基于Melan解的水平基床系数分析方法及工程运用

弹性地基法具有概念清晰、过程简单等优点在深基坑设计中广为运用,合理选择土体水平基床系数是弹性地基法的关键因素。以往地基水平基床系数多依靠于经验取值,一些学者也曾经尝试采用mindlin解等一些经典的弹性解来确定地基水平基床系数,但在参数的取值以及边界条件的确定方面均存在问题。根据反对称问题的特点,很好地解决了基坑开挖后的边界条件问题,使之符合弹性半空间理论,同时采用考虑应力状态和应力水平的土体参数,使得参数的选取更加符合实际情况。结合理论分析结果与应力路径试验结果,得到了与模量相关的水平基床系数计算方法。将计算得到的水平基床系数运用到杭州市地铁一号线试验段深基坑开挖工程中,并与实测结果进行比较,验证了计算方法的正确性,为杭州地铁后期设计计算、开挖施工提供了理论依据。该方法与传统弹性地基法相比,水平基床系数的取值有明确的计算方法,与连续介质有限元法相比,参数简单、计算简便、概念明确。     

线性分布基床系数弹性地基梁有限单元法改进

弹性地基梁法常用于研究土和结构的相互作用,对于均布荷载和边界条件简单的弹地基梁,采用理论解即可方便地进行计算。侧向荷载作用下桩体、嵌入式挡墙一般根据弹性地基梁理论进行分析,并假定基床系数随深度增加。对于基床系数呈线性分布或呈均匀分布但边界条件复杂的弹性地基梁理论求解困难,通常采用有限差分法或有限单元法近似求解。采用有限单元法计算线性分布基床系数弹性地基梁时,若单元划分数量不够,就存在计算精度不足的问题。采用加权余量法推导了更为精确的2节点5次位移函数和相应的单刚矩阵,得出了线性分布荷载作用下挠度的5次多项式近似解,从而实现只需划分很少的单元数,节点位移及单元内位移的分布即可达到较高的计算精度,极大地提高了计算效率,单元内力的分布可直接由位移函数导出,简化了后处理计算程序。     

Analysis of Circular Elastic Plate Resting on Pasternak Foundation by Strain Energy Approach

In this paper, an analytical expression for the deflection of a thin circular elastic plate resting on the Pasternak foundation is derived by adopting the strain energy approach. The parametric study is carried out to observe the location of the plate lift-off and the variation of the deflection profiles for comparing the variation pattern reported in the literature based on an approximate solution technique. It is found that the radial distance of the point of lift-off of the plate decreases with increase in the values of both the shear modulus and the modulus of subgrade reaction of the foundation soil; the reduction being more for their lower values. It is also observed that the variation in deflection of the plate at any radial distance due to change in soil subgrade conditions is significant for lower values of modulus of subgrade reaction.     

上覆单相弹性层饱和地基上刚性条形基础竖向振动的混合边值问题

根据Biot动力控制方程,运用Fourier积分变换技术,并按照混合边值条件和连续条件建立了上覆单相弹性层饱和地基上刚性条形基础竖向振动的对偶积分方程,并将其退化到完全饱和地基的情形。通过引进正交多项式将对偶积分方程化为线性代数方程组,从而得到了上覆单相弹性层的饱和地基上刚性条形基础的竖向振动规律。通过算例分析得到,单相弹性层的厚度对动力柔度系数有着较大的影响,在单相弹性层厚度较小时（小于条形基础半宽的0.1）,动力柔度系数曲线与完全饱和的基本重合;完全饱和地基上刚性基础的竖向振动是上覆弹性层厚度Hn=0的特例。     

应用P—S曲线分析非线弹性地基上的欧拉——伯努利梁

在较大外荷载下,搁置在地基上的Bernoulli—Euler梁下部的土体会发生塑性变形。在使用有限差分法离散了文克勒地基梁（Winkler）的控制方程后,形成了线性代数方程组,然后调用计算机Fortran程序进行了求解。利用p-s曲线,通过迭代,使用有限差分法求解了考虑土体塑性的变基床系数的Winkler地基梁的位移。计算结果表明：通过p-s曲线和变基床系数的Winkler地基梁模型,可近似分析出地基在外荷载作用下是进入弹性阶段还是弹塑性阶段,并给出较为合适的地基沉降值。最后,讨论了算法的应用范围。     

