高速铁路深厚软基连续薄板梁结构测试分析

在深厚软土地基上修筑无砟轨道高速铁路低矮路基,需要重点解决好软土地基工后沉降和长期动力稳定性问题.软土地基具有高压缩性,路堤荷载作用下会产生较大的残余沉降;同时,线路运营后,地基土在高速列车长期循环动荷载作用下易产生较大的塑性变形,二者耦合将严重影响到无砟轨道的几何状态和线路运营安全.基于此,在京沪高速铁路上海虹桥深厚软土地区低矮路基中,首次采用了桩基-连续薄板梁结构型式,并进行了系统的静动态监测、测试.结果表明,该结构工后沉降控制效果良好、长期循环荷载作用下性能稳定,可以满足高速铁路铺设无砟轨道和高速列车长期平顺运行的要求.     

移动荷载下瞬态振动的三维移动坐标有限元分析

针对移动荷载引起地基振动问题的特点,在随荷载移动坐标系下建立有限元方程进行分析,能够与常规有限元方法较好地符合。建立了可用于移动坐标有限元法的黏弹性边界,从而有效地模拟波在边界的透射。以Euler-Bernoulli梁模拟轨道和路基的作用,以三维实体单元模拟黏弹性分层地基,得到的数值模拟结果能够与瑞典Ledsgård地区高速铁路实测数据较好地吻合,表明移动坐标有限元法可以有效地分析此类问题。     

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。     

矩形移动荷载作用下路面-双层地基系统三维振动分析

考虑路面和地基之间的相互作用,建立了路面-双层地基的三维模型,将车辆荷载模拟成矩形移动荷载,利用Fourier变换方法对车辆荷载作用下路面-双层地基系统的三维振动问题进行了研究。假设地基为上部弹性土体和下部为饱和土体组成的双层混合结构,整个系统置于刚性基岩上。通过引入势函数,利用Lame分解理论和积分变换方法分别对弹性土层和饱和土层进行求解。在Fourier变换域内,联立路面和下卧双层地基系统的的运动方程,获得了车辆荷载作用下路面-双层地基系统三维振动的位移和孔压响应的积分形式解,并利用IFFT算法和自适应数值积分算法得到了数值计算结果。研究结果可为路基动力响应分析提供参考。     

高速铁路CFG桩复合地基柔性载荷试验研究

高速铁路建设的迅速发展及高速铁路对路基沉降的严格要求,CFG桩在高速铁路路基的处理上得到大量运用。但铁路工程对路基的作用原理与工民建工程对地基的作用原理有本质的区别,工民建房屋建筑荷载通过基础对地基施加刚性荷载,而铁路路基直接承受上部路堤的自重和列车运行产生的柔性荷载。高速铁路CFG桩复合地基的设计都是根据工民建行业的设计理论进行,其试验结果必然与实际情况存在偏差。本文着手研究适合于高速铁路复合地基的柔性载荷试验方法,模拟高速铁路柔性加载的特性,通过数值分析对比了刚性荷载和柔性载荷作用下CFG桩复合地基的桩、土应力、位移分布情况;通过现场载荷试验对设计方案进行了验证,研究了高速铁路CFG桩复合地基的承载力特性,结果证明柔性载荷试验是可行的,能合理的模拟高速铁路CFG桩复合地基承载特性,可为柔性基础下CFG桩复合地基的设计提供基础。     

高铁路基正交跨越地裂缝带动力响应数值分析

本文以大西客运专线高速铁路正交跨越地裂缝带为研究对象,基于有限元数值方法建立了高速铁路地基-地裂缝-路堤动力计算模型,模拟分析了高速列车荷载作用下有、无地裂缝带天然地基上路基的动力响应差异特征及影响规律。计算结果表明:列车荷载作用下无地裂缝带场地,路基动位移、加速度和动应力响应基本平稳,没有明显差异现象;而地裂缝带场地路基动位移、路堤本体内加速度均表现为上盘增大、下盘减小,垂直于线路走向路基动位移、加速度幅值衰减下盘大于上盘,地裂缝对加速度影响的临界深度约为地表以下15 m;地裂缝的存在引起其上盘路基出现动应力降低和下盘动应力增强现象,地裂缝场地沿深度方向路基动应力影响的临界深度为地表以下10 m。上述研究结果可为我国地裂缝发育区高速铁路建设与防灾减灾提供科学依据。     

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。     

I型轨道-路基系统动力荷载放大系数模型试验研究

高速列车行车时产生的动力荷载大小受多种因素影响,以列车运行速度的影响尤为关键。由于车辆-轨道-路基结构的复杂性,要通过理论计算准确地确定行车速度对动力荷载的影响并不容易。目前足尺物理模型试验已成为高速铁路无砟轨道路基结构动力性能研究的重要手段。根据沪宁城际无砟轨道设计和施工标准,建成室内1: 1无砟轨道路基模型,通过单个轮轴的动态激振试验获得I型轨道板动应变幅值及路基动土压力幅值随加载频率的变化规律,在该基础上得到列车动荷载随行车速度的变化规律。结合德国铁路动力荷载放大系数的计算公式,提出确定高速铁路I型轨道结构动力荷载放大系数的方法,并分别获得轨道板与路基结构动力荷载放大系数随列车运行速度的变化规律,可为我国I型轨道-路基系统设计动力荷载的确定提供依据。     

高铁路基动应力数值模拟和现场试验研究

以武广高速铁路无砟轨道路基典型断面现场动测为工程背景,基于FLAC3D软件建立了相邻2个转向架荷载下的无砟轨道路基三维有限差分模型,采用激振力函数模拟列车的动荷载作用.将数值模拟与现场实测结果进行对比,验证了该模型的可行性,并用该模型分析了无砟轨道路基的动应力特性.实测和模拟结果表明:基床表层顶面轨下位置动应力响应比中线处大;动应力响应在基床表层范围内最为强烈且衰减较快;列车荷载速度对动应力影响不显著.     

