列车荷载作用下高铁路基速度传递规律模型试验研究

列车运行速度的提高会加剧轨道路基结构的振动,削弱其动力稳定性,并可能产生过大的附加沉降,严重时可导致轨道路基结构失稳破坏,因此,在列车荷载作用下高铁路基结构的动力响应是世界各国高速铁路建设及运营过程中亟待解决的课题。依托典型高速铁路路基工程,利用自主研制的伺服激振控制系统,开展了大比例尺的高铁路基激振模型试验研究,通过激振器模拟列车轮轴循环加载,得到了不同频率激振力作用下路基不同层位的速度的时程变化曲线及幅值空间分布特征;揭示了列车荷载作用下路基速度幅值传递及衰减规律。研究表明,不同频率的激振力作用下路基土体的速度曲线具有明显的周期性峰值;同一频率作用下路基土体中速度幅值沿深度方向不断减小,呈指数衰减趋势,随着深度的增加。研究成果为相应实际工程的设计、施工及运营提供了一定的参考及借鉴。     

循环荷载作用下水泥土桩复合地基模型试验研究

设计并完成了循环荷载作用下水泥土桩复合地基的模型试验。对水泥土桩复合地基的竖向附加应力、桩土应力比、孔隙水压力及沉降等问题进行了研究讨论。结果表明,（1）水泥土桩加固饱和软基后发生了应力重分布;（2）循环荷载作用下复合地基桩土应力比受加荷周数、循环应力比和置换率等因素的影响较显著;（3）水泥土桩加固饱和软基降低了孔压值,减小了由于孔隙水压力的消散而产生的工后沉降;（4）水泥土桩复合地基在循环荷载作用下桩顶和桩间土变形并不协调,桩顶永久沉降小于桩间土永久沉降,且加荷周数越大这种趋势越显著。     

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。     

车辆载重与动荷载对X形桩桩-网复合地基动力特性影响的试验研究

基于大比例模型试验,采用半正弦波模拟移动车辆荷载,通过开展不同车辆载重和动荷载作用下X形桩桩-网复合地基的动力特性模型试验,分析桩身动应力、土拱效应、动土压力、垫层应力传递系数、格栅动应变等的变化规律,初步揭示了车辆载重和动荷载对X形桩桩-网复合地基的影响机制。试验结果表明,车辆动荷载对X形桩桩身动应力的影响深度约为2 m;车辆载重和动荷载的增加会导致桩间土承受更多的动应力,并且会降低路肩处土工格栅的作用;但是,路基中心的垫层应力传递系数几乎保持不变;土工格栅的动应变比超过0.048时,格栅累积变形会随着车辆载重和动荷载的增加迅速增大。     

超大面积深厚软土桩-网复合地基承载性状模型试验研究

基于厦深铁路潮汕车站地基处理加固工程,完全参照原型的软土地基地层分布情况,设计了两种不同桩间距下的超大面积深厚软土桩-网复合地基物理模型试验,对荷载传递机制与不同桩间距下桩体荷载分担比、桩土应力比及地基沉降规律等进行了系统研究。结果表明,桩身轴力沿着桩身高度往下先逐渐增大到某一深度后又逐渐减小,随着桩间距增大,桩承担上部荷载的方式由摩擦桩逐渐向端承桩变化;随着桩间距增大,桩身中性点下移,桩身最大负摩阻力出现的位置下降,且其值减小;桩间距对桩-土应力比有显著影响,而对桩体荷载分担比影响较小;不同桩间距下,两桩中心桩间土与桩顶差异沉降均小于4桩中心桩间土与桩顶差异沉降;随着路堤填土荷载增加,土工格栅表现为拉应变逐渐增大,拉应变曲线刚开始比较平缓,后逐渐变陡,增大的速率先慢后快。     

考虑下卧层特性的复合地基荷载传递规律模型试验研究

为研究存在下卧层复合地基的荷载传递规律,进行多组复合地基室内模型试验。针对不同桩径、垫层厚度和下卧层厚度等工况进行试验,得到增大桩径不能提高桩体的承载力发挥度;复合地基的设计要充分考虑垫层和下卧层对荷载传递的影响一系列有益的结论。试验结果表明,复合地基中桩身轴力、桩侧摩阻力和荷载分担比的分布及发展过程,可为复合地基理论研究提供一定的依据,并对其设计起到一定的指导作用。     

循环荷载作用下水泥土桩复合地基变形性状分析

采用自行研制的油压式循环加载设备,对水泥土桩复合地基在循环荷载作用下的竖向变形进行了大比尺的模型试验。试验结果表明,在循环荷载作用下复合地基同样存在临界循环应力比,其值大于单纯饱和软基的临界循环应力比,而且受水泥掺入比的影响不显著。另外,在循环荷载作用下循环应力比和加荷周数对复合地基竖向变形有显著的影响。     

路堤荷载下刚-柔性桩复合地基应力特性研究

介绍了温州瓯海大道桥头路堤采用低强度砼桩和水泥搅拌桩组合复合地基处理桥头跳车问题。通过在路堤下埋设钢弦式压力盒,获得了路堤下低强度砼桩、水泥搅拌桩以及土的应力比数值随时间的变化规律,并分析了三者荷载分担比随时间的变化特性。现场测试结果还表明,路堤荷载下桩土应力比要比刚性承压板下小得多,其研究成果可为路堤下刚-柔性桩复合地基设计提供有益参考。     

