淺論高速交通荷載作用下飽和土體與線(xiàn)路系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)

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1、浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院博士學(xué)位論文高速交通荷載作用下飽和土體與線(xiàn)路系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)姓名：孫宏磊申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專(zhuān)業(yè)：巖土工程指導(dǎo)教師：蔡袁強(qiáng);徐長(zhǎng)節(jié)20080912浙江大學(xué)博上學(xué)位論文摘要摘要移動(dòng)荷載動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題很早就被注意到并加以研究，近年來(lái)隨著高速鐵路的興建和發(fā)展，以及已有鐵路線(xiàn)路的提速，高速列車(chē)的移動(dòng)速度已經(jīng)開(kāi)始超過(guò)土體的Rayleigh波速，因此這個(gè)問(wèn)題再次被重視起來(lái)。如何利用基礎(chǔ)理論成果，分析研究高速交通荷載作用下飽和地基和交通線(xiàn)路系統(tǒng)的變形特性和工程的耐久性，及對(duì)周?chē)h(huán)境振動(dòng)的影響，是十分必要的。本文在平面應(yīng)變條件下研究了移動(dòng)條形荷載作用

2、下橫觀各向同性飽和土體和上覆彈性梁有限厚飽和土體的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。在求解移動(dòng)條形荷載作用下橫觀各向同性飽和土體的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題時(shí)。由忽略土粒壓縮和土體自重的Biot波動(dòng)方程出發(fā)，對(duì)荷載進(jìn)行Fourier級(jí)數(shù)展開(kāi)，假設(shè)了響應(yīng)函數(shù)的級(jí)數(shù)形式，利用土體表面邊界條件，由待定系數(shù)法求解了考慮固液耦合作用的兩相介質(zhì)在移動(dòng)荷載作用下的土體位移、有效應(yīng)力及孔壓表達(dá)式。在求解移動(dòng)條形荷載作用下上覆彈性梁有限厚飽和土體的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題時(shí)，將土體表面的應(yīng)力邊界條件與彈性梁動(dòng)力方程結(jié)合，由待定系數(shù)法求解了土體位移、孔壓表達(dá)式。著重研究了荷載移動(dòng)速度、橫觀各向同性性、彈性梁剛度等

3、參數(shù)對(duì)土體位移．孔壓響應(yīng)的影響．接下來(lái)本文研究了移動(dòng)矩形荷載作用下三維飽和土體的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。由忽略土粒壓縮和土體自重的Biot波動(dòng)方程出發(fā)，利用Fourier變換將土體波動(dòng)方程轉(zhuǎn)化為四個(gè)常微分方程組。利用待定系數(shù)法對(duì)方程進(jìn)行求解并給出了土體位移，加速度，孔壓表達(dá)式。數(shù)值算例給出了土體表面沿x，Y，z方向的位移，沿x，z方向的加速度和土體孔壓的時(shí)程曲線(xiàn)。計(jì)算結(jié)果表明，荷載移動(dòng)速度和土體滲透系數(shù)都對(duì)土體動(dòng)力響應(yīng)有很大影響。本文進(jìn)一步研究了交通荷載作用下上覆無(wú)限大板的三維飽和土體的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。將交通荷載簡(jiǎn)化為四個(gè)矩形荷載來(lái)模擬車(chē)輪與路面的接觸，采用K

4、irchoff小變形薄板理論來(lái)模擬路面，并通過(guò)改變板的剛度分別模擬柔性路面與剛性路面。在Fourier變換域內(nèi)，通過(guò)聯(lián)立板與三維飽和土體的動(dòng)力方程對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了求解，并著重研究了路面剛度、荷載移動(dòng)速度和土體滲透系數(shù)對(duì)路面動(dòng)力響應(yīng)的影響．浙江大學(xué)博士學(xué)位論文摘要而后，本文利用Fourier變換對(duì)移動(dòng)列車(chē)荷載作用下鐵路系統(tǒng)和飽和半空間土體的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行研究。將整個(gè)系統(tǒng)分為上覆路軌系統(tǒng)和下臥土體分別求解，并通過(guò)應(yīng)力、位移邊界條件進(jìn)行耦合．對(duì)于路軌系統(tǒng)，將鋼軌簡(jiǎn)化為無(wú)限長(zhǎng)彈性Euler梁；將枕木簡(jiǎn)化為連續(xù)質(zhì)量塊；對(duì)道渣層采用Cosserat模型。對(duì)于下臥