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。     

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.     

移动荷载下三维半空间动力安定性下限分析

针对交通移动荷载,基于第一动力安定性理论预测了弹塑性半无限空间动力安定性下限值。通过建立无限元边界的三维动力有限元模型,研究了移动荷载作用下弹塑性半无限空间的动应力分布,构造了稳态动应力下的残余应力场,基于残余应力场的构造提出了动力安定性下限值的预测方法,分析了交通动应力下的安定性下限值以及车辆移动速度对安定性的影响,同时分析了均布荷载和Hertz荷载分布对动力安定性下限值的影响。当荷载移动速度低于Rayleigh波速时,安定性极限值随着速度的增加而增加,而当速度超过Rayleigh波速时,随着速度的增加而减小。研究还发现,当荷载和总重相等时采用圆形均布荷载和Hertz荷载的安定性极限值较为相似。     

循环荷载下复合筒型基础地基孔隙水压力变化及液化分析

复合筒型基础是一种新型的宽浅式基础型式。在风、波浪、海流等动力荷载的作用下,复合筒型基础内外地基孔隙水压力的变化对结构安全产生影响。模拟了复合筒型基础受到的风浪流荷载,并将风浪流荷载合理叠加,采用三维有限元方法分析了风浪流联合作用下复合筒型基础地基动力响应规律。同时对复合筒型基础内外地基孔隙水压力的变化规律及液化范围进行了系统分析,通过分析发现：复合筒型基础附近海床液化深度随着饱和度、渗透系数、波浪周期、水深的增大而增大,随着泊松比的增大而减小。     

Three-dimensional analysis of embankments on soft soils incorporating vertical drains by finite element method

Three-dimensional behaviour of an embankment on soft soils incorporating vertical drains is analysed by a numerical model based on the finite element method. The model, which incorporates the Biot’s consolidation theory (coupled formulation of the flow and equilibrium equations) and constitutive relations simulated by the p–q–θ critical state model, is applied on both the embankment with vertical drains (three-dimensional analysis) and the same problem but without vertical drains (two-dimensional analysis). Special emphasis is given to the analysis, during and after the construction period, of the excess pore pressures, settlements, horizontal displacements and stress levels.     

列车引起的地基动应力特性

为分析列车引起的地基动应力特性,用移动荷载作用下的弹性地基Euler-Bernoulli梁模型计算得到地基表面与路堤之间的反力。将其视为作用于地基表面的移动面荷载,以单位移动荷载引起的半空间地基内部应力解为基础,对反力在作用空间上进行积分,得到了列车速度小于地基中Rayleigh波速时列车荷载在地基中引起的稳态应力响应解答。给出了应力随空间坐标和时间的变化,分析了应力的特性及分布规律。发现列车经过时在地基中产生的动应力是循环应力,具有明显的偏移应力。竖向动应力的影响范围随着列车速度的增大而不断增大。     

Three-dimensional multilayer cylindrical tunnel model for calculating train-induced dynamic stress in saturated soils

This study proposes an improved tunnel model for evaluating train-induced dynamic stress in saturated soils, which can consider multiple moving loads, grouting layer and pore-water pressure. Using Shanghai Metro’s actual parameters for train speed, tunnel, grouting layer and soils, the analysis of the spatial distribution of dynamic stress for soils and stress state of various locations under moving train loads shows that neglecting effects such as pore-water pressure can lead to underestimating dynamic normal stress and overestimating dynamic shear stress in the soils below tunnel. This model can be further extended to investigate principal stress axes rotations and tunnel settlement.     

Dynamic response of a thick plate on viscoelastic foundation to moving loads

A finite element algorithm is presented to evaluate the dynamic response of pavements including aircraft-guideway-foundation interaction. The pavement-foundation system is modeled by a series of thick plate elements supported by discrete springs and dashpots at the nodal points representing the viscoelastic foundation. The moving aircraft loads are represented by masses each supported by a spring and dashpot suspension system and having a specified horizontal velocity and acceleration. The accuracy of the algorithm is verified by comparing the finite element solution with available analytical results. A parametric study is conducted to determine the effects of various parameters on the dynamic response of pavements to moving loads.     

无拉力双地基参数板在移动荷载作用下的动力响应

求解了无拉力双参数地基上厚、薄板受任意移动荷载作用下的动力响应问题和板的脱离问题。从板-地基接触系统的分区广义势能泛函出发,通过建立和分析板单元区、地基单元区和连接板-地基的接触单元区的势能泛函,给出求解无拉力双参数地基板受任意移动荷载作用下的动力响应问题的分区广义协调元法。利用纽马克（Newmark）法经MATLAB编程叠代数值计算,验证了文中方法分析无拉力双参数地基板的动力响应问题是有效的。