高架轨道交通引起的地表振动参数化分析

基于Abaqus软件64CPU并行计算集群平台,建立了车辆-轨道-高架桥-基础-地基耦合的三维有限元分析模型。得到了不同工况下列车运行时引起的地表振动特征,对地表振动振级随着与桥墩距离增大而衰减的规律进行了参数化分析,结果表明,随着列车车速的增大,地表振动振级明显增大;与空载时相比,列车乘客满载时仅靠近桥墩处的地表振级略微增大,对远处几乎无影响;列车车厢数量对地表振动振级的影响不明显;列车双线运行时引起的地表振动振级比单线运行时有明显的增大。扣件刚度的增大会略微减小地表振动振级。随着桩长的增加,地表振动振级有较大幅度的减小;增加桥墩的跨度能减小地表振动振级,但增加到一定值时再增加也不会有明显的减振效果;桥墩高度对地表振动振级无明显影响。随着场地土层剪切波速的增加,地表振动振级呈逐渐减小的趋势。     

覆水砂土场地中桥梁群桩基础地震响应离心试验研究

为探究覆水饱和砂土场地中土-群桩基础-桥梁结构体系动力相互作用规律,自主设计并制作了直（斜）群桩基础-桥梁结构物理相似模型,开展了不同地震动强度和不同特性地震波输入下的离心机振动台试验,分析了群桩基础-桥梁结构动力特性指标,探究了覆水饱和砂土地基超孔隙水压力发展规律和桩-土相互作用动力响应特性。研究结果表明：覆水的存在对地基土-桥梁结构体系的基本周期和阻尼影响很小,但会导致直群桩基础桥梁结构的振动幅值增加20%,而斜群桩基础桥梁结构的振动幅值降低10%;斜群桩基础模型阻尼比是直群桩基础模型的2倍。上覆水导致饱和砂土地基由受低频振动液化深度更大变为受高频振动地基液化深度更大,同时导致小震作用下促进超孔隙水压力发展,而大震作用下则反之。上覆水会增大桥梁上部结构的动力响应和桩身弯矩。上述研究结果可为覆水场地中桥梁工程抗震设计提供关键参考依据。     

高频振动下散粒体-结构界面临界状态强度特征试验研究

高铁桥梁、路基工程中的桩基础持续承受列车运行引发的振动荷载,当前350 km/h车速下的车致振动已高达近40 Hz。随着车速的进一步提升,可能给桩基础承载性能带来不利影响。桩-土界面是桩和地基土之间力和变形传递的重要媒介,很大程度上决定着桩基础的长期服役性能。但目前对于高频振动荷载下桩-土界面相互作用行为的认识和研究均不足。基于自主研制的可实现土-结构界面高频振动耦合静力剪切的试验装置,研究了散粒体-结构界面在振动下的临界状态强度特征,探讨了振动加速度、法向应力、结构面粗糙度、颗粒形状和振动频率的影响。结果表明：振动会导致界面强度衰减,部分振动条件下的界面强度甚至低于静力条件下的0.5倍;振动下的界面强度随振动加速度、频率的增大而下降,随法向应力的增大而提高。最后,基于摩尔-库仑强度理论,建立了振动下的散粒体-结构界面强度准则。     

波浪荷载作用下斜向抗拔桩的承载特性分析

针对浮式海洋结构采用的桩基础,考虑土的循环软化效应,将软土的循环强度与Mohr-Coulomb屈服准则相结合,基于拟静力弹塑性分析建立了循环波浪载荷作用下斜向抗拔桩循环承载性能的计算模型,确定了斜向上载荷作用下抗拔桩的循环承载力,并与单调加载作用下的斜向抗拔桩的极限承载力进行了对比,进一步探讨了桩长、桩径、桩体模量及载荷循环次数等因素对斜向抗拔桩循环承载力的影响。研究结果表明：循环波浪荷载的作用导致了斜向抗拔桩土体循环强度的分布不均匀,从而降低了地基的循环承载力。斜向抗拔桩的动态极限承载力随循环次数的增加而降低,随桩长、桩径及桩体模量的增大而增大。     

