地基剪切模量对列车引起的动应力的影响

为了分析地基剪切模量对列车引起的地基动应力的影响,利用移动荷载作用下弹性半空间内部的应力响应解,计算了两种不同速度、不同地基剪切模量时,列车引起的地基表面反力和地基动应力。在两种速度下,反力最大值均随地基剪切模量的增大不断增大。不同速度时,地基剪切模量对动应力的影响是不同的。     

土体饱和度对移动荷载引起多层非饱和铁路地基振动的影响

采用半解析法研究了移动荷载作用下多层非饱和铁路地基的共振问题,分析了土体饱和度对非饱和地基振动的影响。采用分层非饱和多孔介质描述铁路地基;基于非饱和多孔介质的控制方程,采用多重傅里叶变换和土层界面位移、应力条件,推导了频率-波速域分层非饱和地基总体刚度矩阵。结合包括钢轨、轨垫、轨枕和道砟的轨道模型,建立耦合轨道-地基半解析模型。研究了移动简谐荷载作用在轨道上的多层非饱和地基的动力响应;考虑饱和度对土体剪切模量的影响,讨论了地基首层土和夹层土饱和度变化对地面振动的影响。采用频散曲线研究了地基共振模态。研究发现土体饱和度变化对振动位移的影响规律,与地基分层、荷载速度和频率有关。随饱和度减小,地基共振模态出现频率增大,地基关键速度增大。     

非均匀饱和半空间的Lamb问题

基于Biot多孔介质波动理论,建立孔隙率、密度、剪切模量和渗透系数相互耦合且同时沿深度变化的非均匀饱和半空间模型,引入量化的非均匀梯度表征地基非均匀程度。在柱坐标系下构建以土骨架位移和孔隙压力为基本未知量的三维动力控制方程,采用算子运算和Hankel积分变换求解控制方程,推导出简谐集中力作用下半空间地基振动响应的积分解。将所得结果分别退化到均匀饱和半空间和弹性半空间与经典Lamb解做了对比,验证了结果的正确性。利用已有研究结论,给出孔隙率、密度、剪切模量和渗透系数之间的耦合关系式,代入推导结果进行数值计算。分别对水饱和地基和气饱和（干土）地基的动力响应进行分析,给出两类地基在动力作用下的振动位移和孔隙压力分布,并对非均匀性的影响作出分析。结果表明：4参数沿地基深度耦连变化对地基的动力响应产生一定程度影响,振动位移和孔隙压力在地层中的衰减速度由此加快。由于水的黏滞性远大于气体,所以水饱和地基中的振动衰减更快。非均匀程度越高,耦合效应的影响越明显。     

基于薄层法和移动坐标系法的地铁竖向振动在成层土层中传播

针对地铁竖向振动在成层地基中的传播,提出了移动荷载作用下层状地基的分析模型。基于该模型,利用狄拉克函数及三重傅里叶变换将时空域内单个移动简谐荷载转换为频率-波数域内的荷载,结合薄层法和移动坐标系法推导了单个移动简谐荷载和移动简谐线荷载作用下三维层状地基动力响应的解析解,并给出了移动简谐线荷载动力响应解析解中参数n的经验取值范围;分析了荷载的移动速度对层状地基动力响应的影响以及弹性模量、泊松比、阻尼比和荷载频率对土体临界速度的影响。结果表明：荷载的移动速度对不同频带的动力响应的影响范围不同;移动速度对低频响应的影响程度大于对高频响应的影响程度;相比于泊松比和阻尼比,弹性模量对土体临界速度的影响最大;频率越接近荷载振动频率的振动响应,其幅值越大,临界速度越小。     

非均布列车荷载作用下软土路基的振动分析

基于实测资料,假设列车轮载经钢轨传递下来的荷载由5根枕木承担。根据分担比,获得了道渣层表面非均布荷载的表达式。将道渣层视为单相弹性介质,软土地基被看成是考虑水土耦合作用的饱和多孔介质。借助势函数,利用Helmholtz矢量分解法及Fourier变换技术分别对弹性土体和饱和半空间土体进行求解,得到非均布移动荷载作用下软土地基位移、应力及孔压响应在变换域内的精确解答。利用FFT算法得到了数值结果,详细分析了荷载分布形式、观察点位置、道渣性质以及软土地基渗透系数对动力响应的影响。研究结果表明：高速情况下动力响应与低速情况有很大不同;对于软土路基,应特别注意列车高速运行时路基浅层范围内产生的孔压响应。     

