移动荷载作用下加筋路堤和轨道系统的三维动力响应

用解析法研究了加筋路堤上轨道系统在移动荷载作用下的三维动力响应问题。基于Biot多孔弹性介质的波动理论,建立了加筋路堤轨道系统分析模型。将钢轨简化为无限长弹性Euler梁,将枕木简化为连续质量块,将加筋路堤作为一横观各向同性层来考虑,将下卧土体考虑为由Biot?ǘ匠堂枋龅谋ズ桶肟占洹Ａ⒐斓老低场⒓咏盥返毯拖挛酝撂宓亩Ψ匠蹋贔ourier变换域内求解荷载作用下钢轨位移和土体位移的表达式,将求得的表达式进行Fourier逆变换得到其在时域里的表达式。研究了列车移动速度、加筋路堤层的厚度、荷载幅值大小和加筋率等对路堤及轨道系统动力响应的影响。计算结果表明,钢轨竖向变形随着速度的增大呈现先增大后减小的趋势;加筋路堤上的钢轨竖向变形显著小于同厚度下未加筋路堤上的钢轨竖向变形;钢轨竖向变形随着荷载幅值的增大而增大;随着加筋率的增大而减小。     

移动列车荷载作用下路轨系统及饱和半空间土体动力响应

利用Fourier变换对移动列车荷载作用下铁路系统和饱和半空间土体的动力响应问题进行研究。将整个系统分为上覆路轨系统和下卧土体分别求解,并通过应力、位移边界条件进行耦合。对于路轨系统,将钢轨简化为无限长弹性Euler梁;将枕木简化为连续质量块;对道渣层采用Cosserat模型。对于下卧饱和土体,由忽略土体自重的Biot波动方程出发,利用Fourier变换对Biot波动方程进行求解。在Fourier变换域内,联立铁路系统和下卧土体的动力方程,求解列车荷载作用下钢轨位移、加速度,土体位移、加速度及孔隙水压力表达式。利用数值积分方法对表达式进行Fourier逆变换,得到钢轨位移、加速度,土体位移、加速度及孔隙水压力在时域内的表达式。计算结果表明,水相介质与荷载移动速度都对路轨系统和土体动力响应有很大影响。当列车移动速度较低时,饱和多孔介质和弹性介质的位移响应仅在幅值上有区别,但当列车移动速度超过土体Rayleigh波速时,饱和多孔介质与弹性介质的动力响应有很大区别。     

列车荷载作用下路轨系统及饱和弹性半空间上覆盖土层的动力响应

用解析法研究了移动列车荷载作用下下卧成层地基的路轨系统的动力响应问题。将整个系统分为上覆路轨系统和下卧土体。对于路轨系统,将钢轨简化为无限长弹性Euler梁,将枕木简化为连续质量块,同时考虑由Cosserat模型描述的道渣层。在实际工程中,地下水位往往位于地表以下几米处,因此将下卧土体考虑为成层土,其中,上层为弹性介质,下层为由Biot波动方程描述的饱和弹性半空间。在Fourier变换域内,联立铁路系统和下卧土体的动力方程,求解列车荷载作用下钢轨位移、加速度,土体位移、加速度,孔压表达式。利用数值积分方法对表达式进行Fourier逆变换,得到钢轨位移、加速度,土体位移、加速度,孔压在时域内的表达式。着重研究了弹性层厚度、密度、刚度和道渣层质量对钢轨动力响应的影响。计算结果表明,在低速情况下,这些参数对钢轨动力响应影响都很有限,但在高速情况下,这些参数对钢轨动力响应的影响都很大。     

基于ABAQUS有限元的土工格栅加筋路堤边坡稳定性研究

运用通用ABAQUS有限元程序,结合某路堤断面对路堤加筋效果进行数值模拟,研究在交通荷载下土工格栅加筋作用对路堤稳定性的影响.采用拟静力法,分析路堤在加筋、未加筋两种情况下的路堤边坡稳定性.研究表明:在简化交通荷载下,加筋不仅可提高路堤稳定安全系数,有效减少路堤侧向位移,并能极大缓解路堤边坡在超过临界状态时产生的位移突变情况,通过计算得到路堤合理加筋层间距为1m.     