锚索桩的主动支护作用及桩身初始内力分析

预应力锚索桩在桩身施工完毕且锚索施加了初始预应力时,因滑坡推力未及作用于桩上,初始预应力即刻对受荷段桩背的岩土体产生迎滑动方向反推的一种主动支护效应,同时使桩身产生初始内力。基于受荷段桩背岩土水平反力模数为常数的单向Winkler弹性地基梁模型,以及嵌入段桩周岩土水平反力双参数模式的Winkler弹性地基梁模型,以受荷段桩身挠曲线的有限差分式与嵌入段挠曲线的解析通解改进式在滑面处的协调条件联立,推导了锚索初始预应力所产生主动支护效果的半解析定量计算和桩身初始内力求解方法,该方法有助于建立应急抢险或施工期,锚索桩工程对滑坡稳定性及时作用的评估。     

公路路基地基承载力的离心模型试验与分析

公路路基由于基底的柔性和荷载分布为梯形,路基地基的破坏模式和确定方法与刚性基础地基有所差异,对公路路基地基承载力的研究具有重要的理论意义和实用价值。通过柔性条形基础、梯形路基以及模拟沟谷地形的柔性条形基础等3组离心模型试验,对公路路基地基的破坏机制和极限承载力进行了研究,并采用关联流动的Mohr-Coulomb内切圆屈服准则对试验结果进行了数值模拟和对比分析,研究结果表明,公路路基地基由于基底的柔性和较高的离心加速度,很难产生理想的整体剪切破坏形式;与刚柔性条形基础相比,梯形路基作用下的基底中心点沉降更大;沟谷地形对柔性条形基础基底中心点的沉降有一定的影响,但并不明显影响地基极限承载力。     

层状地基上弹性地基梁的有限元-边界元耦合分析

将地基视为多层各向同性弹性体,对Euler-Bernoulli梁进行有限单元离散分析,对地基-梁接触面采用边界积分法求解,根据地基-梁接触面的竖向位移协调和光滑接触条件,应用有限元与边界元耦合的方法推导出各向同性成层弹性地基上的Euler-Bernoulli梁的半数值半解析解。基于文中理论,编制了相应的程序,通过与现有文献对比,验证了文中理论的正确性,对比分析了分层地基与等效均匀地基两种模型上的弹性地基梁。研究结果表明,分层地基与等效均匀地基两种模型上弹性地基梁性状差异较大,实际弹性地基梁计算中应采用分层地基模型。     

纵横向受荷基桩变形内力的矩阵传递解

针对地基的土体屈服性状,将桩侧土体分为弹性变形区域与塑性变形区域两种情况。假定地基反力系数为3参数的一般形式,同时考虑桩身 效应并计入桩身自重、桩侧摩阻力的影响,根据地基反力法分别建立桩身弹性段和塑性段挠曲线微分方程。在解微分方程的过程中,采用矩阵传递法结合Laplace正逆变换的方法解得桩顶作用轴向力、水平力、弯矩时桩身内力和变形的矩阵传递解,并用Fortran语言编制了相应计算程序。最后将试验数据对上述方法进行验证,结果表明计算值与模型试验的实测值吻合很好,采用文中3参数地基反力法反算所得的地基参数离散性很小,研究结果具有较高的应用价值。     

东北岛状多年冻土区公路路基清基试验研究

目前黑龙江省对多年冻土区的公路路基下冻土的处理措施主要是以清除为主,文中分别通过现场试验以及数值模拟计算,针对清基与否对路基产生的影响进行了分析。研究发现,对路基基底处理的方案采用清基或不清基方案均是可行的,但清基对路基的热稳定性是不利的。清基对路基温度场较显著的影响发生在施工完成后的1－3年内,在此期间人为上限变化较大,但还不至于造成路基路面的大面积融沉破坏;清基的长期影响是使多年冻土区年平均地温升高, 使路中人为上限下降;清基会使路基内提前约4个月发育融化核,并且融化核厚度也增加0.3～0.6 m;清基对路基温度场造成较大影响的主要影响因素是施工季节与清基后回填土体的初始温度。     

非线性广义文克尔模型探讨

文克尔地基模型的最大缺陷是没有考虑地基土的非线性和连续性。利夫金模型虽然对其连续性进行了改进,但过分考虑了基础形状对基床系数的影响,还导致了在矩形基础长短边方向上基床系数的极不对称。为此提出非线性广义文克尔模型,对文克尔模型特征函数重新进行了定义,修正了利夫金模型的缺点,在合理考虑基础形状和尺寸对地基刚度影响的同时,还能分别模拟几种典型情况的反力分布形式。非线性广义文克尔模型还通过分段线性逼近实际p-s曲线的方法,考虑了地基土的非线性。算例分析表明,非线性广义文克尔模型具有一定的合理性和实用性。     