5、飽和土體，由忽略土體自重的Biot波動(dòng)方程出發(fā)，利用Fourier變換對(duì)Biot波動(dòng)方程進(jìn)行求解．在Fourier交換域內(nèi)，聯(lián)立鐵路系統(tǒng)和下臥土體的動(dòng)力方程，求解列車(chē)荷載作用下鋼軌位移，加速度，土體位移、加速度及孔隙水壓力表達(dá)式．利用數(shù)值積分方法對(duì)表達(dá)式進(jìn)行Fourier逆變換，得到鋼軌位移、加速度，土體位移、加速度及孔隙水壓力在時(shí)域內(nèi)的表達(dá)式。計(jì)算結(jié)果表明，軌道剛度、水相介質(zhì)與荷載移動(dòng)速度都對(duì)路軌系統(tǒng)和土體動(dòng)力響應(yīng)有很大影響。由于對(duì)于多數(shù)實(shí)際工程而言，地下水位并非位于地表，而是在地表以下一定深度。因此，本文將飽和半空間模型進(jìn)一步改進(jìn)，利用Four

6、ier交換對(duì)移動(dòng)列車(chē)荷載作用下鐵路系統(tǒng)和成層半空間土體的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行研究。采用與前文相同的軌道系統(tǒng)模型，對(duì)于下臥土體，采用了成層土體模型，模型分為兩層，上層為彈性土體，下層為飽和半空間。結(jié)算結(jié)果表明在高速情況下了上層彈性土體的參數(shù)對(duì)軌道和土體動(dòng)力響應(yīng)的影響很大。最后，研究了飽和土體、軌道系統(tǒng)和復(fù)雜列車(chē)荷載耦合動(dòng)力響應(yīng)。對(duì)于下臥土體基于Biot動(dòng)力方程，采用與前文相同解法進(jìn)行求解；采用Euler-Bemoulli梁模擬軌道系統(tǒng)；對(duì)于列車(chē)荷載模型，采用考慮前后轉(zhuǎn)向架與車(chē)體之間相互作用及車(chē)輪與轉(zhuǎn)向架之間的相互作用和由軌道不平順引起的荷載簡(jiǎn)諧振動(dòng)的列車(chē)

7、模型．考慮車(chē)輪與鐵軌之間的線(xiàn)性接觸，聯(lián)立列車(chē)荷載模型運(yùn)動(dòng)控制方程、軌道系統(tǒng)和飽和半空間控制方程，在Fourier變換域內(nèi)求解車(chē)輪與軌道之間的作用力表達(dá)式，將表達(dá)式代入軌道系統(tǒng)和土體的動(dòng)力方程，求解軌道系統(tǒng)和土體頻域內(nèi)的動(dòng)力響應(yīng)表達(dá)式，利用Fourier逆變換，得出列車(chē)、軌道和飽和土體振動(dòng)的時(shí)域表達(dá)式。數(shù)值計(jì)算著重研究了耦合振動(dòng)和軌道不平順對(duì)軌道系統(tǒng)和土體動(dòng)力響應(yīng)的影響。關(guān)鍵詞：移動(dòng)荷載；軌道系統(tǒng)；飽和半空間；橫觀各向同性；成層土；動(dòng)力響應(yīng)：列車(chē)荷載；Fourier變換；Biot理論浙江大學(xué)博士學(xué)位論文摘要AbstractStudiesofthedy

8、namicresponseofrailwaytrackandadjoininggroundundertheactionof