地铁荷载作用下地裂缝邻近土体受力数值分析

利用有限元分析法,对西安穿越地裂缝带的地铁隧道与土体在地铁荷载下的动力相互作用进行了三维模拟,分析了整体式隧道和分段式隧道两种情况下衬砌与土接触压力的分布规律和衬砌下部土中动应力的传递规律及影响范围,并将地铁列车荷载引起的动应力与初始静应力进行了比较,得出了地铁动荷载与重力荷载之间的强度差异。分析表明,列车从上盘往下盘运行过程中,在地裂缝附近,下盘拱底与土附加接触压力较正常值大,上盘则较正常值小,下盘拱顶与土附加接触拉应力较正常值大,上盘拱顶与土之间则产生附加接触压应力;土中竖向动应力从衬砌底传递至下部11 m过程迅速减小,动应力对此范围以外的土体影响较小;地裂缝附近分段式隧道条件下土中竖向动应力较大;就本次模拟工况而言,地铁动荷载产生的动应力比初始静应力要小很多,初始应力与动应力的最小倍数在60倍以上。     

地铁循环荷载下隧道下卧土体动力特性研究

随着我国城市地铁交通建设和运营里程的持续增加,列车荷载作用下隧道下卧土体的动力稳定问题备受关注。以粉质黏土地层中单线圆形地铁隧道为工程背景,采用室内模型试验和数值计算方法,分析了地铁循环荷载作用下隧道下卧土体中加速度峰值、沉降变形等的变化规律。结果表明,相较于循环荷载幅值,隧道下卧土体中加速度峰值衰减特性受循环荷载频率影响更为明显。单线圆形隧道周围约2倍直径范围为循环荷载作用影响区域,其中以0.5倍直径范围内影响最为显著。单线圆形隧道下卧土体的动力响应还受隧道埋深、隧道直径等因素影响,隧道埋深越深,隧道直径越大,下卧土体动力响应值越小,对隧道的安全有利。     

提速对既有线路桥过渡段路基动力响应影响分析

基于无限元人工边界建立了既有线有砟轨道路桥过渡段路基在动荷载作用下的三维有限元模型,模型考虑路桥过渡段倒梯形的结构形式,利用一系列移动轮载扩散到路基面的动面力模拟编组列车通过过渡段产生的动荷载,分析了既有线列车通行速度在现行速度80km/h和目标速度160km/h范围内变化时,路桥过渡段在动荷载作用下的路基动力响应规律。研究发现:列车速度从80km/h提升至160km/h后,路基面动应力峰值将增大20%左右;相比普通路基,路桥过渡段路基在提速条件下会产生较大的动应力;路基面动应力沿基面以下深度方向呈指数形态衰减。     

高速列车振动荷载下大断面隧道结构动力响应分析

随着高速铁路的快速发展,高速列车荷载对大断面隧道结构的影响受到关注。采用激振函数模拟高速列车竖向振动荷载,运用弹塑性有限元方法对大断面隧道结构在列车振动荷载作用下的动响应进行了深入的分析。研究了不同断面形式、车速和阻尼比系数对振动响应的影响,并将结果与小断面隧道进行比较。     

列车荷载作用下寒区高铁路基的动力稳定性分析

为研究季节性冻土地区高速铁路路基的动力稳定性,采用热-力间接耦合的方法,建立数值模型,结合实际运营情况,研究了哈大高铁路基在不同季节单列和双列列车荷载作用下的动力响应特点,并评价和预测了路基的长期动力稳定性。研究结果表明:不同季节地温分布的不同,使得路基土体性质存在差异,因此路基的动力响应也存在差异;冬季路基冻结时,由于阴阳坡效应的存在,东侧路基处动力响应,包括竖向位移和动应力等,略大于西侧路基,有可能加剧路基断面的变形差异;在列车荷载的作用下,路基的最大弹性变形为-2.53 mm,最大动应力约为23 k Pa,开通20年后,附加沉降为1.2 mm,路基的长期动力稳定性满足规范要求。     

高速铁路路基动力响应有限元分析

根据高速铁路列车对路基结构运行的特点,结合路基结构形式,基于弹塑性本构关系,利用有限元软件MIDAS/GTS,选取模型参数,建立轨道-路基体系的三维有限元计算模型,对轨道和路基动力特性进行研究,分析路基在高速铁路列车振动荷载作用下的变形特性,以及路基动位移和动速度随路基深度变化的动力响应特性,并找出其规律性,对高速铁路路基设计具有重要的指导意义.     

