列车动荷载作用下土的动力特性分析1.docx
- 文档编号:5031194
- 上传时间:2022-12-12
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:22.38KB
列车动荷载作用下土的动力特性分析1.docx
《列车动荷载作用下土的动力特性分析1.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《列车动荷载作用下土的动力特性分析1.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
列车动荷载作用下土的动力特性分析1
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
JournalofTianjinInstituteofUrbanConstructionVol.16No.1Mar.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zxτ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
00
1
(,)(,)
n
lii
i
wxtwxxt
=
=Σ..
(1)
1
(,)
n
lii
i
ffxxt
=
=Σ..
(2)
式中:
0(,)iiwx..xt和(,)iifx..xt分别为第i个列车轮轴
荷载引起的轨道位移和地基表面反力.
令t=0时,列车中心位于坐标原点处,列车移动
方向与x轴正方向重合,y轴为垂直于列车移动方向
的水平坐标轴,z轴垂直于列车移动方向且其正方向
指向地基内部,地基表面z=0,坐标系统符合右手法
则,计算中不考虑阻尼的影响,应力空间分布计算参
数见表1所示.在表1所示的参数条件下,可得到地
基表面应力空间分布图(见图1).
表1应力空间分布计算参数
3
bρ/kgm....Eb/MPaa×b/m×m1224P=P==P/kNμ/MPa3ρ/kgm....osv/v
1900300002×0.31601018000.45
图1地基表面反力空间分布
地基中的应力状态随列车的移动而发生变化,地
基内应力空间分布随列车速度的变化而变化.列车
低速运行时,应力分布与静止时的状态相似;列车高
速运行时,地基中应力随速度的增大而有较大变
化.列车高速运行时,地基上部沿车行方向水平应力
迅速增大,而竖向应力有所减小;地基深部沿车行方
向水平应力随车速增加而减小,竖向应力随速度的增
大而有较大增大[1].动应力幅值及其作用次数是造成
地基土软化的主要原因,当动应力作用次数累积达到
一定数量时一般会直接造成地基土的破坏.
2列车荷载作用下土的动力特性
研究列车荷载作用下土的动力特性,就必须了解
它所受的动应力过程,而动应力过程必须通过动力反
应分析方能确定.
2.1地基内土单元的应力状态和应力路径
用水平剪应力zxτ和偏差应力dd()/2zxσ..σ表示
土单元的应力路径变化.曲线任一点的模r表示最大
剪应力,水平剪应力和偏差应力表示的应力路径如图
2[1]所示.当列车荷载离所研究的土单元体较远时,动
应力为0,如图中A点;当列车荷载继续靠近土单元
体,如图中B点,偏差应力dd()/20zxσ..σ=,土单元体
处于单剪状态;当列车荷载继续向土单元体靠近,水
平剪应力zxτ和偏差应力dd()/2zxσ..σ逐渐增大,zxτ
在点达到最大值;超过点后,zxτ逐渐减小,
dd()/2zxσ..σ逐渐增大;当列车荷载到达土单元体正
上方时,zxτ为0,dd()/2zxσ..σ达到最大值,土单元体
处于纯三轴剪切状态;列车荷载离开后,应力路径正
好相反.
图2列车荷载作用线正下方土单元体应力路径
已有研究表明,列车行驶速度大小对水平剪应力
zxτ与偏差应力dd()/2zxσ..σ之间关系的影响较大.当
车速很小时,列车荷载引起的动应力较小;当车速较
大,接近地基内半空间剪切波波速sv时,列车荷载引
起的动应力较大,最大剪应力zxτ急剧增大,而偏差应
力dd()/2zxσ..σ有所减小.
由于列车动荷载的作用,使得土单元体的受力状
态在受动荷过程中时刻发生变化,列车动荷载引起的
动应力相当于施加在土单元体的附加应力,因此土单
元体的受力状态将取决于动荷载引起的动应力与土
单元体的初始应力状态.当列车荷载引起的动应力
较小,而土单元体的初始应力较大时,则叠加后的应
力状态改变较小;当列车动荷载引起的动应力较大
CC时,则土单元体的应力状态改变较大,甚至发生主应
天津城市建设学院学报李乂等:
列车动荷载作用下土的动力特性分析.2<.
力轴旋转的情况.2..列车振动荷载作用下地基土的液化
假设列车振动模型为竖向振动[3C,且土的静力极
限平衡条件也适用于动力试验中,同时动载和静载的
莫尔;库伦破坏包络线相同,即土的动力有效内摩擦
角φ′等于静力有效内摩擦角φ′[4]>见图3@.
d
图"动载作用下莫尔;库伦破坏曲线
从图"中可看到,圆①为振前应力圆,圆②为动
载过程中最大应力圆即动应力等于幅值σ的应力
do
圆.土在排水条件下受剪切将发生体胀或体缩,而在
不排水条件下受剪切,因此体积的变化趋势表现为超
静孔隙水压力μc&的发展[4C.地基土在列车周期振动
荷载作用下,实际是受反复的剪切作用.地基砂土受
到反复剪应力作用后,砂粒产生滑移并改变排列状态
从而趋于密实.同时,因列车振动历时短暂并且排水
不畅,从而在砂土中产生超静孔隙水压力,多次循环
振动使残余超静孔隙水压力逐渐积累>见图4@,有效
应力逐渐降低[4C,应力圆向破坏包线移动直至与其相
切,试件达到破坏.如图"所示累积孔隙水压力值达
到σ这个临界值时,其相应的振动荷载将会导致地
3
基土体完全丧失强度,失去承载能力,即土体产生液
化现象.当列车通过后,振动孔隙水压力将逐渐消散.
