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.     

列车荷载下青藏铁路冻土路基动力响应分析

根据带相变瞬态温度场的热量平衡控制微分方程, 采用有限元方法计算分析了青藏铁路路基的瞬态温度场. 随后, 根据温度场的分布特点, 应用Biot动力固结理论推导出的Biot动力固结控制方程, 采用热、力间接耦合方法对青藏铁路路基在列车荷载作用下的瞬态动力问题进行了数值模拟, 并系统的分析了列车荷载作用下铁路路基内的振动孔隙水压力、应力、位移等动力响应特点.     

高速列车振动荷载作用下马蹄形断面隧道动力响应特性分析

为了研究马蹄形隧道在高速列车振动荷载作用下的动力响应特性,采用模型试验与数值模拟相结合的方法,以时域、频域分析为基础,采用频率响应函数和峰值振动加速度作为评价指标,分析了列车时速分别为300 km/h和350 km/h的单点振动荷载作用下的隧道结构动力响应规律。通过FLAC^3D计算软件建立三维数值模型,研究了高速列车移动荷载作用下隧道结构的动力响应特性。研究结果表明:在列车振动全频域扫频荷载作用下,隧道结构内部的动力响应不是沿隧道环向逐渐衰减,而是仰拱到拱脚处的响应出现一定的衰减,但拱腰到拱顶处却呈现出增大趋势;在40~200Hz频率范围内,圆形断面隧道结构的动力响应小于马蹄形断面隧道结构的动力响应,平均差值约为3.8 dB,表明隧道的断面形状对其结构的动力响应影响较大,在设计时应予以考虑;在列车移动荷载作用下,各监测点的加速度响应表现出明显的周期效应,列车经过时动力响应显著增大;移动荷载作用下隧道结构的峰值振动加速度较单点振动荷载作用下均有不同程度的增加,因此在研究列车振动荷载诱发的动力响应特性时应考虑列车的移动效应。     

多年冻土区列车行驶路基动力响应及永久变形

<正>版次:第一版出版时间:2019-01开本:异16开出版单位:中国建筑工业出版社标准书号:978-7-112-22390-9【内容简介】本书以青藏铁路高温极不稳定多年冻土区路基在气候变化和列车荷载共同作用下的长期服役性能为背景,采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的技术手段,对青藏铁路列车荷载下冻土、融土的动力变形特性、列车荷载下路基振动反应和长期列车荷载作用下路基动力永久变形等问题进行了研究。全书共分为6章,包括:绪论、列车荷载下青藏铁路冻     

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。     

列车荷载下上覆弹性层横观各向同性饱和地基的动力响应

基于Biot多孔弹性介质的波动理论,构造了轨道、道碴、枕木及弹性层的横观各向同性饱和地基在列车荷载下的动力计算模型。利用Fourier变换,得到了列车荷载作用下横观各向同性软土地基上弹性层动力响应的解析结果。利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果,分析了荷载速度、地基的各向异性参数、弹性层刚度系数及厚度对位移和孔压响应的影响。分析结果表明：弹性层对控制地基振动作用显著,地表振动幅值随荷载速度的增加而增大,软土的横向弹性模量对地表振动及土中孔压有较大影响。     

冻土动力学研究的现状及展望

随着我国"一带一路"倡议发展主线的逐步开展,寒区交通运输工程必将得到广泛的建设。为确保寒区工程构筑物在动荷载作用下的长期稳定,对冻土动力学相关理论与实践问题的研究迫切地需要做出解答。冻土动力学主要研究的是动荷载作用下冻土的强度、变形和稳定性问题。通过归纳和总结,阐述了冻土动力学在动力学参数、动强度、动应力-应变关系、动蠕变特征及蠕变模型、冻土场地地震反应特性、冻土区桩基结构动力特性、列车荷载下冻土路基的动力响应等7个方面的研究进展及成果,并结合各方向的发展趋势进行了展望。     

冻土路基在地震作用下的动力响应

青藏高原是地震多发区,冻土区的公路、铁路在地震作用下的动力响应必须考虑．将冻土作为黏弹塑性材料,考虑冻土在动力荷载作用下的热力耦合效应,从热传导方程、渗流微分方程和动力平衡方程出发,建立了冻土的动力热一力耦合微分方程．根据相应的有限元列式,对路基在地震荷载作用下的动力响应进行了计算与分析．     