移动荷载作用下饱和地基土上无限板的动力响应

利用Biot波动理论、无限大板的弹性理论研究了移动荷载作用下饱和土地基上覆弹性板的动力响应问题。首先引入两类势函数解耦Biot波动方程。由所引入势函数及二维Fourier变换,得出了土体位移、应力及孔压在变换域内的通解。再根据无限大板的弹性理论求解了变换域内饱和土的波动系数及板的内力表达式。最后利用IFFT算法得出了时间-空间域内的解析解。文中通过具体算例,分析了荷载移动速度、土层剪切模量对板内力、土体的动力响应的影响。     

路堤荷载下双向增强复合地基荷载分担比及沉降计算

针对路堤荷载下双向增强复合地基受力变形特性,以单桩有效影响范围内的路堤与复合地基为分析对象,引入大挠度环形薄板考虑加筋垫层的“柔性筏板效应”与“拉膜效应”,同时通过假定桩土相对位移模式,考虑地基成层性,从而建立了路堤、水平加筋体、桩体、桩间土协调变形三维模型,获得了路堤荷载作用下双向增强复合地基的荷载分担比及沉降计算方法。采用某工程试验数据对该计算方法进行验证,同时分析了路堤高度、桩帽宽度、筋材抗拉模量对中性点位置、桩土差异沉降以及复合薄板中面最大拉应力的影响,结果表明该方法所求得的荷载分担比及沉降与实测值较为接近,证明了其合理性。     

水平向加筋体抗沉陷作用机理分析及设计方法

针对高速公路修筑过程中经常遇到松散、沉陷地基的问题,分析了水平向加筋体加固沉陷区筋材–填土在路堤荷载作用下荷载传递机理。考虑了筋材张拉膜效应和路堤土拱效应在路堤荷载传递中的作用,分别采用薄板理论和Trapdoor理论分析筋材张拉膜效应和路堤土拱效应,推导出水平向加筋体加固沉陷区时最大挠度,并提出设计挠度已知情况下的设计方法。最后采用本文计算方法对工程实例进行计算分析,并综合分析了沉陷区宽度、填土高度、黏聚力、内摩擦角和筋材抗拉模量对水平向增强体设计计算的影响。随着沉陷区宽度的增加,加筋薄板层最大挠度呈非线性增加;随着填土高度的增加,加筋薄板层最大挠度逐渐增加,但增幅不大;随着筋材抗拉模量的增加,加筋薄板层最大挠度逐渐减小。     

粉煤灰加筋路堤模型试验研究

为充分利用粉煤灰这一工业废物,探讨了土工格栅加筋机理,对无筋、一层加筋、二层加筋的粉煤灰路堤进行了室内模型试验,模拟现场加筋路堤的变形情况,定性测定了在试验过程中所施加的竖向压力P与坡顶沉降值S的关系曲线;在模型路堤的不同位置布置测试点,量测加筋路堤在荷载作用下各测试点位移情况,内部应力分布、发展情况,定性分析了加筋路堤内部的变形性状,为粉煤灰加筋路堤的应用提供指导。     

路堤荷载下双向增强体复合地基桩土应力比计算

根据路堤–垫层–桩土加固区相互作用的特点,将加筋垫层视为弹性薄板,将桩与桩间土体视为刚度不同的弹簧体系,基于弹性地基上的小挠度薄板理论模拟加筋垫层的挠曲变形,同时考虑路堤土拱效应,建立路堤荷载下双向增强体复合地基桩土应力比的计算模型,根据应力与位移的连续性条件,求解桩土应力比。最后将工程实测结果与计算结果进行对比,二者吻合较好,表明该方法的可行性。研究成果能够为工程实践提供参考。     

