移动交通荷载下公路软土地基的沉降计算

交通荷载是一种移动的重复作用荷载,在地基中产生的附加动应力的路径和大小与移动速度密切相关,目前的简化算法中忽略了移动速度的影响。通过数值积分算法得到了交通荷载在地基中引起的附加动应力,探讨了移动荷载下地基中应力路径特点及其与荷载移动速度的关系,提出在拟静力计算的地基附加应力结果上乘以荷载速度效应的放大系数的简化近似方法,给出了便于工程应用的放大系数的实用图表。根据移动荷载在地基中产生的附加动应力路径的特点,提出了一个适用于循环心形应力路径的饱和软土残余变形的经验模型,通过对已有试验成果的模拟,初步验证了所提模型的有效性。在此基础上,建议了一种考虑荷载移动速度影响的路基沉降实用算法。以Saga机场高速公路的沉降计算为例,初步探讨了不同车速比下的公路沉降发展的特点和规律。     

飞机主起落架移动荷载作用下道基动力响应分析

飞机起降过程中主起落架移动荷载引起的跑道道基土体循环动应力是导致跑道沉降和差异沉降的主要原因。采用移动荷载作用下跑道动力响应半解析有限单元法,基于叠加原理分析了B747-400和A380-800客机主起落架轮组移动荷载作用下道基土体动应力响应规律。分析结果表明:在B747-400和A380-800客机主起落架移动荷载作用下,道基浅层土体竖向正应力沿横向呈倒锅底型分布,荷载影响深度可达13 m;主起落架机轮分布对浅层道基土体竖向正应力影响较大,对深层土体影响不大;飞机移动速度对浅层道基土体竖向正应力分布影响较小,但对深层土体影响较明显,当飞机滑行速度达到60~80 m/s时,荷载影响深度达静力分析时的1.5~1.7倍;采用柔性道面板时,浅层土体竖向正应力较刚性道面结构时增加约50%,荷载影响深度增加约10%。     

移动条形荷载作用下弹性层状介质动应力解析解

采用Fourier积分变换与递推矩阵方法,依据平面问题的弹性动力微分方程、边界条件与层间连续条件,推导得到不同形式移动条形荷载作用下弹性层状介质动应力解析解。对不同移动速度和不同荷载形式作用下弹性4层介质动应力分布规律进行了算例分析,结果表明:竖向或水平条形荷载单独作用下,移动速度对动应力的影响随着荷载移动速度越来越接近结构层最小剪切波速而不断增大,相关应力向量各分量随着深度增加而呈现为各自不同的变化特征;实际行车条件对应的移动竖向和水平条形荷载共同作用下,移动速度对动应力的影响和动应力竖向分布规律皆比移动竖向或水平条形荷载单独作用更为复杂。移动条形荷载作用下弹性层状介质动应力解析解可为各类型交通工具作用下层状介质动力响应特性分析提供理论支持。     

交通荷载下层状道路系统动应力特征分析

 通过原位监测试验的相关数据,总结出层状道路系统在交通荷载下的动应力时空分布规律。在现有弹性层状体系理论基础上,采用传递矩阵方法,结合黏弹性运动方程,推导交通荷载下三维黏弹性层状道路系统的动力响应解答,采用Matlab矩阵分析软件进行数值计算,和原位监测试验的结果进行对比分析。在上述分析的基础上采用快速拉格朗日有限差分程序FLAC3D编制交通荷载下层状道路系统动力响应分析程序,对层状道路系统进行三维数值模拟计算,分析层状道路系统内部动应力和动位移时空分布规律,并将计算结果与现场原位监测试验进行对比分析,证明计算程序的有效性。研究结果表明：(1) 浅层动附加应力随深度增加加速衰减,而深层动附加应力的衰减率不大;(2) 路面结构能有效扩散动应力;(3) 车辆自身振动将使动应力明显增大;(4) 动附加应力具有累积效应。     

