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。     

层状地基中空沟对交通荷载的竖向隔振分析

空沟是一种常用的连续隔振屏障,可以有效地降低人工振动。以位移为变量的二维格子法在波动问题计算中具有良好的适应性、高效性,兼备有限元与差分法的一些优点,应用该法针对层状地基中作用于路堤上的交通荷载引起振动的空沟竖向隔振问题进行了参数研究,分别考虑了上软下硬地基和上硬下软地基两种情况。研究结果表明：空沟宽度对隔振效果的影响较小;空沟深度与空沟的位置是影响隔振效果的关键因素,它们相互关联,其取值应综合考虑;在上述两类层状地基中,若空沟深度与上层土的厚度接近或相等均对竖向隔振不利;路堤高度越大对竖向隔振效果越不利。     

二维饱和地基中空沟主动隔振分析

根据饱和土Biot理论,在频域内提出了一种适用于弹性波波动问题的有限元-无限元解法,其中有限单元用于近场介质的模拟,而形函数基于一维解析解答的无限单元则被用于人工边界,它可反映波传递到无限远处的特性;应用该法计算算例,以证明其有效性与正确性。在此基础上,对饱和地基中空沟主动隔振效果进行了详细的数值分析,结果表明,空沟深度是影响隔振效果的主要因素,一般沟深越大,隔振效果越好;当沟深一定时,空沟到振源的距离不宜超过1.5倍饱和土剪切波长;空沟的宽度对隔振效果的影响相对较小。     

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     

黏弹性地基中PCC桩扭转振动响应解析方法研究

考虑土体材料的黏性阻尼和桩-土扭转耦合振动,把桩看作一维杆,将土体视作三维轴对称黏弹性介质,对黏弹性地基中现浇混凝土大直径管桩（简称PCC桩）扭转振动频域特性进行了理论研究,采用Laplace变换和分离变量的方法求得了桩顶扭转频域响应解析解。将所得解完全退化到实心桩的解,并与经典平面应变解进行对比,验证了解析解的合理性。分析了桩长以及土体黏性阻尼系数对桩顶速度导纳和复动刚度的影响,得到了各参数对桩扭转振动特性影响的规律。分析表明：桩周土黏性阻尼系数增大可以显著提高桩顶扭转复动刚度和减小速度导纳振荡幅值,而桩芯土黏性阻尼系数的影响不明显;桩长越长,桩顶复动刚度越大,速度导纳振荡幅值越小,但当桩长增大到一定程度时,再继续增加桩长,桩顶复动刚度基本没有改变。     

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。     

竖向圆形荷载作用下弹性地基半空间问题的解析解

竖向圆形荷载作用下弹性半空间问题的位移和应力解是桩基分析的基础。利用Hankel积分变换,首先导出了弹性地基半空间位移与应力的积分形式的通解。通过适当地引入边界条件和界面位移和应力的连续条件,求得了内部作用竖向圆形荷载时弹性地基半空间位移与应力的积分形式解。在此基础上,给出了不同深度处荷载作用投影范围内竖向位移和竖向正应力的平均值。数值结果验证了解析解的正确性。     

灌注桩套管振动贯入引起的地面振动及隔振研究

随着全套管振动取土灌注桩施工工艺的发展,灌注桩在工程中的应用越来越广泛,但关于灌注桩套管振动贯入机制,特别是套管贯入引起的地面振动研究还不全面。在全面介绍了套管振动贯入全过程的有限元-无限元耦合模型的建立过程后,对套管振动贯入引起的地面振动规律及施工安全距离进行了详细研究。采用正交试验与数值模拟相结合的正交有限元法评价了各因素对施工安全距离的影响程度。研究结果表明:套管贯入过程中,地面振动主要沿水平向;在套管贯入初期,地面不会产生水平向峰值速度,当套管贯入到振动临界深度时,地面产生水平向峰值速度;地面水平向峰值速度随径向距离增大呈指数型衰减;施工安全距离随动力荷载幅值、接触面摩擦系数增大而增大,随振动频率、土体模量增大而减小。研究了隔振沟的填充材料、深度和宽度对隔振效果的影响,结果表明,无填充料的隔振沟隔振效果最好;隔振沟的宽度对隔振效果影响不大,其深度对隔振效果影响显著。     

强夯振动测试及隔振沟减振效果实例分析

通过对地基强夯施工中振动实测资料的分析,研究强夯振动对周围建筑物的影响,并用振动速度在不同位置的变化对隔振沟的隔振效果进行了分析和评价。     

横观各向同性地基中管桩扭转振动响应解析解

考虑地基沉积过程中产生的竖向和水平向力学性质的差异,对横观各向同性地基中管桩扭转振动频域响应进行了理论研究。基于横观各向同性材料的本构关系以及桩-土耦合扭转振动,建立了桩土系统定解问题,通过Laplace变换和分离变量法求得了桩周土和桩芯土扭转振动位移形式解。通过桩-土接触面的连续条件,求得了管桩扭转频域响应解析解,并得到了桩顶复动刚度和速度导纳的表达式。将所得解退化到横观各向同性地基中实心桩解以及均匀地基中管桩解,并与已有文献进行了对比,验证了解的合理性。通过数值算例,分析了桩周土和桩芯土的横观各向同性力学参数对桩顶扭转复刚度及速度导纳的影响。     