RESPONSE OF A LAYERED ELASTIC MEDIUM TO A MOVING STRIP LOAD

Analytical determination of stresses and deformations caused by moving loads is vital to foundation and pavement designs. In current applications, moving loads are often approximated to be vertical impact loads. In this work, however, a live load is modelled as a uniform distribution of normal or shear stresses in actual motion. Then, a layer stiffness approach utilizing linear elasticity is followed in determining the surface and interior deformations due to the live load. By superimposing the two solutions for normal and shear surface stresses, the new approach can be made to provide an approximate solution to the problem of evaluating stresses and deformations caused by a wide wheel load rolling on a layered elastic system. Although elastic solutions in general are inadequate to explain the more significant consequences of pore pressure generation and dissipation in the soil subgrade, these results can certainly be useful to examine the shearing effects of wide rolling wheels on the asphalt layer and immediate settlement of the subgrade. It is found that the dynamic effects of a smoothly rolling wide load are significant at relatively low wheel velocities compared to those of shear waves in the subgrade and base.     

提速条件下粉土铁路路基动态稳定性研究

路基的动态响应及稳定直接决定了提速列车运行的舒适度和安全性。通过室内循环三轴试验,模拟了路基在湿度变化与提速列车动荷载作用下的动态特性。根据试验结果,结合既有线提速路基的动应力变化规律发现：在最优含水率附近,当压实系数为0.90,提速情况下路基可保持稳定状态;若压实系数为0.85,在动应力不超过70 kPa时,路基稳定性较好,但随着动应力水平增加和加载频率增大,路基的累积变形加剧并产生动强度破坏。列车提速使路基的弹性变形增大,但对路基的回弹模量影响较小。路基湿度增加导致临界动应力、回弹模量显著降低,而回弹应变、循环累积应变迅速增加,有可能导致路基产生动强度破坏,因此,雨季时应限速行车。     

多向荷载作用下层状地基刚性桩筏基础分析

提出一种多向荷载作用下层状地基中刚性桩筏基础的计算方法。基于剪切位移法,采用传递矩阵形式分析了竖向荷载下桩顶面-桩顶面相互作用;引入修正桩侧地基模量,采用有限差分法分析了水平荷载下桩顶面-桩顶面相互作用;基于层状弹性半空间理论,分析了多向荷载下桩顶面-土表面、土表面-桩顶面、土表面-土表面的相互作用关系。建立了桩土体系柔度矩阵,得到了多向荷载下层状地基中刚性桩筏基础的受力和变形的关系以及桩的内力和变形沿桩身分布规律。通过与有限元对比,验证了该方法的合理性和修正地基模量的优越性,并对多向荷载作用下的桩筏基础进行了计算分析,计算结果表明,水平力将会引起桩筏基础的倾斜。     

铁路站场岩溶地基加固补强技术与效果分析

针对某病害站场路基,根据其变形规律对其基础进行补勘,分析病害原因,在此基础上提出岩溶地基加固补强方案：①补注浆加固岩溶地基和基岩顶面土体;②高压旋喷加固补强原复合地基;③低压注浆加固垫层及其以上3～5 m路基填土层;④侧向补注浆帷幕加固地基;⑤建立路基变形监测系统,评估加固补强效果。加固补强后地基沉降量和复合地基承载力特征值的理论计算值分别为12.4 mm和455 kPa,满足设计要求。现场监测结果表明,补注浆加固岩溶地基及其顶面土体后,站场路基变形减缓;旋喷桩和低压注浆加固区竣工后,路基呈均匀性沉降变形,变形速率急剧变小;竣工6个月后,路基变形趋于稳定,综合验证了加固补强方案的正确性和有效性。     

