefore, it is concluded that the effect of an underground structure on the acceleration at the ground surface may be significant and hence, should be taken into account for seismic zonation of urban areas.     

高速移动荷载作用下的轨道-地基系统的动力响应

以高速列车运行时的轨道－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梁模型，对高速移动荷载作用下梁－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。     

基于Betti-Rayleigh动力互易定理求解移动荷载引起的地基土振动

 基于Betti-Rayleigh动力互易定理,论证了地基土Green函数的互易性,推导了移动荷载引起的地基土振动解析解,进而推证出移动常力荷载和移动简谐荷载作用下地基土表面振动在波数–频率域内和空间–时间域内的解析表达式,并采用Matlab对其进行数值计算。通过互易定理的使用将振源的移动问题变换为地面上受振点的移动问题,使移动荷载作用下地基土振动响应的解析表达式大大简化。最后结合某地基土参数对移动的单位常力荷载和单位简谐荷载作用下的地面振动进行算例分析,结果表明：移动常力荷载引起的地面振动属于典型的低频振动;移动简谐荷载作用下地基土表面出现波动的Doppler效应,且地面上受振点的振动频率范围由最上层地基土的Rayleigh波波速控制;地面上的受振点距振源较近时,地基土表面R波对振动的贡献明显高于P波和S波,而当受振点距振源较远时,P波对振动的影响较明显。     

2.5维有限元分析饱和地基列车运行引起的地面振动

从饱和土的Biot波动方程出发,通过对时间的Fourier变换得出频域内的波动方程,再结合边界条件利用Galerkin法推导出频域内的u–p格式的有限元方程。把轨道视为饱和地基上的Euler梁,通过沿轨道方向的波数变换将三维空间问题降为平面应变问题。将平面应变问题解答沿轨道方向进行波数扩展,最后通过快速Fourier逆变换求得三维时域–空间域内的地面振动响应。假设体波波阵面为半圆柱形式,推导出了适合饱和多孔介质2.5维有限元的黏弹性人工边界。验证了计算模型。结果表明：车速低时,弹性介质的竖向位移大于饱和介质;高速时,饱和介质竖向位移大于弹性介质。车速略微超过饱和土剪切波速时地面产生振动增大现象,随车速进一步增加位移幅值又逐渐减小,但随距离的增加衰减变慢,且得出了不同车速时孔隙水压力随深度的变化曲线。     

基于振源-传播模型的地铁引起地面振动数值预测

针对上海地铁运行引起地面振动的预测问题,应用振源模型计算不同车速对轨道基础的激振力,应用传播模型计算不同激振力输入下的地面振动加速度,建立了“地铁-隧道-土层”系统动力有限元模型。通过对比数值模拟结果与实测结果,分析了不同因素对地铁引起地面振动的影响规律。结果表明:随着地铁车速增加,振源激振力和地面振动加速度的幅值均明显增大;地面上距地铁中心线30 m范围内各点振动加速度峰值随距地铁中心线距离由近及远呈幂函数形式衰减;地面振动加速度频率主要为低频振动,随着距地铁中心线距离的增大,高频衰减相对于低频更为明显;建议上海地区建筑尽量在地铁中心线20 m范围外进行规划,或采取降低设计车速、减轻车辆荷载、优化隔振措施等方法,减少地铁运行引起地面振动对地面建筑及居民生活的影响。     

参数化分析列车运行产生的路堤–地基振动

 为预测和分析高速列车运行产生的轨道和路堤振动及波动在沿线周围地基中的传播，利用2.5维有限元方法建立了轨道、路堤和下卧层地基在移动荷载作用下的动力耦合分析模型及无路堤情况下的轨道地基模型，求解三维地基的动力响应。对高速或低速运行的列车多轮重荷载产生的路堤和地基振动进行对比分析。通过参数化分析明确轨道刚度、路堤高度、地基土的剪切波速及阻尼系数、列车速度和振动频率等参数对地基振动和传播特性的影响。给出的方法和结论可用于分析软土地基上运行高速列车时的稳定性问题和评估列车运行对周围环境的振动影响。     

地铁列车荷载作用下轨道系统及饱和土体动力响应分析

 为研究地铁列车运行引起的轨道系统及饱和土体动力响应问题,建立了地铁列车–轨道结构–衬砌–饱和土体耦合分析模型,其中列车荷载用一系列符合列车几何尺寸的移动常荷载或移动简谐荷载模拟,轨道结构中的钢轨和浮置板简化为无限长弹性Euler梁。基于弹性理论和Biot多孔介质理论,采用2.5维有限元法分别模拟衬砌和饱和土体,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现浮置板轨道系统与衬砌及周围饱和土体的耦合,并通过快速Fourier逆变换(IFFT)进行波数展开获得三维时域–空间域内的动力响应。研究结果表明,随着常荷载移动速度和移动简谐荷载自振频率的提高,地表振动水平显著增大;移动常荷载产生的地表响应最大值在荷载正上方,其空间衰减率保持恒定;移动简谐荷载产生的地基振动大于移动常荷载产生的地基振动,响应最大值在列车运行线路两侧一定范围内;在移动简谐荷载作用下,钢轨速度谱与地表速度谱分布在以简谐荷载自振频率为中心的一段范围内。     

交通荷载作用下公路路面结构振动分析

为了研究路面结构的振动特性,基于2.5D有限单元方法建立了高速公路路面结构和下卧层地基在交通荷载作用下的三维耦合振动模型。通过计算分析了路面振动加速度的变化规律和路面结构的面层、基层和底基层中的应力分布,考虑了车辆运行速度、荷载振动频率、路面分层结构形式、路面材料和下卧层地基模量等因素的影响。结果表明：车辆运行速度和荷载振动频率对路面结构的振动响应有着显著影响;同时随着路面材料刚度的提高,路面结构振动会降低,在实际工程中可通过选用合适刚度的路面材料以获得路面性能的较大改善。