列车交通荷载作用下地基土单元体的应力路径

为研究列车交通荷载作用下地基内部动应力特征以及土体单元经历的应力路径,基于2.5维有限元数值方法建立轨道-路堤-地基耦合分析模型,其中轨道在轮轴荷载作用下的弯曲变形用欧拉梁来描述,而列车荷载被简化为作用于轨道上的单个或多个移动轮轴荷载,通过基于半解析的方法推导得到了地基中的动应力解答。剖析列车轮轴荷载作用过程中地基内部土单元体经历的应力路径和其中的主应力轴旋转现象;发现当列车速度低于地基剪切波速时,不同速度的荷载作用下不同地基深度处的土单元应力路径曲线形状都很相似;而当荷载速度增大到接近或者超过地基剪切波速时,土单元应力路径曲线和应力分布均发生很大改变。分析结果为研究交通荷载作用下软土的动力特性及地基长期附加沉降提供了基础。     

列车荷载在地基中引起的应力响应分析

用弹性地基上Timoshenko梁及其在移动荷载作用下的动力解计算得到地基表面与路堤之间的反力。将其视为作用于地基表面的荷载,以单位移动荷载引起的半空间地基内部应力解为基础,对反力在作用空间上进行积分,得到了列车速度小于地基中Rayleigh波速时,列车荷载在地基中引起的稳态应力响应解答。通过与列车振动现场测试结果(路堤位移和速度)的比较,证明了所采用模型的合理性。给出了应力及其分布随时间和空间坐标的变化,分析了应力的特性及分布规律,发现列车经过时在地基中产生的动应力是一种以压应力为主的循环荷载。动应力的空间分布与地基表面作用静力荷载(如条形荷载)产生的应力分布相似,但随列车运动而呈动态变化。还研究了半空间地基的土性和列车速度对应力的影响,发现剪切模量对应力的影响与车速有关,列车速度对应力分布的影响很大,尤其是当速度比超过0.6时,而泊松比仅对水平应力影响较大。     

基于MATLAB的圆形基础附加应力的数值积分求解

针对圆形基础受竖向分布荷载作用的情况下,用数值积分法解决了其竖向附加应力的求解。运用数学软件MATLAB进行编程,给出圆形基础在受均布荷载与三角形荷载作用时的附加应力系数表。结合具体工程实例,绘制了地基附加应力的分布图,概念清晰。同时对于一般分布荷载,只要能给出其分布表达式均能通过该程序计算,应用范围广。     

交通荷载作用下埋地管道纵向受力计算

为研究车辆行驶通过未经处理的埋地管道上方时管道纵向应力分布形式及其影响因素,采用Winkler弹性地基梁模型,提出相应的简化计算方法,并通过现场试验和数值模拟进行验证。对比理论计算、现场实测数据及数值模拟结果发现,三者所得的管道纵向应力分布规律一致,随管道埋深和管径变化的规律一致;由于存在荷载动力放大效应,管道实际纵向应力明显大于理论计算结果。结果表明:运用Winkler弹性地基梁模型和本文的简化方法计算交通荷载作用下埋地管道纵向应力是可行的;理论计算公式中附加应力扩散角和地基系数取值会对计算结果产生一定影响,但影响较小;可引入动力影响系数对计算结果进行修正,并给出影响系数的建议值。     

基础埋深对地基附加应力的影响

以圆形面积均布荷载作用为例，将基于布辛奈斯克解和明德林解所得附加应力相比较，讨论了基础埋深及泊松比对地基中竖向附加应力的影响。所得结论，对改进现行地基应力与变形计算方法具有重要的理论意义和长远的实用价值。     

竖向荷载作用下散体地基应力解析方法

竖向荷载作用下地基应力分析方法是基础工程设计与计算的重要依据,现有方法不能反映实际地基土的散体介质特性。为此,依据现有散体介质应力传递研究成果,首先假定竖向集中荷载作用下散体地基应力呈半无限曲线圆锥体形状向下传递,将竖向集中荷载作用下散体地基应力分析问题转化为锥顶作用竖向集中荷载的曲线圆锥应力分析问题,从探讨直线圆锥应力分析方法入手,获得了半无限曲线圆锥应力的求解方法,进而提出了竖向集中荷载作用下散体地基应力的解析方法;然后,将圆形竖向均布荷载作用下散体地基应力分析问题视为竖向集中荷载作用下散体地基应力的积分求解问题,建立了圆形竖向均布荷载作用下散体地基应力分析方法,该方法较充分地反映了地基土的散体介质特点,较现有Boussinesq解具有明显的优越性;最后,采用该方法、Boussinesq解以及颗粒流数值分析方法对圆形竖向均布荷载作用下散体地基应力分布进行了对比分析,表明了本文方法的合理性与可行性。     

