Dynamic responses of a poroelastic half‐space from moving trains caused by vertical track irregularities

The vibrations of railway tracks on a poroelastic half‐space generated by moving trains are investigated through a vehicle–track–ground coupling model. The theoretical model incorporates a vehicle, a track, and a fully saturated poroelastic half‐space soil medium. The source of vibration excitation is divided into two components: the quasi‐static loads and the dynamic loads. The quasi‐static loads are related to the static component of the axle loads, whereas the dynamic loads are due to the dynamic wheel–rail interaction. A linear Hertizian contact spring is introduced between each wheelset and the rail to consider the dynamic loads. Biot's dynamic theory is used to characterize the poroelastic half‐space soil medium. Using the Fourier transform, the governing equations for the track–ground system are solved and the numerical results are presented for a single axle vehicle model. The different dynamic characteristics of the elastic soil medium and the saturated poroelastic medium are investigated. In addition, the different roles of the moving axle loads and the roughness‐induced dynamic loads are identified. It is concluded that the vibration level of the free field off the track predicted by the poroelastic soil medium is smaller than that predicted by the elastic soil medium for vehicle speed below the Rayleigh wave speed of the poroelastic half‐space, whereas it is larger for vehicle speed above the Rayleigh wave speed. The dynamic loads play an important role in the dynamic responses of the track–ground system. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

移动荷载下高铁路基段振动加速度频谱衰减特性

采用精细化和多尺度建模技术,建立了设计速度为350 km/h的双线高速铁路轨道-路基-地基非线性耦合系统的真三维动力分析模型,将地基土和路基填筑材料的非线性纳入分析模型中,采用三维黏弹性静-动力统一人工边界技术对地基无限域进行模拟,采用动接触算法模拟底座板底面和基床表层表面之间的相互作用,考虑移动荷载作用前路基-地基中客观的静应力状态对后续动力计算的影响,依托大规模并行计算技术和单元生死技术,模拟了地基的初始应力场生成、路基结构和轨道系统的施工过程,在此基础上模拟了与8辆编组的某型动车组轮对空间位置相对应的、作用于钢轨顶部的压力荷载的移动过程。基于分析结果,归纳了移动荷载作用下高速铁路轨道-路基-地基系统中振动加速度频谱的衰减特性。     

移动荷载下瞬态振动的三维移动坐标有限元分析

针对移动荷载引起地基振动问题的特点,在随荷载移动坐标系下建立有限元方程进行分析,能够与常规有限元方法较好地符合。建立了可用于移动坐标有限元法的黏弹性边界,从而有效地模拟波在边界的透射。以Euler-Bernoulli梁模拟轨道和路基的作用,以三维实体单元模拟黏弹性分层地基,得到的数值模拟结果能够与瑞典Ledsgård地区高速铁路实测数据较好地吻合,表明移动坐标有限元法可以有效地分析此类问题。     

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。     

武广高速铁路路基振动现场测试与分析

为研究武广高速铁路无砟轨道路基的振动特性,对武昌－咸宁综合试验段路基进行了现场实车测试。获得了各测点在不同列车荷载作用下的竖向振动加速度和动应力幅值,总结了试验段路基动力响应的分布规律,获得了试验段路基的固有频率,并结合小波分析方法对路基的振动特性进行了频域分析。结果表明,车速的提升加剧了基床表层顶面路基的振动,在260～320 km/h车速段尤为明显。经过2.7 m高路堤的衰减,路基的动力响应幅值和振动能量已基本不受车速影响。级配碎石层能有效抑制振动沿路基深度的传递。随着车速的提升,转向架固定轴距作用率、轨道不平顺成为引起路基振动的主要原因。轴重对动力响应幅值和振动能量的影响较车速更为显著,轴重的增加使得振动能量在频域内更为集中。     

列车运行时由轨道不平顺引起的地基振动研究

采用半解析法研究了列车荷载作用下列车-轨道-饱和地基系统的耦合振动问题。研究模型共分为3部分：车体简化为一个多刚体系统,在车轮与钢轨之间引入线性Hertizian弹簧接触模型模拟轮轨动力相互作用、采用离散轨枕支撑的弹性Euler梁来模拟轨道系统、下卧土体采用多孔饱和半空间模型。列车荷载分为轴重和由轨道不平顺引起的轮轨动力相互作用力。采用Fourier变换分别求解各子系统的控制方程,并通过动力子结构法对各子系统进行耦合。土体在时域内的动力响应通过快速Fourier变换求得。在分析了轮轨动力相互作用力的基础上,研究了轮轨动力作用力和列车轴重作用下饱和地基的动力响应,并分析了轨枕间距和土体渗透系数对饱和地基振动响应的影响。研究表明,轮轨动力作用力对地基远场振动有重要贡献,同时枕木间距对轨道与地基振动响应有较大影响。     