条形荷载作用下梯度饱和土的动力响应分析

根据Biot波动理论,研究了条形均布荷载作用下非均匀饱和土地基的动力响应问题。利用Fourier积分变换,通过Helmholtz矢量分解原理,建立了饱和土层在动荷载作用下的回传射线矩阵法计算列式,考虑饱和土的物理力学性质沿深度方向按幂函数连续变化,采用数值Fourier逆变换获得了饱和土地基的位移、应力和孔隙压力等物理量的数值解。分析讨论了材料非均匀性对饱和土介质动力特性的影响。结果表明,非均匀饱和土的动力行为与均匀饱和土有着明显的不同,当土体的非均匀程度越高,条形荷载中点下流体压力和应力幅值越大,而位移、流体压力以及应力等物理量在水平方向的振动频率均随着土体非均匀变化程度的增强而增大。     

列车荷载下上覆弹性层横观各向同性饱和地基的动力响应

基于Biot多孔弹性介质的波动理论,构造了轨道、道碴、枕木及弹性层的横观各向同性饱和地基在列车荷载下的动力计算模型。利用Fourier变换,得到了列车荷载作用下横观各向同性软土地基上弹性层动力响应的解析结果。利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果,分析了荷载速度、地基的各向异性参数、弹性层刚度系数及厚度对位移和孔压响应的影响。分析结果表明：弹性层对控制地基振动作用显著,地表振动幅值随荷载速度的增加而增大,软土的横向弹性模量对地表振动及土中孔压有较大影响。     

列车引起的地基动应力特性

为分析列车引起的地基动应力特性,用移动荷载作用下的弹性地基Euler-Bernoulli梁模型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移动面荷载,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。给出了应力随空间坐标和时间的变化,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循环应力,具有明显的偏移应力。竖向动应力的影响范围随着列车速度的增大而不断增大。     

非均匀地基与均匀地基解答之间的相似关系

考虑材料特性沿厚度按幂律梯度变化的非均匀地基,研究了在竖向和水平线荷载作用下,非均匀弹性地基与均匀弹性地基解答之间的转换关系。基于应变分量之间的变形协调条件,获得了非均匀弹性半空间在线荷载作用下的应力分量和应变分量的解析表达式,通过比较非均匀地基和均匀地基的解答,发现了它们之间的线性相关性,可将非均匀弹性地基在均布线荷载作用下的解答用相同条件下的均匀地基解答线性表示,得到了解答之间的相似转换系数的表达式,该系数集中反映了地基物理力学特性的非均匀程度。因此,借助于均匀地基的经典解答,可将非均匀地基问题的求解转化为对相似转换系数的计算,从而使得问题得以简化。为了方便应用,采用曲线图的形式给出了不同非均匀指数情形下的相似转换系数。     

双层广义Gibson地基轴对称问题求解

假定双层地基土体为弹性、不可压缩、剪切模量随深度线性变化的广义Gibson地基,在两层土体剪切模量表达式常数项与一次项系数之比相同条件下,采用Hankel变换,得到了表面分布轴对称荷载时地基土体应力、位移的积分形式解,讨论了下层深度、剪切模量等对位移的影响。获得的解可退化到半空间情况。     

Analytical solutions for Euler‐Bernoulli Beam on Pasternak foundation subjected to arbitrary dynamic loads

In this paper, the dynamic response of an infinite beam resting on a Pasternak foundation and subjected to arbitrary dynamic loads is developed in the form of analytical solution. The beam responses investigated are deflection, velocity, acceleration, bending moment, and shear force. The mechanical resistance of the Pasternak foundation is modeled using two parameters, that is, one accounts for soil resistance due to compressive strains in the soil and the other accounts for the resistance due to shear strains. Because the Winkler model only represents the compressive resistance of soil, comparatively, the Pasternak model is more realistic to consider shear interactions between the soil springs. The governing equation of the beam is simplified into an algebraic equation by employing integration transforms, so that the analytical solution for the dynamic response of the beam can be obtained conveniently in the frequency domain. Both inverse Laplace and inverse Fourier transforms combined with convolution theorem are applied to convert the solution into the time domain. The solutions for several special cases, such as harmonic line loads, moving line loads, and travelling loads are also discussed and numerical examples are conducted to investigate the influence of the shear modulus of foundation on the beam responses. The proposed solutions can be an effective tool for practitioners. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

