飽和地基動(dòng)力響應(yīng)及高架高速鐵路環(huán)境振動(dòng)研究.pdf

1、隨著我國(guó)大量高速鐵路的興建和對(duì)既有鐵路干線的多次提速，列車高速運(yùn)行引起線路周邊環(huán)境振動(dòng)污染問(wèn)題日益顯著。特別是在廣泛分布著飽和軟土地基的東南沿海地區(qū)，高速列車較易超過(guò)地基的Rayleigh波速而產(chǎn)生劇烈的地基振動(dòng)。為節(jié)約用地和控制工后沉降，我國(guó)已建300公里級(jí)以上高鐵干線中，如京津、京滬、滬杭、滬寧、杭甬等，高架橋結(jié)構(gòu)占線路總長(zhǎng)的80％以上，高架高速鐵路引起飽和地基振動(dòng)的預(yù)測(cè)研究在國(guó)內(nèi)外尚屬空白。本文以Biot飽和土體波動(dòng)理論為基礎(chǔ)，主

2、要開(kāi)展了飽和地基時(shí)域和頻域三維動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算以及高架高速鐵路環(huán)境振動(dòng)的理論研究工作，具體如下:
　　1.以移動(dòng)諧振荷載下均質(zhì)飽和半空間土骨架位移和孔壓為表征量，通過(guò)與完整u-w格式對(duì)比，提出了無(wú)量綱參數(shù)——最大頻率比R(Ω)來(lái)定量判定u-p格式、完全不透水格式和完全透水格式等三種簡(jiǎn)化控制方程在移動(dòng)荷載下飽和地基動(dòng)力響應(yīng)模擬中的適用性。
　　2.根據(jù)完整u-w格式的Biot波動(dòng)控制方程，采用Galerkin法推導(dǎo)了三維飽和土體單

3、元控制方程，編制了相應(yīng)二維和三維飽和土體單元程序，并嵌入到自主開(kāi)發(fā)的三維動(dòng)力有限元分析程序中。分析了一維飽和土柱的固結(jié)、波動(dòng)問(wèn)題以及二維地基的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題，并與解析解和已有研究成果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證了程序的正確性。同時(shí)求解了移動(dòng)點(diǎn)荷載作用下的平面應(yīng)變飽和地基動(dòng)力響應(yīng)，研究了荷載速度和滲透系數(shù)對(duì)地表土骨架位移以及孔隙流量的影響。
　　3.將基于單相介質(zhì)提出的多次透射人工邊界(MTF)推廣應(yīng)用于飽和地基動(dòng)力響應(yīng)的有限元模擬中。首先，基于飽

4、和土體的Biot u-w格式動(dòng)力方程，在頻域中解析求解了平面P1、P2和SV波入射時(shí)，有限元離散網(wǎng)格中二階MTF人工邊界穩(wěn)態(tài)反射系數(shù)的表達(dá)式，并分析了不同無(wú)量綱頻率比、無(wú)量綱網(wǎng)格步距和無(wú)量綱時(shí)間步距下的MTF人工邊界反射系數(shù)和反射角。繼而，在自主開(kāi)發(fā)的有限元?jiǎng)恿Ψ治龀绦蛑袑?shí)現(xiàn)了上述二階MTF人工邊界，通過(guò)與解析解和邊界遠(yuǎn)置參考解對(duì)比，說(shuō)明了二階MTF人工邊界在一維、二維和三維飽和地基動(dòng)力響應(yīng)有限元模擬中的有效性以及在移動(dòng)荷載下飽和地基動(dòng)

5、力響應(yīng)有限元模擬中的適用性。
　　4.建立了三維層狀飽和地基模型并在模型底邊施加頻域無(wú)反射人工邊界（考慮地基下臥基巖時(shí)則模型底邊固定）,采用薄層單元法求解了三維層狀飽和地基的頻域動(dòng)力Green函數(shù)。通過(guò)與已有研究成果對(duì)比，說(shuō)明了所求Green函數(shù)能準(zhǔn)確計(jì)算不同振動(dòng)頻率、不同埋深位置處簡(jiǎn)諧荷載激振下的三維飽和地基的動(dòng)力響應(yīng)，所求Green函數(shù)無(wú)需關(guān)于Hankel函數(shù)進(jìn)行數(shù)值積分逆變換且能直接計(jì)入地基的成層性，提高了計(jì)算效率。

6、　　5.采用容積法建立了三維飽和地基—群樁基礎(chǔ)頻域耦合動(dòng)力分析模型，其中樁體離散為三維Euler-Bernoulli梁?jiǎn)卧?，飽和地基剛度矩陣則由基于薄層單元法推導(dǎo)的Green函數(shù)在各樁土相互作用節(jié)點(diǎn)間形成的柔度矩陣求逆而得。通過(guò)與已有研究成果對(duì)比說(shuō)明了所建模型的正確性，在此基礎(chǔ)上，分析了不同地基滲透系數(shù)和激振頻率下飽和地基中群樁基礎(chǔ)的水平、豎向、搖擺和扭轉(zhuǎn)阻抗函數(shù)以及承臺(tái)中心施加單位力和彎矩簡(jiǎn)諧荷載時(shí)，飽和地基自由場(chǎng)的位移和孔壓響應(yīng)。<

7、br>　　6.建立了移動(dòng)諧振荷載下、等跨簡(jiǎn)支箱梁上覆無(wú)限長(zhǎng)板式軌道的豎向動(dòng)力分析模型，并利用周期結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的性質(zhì)進(jìn)行求解。分析了不同荷載自振頻率、移動(dòng)速度和初始位置下，鋼軌、軌道板和箱梁的位移響應(yīng)頻譜、鋼軌的時(shí)域位移響應(yīng)和箱梁支座的反力時(shí)程。研究表明，當(dāng)鋼軌準(zhǔn)柔度低于扣件彈簧柔度時(shí)，振動(dòng)變形和能量集中在鋼軌和扣件中，遞到箱梁支座的荷載比例會(huì)明顯降低;帶支座箱梁的一階撓曲自振頻率以及簧上軌道板（彈簧模擬軌道板下的CA砂漿墊層）的共振頻率

8、對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)有顯著貢獻(xiàn)。
　　7.針對(duì)我國(guó)高架高速鐵路工程常見(jiàn)的上覆板式軌道、下設(shè)群樁基礎(chǔ)的雙線整體式簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)形式，提出了一種能詳細(xì)考慮列車荷載經(jīng)由鋼軌、扣件、軌道板和CA砂漿墊層等細(xì)觀軌道構(gòu)件傳遞至箱梁、橡膠支座、橋墩和群樁基礎(chǔ)，并最終傳遞至飽和地基全過(guò)程的耦合分析模型。在頻域和時(shí)域中進(jìn)行了模型關(guān)鍵參數(shù)分析，并詳細(xì)研究了群樁基礎(chǔ)承臺(tái)荷載、飽和地基位移和孔壓響應(yīng)隨荷載移動(dòng)速度、自振頻率和初始位置的變化，并考察了地表速度響應(yīng)隨