列車動荷載作用下土動力特性分析[1]

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1、列車動荷載作用下土的動力特性分析[1]天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)第16卷第1期2010年3月JournalofTianjinInstituteofUrbanConstructionVol.16No.1Mar.2010收稿日期：2009-12-10；修訂日期：2009-01-07作者簡介：李乂（—），男，天津人，中國紡織工業(yè)設(shè)計(jì)院工程師土木工程$列車動荷載作用下土的動力特性分析李乂1，袁富強(qiáng)2(1.中國紡織工業(yè)設(shè)計(jì)院，北京100037；2.中國地質(zhì)大學(xué)，北京100083)摘要：研究了列車動荷載對地基的振動效應(yīng)，給出了Winkl

2、er地基－Timoshenko梁模型下梁的最大位移和地基表面反力．研究了列車動荷載作用下地基內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)和空間分布，分析了土單元體的應(yīng)力路徑及地基土在動荷載作用下的軟化和液化效應(yīng)，結(jié)果表明：在列車運(yùn)行過程中，動荷載引起的動應(yīng)力隨時間發(fā)生變化，并與土單元體初始應(yīng)力相疊加；列車的速度對水平剪應(yīng)力zxτ與偏差應(yīng)力(σdz..σdx)/2之間關(guān)系的影響較大．關(guān)鍵詞：動荷載；動力特性；應(yīng)力路徑；孔隙水壓力中圖分類號：U211.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-6853(2010)01-0025-04在大多數(shù)建筑工程中，地基土體的

3、承載力驗(yàn)算、變形驗(yàn)算及穩(wěn)定驗(yàn)算均采用靜荷載或等效靜荷載作為附件荷載來進(jìn)行計(jì)算及分析．實(shí)際工程中動荷載的簡化，一方面使工程計(jì)算簡單，但另一方面卻使得工程安全性受到質(zhì)疑．隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的土木工程朝著大、高、深的方向發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)及受荷狀態(tài)更加復(fù)雜化．動荷載對被作用體系的動力效應(yīng)也更加明顯，不能忽略．筆者對列車動荷載作用下的土的動力特性進(jìn)行分析．1列車荷載對地基振動效應(yīng)的影響列車運(yùn)行會引起軌道和地基的振動，當(dāng)列車速度達(dá)到軌道地基系統(tǒng)的臨界速度時，振動能量無法及時消散，且與軌道和地基原有振動疊加從而形成振幅疊加產(chǎn)

4、生更大的振動．在振動荷載作用下，地基土中的空隙水壓力將增大，塑性變形不斷累積，引起地基的附加沉降會進(jìn)一步產(chǎn)生，并不斷累積．例如，上海一號線的沉降監(jiān)測資料表明，在地鐵建成后未通車的兩年內(nèi)，其主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降基本完成，但通車后8個月內(nèi)沉降達(dá)到了3～6,cm，4年內(nèi)甚至達(dá)到了14,cm．這說明了在列車動荷載作用下，地基的附加沉降是相當(dāng)可觀的[1]．當(dāng)列車靜止時，會在地基中產(chǎn)生靜應(yīng)力場；當(dāng)列車運(yùn)動時，應(yīng)力場也會一起運(yùn)動，并在地基中產(chǎn)生應(yīng)力波，這是引起地基振動的最主要原因．這種動力響應(yīng)主要受到列車軸向荷載、輪軸間距和列車速

5、度的影響[1]．另外一些因素亦可以增大上述應(yīng)力場產(chǎn)生的振動，如列車的不平穩(wěn)性、軌道的不連續(xù)性以及支撐的特性等．列車產(chǎn)生的地基振動由兩部分組成，一部分是由移動荷載引起的軌道結(jié)構(gòu)響應(yīng)的低頻振動(0～20,Hz)，另一部分是由于軌道缺陷、枕木之間鐵軌的次變形、車輛的不平穩(wěn)運(yùn)行等引起的高頻振動．相對于低頻振動來說，高頻振動在地基內(nèi)衰減快、影響小，其主要影響的是軌道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性．列車產(chǎn)生的振動主要以瑞利波形式傳播，并引起地基的振動，而幾何阻尼和材料阻尼是振動衰減的兩個主要原因．動荷載的特性主要包括振動形式、振動頻率、振幅和振

6、次．振幅和振次對地基土孔壓和變形的影響占主導(dǎo)地位．列車對軌道結(jié)構(gòu)的作用是非常復(fù)雜的，包括輪軸荷載、瞬時沖擊荷載、軌道不平順及機(jī)車制動引起的附加荷載等．研究中需要對列車及軌道進(jìn)行相應(yīng)的簡化，列車可簡化為以車廂為單位的一系列移動荷載，設(shè)定鋼軌處于彈性狀態(tài)即可簡化為彈性連續(xù)梁或簡支梁，地基土簡化為各向均質(zhì)的成層土[2]．在移動荷載作用下，軌道結(jié)構(gòu)的位移和地基表面的反力，可以通過單個移動荷載引起的軌道位移和地基表面反力進(jìn)行疊加獲得．Winkler地基－Timoshenko梁(T梁)模型得到列車荷載引起的梁總位移和地基表面反力[

7、1]分別為1978...26..天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)2010年第16卷第1期001(,)(,)nliiiwxtwxxt==Σ..(1)1(,)nliiiffxxt==Σ..(2)式中：0(,)iiwx..xt和(,)iifx..xt分別為第i個列車輪軸荷載引起的軌道位移和地基表面反力．令t＝0時，列車中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)處，列車移動方向與x軸正方向重合，y軸為垂直于列車移動方向的水平坐標(biāo)軸，z軸垂直于列車移動方向且其正方向指向地基內(nèi)部，地基表面z＝0，坐標(biāo)系統(tǒng)符合右手法則，計(jì)算中不考慮阻尼的影響，應(yīng)力空間分布計(jì)算參數(shù)見表1

8、所示．在表1所示的參數(shù)條件下，可得到地基表面應(yīng)力空間分布圖(見圖1)．表1應(yīng)力空間分布計(jì)算參數(shù)3bρ/kgm....Eb/MPaa×b/m×m1224P=P==P/kNμ/MPa3ρ/kgm....osv/v1900300002×0.31601018000.45圖1地基表面反力空間分布地基中的應(yīng)力狀態(tài)隨列車的移動而發(fā)生變化，地基內(nèi)