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。     

地铁列车荷载作用下饱和土中圆形衬砌隧道和轨道系统动力响应分析

为研究地铁列车运行引起的轨道系统及饱和土体动力响应问题,采用解析法建立了饱和土全空间中圆形衬砌隧道和轨道结构耦合分析模型,用一系列符合列车几何尺寸的移动常荷载或移动简谐荷载模拟地铁列车,用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质理论模拟土体,用Euler梁理论模拟钢轨、浮置板并组成两层叠合梁单元,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现浮置板轨道结构与衬砌及周围饱和土体的耦合。通过算例对比了饱和土体模型和弹性土体模型动力响应的差异,分析了饱和土渗透系数、荷载移动速度和自振频率对轨道结构位移、饱和土体位移及孔压的影响。结果表明:当土体渗透性较差时,饱和土位移响应与相应的弹性土位移响应区别明显,土体模型对轨道结构响应影响较小;随着渗透系数的降低,饱和土体孔压增大;荷载移动速度和自振频率对轨道结构和土体动力响应影响显著。     

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。     

列车荷载下冻土路基非平稳随机振动分析的时域显式法北大核心CSCD

随着我国冻土地区铁路运营里程的不断提升,冻土路基在随机列车荷载作用下的动力响应分析成为了急需解决的工程问题。本文以青藏铁路某路基横断面为例,采用时域显式蒙特卡罗模拟法,计算其在随机列车荷载作用下响应的统计特征。首先,提出列车驶过施加在路基顶面荷载的快速计算方法,并引入轨道不平顺及列车行驶速度两类随机参数,以生成随机分析所需的大量荷载样本。然后,采用数值积分方法将运动方程在时域上进行离散,建立任意离散时刻冻土路基动力响应关于列车荷载的显式表达式。基于该显式表达式,可以高效地实施蒙特卡罗模拟,得到在随机列车荷载作用下路基关键响应的均值、标准差和峰值等统计量。采用该方法,分析了路基在夏冬两个季节不同深度处的随机动力响应,发现在夏季路基浅层中的位移和速度响应最为剧烈。数值算例表明,时域显式蒙特卡罗模拟法在冻土路基随机振动分析中具有理想的计算精度和计算效率。     

Centrifuge model test on the behavior of geosynthetic-reinforced pile foundations under simulated train loads

Acta Geotechnica - Geosynthetic-reinforced pile foundations (GRPF) are widely applied for the construction of railways to improve the natural weak foundation formed with soft soil. This paper...     

一种新的本构模型及参数标定

在现行本构模型研究的基础上,建立了一种全新本构模型,它可以描述4种行为特征：弹性-弹塑性-软化、弹性-弹塑性-硬化、理想弹塑性、弹脆性;其模型参数只有4个,现行模型只是该模型的特例（如：邓肯-张模型）,介绍了模型参数的决定方法,其决定的依据是：模型所描述的行为特征与实测数据之间相关度最优;分析了岩土体破坏后区特征,提出岩土体破坏后区行为可以定义为视应力-视应变特征。并以实例对该模型进行了说明,结果表明,该模型可以描述岩土体的行为特征,并对虚内键模型、弹簧模型和离散单元法等具有借鉴作用。     

采动煤岩渗透率演化模型及数值模拟

为描述采动煤岩渗透率演化过程,引入强度退化指数,基于Hoek-Brown强度准则,建立了考虑围压影响的煤岩应变软化力学本构模型。给出了体积应变和渗透率的关系方程,结合应变软化模型建立了采动煤岩渗透率演化模型,并在FLAC下予以实现。通过数值模拟研究了不同围压下圆柱岩样的峰后应变软化力学行为和某煤矿工作面开采过程中煤岩的渗透率演化过程,结果表明：（1）该模型能较好地反映围压对煤岩峰后应变软化行为的影响;（2）随着工作面推进,越来越多的煤岩单元破坏,渗透率也不断增长,逐渐成为瓦斯等流体运移的主要通道。（3）模型能再现采动煤岩渗透率演化的动态过程,从而为煤与瓦斯共采、煤层瓦斯抽放和瓦斯灾害防治提供指导。     

高铁运行引起的高架桥群桩基础地面振动衰减分析

采用多质点弹簧-阻尼模型模拟列车,将板式轨道运动学方程引入到桥梁模型中,推导了桥梁振动半解析模型,结合群桩基础模型,建立了列车-轨道-桥梁-桥墩-群桩基础半解析耦合模型。基于傅里叶变换和频域内弹性半空间Green函数求得高铁高架桥群桩基础地面波动场,研究了上软下硬和上硬下软地基环境振动规律,分析了桩径、桩长对地面振动衰减的影响。结果表明:车速较低时,轨道中心处上硬下软地层比上软下硬地层振动大;上软下硬地层,车速较高时因接近表层软土剪切波速而增大地面振动,故应避免车速接近表层土的剪切波速;群桩基础地面振动随桩长和桩径增大而增大,且车速越大地面振动增速越快;桩体具有好的减振效果,群桩范围内地面振动由于几何阻尼和桩体散射作用迅速衰减,且桩径越大振动衰减速度越快,但受桩长影响较小;群桩基础外上硬下软地层比上软下硬地层的地面振动幅度小,表明上硬下软地层减振效果好;合理设计桩基可控制轨道中心处地面振动,并能有效降低高架桥远处的环境振动。     