图I振动孔隙水压力发展曲线
2."列车振动荷载作用下孔隙水压力的计算
围压σ在土体内不引起剪应力,σ越大,土越
"3
密,孔隙水压力发展越慢.对孔隙水压力发展影响大
的是固结应力比KH它表示振前土体已经承
Fσσ,
51"
受的剪切程度.Y越大,孔隙水压力发展速度越慢,
5
且最终累积值也越小[4C.
动应力的幅值愈大,循环的次数愈多,积累的孔
隙水压力也愈高[4C.在等压固结即Y=.时,西特;芬
c
恩的孔隙水发展公式[4C为
%
F
2si'..1>
8
)
.
θ(3@
σ"πN*
式中:
%为8次循环所积累的孔隙水压力;8为破坏
*
振次,可根据动应力幅值从动强度曲线上查取;θ为
表示土性质的试验参数,其值与土的种类和密度
有关.
当Y>1时,式>3@可修改为[4C
c
1
%1.....8θ.
Fhsi'..β(@..1.(4@
σ".π.N5!
.
式中:
N50为在孔隙水压力发展曲线即u;8曲线上,
当%F0.Kσ时所对应的循环周数;β为土质参数,一
般可取1.0;θ为与固结应力比Y有关的土质参数,
"
c
可表示为θαFKhα,其中α和α直接由试验
1c.12
测定.2.I列车振动何载作用下地基土的动应力;应变
关系
受列车动荷载作用的地基土可看为黏弹性体,其
对变形有阻尼作用,因此应变的发展滞后于应力的变
化.在试验过程中,动荷载模拟列车动荷载作用,得
到应力应变值,并在σFε坐标上绘制动应力;应变
GG
关系,可得到滞回环,滞回环两顶点连线的斜率就是
σ
d$
土在该应力水平下的平均动模量EGF
ε
.当假设动
d$
荷载的应力;应变骨干曲线符合双曲线规律时,可得
平均动模量、动剪切模量[4C的公式为
EGF
σd$F
.
(5@
εd$1h
εd$
iτ
maFmaF
τ1
GdFdF(6@
γG
1h
γG
GmaFτmaF
式中:
Gmax为最大动剪切模量,可根据经验公式计算
得到.
"列车荷载作用下地基土的减振处理
要保障列车高速运行的安全性,研究地基在列车
动荷载作用下的动力特性,以及如何对非稳定地基进
行处理是必不可少的.减小振动对地基的影响,可以
.2?
.天津城市建设学院学报201!
年第1.卷第.期
从两方面着手.一是提高地基的抗软化、抗液化能大小及状态变化频率越快,积累的孔隙水压力也越
力,二是减小列车动荷载的作用.提高地基的抗软化高,造成地基土动强度减小,甚至引起地基土破坏.
能力主要是提高动应力比临界范围内土体的抗振能
力,如对地基土进行处理,使得其半空间剪切波波速
参考文献:
vs提高,从而使得地基的振动相应不明显,动应力作[1]王常晶7列车移动荷载作用下地基的动应力及饱和软
用减弱.减小列车动荷载的作用,主要是从两方面着粘土特性研究[D]7杭州:
浙江大学,20067
手:
一是减小列车本身动荷载大小,优化设计,降低列[2]郑薇,王柏生,杨英武7列车引起地面振动的影响因
车本身的不平衡性,减小偏应力等,从而降低列车本素的敏感性分析BJC7振动、测试与诊断,2007,27>4@:
身动荷载的大小.二是采取隔振方式,将列车动荷载305-3417
传播到地基内的振动效应减弱.采用隔振方式减弱地[3]王秀英,维宁7振动作用下沉管地基砂土液化可能性
基内的振动效应,目前常用的方法有重型钢轨和无缝研究[J]7铁道学报,2004,26>1@:
96-1007
线路、隔振型扣件、弹性基础、屏障隔振等[5C.[4]陈仲颐,周景星,王洪瑾7土力学[MC7北京:
清华大学
出版社,20027
I结语
[5]胡婷7列车移动荷载引起的路堤—地基振动与减振
[D]7杭州:
浙江大学,20077
列车通过土单元体的过程中,土单元体的受力状[6]何振兴,翟婉明,罗震7地铁列车引起的地面振动
态是时刻发生变化的,甚至发生主应力轴旋转.列车
[J]7西南交通大学学报,2008,43>2@:
218-2477
速度越大导致地基土临界边界以内[6C土单元体应力
(编辑:
胡玉敏)
Analysi/o*Dynami5Propertie/o*th1Soi)InduceGb6th1
T&ain’/Movin7LoaG
L.Yi.,YUA8Fu-qiang.
(17Chin(Textil1Industria)Engineerin7Institute,Beijin7100037,China;27Chin(Universit6o*Geosciences,Beijin7
100083,China@
A3s0ract:
Thi/pape&firstl6studie/th1vibratio'effect/o*th1train’
/movin7loaGo'th1groundAanGpresent/th1
maximuCdisplacemen0o*th1beaCanGreactio'forc1o*th1grounGsurfac1unde&Winkle&Ground-Timoshenk$
beaCmold7SecondlyAi0analyze/th1stres/stat1anGspatia)distributio'i'th1groundAstudie/th1stres/patDo*th1
soilAanGresearche/o'th1intenerateGanGliquefieGeffect/o*th1movin7loaGo'th1ground7ThirdlyAi0find/ou0tha0
duringth1trainrunningAthedynamicstressinducedbythemovingloadwil)changeastim1goesbyandcombinewitD
th1initia)stres/o*th1soilVth1speeGo*th1trai'greatl6affect/th1relationshikbetwee'th1horizonta)shearin7stres/
τzxanGdeviateGstres/(σdE..σdF)/.7
Ke6words:
movin7load;dynami5properties;stres/path;por1wate&pressur1
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 列车 荷载 作用 动力 特性 分析