飞机荷载作用下非均匀道基动力响应分析

针对山区机场道基沿跑道方向挖填交替的特点,通过沿跑道横向Fourier变换,提出适用于飞机移动荷载作用下山区机场跑道动力响应分析的半解析有限单元法,导出相应的有限元列式,编制有限元分析程序,通过算例验证方法及程序的正确性。分析单轮荷载移动速度、机场道面结构形式以及挖填交替非均匀道基形式对道基土体动应力的影响。结果表明：道基土体动应力路径呈蛋形,各动应力分量的峰值小于单轮静压力的2%;随着荷载移动速度加快,土体动应力路径逆时针偏转,动应力峰值和影响深度明显增加;与刚性道面结构相比,柔性道面结构下土体动应力沿跑道纵向和横向衰减快,但动应力峰值和影响深度更大;挖填交替界面附近土体动应力集中,集中系数达约1.4。     

基于Betti-Rayleigh动力互易定理求解移动荷载引起的地基土振动

 基于Betti-Rayleigh动力互易定理,论证了地基土Green函数的互易性,推导了移动荷载引起的地基土振动解析解,进而推证出移动常力荷载和移动简谐荷载作用下地基土表面振动在波数–频率域内和空间–时间域内的解析表达式,并采用Matlab对其进行数值计算。通过互易定理的使用将振源的移动问题变换为地面上受振点的移动问题,使移动荷载作用下地基土振动响应的解析表达式大大简化。最后结合某地基土参数对移动的单位常力荷载和单位简谐荷载作用下的地面振动进行算例分析,结果表明：移动常力荷载引起的地面振动属于典型的低频振动;移动简谐荷载作用下地基土表面出现波动的Doppler效应,且地面上受振点的振动频率范围由最上层地基土的Rayleigh波波速控制;地面上的受振点距振源较近时,地基土表面R波对振动的贡献明显高于P波和S波,而当受振点距振源较远时,P波对振动的影响较明显。     

基于解析层元法的成层半平面地基移动荷载动力响应研究

解析层元法具有较高的计算效率和数值稳定性,为此基于解析层元法研究移动荷载作用下层状各向同性地基的平面应变动力响应问题。假定研究坐标系随移动荷载同步移动,移动荷载相对于移动坐标系处于相对静止状态,从而将移动荷载作用下的动力问题转化为准静态问题。结合移动坐标系下的控制方程和傅里叶变换方法,推导出单层有限厚度和半空间土体在傅里叶变换域内的解析层元。根据有限层法原理组装各土层的解析层元得到总刚度矩阵,再结合边界条件求解总刚度矩阵方程在积分变换域内的解。然后,利用傅里叶积分逆变换将变换域内的解答转换为物理域内的解。最后,通过算例验证本文理论的正确性,并分析荷载移动速度、荷载作用深度、成层性及地基加固厚度与加固效果等对成层地基动力响应的影响。研究表明:地基的竖向位移和竖向应力随荷载移动速度的提高而不断增大,当移动速度接近土体的剪切波速时,地基竖向位移和竖向应力均迅速增加;移动荷载作用下地基的成层性对土体的竖向位移有较大的影响,且主要受地基表层土体性质的影响;表层土体的加固对减小地基沉降有显著效果,随着加固效果的增加,地表沉降的减小量逐渐降低。     

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。     

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。     

基于小波多分辨率分析的简支梁损伤识别方法研究

基于小波多分辨率分析的方法,根据移动载荷作用下简支梁动态响应特性,利用梁上一点振动信号对裂纹梁进行损伤识别。移动载荷经过梁上裂纹处时,必然导致梁响应时间历程曲线的奇异性,这种奇异性不能直接被观察到,但是可以通过小波多分辨率分析进行识别。利用有限元Ansys软件的瞬态分析方法进行裂纹梁移动载荷作用下的损伤识别数值模拟,通过梁上某一点挠度、速度和加速度的振动信号,利用小波多分辨率分析有效地识别出单个及多个裂纹,同时扩展到多个同向和相向移动载荷作用下裂纹梁的损伤识别。