基于Coulomb准则的混凝土塑性损伤本构模型及其数值验证

以连续介质不可逆热力学为基础,采用了Mohr-Coulomb屈服准则,提出混凝土塑性损伤耦合的新的本构方程。在该模型中采用了塑性应变 、各向同性损伤标量D作为内变量。这个新的本构关系模型严格满足热力学的基本方程。以不同围压作用下混凝土试件的单轴压缩行为为例,采用开发的程序进行了局部水平上本构模型数值验证。结果表明,模型损伤演化数值结果符合试验趋势。     

Theis解析模型的数值解及其在MatLab中的实现

讨论了如何应用数值积分方法求解含水层中地下水非稳定流抽水试验的解析模型以获得含水层的水文地质参数,并以Theis公式为例讨论求解原理。引入了MatLab的数值积分工具和优化工具,轻松实现了对水文地质参数的求解,此举既保证了解的可靠性和唯一性,也大大提高了方法的可操作性。最后以一个具体的承压水非稳定流抽水试验为例验证了这个方法,所得的结果与应用配线法得到的结果基本一致,从而肯定了方法的应用价值。研究结果尽管是针对Theis模型进行的,但求解原理同样适用于其他各种模型。     

岩石材料的三维各向异性损伤破坏模型与数值模拟

基于复合材料以及连续介质损伤理论,给出了岩石材料的各向异性损伤破坏模型。通过引入与岩石材料单轴加载行为相对应的特征模态构成的四阶对称损伤张量,描述了岩石材料的损伤演化过程,其中对不同主应变方向采用不同的损伤变量,而对同一主应变方向拉压时的损伤则采用不同的损伤变量来描述。在数值模拟岩石破坏过程的程序中,采用了张量分解的方法。将该模型编写用户材料子程序,并嵌入到大型有限元分析程序ABAQUS中,通过ABAQUS/EXPLICIT SOLVER的显式有限元算法求解。利用此程序对岩石材料的单轴压缩进行了数值模拟。     

Three‐dimensional steady‐state response of a railway system on layered half‐space soil medium subjected to a moving train

The paper presents a three‐dimensional study on the steady‐state response of a track system and layered half‐space soil medium subjected to the load induced by the passages of a moving train with the substructure method. Practically, due to the ground water table being several meters beneath the ground surface, the soil profile can be divided into two layers: the upper layer modeled by an elastic medium and the lower layer by a fully saturated poroelastic medium governed by Biot's theory. In the meanwhile, the rails are regarded as an infinitely long Euler beam, and the sleepers are represented by a continuous mass. The effect of the ballast is accounted for by introducing the Cosserat model for granular medium, and the train is described by a series of moving axle point loads, depending on the geometry of the train. The influences of the thickness, the mass and the rigidity of the elastic layer and the mass of the ballast on rail's displacement responses are carefully investigated. Numerical results show that the influences of these parameters are significant for high train velocity, while vanishes for low velocity. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

块裂结构岩质边坡水力学模型及数值模拟

把块裂结构岩质边坡看作拟连续介质与块裂介质广义双重介质,运用现代分形理论,建立了1-2级主干裂隙分形网络,并根据两类介质接触处水头相等及节点流量相等建立了合理的块裂结构边坡三维水力学模型,给出了有限元解法,模拟了三峡工程的蓄水位至175 m时边坡渗流场与应力场的变化,在应用上有较好的可靠性与广泛性。     

移动荷载作用下饱和土中单桩的动力响应

根据Biot动力理论,采用Fourier和Hankel变换方法得到了半空间饱和土受移动载荷及土体内受垂直简谐载荷作用下频域内基本解。根据虚拟桩法,得到了移动载荷作用下桩基的第2类Fredholm积分方程,并应用IFFT方法得到时间、空间域内单桩的动力响应。数值结果表明,移动荷载会引起桩身的负摩擦力;桩身最大轴力、孔压随移动荷载速度增加而增大;此外,在桩上端部会出现孔压集中现象。     

