低矮路堤cfg桩复合地基动力有限元计算分析

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1、铁道建筑2009年第7期RailwayEngineering文章编号：1003．1995(2009)07-0027．04低矮路堤CFG桩复合地基动力有限元计算分析杨龙才，宫全美，彭声应，刘俊飞，(1．同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海200092；2．京沪高速铁路股份有限公司，北京100038；3．西南交通大学，成都610031)摘要：以动力有限元数值分析为手段，研究和探讨了低路堤CFG桩不同垫层结构形式的动力响应。在相同的CFG桩设计参数条件下，不同垫层刚度对路基面及地基面的动位移幅值、动应力分布扩散规律均有不同程度

2、的影响，综合比较研究后认为，从CFG桩复合地基的动力性能上考察，刚性垫层优于半刚性垫层．半刚性垫层又优于柔性垫层。关键词：低路堤CFG桩网复合地基动力响应动力有限元中图分类号：U238；TU472．99文献标识码：A程可表达为：0引言[^f]{lf)+[C]{H)+[]{H)={F(t)}(1)式中，lI，，u分别是单元节点的位移、速度、加速度；低路堤是指路基高度小于规范要求基床厚度的路F(t)是结点动荷载；[』lf]是整体质量矩阵，可用集中基，对于京沪高速铁路而言，指路堤高度小于3m。由质量法求得，即假定每个单元的质量集中在节

3、点上；于高速铁路列车的运行速度高，与一般高度路堤相比，[鬈]为整体刚度矩阵，可用常规有限元法求得；[C]为低路堤的地基受高速列车动荷载的影响较大；如处理整体阻尼矩阵，由单元的阻尼矩阵集合而成。单元阻不当，列车长期运营引起的地基软化、永久变形等将影尼矩阵可表达为：响CFG桩、轨道板等的承载及变形性状，进而影响轨[c]=a[m]+卢[^：](2)面的平顺程度。同时，地基的力学性质及结构等也将式中，[m]和[七]是9单元的质量矩阵和刚度矩阵。影响列车运行时的车辆、轨道动力响应，直接影响列车其中a、可由下式确定：的运行安全与舒适性。本文

4、针对京沪高速铁路低路堤条件下的CFG桩0／q}(3)=2q／~o1J复合地基，以动力有限元数值模拟为主要研究手段，就式中，。为g单元的阻尼比；cc，。为振动体系基本圆频不同结构形式下的CFG桩复合地基的动应力、动位移率。‘等在时间域和空间域的变化等进行研究，以期为确定变形几何关系：合理的地基处理形式及结构设计参数提供参考。现场{s}=一[]{lf}(4)激振试验研究将后续展开并另文给出。对于路基问题的动力有限元计算，考虑到路基自身的结构特点以及荷载特性，将其视为平面应变问题。1动力有限元分析理论及方法1．2路基材料的模拟1．2．

5、1土体的等效线性模型1．1动力有限元分析理论]将路基和地基土体视为满足小应变下的黏弹性体对于低矮路堤的动力问题，其系统动力有限元方等效线性模型。黏弹性体以剪切模量G和阻尼比作为动力特性指标进行计算，将不同应变幅下的滞回收稿日期：2009-03．20；修回日期：2009．04-10特性和骨架曲线分别用阻尼比和剪切模量随剪应变的基金项目：铁道部科技发展计划项目(2007G046)，科技部“863计划”课变化，即用=(7)关系和G=G(y)关系来加以反题(2007AA11Z116)，上海市自然科学基金项目(09ZR1434000)映。

6、这类方法即为通常所称的等效线性模型方法。作者简介：杨龙才(197l一)，男，四川隆昌人，副研究员，博士。关于G和的具体确定，可由Seed[3提供的G—y铁道建筑关系曲线及—y关系曲线查取，如图1所示，也可通过根据已有的研究，地基的横向计算宽度取路基底室内试验确定。土的骨架曲线采用Hardin．Dmevich模宽的5倍左右，即路基坡角各向外2倍的路基底宽，取型㈨，该模型为等效线性模型，其骨架曲线可用图2所100m；根据土体物理力学性质确定计算深度，一般为示的双曲线表示。桩长的2倍左右。动力分析采用的是人工边界，即下边界是固定边界，

7、两侧约束横向位移，同时为减少边界效应，将邻近边界的几个单元人为增大其阻尼系数，阻尼比为1。1．4路基断面的荷载谱l首先建立轨道板、混凝土支承层、路基、地基的静臼力有限元平面应变模型，计算初始应力场；再采用动力计算模块，建立动力有限元的平面应变模型，以列车轮轨力谱为激励输入，导人初始应力场，进行动力响应分析。考虑轨道板为轨道提供连续支撑，计算列车时速图1砂土与黏土的G．7和．y统计关系为350km时的轮轨力，荷载按照ZK荷载考虑，计算所得的轮轨力荷载谱如图3所示。7辑埠臀∞∞；2=8∞∞-7-．r，

8、．掸一；；lr．r。00．20

9、0．400．600．801．001．2O1．40一X一时间／sc；丝I_，／丑：图3列车振动荷载谱一一一一J‘f．图2Hardin—Dmevich模型应力应变关系2计算方案及计算参数1．2．2桩、桩帽、轨道板的模拟计算以京沪高速铁路断面HQGDK2+300为基准