饱和地基上列车运行引起的地面振动隔振分析

利用推导出的频域内饱和土的以土骨架位移u和孔隙水压力p表示的u-p格式的2.5维有限元方程,分析列车低速和高速运行条件下不同隔振措施的隔振效果,包括空沟、填充沟（混凝土墙）和混凝土板（波阻板）。其中轨道被简化为饱和地基上的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,对求解的结果进行Fourier反变换,获得三维时域-空间域内的解。研究表明：弹性地基和饱和地基上设置空沟和填充沟隔振效果相差不大,而设置波阻板隔振效果存在较大差异。列车低速运行时,空沟基本无隔振效果,填充沟在一定范围内有隔振效果,波阻板隔振效果最好;列车高速运行时,空沟在较大沟宽和较深沟深条件下才能达到较好隔振效果,填充沟和波阻板只需较小尺寸就能达到理想的隔振效果     

列车运行对周围地面振动影响的试验研究

针对日益严重的轨道交通引起的环境振动问题,通过对京―广铁路线附近某小区内地面的竖向、横向振动速度和加速度的现场测试,研究了运行列车引起的地面振动及其传播规律。由试验分析可知,列车引起的地面振动速度、加速度振级均随着列车速度的提高和轴重的增加而增大。速度每小时提高10 km时,速度振级和加速度振级均增大约3 dB;车速相同的货车比客车引起的速度振级竖向大10 dB左右,横向大5～15 dB左右;加速度振级竖向大 12 dB,横向大8 dB。钢轨接缝附近地面的振动比无接缝附近的地面振动大,速度振级大2～6 dB。振动随着距振源距离的增大而逐渐减小,竖向振级的衰减过程表现出一定的波动性;横向振级的衰减随距离增大单调减小。     

秦－沈铁路列车运行引起的地面振动实测与分析

秦皇岛－沈阳铁路是国内一条快速客运专线, 2002年由铁道部组织了第2次综合试验,对垂直线路不同距离、不同行车速度下的地面振动进行了现场测试。首先分析了实测地面竖向振动加速度特征,重点讨论列车编组及行车速度对地面振动的影响。将轨道作为弹性地基上的梁,考虑轨枕的离散作用,建立了运行车辆-轨道-地面振动模型。基于薄层法原理,推导了柱坐标系下的二次形函数薄层法,求得分层土体的稳态响应,首次对秦皇岛－沈阳快速客运专线产生的地面振动进行了分析。结果表明：移动轴重作用率对加速度频谱起控制作用;因列车速度远小于地基的瑞利波速,故未出现地面振动放大现象;振动加速度与轮轴荷载呈线性增加趋势。     

列车交通荷载作用下软土路基的长期沉降

通过2.5维有限元结合薄层单元方法,建立了列车运行荷载作用下轨道和地基动力相互作用的3维分析模型,求解不同运行速度列车荷载作用下路堤下卧层地基中动偏应力的分布,结合软黏土在循环荷载作用下的累积塑性应变理论,建立了路堤下卧层地基在列车运行荷载作用下长期动力附加沉降的计算方法。在此基础上采用瑞典X2000高速列车的实际轨道和地基情况进行了计算,分析了长期沉降随时间的发展过程及其在地基中的分布规律,特别是考虑了列车运行速度对路基沉降的影响。     

列车荷载下冻土路基非平稳随机振动分析的时域显式法北大核心CSCD

随着我国冻土地区铁路运营里程的不断提升,冻土路基在随机列车荷载作用下的动力响应分析成为了急需解决的工程问题。本文以青藏铁路某路基横断面为例,采用时域显式蒙特卡罗模拟法,计算其在随机列车荷载作用下响应的统计特征。首先,提出列车驶过施加在路基顶面荷载的快速计算方法,并引入轨道不平顺及列车行驶速度两类随机参数,以生成随机分析所需的大量荷载样本。然后,采用数值积分方法将运动方程在时域上进行离散,建立任意离散时刻冻土路基动力响应关于列车荷载的显式表达式。基于该显式表达式,可以高效地实施蒙特卡罗模拟,得到在随机列车荷载作用下路基关键响应的均值、标准差和峰值等统计量。采用该方法,分析了路基在夏冬两个季节不同深度处的随机动力响应,发现在夏季路基浅层中的位移和速度响应最为剧烈。数值算例表明,时域显式蒙特卡罗模拟法在冻土路基随机振动分析中具有理想的计算精度和计算效率。     