空沟对冲击荷载隔离的现场试验与数值模拟

在场地开挖了一条空沟,以落锤式弯沉仪（falling weight deflectometer,简写为FWD）的荷载模拟冲击荷载,通过FWD自带的传感器测得空沟后一定范围内的竖向位移。通过室内试验,获取试验场地的岩土参数,采用非线性动力有限元软件ABAQUS建立二维模型（将远处单元定义为无限单元来模拟吸收边界,从而避免振动波的来回反射）。以空沟中心线的现场测试数据为依据,校核有限元模型。通过分析不同工况模拟的竖向位移,研究得出空沟-荷载间距、沟深、沟宽等对隔振效果的影响。结果表明,(1) 空沟-荷载间距越小,隔振效果越好,但实际隔振工程中,为避免振动对空沟侧壁的稳定性的影响,空沟与振源不宜太近,因此可以不计空沟-荷载间距对隔振效果的影响;(2) 就提高隔振效果而言,增大沟深比增大沟宽更有效,而相同的隔振效果,窄-深沟的挖方量远小于宽-浅沟;(3) 在对冲击荷载进行隔振设计时,对于一般的民用和工业建筑,综合隔振效果、开挖和支护费用等因素,采用宽度为0.5～1.0 m,深度为2.0～2.5 m的空沟较为合理,与某工程实例进行比对,验证结论的合理性。     

列车荷载引起心形应力路径下软土非共轴应变特征研究

采用空心圆柱仪对重塑空心软黏土试样开展了一系列非破坏试验,研究了列车循环动荷载作用下的性状。试验中主要选取心形应力路径,以圆形应力路径为辅助,对比分析了两种应力路径下软土的非共轴应变特征,探究循环振次对非共轴特性的影响、荷载频率的大小对非共轴角与大主应力方向角关系曲线形态变化的影响,同时进行了机制分析,并与另一动应力水平下试验结果进行了对比论证。此外,在不考虑频率影响下建立了简化的非共轴角与大主应力方向角之间的关系模型。研究发现,在大主应力方向角旋转的任意周期内,心形与圆形两种应力路径下非共轴角随大主应力方向角变化趋势各自有明显特点,相同动应力水平下两种应力路径产生的偏应力增量引起的单位偏应变增量大小也有所区别,但在大主应力方向角旋转的局部角度内,两种应力路径下的偏应变增量相近;心形应力路径下的非共轴角以及偏应力增量引发的单位偏应变增量大小受循环振次的影响不明显,任意振次中大主应力方向角在[-30°,40°]弧度区间内对应的偏应变增量远大于该区间之外的偏应变增量;随着频率增大,非共轴角随大主应力方向角的变化呈现越来越明显的波动。     

Ground deformation behaviour induced by overlapped shield tunnelling considering vibration loads of subway train in sand

Acta Geotechnica - The tunnelling-induced ground deformation can be affected by the existing tunnel(s) in overlapped tunnels construction, especially when the existing tunnel is in operation....     

反复动载下土体的动应力累积效应及量化模型研究

土体受到反复动载作用时,土中产生的动应力在一个周期荷载结束后不会立刻释放,而是需要一定的扩散时间,其中部分应力将逐次叠加到下一次荷载产生的动应力之中,随着动载次数的增加而逐渐积累,形成动应力累积效应。试验结果表明,动应力累积总量与土体性质、荷载产生的动应力强度、动载频率及动载次数等因素有关,在反复动载作用下,土中产生的动应力包括单次动载产生的动应力与反复动载产生的动应力累积两部分。     

基于次加载面理论改进的ALPHA模型及其数值实施

基于次加载面理论对ALPHA模型进行了改进,并在模型中考虑了土体初始各向异性;提出了与模型相适应的半隐式本构积分算法,据此在通用有限元软件ABAQUS平台上开发了相应的用户材料子程序;利用建立的计算程序,对不同排水条件的三轴试验进行了数值模拟。与已有研究成果对比表明,提出的半隐式本构积分算法,可较好地实现复杂本构模型的数值实施。改进的本构模型克服了修正剑桥模型预测的超固结土峰值强度过高、初始屈服面内假定为弹性变形等缺点,能够较好地描述土体初始屈服面内的的非线性和不可恢复性变形特征;通过变化模型参数,可模拟变形特性较为复杂的土体。     

A smoothed cap model for variably saturated soils and its robust numerical implementation

This paper deals with the numerical implementation of a cap model for unsaturated soils. It provides a brief review of existing cap model approaches, based on which an improved model formulated in terms of generalised effective stress and matric suction is derived and described in detail. Although the proposed model is a multisurface plasticity model, it can efficiently be implemented using only single‐surface projections because of the smoothness of the model, which is obtained by construction. Numerical algorithms are provided for these single‐surface stress projections, using a single‐equation approach whenever possible. The robustness of the utilised single‐equation approaches is enhanced by proposing problem‐fitted start‐up procedures based on investigations of the nonlinear projection equations. A comparison of the model response with extensive material test data is used to validate the model and to demonstrate the robust application of the approach to silty sands and low to medium plasticity clays. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.