空沟对冲击荷载隔离的现场试验与数值模拟

在场地开挖了一条空沟,以落锤式弯沉仪（falling weight deflectometer,简写为FWD）的荷载模拟冲击荷载,通过FWD自带的传感器测得空沟后一定范围内的竖向位移。通过室内试验,获取试验场地的岩土参数,采用非线性动力有限元软件ABAQUS建立二维模型（将远处单元定义为无限单元来模拟吸收边界,从而避免振动波的来回反射）。以空沟中心线的现场测试数据为依据,校核有限元模型。通过分析不同工况模拟的竖向位移,研究得出空沟-荷载间距、沟深、沟宽等对隔振效果的影响。结果表明,(1) 空沟-荷载间距越小,隔振效果越好,但实际隔振工程中,为避免振动对空沟侧壁的稳定性的影响,空沟与振源不宜太近,因此可以不计空沟-荷载间距对隔振效果的影响;(2) 就提高隔振效果而言,增大沟深比增大沟宽更有效,而相同的隔振效果,窄-深沟的挖方量远小于宽-浅沟;(3) 在对冲击荷载进行隔振设计时,对于一般的民用和工业建筑,综合隔振效果、开挖和支护费用等因素,采用宽度为0.5～1.0 m,深度为2.0～2.5 m的空沟较为合理,与某工程实例进行比对,验证结论的合理性。     

层状饱和土体中排桩对简谐荷载隔振效果分析

根据Biot理论,利用已有的传递、透射矩阵法得到层状饱和土体内部受竖向圆形分布荷载作用下的基本解,再由Muki虚拟桩法,建立了频域内层状土-桩的第二类Fredholm积分方程。通过离散方法求解积分方程,得到了评价隔振效果的振幅比。与已知文献结果比较,验证了方法的正确性。数值结果表明：对于同种类型的振源,采用相同的隔振系统,在上软下硬的多层土体中的隔振效果比在上硬下软的土层中要好。采用较长的桩或刚度较大的桩,或桩之间的距离加密都可得到好的隔振效果。     

饱和土体中空沟对移动荷载被动隔振的 2.5D边界元法分析

根据饱和土Biot理论及移动荷载特性,采用积分变换方法,推导了半无限饱和土体频域-波数内的边界积分方程,讨论了2.5D边界积分方程中Cauchy的奇异性,并分析了空沟对移动荷载引起饱和土体振动的被动隔振效果。通过与已知文献结果比较,验证了算法的正确性。数值结果表明,采用2.5D BEM不仅可以解决具有复杂表面的移动荷载作用下动力响应问题,而且可极大减小计算工作量。对于饱和土体受高速移动荷载作用,空沟更能有效减小土体孔压、竖向位移的振幅;当荷载速度较小时,空沟对土体表面的水平向位移几乎不起衰减作用,甚至有放大效应。另外,随空沟距振源的距离增大,空沟能够更好阻隔土体表面波传播。     

Hyperbola-Logistic模型预测列车引起的地面振动

振动波在土介质中传播包含呈幂函数关系的几何衰减和呈指数函数关系的阻尼衰减两方面,针对振动波衰减的两种性质,提出Hyperbola-Logistic组合模型来描述振动波沿地表的传播。实例分析表明,Hyperbola-Logistic组合模型既可以用来预测地面位移、速度、加速度及振级的衰减,又可以预测高架桥段、路堤段及地下列车引起的地面振动。Hyperbola-Logistic组合模型具有较高的拟合精度,相关系数R均在0.95以上,决定系数R2均在0.90以上,它对振动衰减的拟合是可信的。通过对比,文中模型无论数值大小还是分布趋势,都能更好地预测列车引起的地面振动。     

An intelligent approach to prediction and control ground vibration in mines

Drilling and Blasting are still considered to be the most economical method for rock excavation either on surface or underground. The explosive energy, which breaks the rockmass, is not fully utilized for this purpose. Only 20–30% of explosive energy is utilized for fragmenting the rockmass and the rest wasted away in the form of ground vibration, air blast, noise, fly rock, back breaks, etc. Among them, ground vibration is considered to have the most damaging effect. A number of predictor equations have been proposed by various researchers to predict ground vibration prior to blasting. Still, it is difficult to recommend any one predictor for a particular ground condition because ground vibration is influenced by a number of parameters. These parameters are either controllable or non-controllable like blast geometry, explosive types, rock strength properties, joints patterns, etc. In the present paper, an attempt has been made to predict the ground vibration using an Artificial Neural Network incorporating large number of parameters, which affect the ground vibration. Results are also compared with the values obtained from regression analysis and observed field data sets. Finally, it is found that the neural network approach is more accurate and able to predict the value of blast vibration without increasing error with increasing number of inputs and non-linearity among these.     

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。     

Estimation of ground vibration from driven piling based on statistical analyses of recorded data

Summary Ground vibration data, originating from impact hammers and vibrodrivers and compiled by different research workers, have been plotted in scaled distance form and statistically analysed. A quadratic regression curve rather than a linear regression curve provides a better visual fit to the several data sets. In each case, superimposed on the graphical data points are also the one-half standard deviation and the one standard deviation curves. It is argued that the quadratic one-half standard deviation curves, generated from an analysis of all the reliable vibration information compiled by the authors from impact hammers and vibrodrivers, be used for design of piling operations in order to mitigate excessive environmental vibration.