列车间歇荷载作用下路基细粒土填料的塑性变形行为及临界动应力研究

铁路路基承受的列车长期荷载作用为列车通过时的振动加载和无列车通过时的加载间歇,即间歇性动荷载.为探究列车间歇性动荷载作用下路基填料的塑性变形行为及临界动应力,设计一系列考虑含水率、围压、动应力条件等因素的连续加载与加载-停振的动三轴试验,对比分析加载间歇对路基土变形行为的影响,并重点分析间歇加载条件下路基土的塑性变形行...     

重载铁路过渡段路基动力响应特性试验研究#br#

掌握列车移动荷载作用下路基的动力响应特性可为路基沉降预测,状态评估提供依据。开展重载铁路过渡段路基动力响应测试,研究动位移峰值沿线路纵向及边坡方向的变化规律,分析路肩处动位移峰值的随机分布规律。研究列车动荷载作用下路基的动力响应特征,并揭示振动能量沿路基边坡的衰减规律。结果表明：列车动荷载对路基的作用具有明显的周期性,可将相邻车厢的两个前后转向架作为一个加载单元,在该加载单元的重复作用下路肩处的动位移峰值服从正态分布。重载列车动荷载作用下路基的振动频率主要分布在0~20Hz范围内,振动能量从路肩向坡脚方向衰减剧烈,基床层受列车动荷载影响显著,而基床以下路基受列车动荷载影响非常微小。分析结果有助于评估列车荷载作用下路基的瞬时及长期动力稳定性,同时为采用模型试验及数值分析手段研究路基动力响应特性时准确模拟重复列车动荷载提供了思路。     

列车动力荷载作用下路基土动力变形分析

结合列车运行的相关参数,在室内对路基土样进行动三轴试验,对路基土体在动荷载作用下的变形进行分析.试验结果表明:路基土体存在临界动应力,当列车产生的动应力小于土体临界动应力时,路基变形不会产生破坏,不同动应力作用下,路基土变形规律相似,在振动的前期,变形约占总变形的60%,随着振动次数的增加,变形将趋于稳定.当列车产生的动应力大于土体临界动应力时,路基变形将产生破坏.     

列车振动荷载作用下隧道周边软黏土长期沉降分析

 以上海地铁9号线三期工程为背景,对隧道周边1.5倍隧道外径范围内土体长期沉降进行现场监测。为分析上海软黏土在列车长期循环动荷载下的变形特征,通过引进考虑长期循环荷载作用效应的控制参数对现有动力循环加载弹塑性本构模型进行改进;采用改进的本构模型分析列车振动、工后固结2种工况下软黏土沉降发展规律。结果表明：通车850 d后,隧道拱底相对于地面的沉降实测值为4.7 mm,计算值为4.6 mm,其中由列车振动引起的沉降为3.1 mm,误差为2.0%,表明改进后的本构模型能够较好地模拟软黏土在列车振动荷载下的累积变形特征;振动荷载下隧道长期沉降符合指数型增长规律;在隧道埋深13.2 m情况下,列车振动引起的隧道拱底相对于地面的沉降经过约8 a趋于稳定,稳定后相对沉降量为4.2 mm。     

移动荷载作用下高速铁路轨道-路基-地基耦合系统振动加速度的空间分布特征

为获得移动荷载引起的加速度的空间分布,基于多尺度和精细化建模技术,建立了350 km/h的双线高速铁路轨道-扣件-轨枕-轨道板-CA砂浆层-底座板-基床表层-基床底层-路基本体-地基为一体的耦合大系统非线性真三维数值分析模型。采用动接触算法模拟底座板底面和基床表层表面之间的动力相互作用,采用三维黏弹性静-动力统一人工边界技术模拟无限地基的辐射阻尼和弹性恢复性能,考虑移动荷载作用前路基中客观的静应力状态对后续动力计算的影响和地基土、路基填筑材料的非线性,借助于大规模并行计算技术,模拟了地基的初始应力场生成、轨道系统和路基的施工过程和随后8辆编组高速动车组的运行过程。基于分析结果,总结了轨道-路基-地基系统各部分的振动加速度在时间和空间上的分布特征,验证了实体单元模拟轨道空间振动响应的优势。     

