深季节冻土区列车行驶路基振动数值模拟研究

分析大庆深季节冻土区铁路路基的冬季现场加速度监测结果,获得了列车经过时铁路路基冻结地表振动加速度的时程特性及其衰减规律,并运用动力有限元方法进行了动力响应分析。研究结果表明：①随着列车行驶速度的增大,路基振动加速度亦增大,且重载货车振动响应大于高速客车;②列车行驶引起的路基振动加速度幅值,随着距线路中心距离的增加而迅速衰减;③应用有限元方法分析列车行驶路基振动特性是可行的。本文为研究深季节冻土区铁路路基振动特性提供了一种分析方法,对加深了解深季节冻土区铁路路基振动特性具有重要意义。     

季节冻土区冬季列车行驶路基振动反应研究

为了研究季节冻土区行驶列车引起的含冻土层铁路路基的振动反应特性,在大庆地区季节冻土场地进行了冬季现场试验。试验结果表明:列车行驶产生的路基振动加速度在近轨处具有周期性变化的特征,随着监测点距轨道距离的增大,其周期特性逐渐减弱并消失;季节冻土层的存在对路基竖向振动具有放大作用;列车行驶引起的路基振动加速度随与铁轨距离的增加而减小,并以竖向振动衰减最快;列车行驶过程中会引起环境振动问题,随着距铁轨距离的增大,垂向加速度振级呈递减趋势,时速越小则降幅越大,货车由于轴重大,衰减幅度低于普通客车。     

列车引起的地基土应力状态变化的三维有限元分析

将列车移动荷载简化为多个移动轮轴荷载,基于列车-轨道-路基解析模型推求的列车运行时不同时刻、不同位置时作用于路基的振动荷载时程,采用多点输入方式实现列车荷载的移动施加方式,建立路(地)基-场地体系三维有限元动力分析模型,基于Abaqus软件的并行计算集群平台,对轨道交通振动荷载下路(地)基-场地体系的动力反应进行数值模拟,研究了列车荷载作用线正下方地基中的动应力特征及土单元应力状态变化,分析了列车轮轴荷载移动过程中不同深度处土单元的应力路径和主应力轴的旋转。     

气候变暖下青藏高原冻土路基地温场演化规律研究

冻土物理力学特性与温度密切相关,气候变暖背景下冻土路基地温场的分布和演化规律不仅会影响到路基的静力稳定性,还会影响到其在地震、车辆等动力荷载作用下的响应特征与稳定性。为此,基于现场实测路基坡面温度,系统开展气候变暖背景下青藏高原典型(东西、南北、45°)走向条件下冻土路基地温场分布及演化规律的模拟研究。结果表明,阴阳坡侧浅层土体冻结指数差异较融化指数差异更为显著,东西走向下阴坡冻结指数约为阳坡的2倍,而融化指数约为阳坡的0.83。阴阳坡侧路基本体及活动层季节冻融过程存在明显不同步,东西走向条件下阴坡冻结期(融化期)可较阳坡侧长(短)约1个月。路基修筑后,阴坡一侧路基下部人为上限均有一定的抬升,而阳坡仅南北走向有抬升。此后,在气候变暖及沥青路面吸热效应下,路基人为上限不断下降,最大速率可达20cm/a,且逐步出现融化夹层,其中阳坡融化夹层厚度普遍大于阴坡,差值最大可达2.5m。路基本体季节冻融过程的不同步、人为上限埋深及冻土地温分布的不对称性应在未来青藏高原冻土路基静力、动力稳定性设计和研究中予以考虑。     

行车速度对桥路过渡段路基动应力的影响

通过对秦沈客运专线一路桥过渡段路基动应力的现场实测，得到了行车速度对无缝线路桥路过渡段路基动应力的影响特征，同时，定义了速度动力系数的概念，并得到了过渡段路基中速度动力系数变化规律。同时提出随行车速度的提高，必存在一个临界车速使得列车在通过路桥过渡段时，其动响应(动应力、动应变、动位移、振动加速度等)变化总趋势发生改变。研究结果对铁路客运专线过渡段的设计和施工有参考意义。     

