列车动荷载作用下土动力特性分析[1].doc

列车动荷载作用下土的动力特性分析[1].txt如果有来生，要做一棵树，站成永恒，没有悲伤的姿势。一半在土里安详，一半在风里飞扬，一半洒落阴凉，一半沐浴阳光，非常沉默非常骄傲，从不依靠从不寻找。天津城市建设学院学报第16 卷第1 期2010 年3 月 Journal of Tianjin Institute of Urban Construction Vol.16 No.1 Mar. 2010 收稿日期：2009-12-10；修订日期：2009-01-07 作者简介：李乂（ —），男，天津人，中国纺织工业设计院工程师 土木工程 $ 列车动荷载作用下土的动力特性分析 李乂1，袁富强2 (1. 中国纺织工业设计院，北京100037；2. 中国地质大学，北京100083) 摘要：研究了列车动荷载对地基的振动效应，给出了Winkler 地基－Timoshenko 梁模型下梁的最 大位移和地基表面反力．研究了列车动荷载作用下地基内应力状态和空间分布，分析了土单元体 的应力路径及地基土在动荷载作用下的软化和液化效应，结果表明：在列车运行过程中，动荷载引 起的动应力随时间发生变化，并与土单元体初始应力相叠加；列车的速度对水平剪应力zx τ 与偏差 应力(σdz ..σdx) / 2 之间关系的影响较大． 关键词：动荷载；动力特性；应力路径；孔隙水压力 中图分类号：U211.4 文献标识码：A 文章编号：1006-6853( 2010) 01-0025-04 在大多数建筑工程中，地基土体的承载力验算、 变形验算及稳定验算均采用静荷载或等效静荷载作 为附件荷载来进行计算及分析．实际工程中动荷载 的简化，一方面使工程计算简单，但另一方面却使得 工程安全性受到质疑．随着经济的快速发展，越来越 多的土木工程朝着大、高、深的方向发展，工程结构及 受荷状态更加复杂化．动荷载对被作用体系的动力 效应也更加明显，不能忽略．笔者对列车动荷载作用 下的土的动力特性进行分析． 1 列车荷载对地基振动效应的影响 列车运行会引起轨道和地基的振动，当列车速度 达到轨道地基系统的临界速度时，振动能量无法及时 消散，且与轨道和地基原有振动叠加从而形成振幅叠 加产生更大的振动．在振动荷载作用下，地基土中的 空隙水压力将增大，塑性变形不断累积，引起地基的 附加沉降会进一步产生，并不断累积．例如，上海一 号线的沉降监测资料表明，在地铁建成后未通车的两 年内，其主固结沉降和次固结沉降基本完成，但通车 后8 个月内沉降达到了3～6,cm，4 年内甚至达到了 14,cm．这说明了在列车动荷载作用下，地基的附加 沉降是相当可观的[1]． 当列车静止时，会在地基中产生静应力场；当列 车运动时，应力场也会一起运动，并在地基中产生应 力波，这是引起地基振动的最主要原因．这种动力响 应主要受到列车轴向荷载、轮轴间距和列车速度的影 响[1]．另外一些因素亦可以增大上述应力场产生的振 动，如列车的不平稳性、轨道的不连续性以及支撑的 特性等．列车产生的地基振动由两部分组成，一部分 是由移动荷载引起的轨道结构响应的低频振动( 0～ 20,Hz) ，另一部分是由于轨道缺陷、枕木之间铁轨的 次变形、车辆的不平稳运行等引起的高频振动．相对 于低频振动来说，高频振动在地基内衰减快、影响小， 其主要影响的是轨道结构的长期稳定性．列车产生 的振动主要以瑞利波形式传播，并引起地基的振动， 而几何阻尼和材料阻尼是振动衰减的两个主要原因． 动荷载的特性主要包括振动形式、振动频率、振 幅和振次．振幅和振次对地基土孔压和变形的影响 占主导地位．列车对轨道结构的作用是非常复杂的， 包括轮轴荷载、瞬时冲击荷载、轨道不平顺及机车制 动引起的附加荷载等．研究中需要对列车及轨道进 行相应的简化，列车可简化为以车厢为单位的一系列 移动荷载，设定钢轨处于弹性状态即可简化为弹性连 续梁或简支梁，地基土简化为各向均质的成层土[2]． 在移动荷载作用下，轨道结构的位移和地基表面的反 力，可以通过单个移动荷载引起的轨道位移和地基表 面反力进行叠加获得．Winkler 地基－Timoshenko 梁 (T 梁) 模型得到列车荷载引起的梁总位移和地基表 面反力[1]分别为 1978 .  .. 26 .. 天津城市建设学院学报2010 年第16 卷第1 期 0 0 1 ( , ) ( , ) n l i i i w x t w x x t = =Σ .. ( 1) 1 ( , ) n l i i i f f x x t = =Σ .. ( 2) 式中： 0 ( , ) i i w x..x t 和( , ) i i f x ..x t 分别为第i 个列车轮轴 荷载引起的轨道位移和地基表