二向不等围压条件下考虑软化及剪胀的圆形隧洞弹塑性解

 基于弹塑性软化模型和非关联流动法则,考虑侧压力系数、极轴夹角和不同工况主应力对应关系,同时结合屈服后岩体的软化和剪胀特性,推导出圆形隧洞在二向不等压受力条件下洞周围岩的弹塑性应力、位移和塑性半径的解析解。实例分析表明,侧压力系数和主应力对应关系决定洞周塑性区的分布形状。剪胀对洞周位移的影响远大于对塑性半径的影响;剪胀程度的变化对洞周变形的影响随着围岩软化性质的增强而增大。在以洞周变形为控制的工程项目中,围岩软化和剪胀特性的影响不能忽视。     

关于圆形隧道卡斯特纳公式的讨论

隧道围岩的应力及变形是隧道力学中的基本问题,它直接影响到隧道的安全评价及施工支护措施。20世纪50年代提出的卡斯特纳公式,描述了圆形隧道的塑性区半径和塑性区的应力分布规律,公式已成为隧道力学分析的理论基础。以满足莫尔-库伦准则或Mises准则的理想弹塑性材料为例,按照塑性力学加卸载准则,证明了圆形隧道的开挖过程是加载过程,支护过程是卸载过程;对圆形隧道开挖和支护过程进行了弹塑性FLAC有限差分数值计算,同时针对外压和地应力均为0、内压值为支护应力的隧道进行弹性分析。结果表明,围岩的应力分布在开挖后与卡氏公式相符,但在支护后则与卡氏公式不符。弹塑性分析中,支护引起的围岩应力增量及位移增量分别与弹性分析中的应力和位移相同。因此在涉及塑性变形的隧道力学分析中,卡氏公式只适用于开挖阶段,不适用于支护阶段。     

列车移动荷载下高速铁路板式轨道路基动力性态的全比尺物理模型试验

列车移动荷载下高速铁路板式轨道路基的振动特性和动力荷载传递规律对高速铁路的设计和运行维护十分重要。介绍了一种全比尺的高速铁路板式轨道路基模型和可模拟真实列车荷载高速移动的分布式加载系统,最高模拟列车速度可达360 km/h。基于该模型试验平台,对中国高速列车以不同速度运行下板式轨道路基的振动和动应力特性进行了试验研究。结果表明轨道结构的振动随着车速的提高近似呈线性增加的趋势;路基结构的振动存在阶段性,列车速度低于180 km/h时振动速度增长缓慢,而后随着速度的增加迅速增大;基床表层的碎石层对振动在路基中的传播有很好的吸收作用。试验发现,尽管无砟轨道路基表面的动应力水平远低于有砟轨道,但无砟轨道路基动应力沿深度的衰减速度要缓于有砟轨道。试验进一步发现,无砟轨道路基动应力的增长模式与列车速度和土体所处深度均有关,基于试验结果提出了用于预测高速铁路路基动应力的经验表达式。     

重叠隧道爆破振动对相邻结构的影响

以某地铁工程区间近距离重叠隧道为背景，研究地铁区间隧道施工期间，爆破荷载对相邻隧道结构的影响。首先根据爆破振动加速度波确定爆破振动荷载，然后采用释放荷载方法模拟地铁隧道的开挖效应，确定初始应力场并通过对土一地铁结构体系进行模态分析，得到体系的振型和频率，以确定合理的阻尼系数和时间积分步长。最后运用Newmark隐式时间积分法，研究地铁区间近距离重叠隧道的动力响应。确定了在爆破振动荷载作用下衬砌结构的薄弱部位及其相应的位移和应力，得到地表的振动参数及其衰减值。得出的结论对设计和施工具有一定的指导意义。     

