飽和地基動力響應(yīng)及高架高速鐵路環(huán)境振動研究.pdf

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

2、要開展了飽和地基時域和頻域三維動力響應(yīng)計算以及高架高速鐵路環(huán)境振動的理論研究工作，具體如下:
　　1.以移動諧振荷載下均質(zhì)飽和半空間土骨架位移和孔壓為表征量，通過與完整u-w格式對比，提出了無量綱參數(shù)——最大頻率比R(Ω)來定量判定u-p格式、完全不透水格式和完全透水格式等三種簡化控制方程在移動荷載下飽和地基動力響應(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，并嵌入到自主開發(fā)的三維動力有限元分析程序中。分析了一維飽和土柱的固結(jié)、波動問題以及二維地基的動力響應(yīng)問題，并與解析解和已有研究成果進行了對比驗證了程序的正確性。同時求解了移動點荷載作用下的平面應(yīng)變飽和地基動力響應(yīng)，研究了荷載速度和滲透系數(shù)對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格式動力方程，在頻域中解析求解了平面P1、P2和SV波入射時，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)的表達式，并分析了不同無量綱頻率比、無量綱網(wǎng)格步距和無量綱時間步距下的MTF人工邊界反射系數(shù)和反射角。繼而，在自主開發(fā)的有限元動力分析程序中實現(xiàn)了上述二階MTF人工邊界，通過與解析解和邊界遠置參考解對比，說明了二階MTF人工邊界在一維、二維和三維飽和地基動力響應(yīng)有限元模擬中的有效性以及在移動荷載下飽和地基動

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反射人工邊界（考慮地基下臥基巖時則模型底邊固定）,采用薄層單元法求解了三維層狀飽和地基的頻域動力Green函數(shù)。通過與已有研究成果對比，說明了所求Green函數(shù)能準(zhǔn)確計算不同振動頻率、不同埋深位置處簡諧荷載激振下的三維飽和地基的動力響應(yīng)，所求Green函數(shù)無需關(guān)于Hankel函數(shù)進行數(shù)值積分逆變換且能直接計入地基的成層性，提高了計算效率。

6、　　5.采用容積法建立了三維飽和地基—群樁基礎(chǔ)頻域耦合動力分析模型，其中樁體離散為三維Euler-Bernoulli梁單元，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)點間形成的柔度矩陣求逆而得。通過與已有研究成果對比說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)以及承臺中心施加單位力和彎矩簡諧荷載時，飽和地基自由場的位移和孔壓響應(yīng)。<

7、br>　　6.建立了移動諧振荷載下、等跨簡支箱梁上覆無限長板式軌道的豎向動力分析模型，并利用周期結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的性質(zhì)進行求解。分析了不同荷載自振頻率、移動速度和初始位置下，鋼軌、軌道板和箱梁的位移響應(yīng)頻譜、鋼軌的時域位移響應(yīng)和箱梁支座的反力時程。研究表明，當(dāng)鋼軌準(zhǔn)柔度低于扣件彈簧柔度時，振動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、對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)有顯著貢獻。
　　7.針對我國高架高速鐵路工程常見的上覆板式軌道、下設(shè)群樁基礎(chǔ)的雙線整體式簡支箱梁結(jié)構(gòu)形式，提出了一種能詳細考慮列車荷載經(jīng)由鋼軌、扣件、軌道板和CA砂漿墊層等細觀軌道構(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程的耦合分析模型。在頻域和時域中進行了模型關(guān)鍵參數(shù)分析，并詳細研究了群樁基礎(chǔ)承臺荷載、飽和地基位移和孔壓響應(yīng)隨荷載移動速度、自振頻率和初始位置的變化，并考察了地表速度響應(yīng)隨