列车荷载下巴准重载铁路高路堤路基累积变形研究

针对巴准重载铁路高路堤典型断面,采用三维非线性有限元与经验公式相结合的方法,建立了可考虑列车-轨道动力相互作用的重载列车振动荷载引起的高路堤路基累积变形计算方法。首先,基于列车-轨道垂向耦合动力系统理论,建立重载列车-轨道动力耦合体系数值模型,并实施重载列车-轨道耦合系统动力分析;其次,建立轨枕-道床-路基-场地动力系统的三维有限元模型,并输入求解的列车振动荷载作为外部激励;最后,采用Li和Selig推荐的改进土体累积变形预测模型并结合有限元分析结果,分析了未加固和应用土工格栅加固的高路堤路基累积变形的基本特征与规律。发现土工格栅可显著减小路基的动力累积变形作用。     

多年冻土区青藏铁路列车荷载作用下路基振动响应研究

针对多年冻土区青藏铁路列车荷载振动作用下的动稳定性,通过对北麓河和二道沟三个典型铁路路基横断面振动响应的二分量加速度观测,对比分析客运列车和货运列车引起的路基振动特性和衰减规律,研究不同防护形式路基的列车振动响应。结果表明,路基上的振动作用主要集中在40～80Hz频率范围内;防护形式对路基的列车动力响应有明显影响,热棒加碎石路基动力响应最小,其次为碎石防护路基,未采取任何防护的路基铁轨上的动力响应最大,建议对未采取防护的路基进行防护。分析结论为青藏铁路列车作用下的路基动稳定性评估提供实测依据,对多年冻土区的路基稳定性研究提供参考。     

动荷载作用下冻土试验技术及冻土变形初步研究

随着季冻区公路工程建设规模不断扩大,路基在冻融及车辆荷载(尤其重载)协同作用下翻浆、沉陷等灾害现象频繁出现,需要对其致灾机理进行深入研究。本文采用英国GDS冻土动静三轴仪对季冻区路基土开展了常温、-5℃及-10℃三种环境下的动变形试验研究。主要工作有:(1)针对GDS仪器在试验中出现的围压进气孔及加载杆易冻结等实际问题,提出了采用耐压密封胶及硅胶干燥剂等处置方法,保证了冻土负温试验的顺利开展;(2)开展了常温下路基土动变形试验。在相同循环作用次数条件下,存在动应力临界值。当动应力幅值超过此界限,土体残余应变逐渐增大,直至破坏;反之,则土体应变速率逐渐降低,残余应变最终趋于稳定;(3)开展了-5℃及-10℃条件下路基土动变形试验。试验表明:同一动应力幅值作用下,随土体温度降低,其残余应变减小,但即便同在负温条件下,土的应变速率及最终值也有很大差异。试验得到的新认识对季冻区公路设计及灾害防治有一定指导意义。     

青藏铁路高温多年冻土区列车行驶路基长期永久变形数值模拟研究

基于动三轴试验建立的冻结、融化状态青藏铁路粉质黏土的累积塑性应变模型,考虑路基土体动应力的作用,二次开发适用于青藏铁路高温极不稳定多年冻土区路基长期永久变形的蠕变法则,并在既有的黏弹塑性本构模型将其引入,计算列车荷载作用下青藏铁路路基的永久变形。分析结果显示：（1）列车荷载作用下距离路基顶面不同埋深土体的累积动力永久应变随着等效振次的增加而增加,并且先期的增长速度较快,最终趋于稳定,长期沉降在路基中心处最大,最终在路基距离轨道最远处几乎为零;（2）随着列车速度的增加,路基中心永久变形逐渐增大;（3）随着列车轴重的增加,路基中心永久变形逐渐增大,并且随着埋深的增加,列车轴重对路基永久变形的影响逐渐变小;（4）随着冻结深度的增加,路基表面累积塑性变形呈降低趋势;随着融化深度的增加,路基表面累积永久变形增加。     

多年冻土区铁路路基热状况对工程扰动及气候变化的响应

基于青藏铁路沿线长期地温监测资料,对天然场地及铁路路基下部的浅层地温、多年冻土上限及下伏冻土地温动态变化过程进行对比分析,研究多年冻土区铁路路基热状况对于工程扰动及气候变化的响应过程.监测结果表明,路基修筑后边坡热效应显著,由此导致路基下部多年冻土热状况的不对称分布,必须引起足够的重视.块石路基修筑后,下部多年冻土上限抬升显著,其中阴坡路肩下抬升幅度普遍较阳坡路肩下显著.普通路基修筑后,在年平均地温低于?0.6～?0.7℃的地区下部多年冻土上限有不同程度的抬升,而在年平均地温高于?0.6℃的地区下部冻土上限则出现了一定程度的下降,其中阳坡路肩下降幅显著.受块石层冷却降温作用,低温冻土区块石路基下部浅层冻土地温有明显降温过程,而在高温冻土区这一降温趋势只存在于阴坡路肩下.对于普通路基,多年冻土上限抬升后,浅层冻土地温存在一定的升温过程.对于气候变暖,低温冻土区多年冻土的响应主要集中体现在冻土升温上,而高温冻土区多年冻土的响应则主要表现为冻土上限下降,冻土厚度减小.基于上述监测结果,可将目前青藏铁路路基热状况分为稳定型(低温冻土区块石路基)、亚稳定型(低温冻土区普通路基及高温冻土区块石路基)和不稳定型(高温冻土区普通路基).     