列车行车荷载作用下富水弹性砂性地基动态响应

由于轨道的不平整性,列车运行中会产生较大的激振荷载。该激振荷载使铁路路基和地基发生动态响应。铁路路基过大的振动反应会对列车的通行安全不利,降低乘车的舒适性,而且会对铁路周边的建筑物带来不良振动,给周围居民带来噪音污染。所以研究和评估列车通过时铁路路基和地基的动态响应具有重要的实际意义。本文以Biot动态方程为控制方程,以有限元程序包FSSI-CAS 2D为数值计算工具,在前人研究的基础上,进一步深入研究了铁路路基、富水砂性地基在列车行车动荷载作用下的动态响应问题。考虑铁路路基和地基中地下水面线以上部分的非饱和带的存在是本研究的一个特色之处。数值计算表明在列车行车激振荷载作用下,铁路路基-地基系统发生强烈的动力响应,其中以低频的竖向响应为主; 并且该响应存在衰减。非饱和带内的负孔隙水压力在列车激振荷载作用下不发生变化,而饱和带内孔隙压力发生振荡。本文所提供的研究方法、工具和计算案例可为铁路交通工程中评价列车通过的安全性、乘车的舒适性提供研究参考。     

提速列车荷载作用下铁路路基动力特性的研究

结合铁路提速现状,分析了既有线上运行最高时速200 km/h客车、120 km/h货车时路基的动力响应。首先,采用列车-轨道耦合动力学模型,计算轮轨间相互作用力,然后,通过非线性数值分析,研究不同列车编组和行车速度条件下路基的动力响应,包括路基横断面的动应力、位移和加速度的大小、分布规律、沿路基深度内的衰减,并探讨了路基参数与动力响应的关系,同时与既有线的部分实测结果进行对比分析。研究表明,列车速度提高对路基动力响应的影响有限,但轴重的影响很大;对既有线路基加固时,存在一个最佳的路基刚度值（120 MPa）;道床厚度增加,路基动应力线性减少,但路基动位移和加速度变化不明显。     

2001-2006年青藏铁路多年冻土区冻害调查与分析

多年冻土问题是青藏铁路建设面临的主要工程地质问题,2001年开始,随着铁路路基、桥梁等构筑物的建设施工,多年冻土环境发生了变化,从而影响到多年冻土的工程稳定性.通过对青藏铁路建设期间历年来寒季暖季的冻害现场调查,在2002年寒季调查中发现多年冻土区的路基出现裂缝;2003年寒季调查发现冰椎、冰幔、混凝土剥蚀、沙害等;2004年又发现边坡渗水、涵洞积冰等冻害;2005年寒季调查发现新生病害较少.通过现场分析和及时治理,逐步提出了多年冻土区的补强措施,制定了主动保护措施为主、被动保护措施为辅的综合性解决方案.在设计方面,增加了对多年冻土的认识,及时将调查情况反馈到设计中去,调整设计思路,转变设计理念,实现青藏铁路的动态设计理念.     

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.     

倾斜布管采控天然冷量的青藏铁路路基温度场演变规律

Aiming at the stabilization of Qinghai-Tibetan Railway embankment during its construction and run, the method using tilt pipes to keep the permafrost embankment stabilization is put forward in the paper. By gathering natural cold energy in the winter and release it in the summer the tilt pipes can keep the permafrost embankment stabilizing. The temperature fields of the embankment and the stratums below are studied according to the condition of pipes diameter 250mm, length 7. 0m and tilt angle 30°,45°, 60° until the railway working for 20 years. It is shown that the embankment field using tilt pipes will eliminate the thawing core and come into subzero temperature phase ahead of 9 years compared with the original model. Different tilt angles have different efforts on the embankment and stratums, synthesis analysis of thermal income and expenses of the embankment and stratums should be carried out     

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。     

青藏铁路可调式通风管路基的数值仿真分析

Finite Element Method has been used to operate the numerical analysis and comparison between the traditional ventilated embankment and the adjustable ventilated embankment adopted in Qinghai-Tibet Railway construction. The numerical results show that: 1) The adjustable ventilated embankments can prevent the thermal entry from air into ducts during summer from thawing the permafrost beneath the embankments; 2) The cooling effects of the adjustable ventilated embankments on permafrost is much better than the traditional ventilated embankments although two kinds of embankments can generate the thawing bulbs at the beginning of finishing construction; 3) The drop of the mean temperature of permafrost under the adjustable ventilated embankments keeps faster than that of the mean temperature of permafrost under the traditional ventilated embankments. It is clear that the adjustable ventilated embankments can keep the embankment more stable than the traditional ventilated embankments.     

