列车交通荷载作用下软土路基的长期沉降pdf精.docx
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列车交通荷载作用下软土路基的长期沉降pdf精
第29卷第11期岩土力学Vol.29No.112008年11月RockandSoilMechanicsNov.2008
收稿日期:
2006-06-25
基金项目:
国家自然科学基金(No.10702063;教育部博士点基金(No.20070335086。
作者简介:
边学成,男,1976年生,副教授,日本冈山大学环境理工学部获博士,主要从事轨道路基耦合动力学和交通路基工程等方面的研究。
E-mail:
bianxc@
文章编号:
1000-7598-(200811-2990-07
列车交通荷载作用下软土路基的长期沉降
边学成,曾二贤,陈云敏
(浙江大学岩土工程研究所/软弱土与环境土工教育部重点实验室,杭州310027
摘要:
通过2.5维有限元结合薄层单元方法,建立了列车运行荷载作用下轨道和地基动力相互作用的3维分析模型,求解不同运行速度列车荷载作用下路堤下卧层地基中动偏应力的分布,结合软黏土在循环荷载作用下的累积塑性应变理论,建立了路堤下卧层地基在列车运行荷载作用下长期动力附加沉降的计算方法。
在此基础上采用瑞典X2000高速列车的实际轨道和地基情况进行了计算,分析了长期沉降随时间的发展过程及其在地基中的分布规律,特别是考虑了列车运行速度对路基沉降的影响。
关键词:
高速铁路;路基下卧层;动力附加沉降;交通循环荷载;动偏应力中图分类号:
U416文献标识码:
A
Long-termsettlementsofsoftsoilgroundinducedbytraintrafficloadings
BIANXue-cheng,ZENGEr-xian,CHENYun-min
(KeyLaboratoryofSoftSoilsandGeoenvironmentalEngineeringofEducationMinistry,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China
Abstract:
Adynamiccouplingmodeloftrackstructureandunderlyinggroundundermovingloadactionisdevelopedbyemployingthe2.5dimensionalfiniteelementmethodtogetherwiththinlayerelementmethod.First,thedistributionofdynamicstressingroundduetotraintrafficloadingsatdifferentspeedsiscomputed;then,incorporatingLiandSelig’sMethod(1996,acomputationproceduretoevaluatelong-termsettlementofsubgradegroundisproposed.TheSwedishhigh-speedrailwayX-2000runningonsoftgroundintheWestCoastisintroducedasanillustrativecasestudytodemonstratethedevelopmentoflong-termsettlementswithtimeanditsdistributioninsideground.Alsoaparametricstudyisconductedtoconsidertoinfluenceoftrain’srunningspeedonlong-termsettlementinsoftsoilground.
Keywords:
high-speedrailway;groundsubgrade;dynamicresidualsettlement;trafficloading;dynamicdeviatorstress
1引言
对于软土地基上修筑高速公路和铁路线路,以往的研究往往注重于自重荷载作用下的沉降和稳定问题,但现场监测发现,交通荷载作用产生的长期沉降相当可观[1−2],到目前为止,在这方面的研究还鲜见于国内外文献,但近年来受到越来越多的关注[1−6]。
本文以高速铁路为例,阐述列车运行荷载引起的地基软弱下卧层的长期沉降,许多方面的问题和解决方法对于高速公路是共通的。
软土地基沉降计算方法自1923年Terzaghi固结理论问世以来,通过不断改进和完善,从简单的理论方法到经验公式和图表法到应用计算机的数值分
析法不一而足,但对于交通荷载产生的沉降计算理论和方法还处于初步阶段。
现有的方法主要包括:
(1Hyodo等[7]提出结合土体动三轴试验结果,采用2维数值动力学分析来预测交通荷载下的地基变形,但由于地基土体实际的动力响应是3维问题,故该方法直接模拟实际工程有些困难。
(2Kutara[8]和Fujikawa[9]等先后提出的采用等效静荷载处理交通荷载,Kutara[8]采用一维固结理论简化沉降分析过程,但未考虑交通荷载的实际传递机制和荷载循环产生的沉降,Fujikawa[9]在实测的基础上假定交通荷载作用产生的应力增量呈倒三角分布,这种估算土体的固结沉降不够精确。
(3经验公式,其中以Monismith[10]提出的动力方程应用最广泛,
第11期边学成等:
列车交通荷载作用下软土路基的长期沉降
采用简单指数模型拟合软黏土的塑性应变与荷载循环次数的关系。