列车自重和轮轨动力作用力引起的地基振动分析

为了更准确研究高速列车引起的地基振动,提出了车体—轨道系统—饱和土地基耦合分析模型。列车荷载分为两部分:车体轴重和轨道不平顺引起的轮轨动力作用力。车体模拟为一个多刚体系统,并在轮对与轨道之间引入Hertizian线性接触模型来考虑轮轨的动力相互作用。通过车体轮对与轨道接触点位移协调条件,求得轨道不平顺等因素引起的轮轨动力作用力。在忽略土颗粒压缩性与自重的情况下,饱和土体中引入Biot波动理论来描述其动力特性。轨道系统与土体控制方程通过Fourier变换在变换域里进行求解,时域数值结果通过快速Fourier逆变换(IFFT)求得。研究了轮轨激振频率对轮轨动力作用力的影响以及在列车轴重与轮轨动力作用力作用下饱和土体的动力响应,表明轮轨动力作用力对列车荷载引起的周边环境振动有着重要影响,在实际工程中不能忽略。     

上覆弹性板双层地基在移动荷载作用下的动力响应

 用Fourier变换及逆变换对移动荷载作用下路基路面系统的动力响应问题进行研究。考虑路基路面相互作用,假设一条形移动荷载作用在路面板的表面,地基以地下水位面为分界面分为双层,水位面以上为单相弹性土层,以下为饱和土层。考虑地基土层厚度有限,利用Lame对位移场的分解理论,引入势函数,并运用Fourier变换分别对弹性土层和饱和土层进行分析。在Fourier变换域内,结合边界条件,联立路面板、弹性土层和饱和土层的运动方程,得到土体竖向位移、应力和饱和土层内孔隙水压力的表达式;同时利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果。计算结果表明,荷载速度、频率,饱和土层的渗透系数对地表竖向位移的影响很大;弹性土层厚度对竖向位移的影响依赖于荷载速度;弹性土层厚度以及弹性土层和饱和土层的相对刚度比对孔隙水压力有非常明显的影响。     

移动荷载下正交各向异性地基无限大板的动力响应

以薄板理论和弹性动力学理论为前提,以位移分量为基本未知量,建立了直角坐标系下的移动谐振荷载作用下正交各向异性地基上覆无限大弹性板的力学模型和动力微分方程;然后用坐标变换和Fourier积分变换,且引入边界条件,推导了移动荷载作用下无限大板的挠度和薄板与地基之间的接触应力的积分形式解。基于推导的理论方法,编制了相应的计算程序,并对薄板表面作用线性谐振荷载问题进行了算例分析,验证了方法的正确性。最后,对移动谐振荷载作用下公路路面板的动力响应进行了参数分析,研究了土体参数、板参数、荷载速度、荷载频率对其影响规律。结果表明:土体的各向异性、板厚、板的弹性模量、荷载移动的速度和振动频率对板动力响应影响很大。     

基于广义热弹性理论的多孔地基在移动荷载作用下的特性研究

 基于广义热弹性理论,引入热松弛时间,对Biot波动方程进行修正,建立了考虑温度效应的多孔饱和地基在移动荷载作用下的动力控制方程。利用Fourier变换方法,得到地基中温度增量、应力、位移和孔隙水压力在变换域中的一般解,结合热源输入条件和地基边界条件,确立时域内的温度增量、应力、位移和孔隙水压力的积分形式解答。利用Fourier逆变换方法和自适应数值积分算法得到了相应的数值结果。结果可退化为静荷载作用下的弹性地基解答,并与经典Flamant解进行比较,显示出较好的一致性。通过数值计算讨论不同的热源输入对地基温度增量场、应力场、位移场以及孔隙水压力的影响。结果表明：温度增量场受热源输入条件的影响很小,而应力、位移和孔隙水压力受热源输入的影响很明显。     

刚性路面在运动车辆作用下的动力响应

针对运动车辆引起的路面结构动力问题,采用移动荷载作用下Kelvin地基上无限大Kirchhoff薄板为力学分析模型,分析了运动车辆作用下刚性路面的动力响应。首先采用积分变换法推导了板挠度的Green函数,并通过Duhamel积分求得各种移动荷载模式作用下板稳态挠度的二维积分解析解,包括恒常和简谐移动点源、线源和面源荷载。然后采用自适应数值积分算法计算解析解中的二维无穷积分,得到了板稳态挠度的数值结果。最后对速度和阻尼等对板稳态挠度的最大值和空间分布的影响进行分析,得到了荷载临界速度,发现了板动力响应的特性和规律。     