红黏土地层静压闭口管桩残余应力模型试验分析

在典型的上硬、下软红黏土地层中静压管桩滞留的残余应力对基桩承载特性有较大影响。通过自行设计模型试验设备进行红黏土地层单、群桩静压闭口管桩室内试验,分析3种桩径下静压单、群桩残余应力的变化规律及时间效应。结果表明,静压管桩桩身残余应力沿桩身从上到下先增大后变小,呈折线型分布;对于典型的红黏土上硬、下软地层,桩端持力层位于硬塑层和可塑层时,桩身和桩端残余应力均较小;当管桩压入到基岩持力层后桩端受约束增强,桩身和桩端残余应力明显增大;静压单桩完成后静置初期桩身残余应力时间效应比较明显,减小幅度较大,复压后而后随着休止时间的延长,桩身残余应力呈指数型衰减至一较低稳定值;静载试验时忽略残余应力就将认为整个桩身所受压力偏小,偏大计算中性面以上侧摩阻力7.97%,偏小计算中性面以下侧摩阻力8.33%和桩端阻力2.29%。     

水平荷载作用下群桩相互作用的弹塑性数值分析

本文利用三维弹塑性有限元法对水平荷载作用下群桩基础特性进行了分析,讨论了群桩基础水平荷载作用下的承载性状和破坏机理,并探讨了桩距、桩数、桩长、桩径和土质各种因素对群桩效应的影响,指出桩距和桩数是影响群桩效应的主要因素。     

软土地区群桩基础承载特性研究

滨海地区存在大量的软土、淤泥和淤泥质黏土,在建筑物等外荷载作用下容易产生较大的沉降,群桩复合基础可以提高软土地区的承载力,减少建筑物的沉降。为了研究群桩基础的承载力特性,依托某软土地区高速公路实际工程,借助数值模拟手段,分别对素土、群桩条件下的承载力特性进行了分析,其中群桩工况考虑了桩间距、桩长和桩径三个影响因素。分析结果表明：相同的条件下,素土的承载力为2 300kN,群桩的承载力52 000kN。群桩可以显著提高软土的承载力,桩径、桩长和桩间距可显著影响群桩的承载特性,其中增大桩长和缩短桩间距可更好地提升承载力,施工时需要综合比选以确定最佳组合方案。     

水平荷载群桩三维有限元分析研究

利用三维弹性有限元法对水平荷载群桩基础进行了特性分析研究,讨论了桩距、桩数、桩长、桩径和土质等各种因素对群桩基础位移群桩效应的影响,得出了一些有益的结论。     

基于差异沉降和轴向刚度控制的竖向荷载作用下群桩基础优化分析

目前在群桩设计中仍大多数采用均匀等长布桩的方法,这种方法在基础受力、变形等方面存在较大的缺陷。考虑增大群桩轴向刚度和减小群桩基础差异沉降的条件下,将群桩基础位移函数与桩长优化函数相结合,在对基础采取行变换、平面变换的方式下,通过设置不同的桩长比值ξ、连接曲率值η设定不同布桩方案,分析不同方案下群桩基础轴向刚度比、差异沉降比的变化规律;并利用数值模拟法对所得优化结果的可靠性进行验证。此外,针对不同桩土刚度比、不同桩间距对群桩基础的轴向刚度比和差异沉降比进行了参数分析。研究结果表明：不同群桩基础优化变换方式、不同桩长对群桩基础优化结果会产生不同的影响;当优化目的是为增加群桩基础刚度时,应主要考虑行变换的优化方式,当优化目的是为减小基础差异沉降时,应主要考虑平面变换的优化方式;基础轴向刚度比随着桩土刚度比的增加而增大,随着桩间距的减小而增大;基础差异沉降比随着桩土刚度比的增加而减小,随着桩间距的减小而减小。     

桩体长径比对桩基动力特性的影响研究

弯曲破坏是地震中桩基失效的一类常见模式,其破坏的一个重要原因就是桩体的抗弯刚度不足。对于一定长度的桩体,桩的抗弯刚度与桩的长径比直接相关,但桩基规范中对摩擦桩的长径比并没有像端承桩那样作出限制。在构建的结构性饱和黄土动力本构模型的基础上,针对黄土地区的单桩基础,结合大型有限元程序建立了摩擦桩-土-结构体系、端承桩-土-结构体系的有限元-无限元模型,探讨了不同桩体长径比对两者动力反应特性的影响,得出如下规律：(1) 其他条件相同时,不管是端承桩还是摩擦桩,长径比对桩身截面剪应力和水平加速度的分布形态没有影响。但随着长径比的增大,桩身各截面对应的的剪应力值减小,而加速度值反而增大;(2) 随着长径比的增大,桩身变形形态从正弯型逐渐过渡到反弯型,桩体的破坏模式也相应由剪切破坏过渡到弯曲破坏;(3) 端承桩体系比摩擦桩体系更容易出现反弯型,但当长径比增大到一定程度时,摩擦桩也会呈现反弯型。从抗震角度来说,对摩擦桩长径比的限制应以桩体变形模式表现为正弯型为宜。所得结论对工程实践具有一定的指导意义。     