路堤荷载作用下柔性桩复合地基的沉降分析

为了寻求路堤荷载下柔性桩复合地基沉降计算的简便方法,基于已有的研究成果,将桩侧摩阻力分布简化为分段线性模式,根据桩长与临界桩长的大小关系,结合桩-土-垫层三者在交界面上的应力与压缩变形协调条件,运用单位元法推导了柔性桩复合地基加固区的沉降计算公式,并采用分层总和法计算复合地基下卧层的沉降量。结合工程实例对计算结果进行验证,结果表明:采用理论方法计算的柔性桩复合地基沉降量与现场实测沉降结果吻合较好,证明理论计算方法的合理性,且能较好地反映路堤荷载作用下柔性桩复合地基的工作性状。进一步分析表明:在临界桩长范围内,桩与桩间土相互作用,最大限度发挥了复合地基桩间土的承载能力;此外,由于桩侧负摩阻力对桩体有拖拽作用,桩身轴力在桩体中性面位置处达到最大值。因此,在工程设计中要高度重视和运用临界桩长和中性面的概念。     

路堤荷载下碎石桩复合地基沉降分析

基于路堤荷载下碎石桩复合地基的竖向与径向变形特征,采用更为合适的桩周竖向位移模式与径向位移模式,推导出桩侧摩阻力分布的解析解,然后通过典型单元体的受力分析,给出一种路堤荷载下碎石桩复合地基加固区压缩变形的分析计算方法。该方法不仅能反映出桩间土的相互作用和桩侧摩阻力分布存在中性点的特性,而且考虑了桩体鼓胀变形对复合地基沉降的影响。最后,结合工程实例的对比分析结果表明,本文方法计算结果相比复合模量法及不考虑桩体鼓胀变形的方法更接近实测值,表明了本文方法的合理与可行性。     

高速列车运行引起路基-场地体系振动特性研究

基于子结构法思想,把轨枕-路基-场地体系从列车-轨道-路基-场地这一耦联的大系统中分离出来。以荷载输入等同于一种边界条件,采用高速列车以265 km/h和300 km/h的速度运行时现场实测竖向速度时程作为荷载输入尝试,以ABAQUS软件为计算平台,考虑土的动力非线性特性,研究了以这两种速度不同组合的双线和单线高速列车运行引起路基-场地体系动力反应,初步探讨了其规律。     

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     

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。     

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.     

土工格栅加筋路堤边坡结构性能模型试验研究

通过室内小比尺模型试验,模拟了两种边坡坡比、两种格栅以及3种加筋层数共计10种边坡结构在坡顶荷载作用下边坡和土工格栅的变形规律。研究了土工格栅加筋参数对路堤边坡结构性能的影响。试验结果表明,加筋能大幅提高边坡的稳定性和承载能力,并得出了土工格栅埋在土中的力学特征,对工程实践具有一定的指导意义。     

新型桩板结构对高速铁路软基沉降控制作用离心试验

在CFG、PHC等刚性桩桩顶加设50 cm厚筏型钢筋混凝土形成板桩板结构控制深厚软土路基沉降,是高速铁路建设中提出的新型地基处理形式,以满足高标准铁路路基变形要求。通过对群桩处理的深厚软土路基在有无钢筋混凝土板时路基沉降的离心模拟,重点研究了钢筋混凝土板对路基沉降的控制作用以及桩、板与土体之间的相对变形。试验结果表明,在群桩处理地基上部铺设一定厚度的钢筋混凝土板,可以使路基整体沉降减小12 %,并使路基整体沉降更加均匀;桩端平面上部1/3桩长范围内土体由软塑状态转变为硬塑状态,密度和含水率变化显著;加载作用对路基变形影响深度大于40 m。     

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。     

列车动荷载下桩网结构路基土拱效应试验研究

通过三维模型试验研究了列车动荷载作用下的土拱效应。试验结果表明,动荷载作用下土拱效应依然有效,随着填土的增高,土拱效应在增强,土工格栅的存在可以增强土拱效应的作用。但动荷载条件下动应力的分布与自重条件下的应力分布截然不同。动荷载作用下土拱效应会发生退化,表现为动荷载施加过程中先前由桩所承担的部分动应力会转移至桩间土;完成动荷载施加后,最初由桩承担的部分自重荷载也会转移至桩间土。填土高度和土工格栅对于动荷载作用下土拱的稳定性有很大的影响,但当高度达到一定值之后,填土高度的影响就可忽略,土工格栅的存在使得土拱效应的削弱程度减小了一半。     

Laboratory model tests about the sand embankment supported by piles with a cap beam

Piled embankment is widely used in soft soil areas. Most researches focused on effects of embankment height-net pile spacing ratios and equal settlement plane; there are limited publications paying attention to the shape of slip surfaces occurring in the embankment. In some extreme conditions, such as the ground being quite soft or embankment height needed to be restricted, to reduce the differential settlement and lateral displacement, piles are usually installed in several rows and cap beams or isolated caps are placed on the heads of piles. In this paper, five laboratory tests were carried out to investigate the effect of embankment height on the slip surfaces and stress exerted on the subsoil. Based on the observation of the slip surface’s shape within the embankment fill, a new calculation model is proposed to predict the stress exerted on the subsoil. In comparison with the experimental results, the accuracy of this new method is verified. From the perspective of reducing the differential settlement and cost savings, the embankment height is about four times net pile spacing according to this calculation model, since continuing to increase the embankment will not make an obvious difference to the reduction of soil stress exerted on the subsoil.