富水砂性路基对列车振动荷载作用的动态响应

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1、富水砂性路基对列车振动荷载作用的动态响应第一章绪论1.1研究背景近年来我国铁路事业突飞猛进，十一五期间，铁路在速度和规模上的突破更是前所未有，实现了高速度、跨越式发展，我国由此跨入了高铁时代，铁路运输也随之迈进国际先进水平。为了满足日益增长的旅客运输需求和现代化铁路建设需要，我国将继续加大铁路建设规模。根据2004年提出的《中国铁路中长期发展规划》，到2020年，中国铁路营业里程将达到12万公里；建立各省会城市及大中城市间的客运专线；规划四纵四横铁路快速客运专线以及三个城际快速客运系统；建设客运专线将超过1.2万公

2、里，列车运行速度目标值达到至少200km/h之上。我国铁路在高速发展的同时，列车振动引发的路基变形与噪声污染等问题也日趋加剧。列车运行速度的提高，其振动频率和振幅大幅度增加，势必将更进一步影响路基变形，路基变形过大，则将影响列车的运营速度，行车的舒适性与安全性。列车振动荷载往复作用下路基所产生的动态特性动应力、弹性变形、永久变形和加速度等是引起列车运行环境恶化的主要因素之一。首先，当列车通过时产生的动应力超过动应力上限临界值时，路基变形会不断扩大甚至发生破坏，这对铁路本身而言是致命的。其次，如果路基在列车振荷载作用

3、下产生的塑性累积永久变形过大时，便会引起路基不同程度的不均匀沉降，会带来较大不均勻沉降的可能性，从而导致铁路线路不平顺，而在在不平顺条件下运行时，路基动力响应加剧，路基变形向更不平顺方向发展，从而影响乘客舒适度、增加养护费用。另外，列车行驶时引发路基产生较大的弹性变形，会加剧列车与线路之间的相互影响作用和振动，从而影响列车运行的稳定性、安全性和舒适性。.1.2研究现状随着铁路事业的高速发展，尤其伴随着高铁路的出现，铁路路基的变形和前病害表现了新的特征。列车速度的提升使得路基动力特性、行车安全性、稳定性、舒适性等方面

4、面临新的考验。近年来，国内外学者对列车荷载下路基动力特性已有不少研究成果，对含水砂性路基发生液化可能性方面也有较大进展，但在许多方面仍然需要进一步深入研究。20世纪60年代，列车荷载作用下引发路基变形的研究拉开了帷幕。1965年，Eason[2]利用积分变换研究了均勻质半空间体在点荷载作用下的动态响应。1991年，Okuma和Kuno以日本8条普通铁路线路中79个工点的现场测试数据为研究对象，分析了影响铁路列车振动的因素。其研究结果表明：轨道结构形式、距轨道的距离、行车速度、列车类型、列车长度、路基土自身性质是影响

5、路基振动的主要因素。其中距轨道的距离影响尤为明显，其次是与路基土的性质。1998年，瑞典国家铁路局[4]针对乂2000高速列车在软土地基上行驶产生的振动情况进行了实测。具体测试了不同速度时的地面及路堤振动特性，包括加速度和速度测试，还利用跨孔法、落锤法等多种方法实测了场地的基本参数。结果表明当行车速度为200km/h时，轨道和列车中的振动产生的最大位移达到了14mm,超出了保证铁路安全运营的上限。临界速度的存在也是本次测试中的一个重大发现，这个发现对于铁路在规划列车运营速度方面具有重要的指导意义。Hendry等现场

6、实测了位于泥炭土地基上铁路路基的振动位移，发现了一种新方法，利用设在列车振动荷载影响范围之外的激光发生器所产生的光源作为参照点，采用安置在轨道轨枕上的光传感器阵列追踪列车经过时传在光传感器上光点竖直方向相对位置的变化，同时通过数据传输转换器输出同时间相关的相对振动位移数字信号。.第二章Biot理论及有限元计算模型2.1Biot理论控制方程Biot理论方程基本假设有包括土骨架变形是线性弹性变形、土骨架变形为小变形及渗流符合达西定律。此外，当然还有水不可压缩、渗流速度很小以及不计惯性力等假设。在土体内取一微分单元体，若

7、体积力只考虑重力，Z坐标向上为正，应力以压为正，则三维空间问题中的平衡微分方程为：近几十年来国内外学者经过大量的工程实践，不断地研究土体固结理论，形成了各种模型成果。但在诸多的模型当中，其计算方法和适用范围都各不相同。由于土体的非线性影响，大部分模型受限于力学和数学上的求解过程，计算工作量庞大，在工程实践应用中受到了极大的限制。其次大部分模型是在理论分析基础上进行的，而土的固结是与时间相关的，有的软土固结需要数年甚至长达数十年，因此很多实测数据需要长期观测才能得到验证，使得目前所形成的理论的可靠性下降。纵观这几十年

8、的研究成果，在工程实践中应用比较广泛的理论主要是Terzaghi固结理论与Boit固结理论。1925年KarlTerzaghi提出了Terzaghi固结理论，可求解一维侧限应力状态下，地基受外界荷载作用下发生渗透固结过程中任一时刻土骨架及孔隙水压力的分担量。Terzaghi固结理论的物理过程简洁明确，所采用的参数都可以在实验室实测获取，其计算方便可通过手工计