一年内列车荷载作用下冻土路基的应力分布

冻土路基土体的物理性质与温度有密切关系, 在不同的季节, 路基内的变形场和应力场会相应发生变化. 为了说明路基内变形场和应力场的季节性差异, 以青藏铁路某断面为例, 对冻土路基在有、无列车荷载两种工况下进行了数值模拟, 系统分析了两种工况下路基内的变形场和应力场特点. 结果表明: 路基修筑后, 在自重作用下会产生较大瞬时变形; 由于路基内温度场随时间变化, 路基内各点的位移也随时间发生变化, 且位移时程曲线与温度时程曲线大体呈负相关. 在有、无列车两种工况下路基竖向位移分布都是由道砟中心向路基内部逐渐减小, 但数值明显不同; 由列车荷载引起的最大竖向附加变形发生在路基顶面中心点, 在10月15日、1月15日、4月15日, 变形量分别为-4.94 mm、-3.24 mm、-2.56 mm. 对于路基底面中心点和地基浅层中心点, 由列车荷载引起的附加应力在10月15日最大、1月15日次之、4月15日最小, 附加应力最大达到19.48 kPa; 列车荷载主要影响路基上部土体应力分布, 对下部土体应力分布影响较小.     

列车荷载作用下冻土路基中的动应力计算研究

冻土路基在列车荷载作用下的动力响应是一个复杂的热、力相互作用过程,又是一个急需解决的实际工程难题. 应用冻土物理学、冻土力学、传热学等基本理论建立冻土路基的动力分析模型,以青藏铁路某普通路基典型断面为例,对冻土路基在列车荷载作用下的动力响应进行了数值模拟,并系统的分析了路基内动应力、位移、加速度等动力响应特点. 结果表明：普通路基修筑后,在路基及其下部地基中将会产生大片力学性质不稳定的高温冻土层;在列车荷载作用下,路基内土体产生竖向加速度,随着深度增加,加速度波动范围减小,路基顶面中心点加速度波动范围比路基底面中心点大一个量级. 路基竖向位移由道砟中心向内部呈圆弧状逐渐减小,整个分布关于路基中线对称;在不同季节的路基上施加列车荷载时,路基顶面的动应力差异不大,但路基底面的动应力差异达7.5 kPa. 不同季节的路基内动应力随深度的衰减曲线不同,路基表面以下2 m和大于15 m的深度范围内,差异较小;2~15 m的范围内,差异较大.     

地下水非稳定渗流分析的显式有限单元法

本文介绍一种用于地下水二维渗流问题分析的显式有限单元法。给出有关数学模型和基于格林公式推导的计算方法，并给出武汉建银大厦深基坑降水工程计算实例。     

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。     

季节性冻土区高速铁路换填路基冻结特征的有限元分析

运用土壤冻结融化条件下热传导的基本方程和数值理论方法,结合哈大客运专线具体工程,通过模拟分析在不同的路基高度、几何断面选型、填料选择和施工、竣工季节条件下,对比分析了换填路基结构不同部位的季节性最大冻结深度在今后50a内随着时间在全球升温的背景趋势下的变化规律。通过分析并讨论换填路基的热状况特征及其分布变化规律,在数值模拟结果的基础上,结合季节性冻土区高速铁路无碴轨道路基结构的特点,总结并提出了较为合理的换填路基高度、几何结构形式选型、路基填料的选择分类以及路基施工和竣工季节,并通过以上结果分析评价了换填后路基的整体热稳定性。     

二维土层地震反应分析的时域等效线性化解法

考虑非线性特征的局部复杂场地地震反应分析,一直是工程场地地震动预测中需解决的关键问题。借鉴目前一维成层场地地震反应分析中广泛使用的频域等效线性化思想,将其推广至时域及二维问题,提出了可用于考虑非线性特征的时域显式有限元方法,适用于复杂工程场地地震反应分析。本方法内域主要采用可实现显式算法的低阶有限元格式,人工边界处采用与显式算法相匹配的透射边界模拟无限域,单元内先通过求取平面应变状态下的最大切应变替代一维模型中的最大切应变,再依据整个时间过程的切应变求取等效切应变。每次整体求解采用时域中心差分的递推过程,并通过迭代完成非线性特征分析。为了验证本方法,选取水平成层场地及二维盆地两个典型场地模型进行模拟分析,将计算结果与传统的一维等效线性化模型及二维差分非线性计算结果做了对比,计算结果显示本文解与参考解非常吻合,证明了本文方法的可靠性。进一步采用该方法对美国Turkey Flat试验场地进行地表地震动模拟,计算结果与应用广泛的一维等效线性化模型及实测记录比较,探讨该方法的可靠性及与现有分析模型的差异,并阐述了非线性特征对地震动影响的规律。     