空沟对列车运行引起的地基振动隔振效果研究

为研究空沟对高速列车引起地基振动的隔振效果,在已有研究基础上改进出一种新的解析研究模型。模型中首次运用了饱和半空间模型来研究地基上隔振沟对高速列车的隔振效果;隔振沟则通过在饱和半空间土体上设置3个合适宽度、截面为矩形的弹性层来模拟;中间矩形弹性层为路堤,路堤上方放置了枕木与轨道。枕木与轨道分别通过纵向异性Kirchhoff薄板与Euler梁来模拟,饱和土地基采用Biot多孔饱和介质理论来描述。控制方程通过傅立叶变换与傅立叶级数展开,在变换域中进行求解。研究表明,随着列车运行速度的提高,空沟的隔振效果明显提高;饱和土体固-液相的耦合作用对隔振沟的隔振效果的影响明显,尤其当列车运行速度超过土体表面Rayleigh波速时,随着土体渗透系数的增加,空沟隔振效果显著降低。此外,列车运行速度超过土体表面波速时,饱和土地基上空沟的隔振效果明显优于相应单相弹性地基上空沟的隔振效果。     

高铁列车荷载作用下桩网复合地基振动特性模型试验

桩网复合地基是高速铁路广为应用的基础形式之一,其在高速列车荷载作用下的振动响应对列车运营安全和周围环境有着至关重要的影响。基于此,以现浇X形桩为对象,建立了桩网复合地基大比例尺模型,开展了桩网复合地基在高铁列车荷载作用下的动力响应特性研究,揭示了加载频率、加载幅值及振次的改变对桩网复合地基振动速度影响的规律。试验结果表明：速度响应幅值沿着路堤横向衰减较快,路堤耗能作用显著,列车运行产生的振动对周边环境影响较小。速度响应幅值沿桩网复合地基深度方向的衰减规律与横向振动传播规律有所不同。速度响应幅值从轨道板与钢筋混凝土底座到基床表层,衰减最快;加筋碎石垫层次之,相当于一个隔震垫层;地基中桩的存在使振动衰减变得缓慢,使由列车运行引起的振动影响深度加大。速度响应幅值随着加载频率的增加而逐渐变大,在25 Hz时出现峰值;速度响应幅值随着加载幅值的增加逐渐变大;速度响应幅值随着振次增加而基本保持不变。     

高铁运行引起的高架桥群桩基础地面振动衰减分析

采用多质点弹簧-阻尼模型模拟列车,将板式轨道运动学方程引入到桥梁模型中,推导了桥梁振动半解析模型,结合群桩基础模型,建立了列车-轨道-桥梁-桥墩-群桩基础半解析耦合模型。基于傅里叶变换和频域内弹性半空间Green函数求得高铁高架桥群桩基础地面波动场,研究了上软下硬和上硬下软地基环境振动规律,分析了桩径、桩长对地面振动衰减的影响。结果表明:车速较低时,轨道中心处上硬下软地层比上软下硬地层振动大;上软下硬地层,车速较高时因接近表层软土剪切波速而增大地面振动,故应避免车速接近表层土的剪切波速;群桩基础地面振动随桩长和桩径增大而增大,且车速越大地面振动增速越快;桩体具有好的减振效果,群桩范围内地面振动由于几何阻尼和桩体散射作用迅速衰减,且桩径越大振动衰减速度越快,但受桩长影响较小;群桩基础外上硬下软地层比上软下硬地层的地面振动幅度小,表明上硬下软地层减振效果好;合理设计桩基可控制轨道中心处地面振动,并能有效降低高架桥远处的环境振动。     

城轨交通高架线环境振动的仿真与预测

基于轮轨相互作用原理,建立了城轨交通高架线路列车振动荷载激励函数。将该激励力作用在有限元软件建立的三维轨道支承结构和土体传播路径计算模型上,对地铁运行引起的周边环境振动响应进行了仿真模拟,并利用现场实测数据进行了比较和验证。进一步,分析了列车运行速度和场地土特性对环境振动的参数影响。在对各参数的影响特征进行了定量分析的基础上,通过统计分析,建立了城市轨道交通高架线路环境振动的振级预测公式,并利用现场实测数据进行了验证。研究表明,仿真模拟和预测结果能够较为真实的反映城轨交通高架线路运行引起的环境振动的实际情况。     

Effect of vehicle–pavement interaction on dynamic response of rigid pavements

In the present paper, dynamic response of rigid pavements subjected to moving vehicular loads is presented using an analytical procedure based on the finite element method. The vehicle–pavement interaction effects are taken into account while developing the solution algorithm. The concrete pavement is discretized by finite and infinite beam elements. Infinite elements are helpful in appropriate modeling of end conditions. The main purpose of the development of infinite elements is to model the unbounded domain. The underlying soil medium is modeled by Pasternak model which assumes the existence of shear interaction between the spring elements. The moving vehicle is represented by a mass supported by a spring-dashpot system. The vehicle -pavement interaction force is modeled with Dirac-delta function. Dynamic equilibrium equation is solved with Newmark-Beta integration scheme. It has been observed that the dynamic interaction between the moving load and the pavement has significant effect on pavement response. Parametric study is carried out to investigate the effect of vehicle–pavement interaction (VPI) and soil parameters on the response of pavement.     