Experimental research on the development of residual strain in seasonal frozen soil under freezing-thawing and impact type traffic loads

Vehicle load is among the main factors affecting the deformation of subgrade soil.In this research study,the concept of impact type traffic load is introduced to investigate the effects of vehicle load based on the dynamic stress and displacement time histories acquired from seasonal frozen subgrade soils.Using freezing-thawing and dynamic triaxial tests and considering the amplitude and loading sequence of impact type traffic load,the residual deformation characteristics of subgrade soil under impact type traffic loads and freezing-thawing cycles is studied.It was found that under impact type traffic load,the residual deformation of soils increased sharply as the amplitude of impact type traffic load increased.It was also found that the increase in the amplitude of impact type traffic load led to the increase of residual deformation in a scale of power and exponential function.The amplitudes of impact type traffic load affect the development stress-strain path of the residual strain.After the soil experienced the proper amount of pre-vibration of the light load,residual deformation decreased by 15%.After freezing-thawing,the residual strain of soil increased as the amplitude of the impact type traffic loads increased.Also,when the amplification effect of freezing-thawing on the residual strain was basically stable,the residual deformation increased by about 10%.The peak impact type traffic load had a large effect on soil deformation after the freezing-thawing process,leading to the observation that of the earlier the peaks,the stronger the effect of freezing-thawing.After the soil was subjected to preloading with a small load,the influence of the freezing-thawing cycles gradually stabilized.The results may be useful in preventing and controlling the risk of subgrade soil failure when construction takes place spring thaw periods.     

土动力学研究综述及思考

随着国家重大构筑物的不断建设实施,考虑土体具有较高的动力易损性和致灾特性,工程构筑物的工程地质灾害和岩土工程动力致灾特性研究需要愈显迫切。通过对当前土动力学与岩土地震工程方面研究进展进行归纳总结,着重从土的动力强度、土的动本构关系、砂土的振动液化、铁路路基中的动应力、边坡地震永久变形和稳定性、挡土墙上的地震土压力等六个方面进行叙述,对其中涉及的各种研究方法进行比较和论述,最后提出了土动力学有待进一步深入研究的若干问题和未来发展方向,以期基于土动力学的发展而提升构筑物的抗震设防水平。     

Field experiment of subgrade vibration induced by passing train in a seasonally frozen region of Daqing

The vibration characteristics and attenuation of the subgrade caused by passing trains in a seasonally frozen region of Daqing, China are investigated. Three field experiments were conducted during different times through the year, in normal, freezing and thawing periods, respectively, and the influence of the season, train speed and train type, is described in this paper. The results show that: (l) the vertical component is the greatest among the three components of the measured vibration near the rail track, and as the distance to the railway track increases, the dominant vibration depends on the season. (2) Compared with the vibration in the normal period, the vertical and longitudinal vibrations increase while the lateral vibration decreases in the freezing period. However, in the thawing period, the vertical and longitudinal vibrations decrease, and the lateral vibration increases. (3) As train speeds increase, the subgrade vibration increases. (4) The vibration induced by a freight train is greater than by a passenger train. These observations provide a better understanding of the vibration and dynamic stability of the subgrade and may be useful in developing criteria for railway and building construction in cold regions.     