多向荷载作用下层状地基刚性桩筏基础分析

提出一种多向荷载作用下层状地基中刚性桩筏基础的计算方法。基于剪切位移法,采用传递矩阵形式分析了竖向荷载下桩顶面-桩顶面相互作用;引入修正桩侧地基模量,采用有限差分法分析了水平荷载下桩顶面-桩顶面相互作用;基于层状弹性半空间理论,分析了多向荷载下桩顶面-土表面、土表面-桩顶面、土表面-土表面的相互作用关系。建立了桩土体系柔度矩阵,得到了多向荷载下层状地基中刚性桩筏基础的受力和变形的关系以及桩的内力和变形沿桩身分布规律。通过与有限元对比,验证了该方法的合理性和修正地基模量的优越性,并对多向荷载作用下的桩筏基础进行了计算分析,计算结果表明,水平力将会引起桩筏基础的倾斜。     

Analytical solutions for Euler–Bernoulli beam on visco‐elastic foundation subjected to moving load

Analytical solutions for the steady‐state response of an infinite beam resting on a visco‐elastic foundation and subjected to a concentrated load moving with a constant velocity are developed in this paper. The beam responses investigated are deflection, bending moment, shear force and contact pressure. The mechanical resistance of the foundation is modeled using two parameters k_s and t_s — k_s accounts for soil resistance due to compressive strains in the soil and t_s accounts for the resistance due to shear strains. Since this model represents the ground behavior more accurately than the Winkler spring model, the developed solutions produce beam responses that are closer to reality than those obtained using the existing solutions for Winkler model. The dynamic beam responses depend on the damping present in the system and on the velocity of the moving load. Based on the study, dynamic amplification curves are developed for beam deflection. Such amplification curves for deflection, bending moment, shear force and contact pressure can be developed for any beam‐foundation system and can be used in design. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

交通荷载作用下公路路基工作区深度研究

根据路面不平整实测资料,获得了汽车动荷载的计算模型和参数,并利用此荷载模式来分析公路结构的动力响应。考虑到公路结构的三维分层性状,利用Fourier变换技术和求解层状结构的精确刚度矩阵法,研究了公路结构在移动汽车荷载作用下的动力响应问题。为了方便工程应用,利用Odemark厚度和模量的当量转换公式,将公路结构简化为由路面、路基及地基组成的3层体系,并以此为基础分析了路基动应力的衰减规律,同时重点研究了汽车轴载大小、当量路面厚度及路基模量对路基工作区深度的影响,最后建议了路基工作区深度的定量表达式,研究结果可为公路路基设计提供参考。     

云桂高速铁路新型全封闭路堑基床动响应特性研究

膨胀土地区路堑基床病害是高速铁路建设中倍受关注的问题。结合云桂高速铁路工程实际,以典型膨胀土新型路堑基床为基础,借助有限差分软件FLAC3D,建立了三维路堑基床动力分析模型,探讨了列车荷载作用下新型全封闭路堑基床动力特性,并结合现场试验进行了分析。分析结果表明：数值模拟结果可较好地反映基床动响应变化规律,且与现场实测变化趋势相同;基床竖向动应力随深度呈指数型衰减,基床竖向动位移随深度呈幂函数型衰减;路基面动位移值为0.95 mm,满足高速铁路规范要求;基床动响应特征受服役环境影响显著,浸水条件下会引起基床表层动应力及振动速度增大;铺设防排水结构层可改善基床内的动应力分布,并减小路基面的动位移及增强基床抗振性能。研究成果可为膨胀土地区高速铁路工程实践及理论研究提供参考。     

矩形运动荷载作用下软土地基的三维振动研究

通过引入势函数,并利用Helmholtz原理和Fourier变换技术,研究了运动荷载作用下有限层厚软土地基的振动,考虑了矩形分布荷载作用下振动的三维特性,使得分析更符合工程实际,给出了运动荷载作用下饱和黏弹性地基三维振动的应力、位移和孔隙水压力响应的积分形式解答。利用Fourier数值逆变换进行算例分析,讨论了荷载速度对位移及孔隙水压力分布的影响。结果表明,位移幅值随荷载速度的增加而增大,荷载不同位置处孔隙水压力的分布有很大差异。     

列车荷载下轨道系统-层状横观各向同性饱和地基动力响应

基于Biot波动理论,构建列车荷载-轨道系统-双层状横观各向同性饱和地基模型,将模型分为上覆路轨系统和地层系统。对上覆路轨系统和地层系统处理,并利用双重Fourier变换技术,在变换域中将横观各向同性饱和地基动力响应的求解简化为求解一个6阶控制方程的特征值问题,进而得到了列车荷载作用下双层横观各向同性饱和地基力响应的解析结果。利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果,重点分析了上下土层的刚度和泊松比对位移和孔隙水压力和剪切应力响应的影响,结果表明,上、下土层刚度差异对地基动力响应有较大影响,土层各向异性参数中模量的影响较泊松比大。计算结果可为软土路基加固深度的确定提供理论依据。