基于传递矩阵的两相介质波动问题时域显式有限元方法稳定性研究

饱和两相介质波动问题的时域显式有限元方法具有条件稳定性。这类方法的稳定性可通过方法中动力反应时域递推计算格式传递矩阵传递因子的数值进行评估,传递因子的数值越小,方法的稳定性越好。针对饱和两相介质波动问题的两种时域显式有限元方法,基于其动力反应时域递推计算格式的传递矩阵的性质,在两相介质体系物理参数取值不同的条件下,对两种方法稳定性性质的差异进行了对比研究。结果表明：渗透系数的取值对两种时域显式有限元方法稳定性性质的差异具有较为显著的影响。当渗透系数取值较大时,两种方法的稳定性性质没有明显的差异;当渗透系数的取值较小时,两种方法的稳定性性质将表现出明显的差异,方法1的稳定性要优于方法2。     

路侧波形梁护栏对分离式路基风吹雪雪害影响的仿真分析北大核心CSCD

对内蒙古自治区多条公路调查发现,设置有防撞护栏的路段雪害严重。由于风吹雪现场监测受降雪量、风力、时间等诸多因素限制,因此本文采用计算机仿真“数字风洞”的方法,选择分离式路基中典型的路堤断面形式,建立路基模型和防撞护栏模型,定量分析不同防撞护栏设置参数下公路横断面风速流场特性及其影响关系。通过对路面风速控制点的数据及路面整体风速云图分析发现,防撞护栏阻碍风吹雪的流动,导致路面风速大幅度降低使大量雪粒子沉积到路面上造成道路积雪,故在风吹雪多发地区分离式路基路段可通过放缓边坡坡度或采用缆索护栏以确保路侧安全的同时消除或减少雪害的发生。本研究结果可为多雪地区公路分离式路基路侧安全设计与养护提供理论基础与参考依据。     

循环荷载下软黏土不排水强度弱化分析的动力有限元ABAQUS实现EI北大核心CSCD

在波浪循环荷载作用下饱和软黏土地基出现孔隙水压力升高,并导致不排水强度弱化,严重影响防波堤的承载性能。考虑静偏应力影响,基于最大孔隙水压力发展模型和正常固结软黏土不排水强度公式,推导出软黏土不排水强度随循环荷载作用次数和应力水平变化的动态折减规律。结合软黏土不排水强度动态折减规律和M-C屈服准则,在有限元软件ABAQUS上实现软黏土不排水强度循环弱化分析的数值开发和动力运算过程。运用该动力有限元方法对天津港防波堤地基软黏土的动、静三轴试验进行数值模拟运算。结果表明,最大孔隙水压力发展曲线以及循环荷载作用后不排水强度的数值预测结果与动三轴试验结果吻合良好。另外,动力有限元方法(DFEM)能够表示土体强度在循环荷载作用下的具体弱化过程。     

机车荷载作用下青藏铁路多年冻土区普通路基的蠕变分析

基于青藏铁路北麓河试验段的机车现场实时振动监测,在三轴流变试验的基础上,利用ABAQUS有限元软件中的时间硬化与Druker－Prager屈服破坏准则耦合的蠕变模型,对青藏铁路多年冻土区的普通素土路基在等效机车荷载作用下的蠕变效应进行分析。研究表明,ABAQUS软件中时间硬化与蠕变模型能较好地模拟路基运营过程中的时间效应,素土路基的竖向位移由路基顶部中心位置向路基内部和两侧逐渐减小,一年中的最大位移达14 mm,与该段的年沉降变形观测值一致。路基中心的蠕变应变值大于路基顶面和天然地表的应变值,路基中心受机车荷载的振动影响最大     

青藏铁路多年冻土区斜坡路堤的稳定性分析

通过分析目前青藏铁路多年冻土区斜坡路堤稳定性状况的本质特点,结合目前稳定性计算分析方法研究现状,切合实际地提出了从热学和力学两方面分别进行分析和计算,并综合评价斜坡路堤稳定性的方法。通过现场典型断面的计算分析可以看出：①对于热力学属性呈动态变化的斜坡路堤,分析其最不利状况可以得到符合实际的稳定性状况结果;②当斜坡路堤处于热学稳定状态时,其力学稳定性也可能呈现不稳定情况,所以需要从热、力学两方面共同分析其稳定性才能得到较为全面的符合现场实际的结论。此方法原理简单、结果明确,对于多年冻土区斜坡路堤在运营阶段的稳定性分析和评价具有重要的指导意义     

多年冻土区高等级公路特殊路基长期降温效果研究

气候变暖背景下,块石路基及通风管-封闭块石基底复合路基成为多年冻土区高等级公路冷却路基的主要结构形式. 为探明不同直径块石层的渗流特征和规律,开展了立方排列球体室内风洞试验,一方面获得了渗透率和惯性阻力系数及其与球体直径间的统计关系;另一方面得到了球体层内部压力梯度与渗流速度呈二次非线性关系. 基于该试验得到的参数和关系,采用多孔介质中流固耦合传热模型,通过有限体积法模拟了柴木铁路块石路基的降温效果,并利用实测数据验证了模型及参数的可靠性. 在此基础之上,以青藏高等级公路特殊路基为原型,使用该传热模型开展了封闭块石基底路基和通风管-块石复合路基长期冷却降温效果的数值模拟研究. 结果表明：封闭块石基底路基和通风管-封闭块石复合路基在研究期内均有降温效果,可以提高路基下人为上限,而块石夹层路基在一定时期内可以提高冻土上限,但下部土体温度升高,长期降温效果较差.     