季节冻土区高速铁路防冻胀路基保温强化特性研究

季节冻土区路基的冻胀变形影响高速列车的运行速度、行车安全。以普通级配碎石路基结构为原型,建立轨下基础热-力耦合模型和路基结构外力作用模型,通过温度场和变形场的现场监测数据、力学特性计算的文献资料验证了模型的可靠性。在此基础上建立水泥稳定碎石路基、保温强化层+级配碎石路基、保温强化层+水泥稳定碎石路基3种防冻胀路基模型,计算冻胀变形和受力特性。结果表明：保温强化层和水泥稳定碎石填料均有效减小了路基的冻胀变形,其中保温强化层+水泥稳定碎石路基的冻结深度和最大冻胀量最小,分别为0.8 m、1.585 mm;保温强化层可减小基床表层竖向应力,且弹性模量较大的水泥稳定碎石可加速竖向应力的衰减,使得基床底层承受应力减小。保温强化层+水泥稳定碎石基床表层结构可为季节冻土区高速铁路路基结构的选型提供参考。     

基于离心试验与数值模拟的圆砾地层深基坑弹性地基模式研究

本文以南宁轨道交通1号线广西大学站深基坑为工程背景,对圆砾地层深基坑工程进行离心机模型试验,并采用Plaxis数值模拟进行对比分析,分别获取了围护墙体变形、侧向土压力数据。基于以上数据,根据基坑弹性地基反力法基本原理,进一步对圆砾地层深基坑围护结构弹性地基主动区、被动区的计算模式进行了分析研究,结果表明:圆砾地层深基坑墙后土压力大小与墙体位移有关,达到主动土压力状态所需的墙体位移量S/h约为0.1%;主动区土压力分布形态为开挖面以上三角形、开挖面以下矩形,符合弹性地基反力法计算模式;被动区地基水平基床系数K随深度近似呈线性增长关系,即弹性地基模式符合m法的分布形态。     

Soil–pipe interaction due to tunnelling: Assessment of Winkler modulus for underground pipelines

One of the key problems in the implementation of Winkler models to analyze tunnelling effects on existing pipelines lies in the assessment of subgrade modulus under external soil displacement. In this paper, an expression of the Winkler subgrade modulus for a pipeline buried at arbitrary depth and subjected to free soil displacement with arbitrary curve shape is given. Using superposition principle and the Fourier integral, the subgrade modulus of an infinite beam resting on the surface of an elastic half space and buried infinitely are obtained respectively. Then the influence of embedment depth is estimated based on Mindlin and Kelvin solution. The validity of the proposed subgrade modulus is verified by comparison with the results from an elastic continuum solution and two centrifuge model tests for the responses of buried pipeline due to nearby tunnelling. Thereafter, parametric studies are shown to assess the accuracy of the proposed subgrade modulus by comparing with an elastic continuum solution in homogeneous and non-homogeneous soil stratum and the amount of error is estimated.     

墙下条形基础与层状横观各向同性地基共同作用

运用对偶积分方程来求解层状横观各向同性地基与墙下条形基础的共同作用问题。从直角坐标平面应变问题控制方程出发,通过傅里叶（Fourier）变换和层间连续性条件,可以得到层状横观各向同性地基的传递矩阵解。基于该传递矩阵解,并利用条形基础与地基接触的混合边值条件,推导出一组关于基础挠度和地基反力的对偶积分方程。考虑墙下条形基础受到竖向集中荷载的情况,利用弹性薄板理论先求解出条形基础挠度;随后应用雅可比（Jacobi）正交多项式和级数展开的方法,将对偶积分方程转化为线性代数方程组进行求解。编制了相应的计算程序,其计算结果与有限元软件ABAQUS的结果基本吻合,从而验证了所提理论的正确性。算例分析表明,板土相对刚度与地基成层性对地基反力、地表沉降和沿z轴竖向正应力有很大的影响。     

基床翻浆条件下无砟轨道路基振动特性研究

无砟轨道路基翻浆是近年高速铁路路基出现的特殊病害形式,为研究基床翻浆对无砟轨道路基动力特性的影响,在沪宁城际路基翻浆工点进行了病害勘查和现场行车试验,分析了列车荷载作用下翻浆段无砟轨道路基振动特性。结果表明：无砟轨道路基翻浆病害的形成主要与基床表层级配碎石细粒含量较高以及底座板伸缩缝、侧缝封闭不严有关;基床翻浆导致路基对轨道结构支承及约束作用降低,加剧了无砟轨道结构的振动,其中底座板振动放大效应尤其明显,且振动放大效应随车速增加而增大;基床翻浆改变了无砟轨道与路基基床间振动波传递状态,限制了路基基床参振耗能作用的发挥,翻浆断面路基面动位移幅值减少45%,底座板到路基面动位移传递函数减小约2/3,当列车速度为247 km/h时,在路基受动荷载主要作用频率范围内（0～15 Hz）,其动位移传递函数处于0.22～0.39间。