Simulating train moving loads in physical model testing of railway infrastructure and its numerical calibration

Ballastless high-speed railways have dynamic performances that are quite different from those of conventional ballasted railways. The essential dynamic characteristics of high-speed railways due to passing train wheels, such as the cyclic effect, moving effect, and speed effect, were put forward and discussed. A full-scale accelerated railway testing platform for ballastless high-speed railways was proposed in this study. The feasibility of the sequential loading method in simulating train moving loads, and the boundary effect of the proposed physical model of ballastless railways, was investigated using three-dimensional finite element models. A full-scale physical model, 5 m long, 15 m wide, and 6 m high, was then established according to practical engineering design methods. Using a sequential loading system composed of eight high-performance hydraulic actuators, loads of a moving train with highest speed of 360 km/h were simulated. Preliminary experimental results of vibration velocities were presented and compared with field measurements of the Wuguang high-speed railway in China. Results showed that the experimental results coincided with the field measurements, demonstrating that the full-scale accelerated railway testing platform can simulate the process of a moving train and realistically reproduce the dynamic behaviors of ballastless high-speed railways.     

高铁路基正交跨越地裂缝带动力响应数值分析

本文以大西客运专线高速铁路正交跨越地裂缝带为研究对象,基于有限元数值方法建立了高速铁路地基-地裂缝-路堤动力计算模型,模拟分析了高速列车荷载作用下有、无地裂缝带天然地基上路基的动力响应差异特征及影响规律。计算结果表明:列车荷载作用下无地裂缝带场地,路基动位移、加速度和动应力响应基本平稳,没有明显差异现象;而地裂缝带场地路基动位移、路堤本体内加速度均表现为上盘增大、下盘减小,垂直于线路走向路基动位移、加速度幅值衰减下盘大于上盘,地裂缝对加速度影响的临界深度约为地表以下15 m;地裂缝的存在引起其上盘路基出现动应力降低和下盘动应力增强现象,地裂缝场地沿深度方向路基动应力影响的临界深度为地表以下10 m。上述研究结果可为我国地裂缝发育区高速铁路建设与防灾减灾提供科学依据。     

高速铁路深厚软基连续薄板梁结构测试分析

在深厚软土地基上修筑无砟轨道高速铁路低矮路基,需要重点解决好软土地基工后沉降和长期动力稳定性问题.软土地基具有高压缩性,路堤荷载作用下会产生较大的残余沉降;同时,线路运营后,地基土在高速列车长期循环动荷载作用下易产生较大的塑性变形,二者耦合将严重影响到无砟轨道的几何状态和线路运营安全.基于此,在京沪高速铁路上海虹桥深厚软土地区低矮路基中,首次采用了桩基-连续薄板梁结构型式,并进行了系统的静动态监测、测试.结果表明,该结构工后沉降控制效果良好、长期循环荷载作用下性能稳定,可以满足高速铁路铺设无砟轨道和高速列车长期平顺运行的要求.     

地铁列车进出站时土层空间振动特性分析

地铁列车进、出站引起的土层振动是一种振源特性丰富且复杂的特殊振动。为了研究地铁进、出站时引起土层振动差异性和空间振动特性,首先将地铁进、出站过程中变速移动的振源简化成振动频率、车离站相对位置及行驶位置不断变化的柱面振源。基于波动原理,采用波函数展开法建立空间振源在土层内的波动场表达式;利用反射定律推导不同波型反射波的传播方向,再根据Graf加法公式以及贝塞尔函数的变换特性将波场表达式转换到统一坐标系下,利用大圆弧地表的边界条件求解不同振源位置下的待定波场系数;最后根据频域内振动叠加原理,确立在整个列车进、出站过程中变速移动振源的总波动场。通过比较计算得到的列车进、出站时地表振动频谱和实测地表频谱特性,验证柱面振源的有效性,发现进、出站引起的地表振动低频特性更明显。参数分析表明,启动最大加速度和制动初速度的增加都将使地表竖向振动响应增大。