多年冻土区不同路面材料路基热稳定性分析

针对多年冻土区路基路面病害多发的现状,从路面材料入手,对水泥混凝土和沥青两种路面下路基温度场的变化规律进行研究。研究结果表明,在计算高度范围内,对于8.5 m路面宽幅的路基来说,沥青路面下的最大融深大于混凝土路面下的最大融深,尤其在路基高度较低时两种路面下的融深差异更大。最大融化深度和最大融化深度发展速率均与路基高度和路面宽幅有紧密关系,通过研究可以提出有效的措施来保持路基热稳定性,从而减少路基路面病害的发生和公路的运营成本,为今后类似工程提供参考     

A practical method for identifying parameters in the seismic design of embankments

The effect of heterogeneity of soils on a seismic design procedure based on residual displacement according to safety factors is examined. Although soils are heterogeneous in nature, at present the seismic designs of embankments implement the assumption that soils are homogeneous. In this study, a seismic reliability analysis using a Monte Carlo simulation and considering the heterogeneity of soil strength was applied to the Newmark sliding block method. The data of the analysis in this study were based on in-situ soil test results of actual airport embankments. This paper indicates a rational and practical approach to modifying the actual heterogeneous soil conditions into homogeneous design parameters for the Newmark sliding block method in homogeneous ground conditions.     

列车荷载作用下紧邻垂直多孔隧道环境振动分析

目前常用的关于地铁引起的环境振动评价标准是基于单列车的计算分析结果和实测数据。而随着国内迎来了轨道交通建设的黄金时期,大量近距离多孔交叠隧道不断出现,仍沿用基于单列车的环境振动评价方法将无法真实反映实际的振动环境。武汉市轨道交通2号线与4号线工程在洪（洪山广场站）中（中南路站）区间为4孔紧邻交叠隧道,根据实际工程特点,将其中部分隧道简化为不同净距的四孔垂直隧道,建立其三维计算模型,分析了紧邻多孔交叠隧道在不同净距、不同埋深以及不同列车数量作用下的环境振动及其频谱特性,并对计算结果进行了拟合分析,建议了近似经验公式,确定了环境振动影响范围。论文研究成果可供今后类似工程的环境振动预测和评价提供参考     

青藏铁路冻土区路桥过渡段沉降原因分析

青藏铁路开通近10 a以来,各类冻土工程稳定,保证了列车平稳安全的运行。然而,青藏铁路工程也不可避免出现了一些病害问题。现场调查资料表明,冻土区路桥过渡段下沉现象较为严重。通过冻土区路桥过渡段的沉降特点和工程地质条件综合分析,结果表明：地表水或冻结层上水水热侵蚀,引起人为多年冻土上限下降、高含冰量冻土层融化,致使路基发生强烈的融化下沉。建议这类工程病害应采取主动降温措施增强地基土的冻结能力,并加强防排水设施和改善地表水条件,消除水热侵蚀所产生的融化下沉。研究结果为青藏铁路路桥过渡段的稳定性和养护提供了科学依据。     

青藏铁路冻土路基变形监测与分析

基于现场监测资料,对作为青藏铁路中的主要保护冻土的几种路基形式（如：通风管路基、块石路基、块石护坡路基、保温材料路基和普通素土路基）进行了变形和温度分析,发现所有路基的变形均以沉降变形为主,且其变形与其下伏冻土的地温场变化密切相关。经过2～3个冻融周期后,通风管路基、块石路基、块石护坡路基和保温材料路基的变形已趋于稳定,而无任何措施的普通路基目前变形仍未稳定。另外,各种路基左右路肩均存在变形差。基于以上分析可得到一个启示：在高温、高含冰量冻土地区,由于路基下多年冻土温度升高产生的高温冻土压缩变形而引起的路基沉降变形具有相当大的量级,很有可能成为冻土路基发生破坏的一个重要原因,工程实践中应给予足够的重视。     

Probabilistic analysis of strip footings resting on a spatially random soil using subset simulation approach

The failure probability of geotechnical structures with spatially varying soil properties is generally computed using Monte Carlo simulation (MCS) methodology. This approach is well known to be very time-consuming when dealing with small failure probabilities. One alternative to MCS is the subset simulation approach. This approach was mainly used in the literature in cases where the uncertain parameters are modelled by random variables. In this article, it is employed in the case where the uncertain parameters are modelled by random fields. This is illustrated through the probabilistic analysis at the serviceability limit state (SLS) of a strip footing resting on a soil with a spatially varying Young's modulus. The probabilistic numerical results have shown that the probability of exceeding a tolerable vertical displacement (P _e) calculated by subset simulation is very close to that computed by MCS methodology but with a significant reduction in the number of realisations. A parametric study to investigate the effect of the soil variability (coefficient of variation and the horizontal and vertical autocorrelation lengths of the Young's modulus) on P _e was presented and discussed. Finally, a reliability-based design of strip footings was presented. It allows one to obtain the probabilistic footing breadth for a given soil variability.