该模型计算简单,但所包含的参数物理意义不够明确,取值范围较大,不易合理确定。
Li和Selig[3]等引进土体的强度参数,提出对上述参数确定的改进方法,间接考虑了土体类型及物理状态等,并利用该理论分析了交通荷载产生软土沉降的多个工程实例。
Chai和Miura[2]在此基础上,考虑初始偏应力影响,进一步提出了新的指数模型,克服了Li和Selig[3]参数取值不适用于堆积土的问题,但新引入参数值的确定仍有一定困难。
另外,在试验基础上周健[4]提出了动载作用下软黏土残余变形的计算模式,可以确定长期或短期动荷载作用下的附加沉降过程。
蒋军[5]通过循环加载试验分析了不同加载波形作用下黏土的一维沉降特征。
黄茂松[11]通过不同静偏应力和动应力组合情况下的饱和软黏土不排水循环三轴试验,引入相对偏应力水平参数,分析了累积变形特征。
李进军[6]分析了静态交通荷载引起的软土地基沉降累积过程。
本文通过2.5维有限元结合薄层单元方法,建立了列车运行荷载下轨道和地基动力相互作用的3维分析模型,求解了不同运行速度列车荷载作用下路堤下卧层地基中动偏应力的分布,结合Li和Selig[3]提出的循环荷载作用下软土的累积塑性应变理论,建立了路基下卧层地基在列车运行荷载作用下的沉降分析计算过程。
2交通荷载作用下累积沉降的计算
2.1循环荷载作用下累计塑性应变的确定
根据Monismith[10]等提出了在循环荷载作用下计算软黏土路基累积塑性变形的经验公式:
pbANε=(1
式中:
pε为地基土体的累积塑性应变;N为循环荷载次数;A和b关于移动荷载特性和地基地层特性的参数。
对于复杂多层土体时,参数取值离散性
大,计算误差较大。
Li和Selig[3]改进了对参数A的确定:
df(mAaqq=(2
式中:
dq为交通循环荷载下的动偏应力;fq为地基土体的静破坏应力;a和m为常参数。
对于给定的
工程,a、b和m这3个参数与土体的类型和塑性指数有关,Li和Selig提出了对常见几种土类型的建议值,见表1,fq仅与地基土体的原始状态有关,可通过地质勘测得到。
表1Li和Selig建议参数[3]
Table1ConstantssuggestedbyLiandSelig(1996年
参数取值
土类
abm
CH(高塑性黏土1.20.182.4CL(低塑性黏土1.10.162MH(弹性粉土0.840.132ML(粉土0.640.11.7
结合式(1和式(2,可以得出地基中土体在循环荷载下的累积塑性应变的计算公式:
pdf(mbaqqNε=(3
式中各参数的物理意义同前。
由式(3可知,欲计算出地基中长期累积沉降,关键是正确地确定列车运行荷载产生的地基中的动偏应力,具体过程在下节中阐述。
将式(3结合到数值分析程序中,即可计算出地基内部任意位置在列车运行荷载作用下的沉降。
另外,由式(3亦知,参数faq、只对累积塑性应变或累积沉降的幅值有影响,而对长期沉降分布规律没有影响。
2.2列车交通荷载作用下地基动应力的确定
列车运行荷载作用下轨道振动的产生以及在周围地基中传播已经有大量分析模型和研究成果[12−18],但对于列车运行荷载产生的地基中的动应力分布及其特性却鲜见于文献。
简化的模型如均匀半空间上的Timoshenko梁可以用来分析列车荷载引起的地基中动应力[19],而实际工程中铁路轨道下方往往存在路堤,或者为了提高路堤刚度,在路堤局部范围内会采取加固措施,因此轨道附近地基一般不易简单地采用分层半无限媒介来模拟,此时可采用有限元方法对有限尺寸的结构和地基进行数值模拟。
本文采用2.5维有限元结合薄层单元方法来确定列车运行荷载作用下地基中动应力的分布,地基模型如图1所示,并且在模型中假定沿荷载方向的每个截面上材料特性都是连续一致的。
为了对列车
运行荷载作用下的无限长轨道结构和无限半空间地
基土体媒介进行建模,首先在轨道方向进行波数离散,同时对垂直轨道方向平面的轨道结构和地基进行有限元离散,从而将3维问题降为2.5维问题求解[20],这样极大地减少计算量,同时考虑了波在土体无限半空间中的传播问题。
本模型中,轨道采用
无限延伸的欧拉梁单元模拟,垂直列车运行方向平
面上的土体单元采用四边形等参单元模拟,水平方向上的两侧无限边界在计算范围以外处采用薄层单元作为吸收边界。
设列车荷载以定常速C沿着X轴
2991
岩土力学2008年
正方向移动,X轴通过轨道结构的中心,即荷载中心点的位置为y=0m,Z轴以向下为正,在地表面处z=0m。
利用本计算模型,可以准确高效地模拟出3维地基土体在列车运行荷载作用下产生的空间应力场,确定任何位置处的应力大小和分布形式,进而结合式(3计算出不同速度的列车交通荷载作用下地基的长期沉降。
图1有限元-薄层单元相结合的轨道结构-地基模型Fig.1Finiteelement-thinlayerelementhybrid
analysismodel
瑞典国家铁路管理局于1998年在Ledsgard软土地基上运行X2000高速列车时测试了轨道和地基振动
[21]
同时在线路所在位置进行了全面的地质勘
查。
本文在进行数值分析时采用该场地条件和列车荷载分布进行分析,以解释软土地基在列车交通荷载作用下的沉降产生过程和分布规律。
3模型和相关参数
因本文主要考察路基下卧层的长期沉降,因此将铁轨、轨枕及其下的道床简化为整体轨道,参数见表2。
表2X2000轨道参数
Table2TrackpropertiesofX2000
轨道宽度2B/m
单位长度质量M/(t⋅m−1
弯曲刚度EI/(MN⋅m−2
动阻尼比
3.010.8
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