采控天然冷量过程中青藏铁路路基温度场演变特性研究

针对青藏铁路工程所穿越的高温、富冰多年冻土路基稳定问题, 提出了采控天然冷量, 即在冬季采集并存储地气温差所造成的冷量, 夏季释放, 维护路基稳定的方法. 对典型工程条件下采控天然冷量后路基温度场随时间和空间上的演变规律进行了研究比较, 结果表明: 在不采用附加措施情况下, 直到道路施工完成后的第16年路基内温度场才逐渐进入负温, 因此必须对路基温度场采用人为干预措施. 结果显示, 采控天然冷量方法可以保持青藏铁路路基的稳定.     

青藏高原多年冻土区碎石护坡降温作用及效果分析

基于青藏高原北麓河多年冻土区碎石护坡路基与普通路基温度监测资料分析,结果表明:碎石层的铺设具有减小坡面年平均温度及坡面温度年较差的作用;与普通路基相比,碎石护坡在暖季主要起到隔热作用,但在冷季主要存在不利于路基散热的弊病.从路基人为冻土上限抬升状况、温度降低程度和路基变形量的差异来看,碎石护坡路基较普通路基有利于冻土路基的热稳定性.但碎石护坡调节路基内部温度场是一个长期过程,即坡面温度对多年冻土温度的影响具有滞后性,若作为青藏铁路多年冻土区补强措施使用时应慎重.     

青藏工程走廊多年冻土场地地震动加速度峰值特征研究

根据青藏工程走廊北麓河及楚玛尔河场地地震危险性分析结果,合成年超越概率为1.97%、1.00%、0.21%、0.10%、0.04%、0.02%的人造基岩地震波作为输入地震动,结合场地钻孔剖面及波速资料,和已有的冻土动力学研究成果,建立一维模型,通过等效线性化方法进行场地地震反应分析计算,研究了青藏工程走廊多年冻土场地地震动加速度峰值特征及影响因素.研究结果表明,北麓河场地与楚玛尔河场地的人造基岩地震波峰值及持时均存在显著差异,北麓河场地峰值大、持时短,以近震影响为主,楚玛尔河场地峰值小、持时长,以中远震影响为主;多年冻土区场地,夏季场地地震动加速度峰值显著大于冬季,活动层融化对场地地震动加速度峰值有明显的放大效应;冬季场地冻结后,场地地震动加速度峰值随冻土波速增大而减小,最大减小幅度为6.1%,随动剪切模量比减小、阻尼比增大而减小,最大减小幅度为8.9%.活动层的融化有利于放大场地地震动加速度峰值,重大冻土工程抗震设防应予以重视.     

青藏铁路抛石护坡路基强迫对流特性数值分析

基于多孔介质中流体热对流的连续性方程、非达西流动量方程和能量方程,对强通风条件下青藏铁路典型抛石护坡路基内温度场和流速场的分布形态进行数值研究。研究结果表明,抛石护坡路基对多年冻土保护作用显著,抛石护坡路基的存在使夏季多年冻土上限明显提高,冬季抛石护坡路基下部土体回冻速度较天然地表下部土体更快,由于降温作用主要集中在护坡附近有限范围之内,对路基中部的降温作用相对较弱。整体而言,抛石护坡对冻土路基本体的保护作用有限,从长期降温效果来看,由于全球气候变暖的影响,强通风条件下抛石护坡路基中线以下土体的内部可能产生“似眼球状”融化夹层,不利于路基的稳定。迎风抛石护坡层中空气运动方向大致为沿护坡斜向上,背风抛石护坡层中空气运动方向以从下到上运动为主,抛石层内空气的运动形式为“绕流”,抛石层表面空气速度最大,内部较小,空气速度分布区间为1.24×10-3～12.8 m/s,数值结果与现场试验测得的风速区间基本一致。