层状和竖向非均匀地基中水平-摇摆耦合激振波阻板三维隔振分析

为了研究水平-摇摆耦合激振作用下层状和竖向非均匀地基波阻板（简称WIB）的三维隔振效果,基于薄层法研究层状介质中波传播问题的高效性和边界元法处理无限域问题的精确性,建立了以薄层法基本解答为格林函数的半解析边界元法。分别对上软下硬和上硬下软层状和竖向非均匀地基中WIB的三维隔振效果进行了分析。研究表明,地基的分层参数和非均匀性对WIB的隔振效果有显著影响,上硬下软地基的隔振效果稍好于上软下硬的情况。     

南京地面轨道交通运行引起的大地环境振动预测研究

城市轨道交通造成环境的振动“污染”不容忽视。通过现场测试和理论分析,得到南京地面轨道交通运行引起的大地竖向振动加速度幅值、频率随距离轨道中心线不同位置的衰减规律,即随着与轨道水平距离的增加,大地竖向振动加速度幅值总的趋势表现为逐渐减弱,但在距离轨道中心线20～30 m之间振动幅值有所反弹;振动加速度的频率集中在0～ 100 Hz,最大值出现在30～80 Hz左右,随着与轨道水平距离的增加,各频率的振动信号分量总的趋势是减弱,且频率愈高衰减愈快。基于“北京交通大学”预测公式,建立包含受振点距离、地基土性质、列车速度3个参数的南京地面轨道交通运行引起大地振动的预测模型,与实测数据相比,吻合较好。     

不同振动波形对单桩桩-筏复合地基动力响应特性研究

桩-筏复合地基是控制高速铁路等路基工后沉降的一种常用地基处理技术,然而针对其在不同振动波形荷载下的动力响应特性对比研究相对较少。基于大型模型系统,开展砂土地基中单桩桩-筏复合地基大比例模型试验研究,着重分析不同振动波形加载下单桩桩-筏复合地基的累积沉降、桩底-桩侧土动土应力比、加速度及速度传递等变化规律,初步探讨振动波形对单桩桩-筏复合地基承载特性的影响机制。试验结果表明,M波振动波形对地基累积沉降的影响较正弦波振动波形对地基累积沉降的影响略大一些,对桩底-桩侧土动应力比的影响则反之;振动响应加速度和速度随着加载频率及振幅幅值的增大而增大。相关研究成果可为单桩桩-筏复合地基的理论分析与计算提供参考依据。     

郑西高铁地面振动实测分析及隔振沟效果研究

高铁列车动载会引起环境振动问题。为研究高速列车运行在高架段和路堤段引起的环境振动差异,文章对郑西线高速铁路展开现场测试,对比分析高架段和路堤段地面振动特征及其衰减规律。测试结果表明,路基段的振动响应大于高架段,高架段近场区衰减作用高于路堤段近场区域。振动传播过程中存在多次反弹增大现象,路堤段地面振动反弹增大位置滞后于高架段。高架段和路堤段的二次反弹增大率均明显大于一次反弹增大率。Z振级随距离的衰减符合对数衰减规律,拟合得到黄土地区Z振级衰减公式,最大偏差均出现在反弹增大区。引入无限元-黏弹性耦合边界条件,建立路堤段三维轨道-土体-隔振沟数值模型分析高速铁路隔振沟对减隔振的影响。研究发现空沟对中高频（30～60 Hz）振动波的隔振效果较低频（1～20 Hz）振动波明显,其具有低通滤波作用。空沟比填充沟隔振效果好,但是考虑到沟壁的稳定性,可在空沟中填入软质材料。研究成果可为高速铁路的设计及其环境振动的评价和控制提供参考。     