重载货车作用下基床表层应力状态及破坏影响因素分析

重载货车作用下线路破坏问题与基床表层应力状态密切相关。通过建立货车-线路动力分析模型,分析货车通过时基床表层应力状态变化规律,研究道床厚度、轴重、速度、基床表层模量等因素对基床表层破坏的影响规律。结果表明:基床表层在车辆作用下遵循从纯剪到三轴剪切再回到纯剪状态的变化规律,主应力轴连续旋转180°;道床厚度低于0.5m、速度超过70km/h、基床表层模量低于160 MPa、轴重超过27t都有可能造成基床表层塑性变形;当应力路径超过破坏线情况下,路基弹性假设将不再适用。     

土的动剪切模量、阻尼比和泊松比研究进展

介绍了现场测试与实验室测试土的最大动剪切模量的差别、动剪切模量和阻尼比与剪应变关系的表达式及其地区经验成果、固结比对最大动剪切模量影响、动泊松比研究、实验误差及其对地震动的影响等方面的主要成果。提出应加强动泊松比研究,加强共振柱和动三轴试验土动力学参数统一的数学模型研究,加强土动力学参数在均等固结与非均等固结条件下关系研究,加强土动力学参数与土的常规物理力学性质指标关系研究和土动力学参数实验误差研究。     

不同加载方式下黄土累积变形特征研究

土体动力特性主要与其受力状态、土体加载类型、试验控制方式以及荷载等参数有关。以往非饱和黄土累积变形试验研究通过单向动应力加载方式开展相关研究,并不能真实反映土体受力状态。现运用WF-12440型动三轴-空心圆柱扭剪试验系统,通过单向荷载和双向荷载两种不同的动应力加载方式,进行黄土的长期重复载荷试验,对比不同动应力加载方式对非饱和黄土累积变形发展特征的影响。试验结果发现：黄土在单向荷载或双向荷载作用下,其软化指数均随着循环次数的增加,呈非线性减小的趋势,在相同循环振次时,土体软化指数随着动应力幅值的增大而减小;黄土在不同加载方式作用下,软化指数减小速率在循环振次100次以内较快,后期随振次增加,土体软化速率逐渐趋于平稳;黄土在双向荷载作用下,当轴向动荷载较小时,径向荷载的施加,将加速黄土的软化程度,随着轴向动荷载的增大,径向荷载对黄土软化的影响逐渐减弱,其对于黄土变形的影响存在一临界轴向循环动应力。本研究的开展,可更准确地进行不同荷载耦合变化下,黄土场地震陷评估或路基土体变形计算,实现有效控制路基的整体稳定和工后沉降量,以期根据路基土参数预测后期沉降,极具重要的科研和工程意义。     

季节冻土区土钉支护边坡地震反应动力特性分析

为了更科学地评价地震荷载作用下土钉支护季节冻土边坡的抗震性能，基于热-动力理论控制方程，应用大型非线性有限元软件ABAQUS，建立带有黏弹性人工边界的地震荷载作用下土钉支护季节冻土边坡的数值模型，对比分析夏季和冬季这两个典型季节时的加速度响应、位移响应以及土钉轴力响应。结果表明：无论是夏季还是冬季，加速度峰值随着季节冻土边坡高程以及激振加速度峰值增加而增加，在夏季时刻的季节冻土边坡坡顶位置处达到最大。此外，在不同地震波峰值加速度作用下，相同位置处的位移响应峰值却有明显的不同，同一地震烈度地震波激震时，夏季的季节冻土边坡坡顶位移最大，表明地震荷载对夏季的季节冻土边坡坡顶破坏效应最为明显，土钉轴力具有高程放大效应和坡面放大效应，季节冻土边坡坡底至坡顶的土钉端部轴力峰值逐渐增大。文中数值模拟模型及结论可为制定地震荷载作用下土钉支护季节冻土边坡抗震设计提供一定的参考。     

基于动力BNWF法的冻土-桩相互作用模型研究

基于水平循环荷载作用下不同负温冻土环境中单桩动力特性模型试验结果,在已有分析桩-土-结构相互作用的动力BNWF模型的基础上,提出改进的冻土-桩基动力相互作用非线性反应分析模型。在该模型中,利用改进的双向无拉力多段屈服弹簧考虑桩侧冻土的水平非线性力学特性,同时兼顾桩侧与冻土间的竖向非线性摩擦效应、桩尖土的挤压与分离作用以及远场土体阻尼对桩基动力特性的影响。其中桩侧水平多段屈服弹簧参数根据冻土非线性p-y关系获得,该关系曲线以三次函数曲线段及常值函数段共同模拟,并由室内冻土压缩试验结果确定。最后基于改进的动力BNWF模型,提取动位移荷载作用下该桩顶力-位移滞回曲线及桩身不同埋深处的弯矩动响应数值分析结果,并与相应的模型试验结果对比,二者具有较好的拟合度,表明本文所提出的改进模型在分析冻土-桩动力相互作用时有较好的适用性。