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软土环境列车荷载作用下轨道路基动力相互作用

作　者: 周晔
导　师: 郑荣跃；刘干斌
学　校: 宁波大学
专　业: 结构工程
关键词: 软土横观各向同性动力响应轻质土
分类号: U211.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

路基在列车荷载作用下会产生剧烈的振动,这一现象在软土地区就尤为明显。由于软土具有强度低,压缩性高,透水性小等特点,使得软土地区路基严重下沉,导致轨道运行状况不良,列车行驶无法达到设计时速,且列车运行对轨道沿线周边的建筑物造成了一定的振动破坏。要减小软土环境列车运行引起的路基沉降及对周边建筑物的破坏,首先要准确分析软土环境列车荷载作用下的地基振动特性,然后在此基础上提出可靠的控制方法。考虑到轨道—路基计算模型的复杂性,其数学处理上还是相当困难,所以很多学者在研究列车荷载作用下的地基振动问题时没有考虑土体的横观各向同性特性且没有考虑轨道、枕木及道碴等因素的影响。同时,为了减小列车运行后的地基动力沉降,国际上普遍采用振动捣固和更换土层加固的方法,但是这些方法施工成本较高,而且施工后所带来的大量废弃土较难处理。针对以上一系列问题,本文做了如下几方面的研究:(1)首先构造各向同性及各向异性弹性地基在移动荷载作用下的计算模型,接着求解了其波动方程,得到了移动荷载作用下弹性地基竖向位移的解析解。并将该解析解与有限元软件ABAQUS计算得到的数值解进行对照,从而验证了本文所提出计算方法的正确性。(2)从饱和土的Biot波动方程出发,构造了添加轨道、道碴、枕木的软土地基在列车荷载下的动力计算模型。通过求解该计算模型的控制方程,得到了半无限及有限层饱和地基的动力响应解答,再利用土层间的应力、位移连续条件和表面的应力边界条件,得到上覆弹性土层的饱和土体的动力响应解答和上覆饱和土层的饱和土体的动力响应解答。结合运行列车-轨道-地基动力计算模型,对地基上列车运行引起的路面振动,土体的侧向压力以及地基中的孔隙水压力进行分析,详细讨论了荷载速度,轨道刚度,渗透系数等主要模型参数对以上三个物理量的影响规律,同时还分析了水平向荷载对地表振动的影响程度。(3)考虑到天然饱和土体由于历史沉积作用而表现明显的横观各向同性特性,将各向异性的土体本构关系代入Biot动力方程,得到横观各向同性饱和土体动力方程。通过求解该动力方程,分析了土体的各向异性参数对路面振动,土体侧向压力以及孔隙水压力分布的影响。(4)根据以上章节的分析得知,强度较高的弹性层对于减小软土地基沉降具有显著效果,故而本文提出在软土地基上部浇筑一层新型土工材料—轻质土作为路堤填土的方法来控制软土地基沉降。本文先通过试验对轻质土的工程特性进行了分析,主要研究了EPS含量与水泥含量对轻质土密度及弹性模量的影响规律。同时通过试验也分析了宁波地区软土的各向异性特性。将以上分析得到的特性参数代入有限元模型中,通过有限元软件ABAQUS分析了轻质土应用于控制轨道—软土路基系统沉降的效果。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1. 绪论  10-16
  1.1 课题研究的背景和意义  10
  1.2 国内外研究现状  10-15
    1.2.1 车辆荷载模型  10-11
    1.2.2 轨道结构模型  11-12
    1.2.3 地基模型  12-15
  1.3 本文主要工作内容  15-16
2. 列车荷载作用下弹性路基的动力响应  16-31
  2.1 引言  16
  2.2 列车荷载作用下弹性路基的动力响应解析解  16-24
    2.2.1 基本假设  16
    2.2.2 各向同性路基控制方程  16-17
    2.2.3 各向同性路基控制方程求解  17-19
    2.2.4 各向异性路基控制方程  19-21
    2.2.5 各向异性路基控制方程求解  21-24
    2.2.6 边值条件  24
  2.3 列车荷载作用下路基动力响应的有限元分析方法  24-27
    2.3.1 线性动态分析  25-26
    2.3.2 动力学显式有限元方法  26-27
  2.4 列车荷载下弹性地基动力响应有限元解  27-30
    2.4.1 列车荷载作用下弹性地基动力响应的有限元建模  27
    2.4.2 列车荷载作用下各向同性弹性路基动力响应解析解与有限元解对比  27-29
    2.4.3 列车荷载作用下各向异性弹性路基动力响应解析解与有限元解对比  29-30
  2.5 本章小结  30-31
3. 列车荷载作用下轨道-各向同性软土路基动力相互作用  31-66
  3.1 引言  31
  3.2 计算模型及基本假定  31-32
  3.3 控制微分方程及其解法  32-43
    3.3.1 铁轨的横向振动方程  32-34
    3.3.2 枕木的横向振动方程  34-35
    3.3.3 道碴的横向振动方程  35-36
    3.3.4 各向同性饱和地基的波动方程  36-38
    3.3.5 控制方程的求解  38-43
  3.4 列车荷载作用下轨道—各向同性软土路基动力相互作用  43-54
    3.4.1 半无限软土路基  43-46
    3.4.2 有限层软土路基  46-47
    3.4.3 层状软土路基  47-50
    3.4.4 上覆弹性层的有限层软土路基  50-53
    3.4.5 添加水平荷载的有限层软土路基  53-54
  3.5 数值计算及分析  54-65
    3.5.1 计算参数  54
    3.5.2 列车荷载下软土地基的动力响应分析  54-65
  3.6 本章小结  65-66
4. 列车荷载作用下轨道—横观各向同性软土路基动力相互作用  66-77
  4.1 引言  66
  4.2 计算模型及基本假定  66-67
  4.3 控制微分方程及其解法  67-71
    4.3.1 横观各向同性饱和地基的控制方程  67-68
    4.3.2 横观各向同性饱和地基控制方程的求解  68-71
  4.4 数值计算及分析  71-75
    4.4.1 横观各向同性软土地基表面在列车荷载下的动力响应分析  71-72
    4.4.2 各向异性参数对有限层地基动力响应的影响  72-75
  4.5 本章小结  75-77
5. 轻质土在轨道-路基沉降控制中的应用  77-93
  5.1 引言  77
  5.2 轻质土的特性试验  77-82
    5.2.1 轻质土的配制及试验方法  77-78
    5.2.2 试验结果与分析  78-82
  5.3 宁波软土的工程特性  82-87
    5.3.1 软土的基本物理性质  82
    5.3.2 固结试验  82-83
    5.3.3 三轴试验  83
    5.3.4 固结试验数据整理  83-85
    5.3.5 三轴试验数据整理  85-87
  5.4 轻质土在轨道-路基沉降控制中的应用  87-92
    5.4.1 轻质土的施工方法  87-88
    5.4.2 轻质土的应用效果分析  88-92
  5.5 本章小结  92-93
6. 结论与展望  93-95
  6.1 本文主要研究成果  93-94
  6.2 进一步工作建议  94-95
参考文献  95-99
在学研究成果  99-100
致谢  100

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