列车激振荷载下PCC桩复合地基动力分析

PCC桩-网复合地基作为一种新型处理软土路基的结构形式,在软弱土地区高速铁路建设中已获得应用,其在列车激振荷载下的动力特性值得研究。本文确定了合理的列车动荷载加载形式,应用有限元软件ABAQUS建立了轨道-路堤-桩-土复合地基三维动力耦合有限元模型,基于基床、桩、垫层和地基模量参数变化,进行了路堤、桩体以及地基土的动力特性分析。结果表明：PCC桩复合地基动应力响应有别于实心桩,动应力波在管桩中发生反射交叠作用,桩与垫层动力相互作用大于土与垫层动力相互作用。基床表层模量变化对桩-土动力变化影响不大。垫层刚度的增加提高了桩体的动荷载分担比,同时桩顶动应力随着桩与垫层动力相互作用的增强而增大。随着PCC桩模量的提高,动应力在桩体中传播速度加快,动应力增大,使其承担了大部分动荷载,有效地降低了地基土承受的动荷载,同时减弱了上部荷载在复合地基内部影响。随着距离中心桩距离的增大,边桩动应力逐步减小。     

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。     

地铁行车速度对盾构隧道运营沉降的影响分析

地铁行车荷载经轨道-道床-隧道结构传至地基,在土体内部产生循环动应力以及超孔隙水压力是引起盾构隧道沉降的重要原因。通过车-轨-隧道-地基竖向耦合动力模型分析隧道差异沉降对列车运行荷载的影响,以上海地铁一号线体育馆站附近区间隧道为工程背景建立三维数值模型,结合塑性累积应变及累积孔压经验公式进行计算,对比分析软土盾构隧道下卧土层有、无纵向差异沉降两种情况下,地铁行车速度对隧道运营沉降的影响。结果表明：列车运行速度越快,下卧土体波动越大,但衰减越快。地基差异沉降对其长期运营存在明显不利影响,随着列车速度增大,这种影响也愈加明显。当地基差异沉降小,轨道平顺条件好时,隧道长期沉降随地铁行车速度的增大而减小;当地基差异沉降突出,轨道存在明显不平顺时,隧道运营沉降随行车速度增大而显著增加。     

Numerical analysis of soil vibrations due to trains moving at critical speed

High-speed train induced vibrations of track structure and underlying soils differ from that induced by low-speed train. Determining the critical speed of train operation remains difficult due to the complex properties of the track, embankment and ground. A dynamic analysis model comprising track, embankment and layered ground was presented based on the two-and-half-dimensional (2.5D) finite elements combining with thin-layer elements to predict vibrations generated by train moving loads. The track structure is modeled as an Euler–Bernoulli beam resting on embankment. The train is treated as a series of moving axle loads; the embankment and ground are modeled by the 2.5D finite elements. The dynamic responses of the track structure and the ground under constant and vibrating moving loads at various speeds are presented. The results show that the critical speed of a train moving on an embankment is higher than the Rayleigh wave velocity of the underlying soil, attributed to the presence of the track structure and the embankment. It is found that the dynamic response of ground induced by moving constant loads is mostly dominated by train speed. While for the moving load with vibration frequency, the ground response is mostly affected by the vibration frequency instead of train speed. Mach effect appears when the train speed exceeds the critical speed of the track–embankment–ground system.     

素混凝土桩复合地基支承路堤变形破坏模式

为了分析素混凝土桩复合地基支承路堤沉降变形特征和失稳破坏机制,建立了3组不同桩间距的素混凝土桩复合地基支承路堤离心试验模型及其数值模型。结果表明：在路堤填土自重、轨道和车辆荷载作用下,改变桩间距对素混凝土桩复合地基支承路堤沉降变形、桩体应变、加筋垫层和桩体破坏模式具有显著的影响;当桩间距不大于4倍桩径时,加筋垫层整体基本保持完好,路堤下素混凝土桩复合地基沉降能逐渐趋于稳定,而桩间距达到6倍桩径后,桩顶刺穿加筋垫层,加筋垫层对桩土变形协调和传递荷载作用失效,素混凝土桩复合地基支承路堤沉降持续增大;当桩间距达到4倍桩径时,素混凝土桩最大应变值发生随上部荷载的增大反而减小的突变现象,最靠近坡脚的素混凝土桩最先产生弯曲破坏而不是剪切破坏,当桩间距增大至6倍桩径时,桩体弯曲破坏逐渐往路堤中心方向发展。