轴对称荷载下饱和地基热-水-力耦合动力响应

基于Biot波动理论,通过建立饱和地基的热-水-力耦合动力响应的控制方程,对轴对称荷载作用下半无限地基的热-水-力耦合动力响应问题进行探讨。利用Hankel变换技术,得到外荷载作用下地基中温度增量、应力、位移和孔隙水压力积分形式的解答。利用Hankel数值逆变换得到计算结果,对热-水-力耦合条件下地基土体中温度增量、应力、位移和孔隙水压力响应的分布进行分析,并与水-力耦合动力响应情况下的结果进行比较。     

Performance of steel bridge deck pavement structure with ultra high performance concrete based on resin bonding

This research investigated a pavement system on steel bridge decks that use epoxy resin (EP) bonded ultra-high performance concrete (UHPC). Through FEM analysis and static and dynamic bending fatigue tests of the composite structure, the influences of the interface of the pavement layer, reinforcement, and different paving materials on the structural performance were compared and analyzed. The results show that the resin bonded UHPC pavement structure can reduce the weld strain in the steel plate by about 32% and the relative deflection between ribs by about 52% under standard axial load conditions compared to traditional pavements. The EP bonding layer can nearly double the drawing strength of the pavement interface from 1.3 MPa, and improve the bending resistance of the UHPC structure on steel bridge decks by about 50%; the bending resistance of reinforced UHPC structures is twice that of unreinforced UHPC structure, and the dynamic deflection of the UHPC pavement structure increases exponentially with increasing fatigue load. The fatigue life is about 1.2 × 10⁷ cycles under a fixed force of 9 kN and a dynamic deflection of 0.35 mm, which meets the requirements for fatigue performance of pavements on steel bridge decks under traffic conditions of large flow and heavy load.     

Non-axisymmetric Biot consolidation analysis of multi-layered saturated poroelastic materials with anisotropic permeability

To start with, an analytical layer-element (i.e., a symmetric stiffness matrix), which describes the relationship between the generalized displacements and the stress levels of a layer subjected to non-axisymmetric loading, is exactly derived in the transformed domain by the application of a Laplace–Hankel transform with respect to variables t and r, a Fourier expansion with respect to variable θ, and a Laplace transform and its inversion with respect to variable z, based on the governing equations of Biot’s consolidation of multi-layered saturated poroelastic materials with anisotropic permeability. The analytical layer-element experiences considerable improvement in computation efficiency and stability, since it only contains negative exponential functions in its elements. In addition, a global stiffness matrix for multi-layered saturated poroelastic media is obtained by assembling the interrelated layer-elements based on the continuity conditions between adjacent layers. By introducing the boundary conditions and solving the global stiffness matrix, the solutions in the Laplace–Hankel transformed domain are obtained, and the final solutions can be recovered by a numerical inversion of the Laplace–Hankel transform. Finally, numerical examples are presented to verify the theory and to study the effect of the property of anisotropic permeability on vertical displacements and excess pore pressure. The calculation results show that the property of anisotropic permeability has a great influence on the process of consolidation.     

移动简谐荷载作用下饱和土体中圆形隧道和轨道结构的动力分析

采用解析法研究了移动简谐荷载作用下饱和土全空间中圆形衬砌隧道和轨道结构的动力响应,用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质理论模拟土体,用Euler梁理论模拟钢轨、浮置板并组成周期性的两层叠合梁单元,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现轨道结构与衬砌及周围饱和土体的耦合。通过算例分析了荷载移动速度、自振频率对轨道结构位移、饱和土体位移及孔压的影响,对比了连续浮置板轨道和离散浮置板轨道的动力特性。结果表明:离散浮置板轨道情形下,轨道结构和饱和土体响应频谱中存在由荷载周期通过不连续浮置板而引发的参数激励;荷载自振频率接近轨道结构固有频率时产生共振,对轨道结构和饱和土位移、孔压响应均有较大影响;离散浮置板轨道和连续浮置板轨道动力特性有显著差异,当荷载频率接近有限长浮置板形成驻波的频率时,二者对应的自由场响应区别明显;增大衬砌厚度可以显著减小饱和土位移响应。