软土地区新建高铁振动对邻近既有铁路地基的长期影响研究

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1、软土地区新建高铁振动对邻近既有铁路地基的长期影响研究1绪论1.1研究背景及意义铁路运输因其安全、准时、高效等特点成为一种重要的交通运输方式，尤其在我国的地域和经济特征下，铁路运输在国民生产生活中一直承担着极其重要的运输任务。然而，由于受到经济发展水平和科学技术的限制，我国早期的铁路发展相对缓慢，从20世纪90年代以来，随着我国综合国力的提升，经济和技术水平有了长足进步，同时我国对铁路运力的需求日益增长，在需求和技术的共同推动下，我国铁路的技术水平不断提高⑴。为了满足日益增长的客货运输需求，中国铁路经历了六次大提速以及大规模的客运专线、高速铁路建设。目前，我国的高速

2、铁路总运营里程已突破一万公里，位居世界首位，我国己成为世界上高速铁路运营系统技术最全、运营里程最长、集成能力最强、运营速度最高、在建规模最大的国家。随着高速铁路路网加密，运营速度提高，列车运行时产生的振动成为不可回避的问题，己经受到人们的广泛关注。列车髙速运行时轮对会对轨道和轨下基础产生冲击，尤其在运行速度接近轨道及基础的临界速度时，冲击载荷产生的能量来不及在轨道结构和周围地基中逸散，在轮对和轨道接触位置附近积聚，使列车和地基产生很大的振动位移。高速移动载荷的振动主要导致两方面问题：一是列车、轨道和地基的振动，涉及到运行的舒适、安全；另一方面是振动以波的形式通过土

3、体传递从而引起周围土体的振动，改变周围土体的应力状态。高速列车运行导致的结构振动通过周围土地向外层传播，诱发附近地下结构以及邻近建筑物的二次振动和噪声，对建筑物的结构安全构成影响，国际上已经将其列为七大环境公害之一。目前运行的高速铁路列车车速已普通超过200km/h,高速和时效性要求线路尽量保持直线，尽可能地减少曲线区段，因此线路不可避免的要穿越一些软土区。在软土地基区段，列车通过时产生的振动问趣更为突出，在列车循环载荷作用下将引起累积塑性变形，势必会对邻近既有线路的结构和列车运行产生影响。据文献记载，在挪威的一处软土场地上，铁路引起的地面振动可传递到距离线路20

4、0m远处[1]。..1.2国内外研究现状针对列车振动引起的地基土体动力响应和累积塑性变形问题，国内外学者分别从多个角度对其进行了大量的研究。根据本文的研究内容，以下分别从列车荷载作用下地基土体的动力响应研究和振动荷载长期作用下地基累积沉降研究两个方面对国内外研究现状进行总结。运行中的列车与轨道是一个动态稱合系统，存在紧密旳相互作用，列车对轨道的作用向下经路基传递到地基土体，地基是轨下结构非常重要的组成部分，会直接影响轨道几何形位，进而决定列车运行的平稳性和安全性，它不仅要有足够的强度，且变形也必须满足铁路安全运行的变形控制要求。因此，研究地基在列车荷载作用下的动偏

5、应力、动变形等动力应的变化规律对线路设计和养护维修具有重要意义。这是一个复杂的动力学过程，目前尚无法用简单的数学模型对这一过程进行描述，因此绝大多数学者采用的研究方法是将整个系统分为上部轨道结构和下部路基结构两部分，在研究时只对其中一部分进行详细的研究，而对另一部分进行简化处理，两者如何很好结合是目前尚待解决的问题。目前，学界采用的方法大多为实测和理论分析相结合的方法。.2系统动力分析理论2.1车辆-轨道耦合动力学理论车辆-轨道稱合动力学是一种不同于传统理论的新体系，在铁路车辆、轨道系统动力学及其相关问题的研究领域有广阔的应用前景。在本文研究高速铁路振动对临近既有

6、线的影响时，需要将车辆与线路作为一个整体从系统的角度研究，车辆-轨道稱合动力学能为研究提供恰当的理论分析工具。本文中采用的动力学模型均参考翟婉明学者的车辆-轨道稱合动力学模型。车辆-轨道稱合动力学包括车辆动力学、轨道动力学和轮轨接触关系，一般可分为垂向、横向和纵向稱合动力学三个方面。其中纵向親合效应是由轮轨滚动产生，由于本文研究的是直线路段的振动特性，轮轨间以垂向作用为主，而轮轨滚动产生的纵向作用较弱，因此，研究中建立的三维稱合动力学模型主要考虑垂向及横向稱合作用》车辆模型的建立要考虑车体、前后转向架、轮对以及一、二系悬挂方式的影响。将车辆模拟成一个以速度V在轨道

7、结构上运行的多刚体系统，其中，将车体、转向架以及轮对视为刚性质量块，一、二系悬挂以及车厢连接采用等效刚度的弹簧单元和阻尼单元模拟，整体的车辆结构简化模型如下图2-1所示。..2.2振动土体传播模拟原理土体的本构关系又称土体的本构模型，即描述土体的应力应变关系的数学表达式，土的应力应变关系很复杂。土的应力应变关系是现代土力学的核心内容，也是本文研究中有限元分析计算的基础。土体的本构模型分为线弹性理论、弹性非线性理论及弹塑性理论。线弹性理论将应力-应变关系简化为一条直线，不考虑土体破坏，计算简单方便；弹性非线性理论以弹性理论为基础，将土看作弹性材料，但考虑到荷载增量变

8、化时，土体