高速交通荷載作用下飽和土體與線路系統(tǒng)的動力響應(yīng).pdf

1、移動荷載動力響應(yīng)問題很早就被注意到并加以研究，近年來隨著高速鐵路的興建和發(fā)展，以及已有鐵路線路的提速，高速列車的移動速度已經(jīng)開始超過土體的Rayleigh波速，因此這個(gè)問題再次被重視起來。如何利用基礎(chǔ)理論成果，分析研究高速交通荷載作用下飽和地基和交通線路系統(tǒng)的變形特性和工程的耐久性，及對周圍環(huán)境振動的影響，是十分必要的， 本文在平面應(yīng)變條件下研究了移動條形荷載作用下橫觀各向同性飽和土體和上覆彈性梁有限厚飽和土體的動力響應(yīng)問題。在

2、求解移動條形荷載作用下橫觀各向同性飽和土體的動力響應(yīng)問題時(shí)。由忽略土粒壓縮和土體自重的Biot波動方程出發(fā)，對荷載進(jìn)行Fourier級數(shù)展開，假設(shè)了響應(yīng)函數(shù)的級數(shù)形式，利用土體表面邊界條件，由待定系數(shù)法求解了考慮固液耦合作用的兩相介質(zhì)在移動荷載作用下的土體位移、有效應(yīng)力及孔壓表達(dá)式。在求解移動條形荷載作用下上覆彈性梁有限厚飽和土體的動力響應(yīng)問題時(shí)，將土體表面的應(yīng)力邊界條件與彈性梁動力方程結(jié)合，由待定系數(shù)法求解了土體位移、孔壓表達(dá)式。著重

3、研究了荷載移動速度、橫觀各向同性性、彈性梁剛度等參數(shù)對土體位移、孔壓響應(yīng)的影響。 接下來本文研究了移動矩形荷載作用下三維飽和土體的動力響應(yīng)問題。由忽略土粒壓縮和土體自重的Biot波動方程出發(fā)，利用Fourier變換將土體波動方程轉(zhuǎn)化為四個(gè)常微分方程組。利用待定系數(shù)法對方程進(jìn)行求解并給出了土體位移，加速度，孔壓表達(dá)式。數(shù)值算例給出了土體表面沿x，y，z方向的位移，沿x，z方向的加速度和土體孔壓的時(shí)程曲線。計(jì)算結(jié)果表明，荷載移動速度

4、和土體滲透系數(shù)都對土體動力響應(yīng)有很大影響。 本文進(jìn)一步研究了交通荷載作用下上覆無限大板的三維飽和土體的動力響應(yīng)問題。將交通荷載簡化為四個(gè)矩形荷載來模擬車輪與路面的接觸，采用Kirchoff小變形薄板理論來模擬路面，并通過改變板的剛度分別模擬柔性路面與剛性路面。在Fourier變換域內(nèi)，通過聯(lián)立板與三維飽和土體的動力方程對問題進(jìn)行了求解，并著重研究了路面剛度、荷載移動速度和土體滲透系數(shù)對路面動力響應(yīng)的影響。 而后，本文利用

5、Fourier變換對移動列車荷載作用下鐵路系統(tǒng)和飽和半空間土體的動力響應(yīng)問題進(jìn)行研究。將整個(gè)系統(tǒng)分為上覆路軌系統(tǒng)和下臥土體分別求解，并通過應(yīng)力、位移邊界條件進(jìn)行耦合。對于路軌系統(tǒng)，將鋼軌簡化為無限長彈性Euler梁；將枕木簡化為連續(xù)質(zhì)量塊；對道渣層采用Cosserat模型。對于下臥飽和土體，由忽略土體自重的Biot波動方程出發(fā)，利用Fourier變換對Biot波動方程進(jìn)行求解。在Fourier變換域內(nèi)，聯(lián)立鐵路系統(tǒng)和下臥土體的動力方程，

6、求解列車荷載作用下鋼軌位移、加速度，土體位移、加速度及孔隙水壓力表達(dá)式。利用數(shù)值積分方法對表達(dá)式進(jìn)行Fourier逆變換，得到鋼軌位移、加速度，土體位移、加速度及孔隙水壓力在時(shí)域內(nèi)的表達(dá)式。計(jì)算結(jié)果表明，軌道剛度、水相介質(zhì)與荷載移動速度都對路軌系統(tǒng)和土體動力響應(yīng)有很大影響。 由于對于多數(shù)實(shí)際工程而言，地下水位并非位于地表，而是在地表以下一定深度。因此，本文將飽和半空間模型進(jìn)一步改進(jìn)，利用Fourier變換對移動列車荷載作用下鐵路

7、系統(tǒng)和成層半空間土體的動力響應(yīng)問題進(jìn)行研究。采用與前文相同的軌道系統(tǒng)模型，對于下臥土體，采用了成層土體模型，模型分為兩層，上層為彈性土體，下層為飽和半空間。結(jié)算結(jié)果表明在高速情況下了上層彈性土體的參數(shù)對軌道和土體動力響應(yīng)的影響很大。 最后，研究了飽和土體、軌道系統(tǒng)和復(fù)雜列車荷載耦合動力響應(yīng)。對于下臥土體基于Biot動力方程，采用與前文相同解法進(jìn)行求解；采用Euler-Bernoulli梁模擬軌道系統(tǒng)；對于列車荷載模型，采用考慮前

8、后轉(zhuǎn)向架與車體之間相互作用及車輪與轉(zhuǎn)向架之間的相互作用和由軌道不平順引起的荷載簡諧振動的列車模型。考慮車輪與鐵軌之間的線性接觸，聯(lián)立列車荷載模型運(yùn)動控制方程、軌道系統(tǒng)和飽和半空間控制方程，在Fourier變換域內(nèi)求解車輪與軌道之間的作用力表達(dá)式，將表達(dá)式代入軌道系統(tǒng)和土體的動力方程，求解軌道系統(tǒng)和土體頻域內(nèi)的動力響應(yīng)表達(dá)式，利用Fourier逆變換，得出列車、軌道和飽和土體振動的時(shí)域表達(dá)式。數(shù)值計(jì)算著重研究了耦合振動和軌道不平順對軌道系