黄土隧道地基湿陷变形评价方法探讨

 隧道穿越自重湿陷性黄土地层时,可能遭受浸水作用下地基湿陷变形的附加作用而产生结构破坏。针对隧道衬砌结构的湿陷性黄土地基,结合隧道围岩及地基的自重湿陷变形特征,首先,提出浅埋隧道围岩压力、衬砌结构自重荷载构成基底压力和隧道两侧基底面分布土层自重共同作用下地基土的附加应力计算方法,以及考虑地基土自重应力的湿陷压缩应力计算方法。其次,在基本物性与构度、构度与结构压缩屈服应力、孔隙比和初始孔隙比比值与压缩应力和结构压缩屈服应力比值关系的基础上,建立自重湿陷系数和湿陷系数的计算方法。依据大厚度自重湿陷黄土场地不同埋深范围黄土具有不同自重湿陷系数门槛值的特征,得到了场地的自重湿陷变形和隧道地基的湿陷变形的计算方法。最后,通过数值计算分析,模拟隧道地基湿陷变形不同沉降差作用下衬砌结构应力场和塑性域发展,随着不均匀湿陷变形的增加,隧道衬砌结构塑性区范围不断增大,并结合铁路路基沉降控制标准,建议隧道地基湿陷变形0～5 cm为一级、5～10 cm为二级、大于10 cm为三级。     

The Evaluation of Axial Stress in Continuous Welded Rails via Three-Dimensional Bridge–Track Interaction

The crucial differences between conventional rail with split-type connectors and continuous welded rails are axial stress in the longitudinal direction and stability, as well as other issues generated under the influence of loading effects. Longitudinal stresses generated in continuously welded rails on railway bridges are strongly influenced by the nonlinear behavior of the supporting system comprising sleepers and ballasts. Thus, the track structure interaction cannot be neglected. The rail-support system mentioned above has properties of non-uniform material distribution and uncertainty of construction quality. The linear elastic hypothesis therefore cannot correctly evaluate the stress distribution within the rails. The aim of this study is to apply the nonlinear finite element method using the nonlinear coupling interface between the track and structural model and to illustrate the welded rail behavior under the loading effect and uncertain factors of the ballast. Numerical results of nonlinear finite analysis with a three-dimensional solid and frame element model are presented for a typical track–bridge system. A composite plate girder, modeled by solid and shell elements, is also analyzed to consider the behavior of the welded rail. The analysis result showed buckling under the independent calculations of load cases, including ‘temperature change’, ‘bending of the supporting structure’, and ‘braking’ of the railway vehicle. A parametric study of the load combination method and the loading sequence is also included in this analysis.     

厦门海底隧道最小顶板厚度三维弹塑性断裂损伤研究

为了验证厦门海底隧道最小顶板厚度比设计厚度减小时隧道的稳定性，根据设计方案，在厦门海底隧道轴线的地质剖面图上，选取了4个典型剖面处的对应段，将隧道轴线高程比原设计升高2m和4m，应用多裂隙岩体三维弹塑性本构关系和损伤演化方程进行有限元分析，对隧道轴线在原设计高程以及升高2m和4m的高程开挖后的应力分布、洞周位移、塑性区、损伤区等结果进行分析比较，可以得出将设计方案的轴线位置升高4m后，隧道仍是稳定的结论。同时。该结论对后续施工和其他工程有一定的指导意义。     

远场剪切波作用下深埋矩形隧洞地震响应解析解

 既有理论针对土体与结构相互作用的地震响应研究一直集中在圆形隧洞截面,而就矩形隧洞的分析往往会增加动力计算的复杂性。基于拟静力法,采用复变函数理论和保角变换方法,推导获得远场剪切波作用下深埋矩形隧洞的地震响应解析解。该复变函数解答考虑了土体与隧洞间相互作用的剪应力和法向正应力,并针对保角转化函数引入修正系数,提高了在复平面转化时矩形隧洞截面表示函数的计算精度。结合数值模型验证解析方法的正确性,并对矩形隧洞归一化位移比和土体应力场变化进行参数分析。研究表明,通过引入修正系数,使得解析解精度得到一定提高,与数值模拟解答更为接近。矩形隧洞归一化位移比值随着隧洞衬砌与土体的相对刚度比值增大而减小,而随着截面尺寸比率的增大而增大。在矩形隧洞截面尺寸的比率和相对刚度比值一定的情况下,矩形隧洞的归一化位移比随着土体泊松比的减小而增大。当截面尺寸比率为1时(正方形隧洞),土体泊松比的变化对于隧洞归一化位移比值影响较小。矩形隧洞周围土体应力随着土体泊松比的增大而增大,随着土体弹性模量的增大而减小,而随着衬砌剪切模量的增大而减小。