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原文传递高速列车荷载作用下成层饱和软土地基的动力响应

论文题名：	高速列车荷载作用下成层饱和软土地基的动力响应
关键词：	铁路高架桥;列车荷载;饱和软土地基;动力响应
摘要：	铁路高速化已成为当今世界交通运输的发展趋势，在高铁规模快速扩大的同时，高铁运行速度也得到了极大的提高。已有文献指出，当列车低速运行时，其在地基中引起的动力响应较小，与按静力方法得到的结果差距较小。然而，随着列车运行速度的增加，下部结构的振动水平以及车辆-轨道结构的动力相互作用都将随之加剧，威胁列车的运行安全。且在我国经济发达的东南沿海地区，广泛分布着饱和软土地基。由于软土中Rayleigh波的传播速度较小，这些地区高速列车较易超过地基的Rayleigh波速而产生剧烈的地基振动，不仅影响铁路的安全运营和旅客的舒适性，还将对周边环境带来不可忽视的影响。因此，非常有必要开展对高速列车荷载作用下饱和软土地基的动力响应的研究。　　本文首先研究了均质饱和地基的动力响应，基于Biot理论与欧拉-伯努利梁理论，建立了饱和多孔介质半空间上覆单位宽度无限长度梁模型。为确保在施加垂向荷载时，梁与半空间之间可以紧密贴合不会脱离，在梁与半空间的界面处使用了一种改进的光滑接触条件。在将等效刚度的表达式由围道积分解析得出后，计算了不同工况下的等效刚度，从而得出三种体波(P1波，P2波与S波)的Rayleigh极点与散布枝点。而后画出了不同土体渗透系数条件下Rayleigh极点与分枝点的轨迹，研究了梁-半空间界面上连续性条件与土体渗透系数对等效刚度的影响。　　其次，本文将均质饱和地基推广为成层饱和地基，建立了一个三维成层饱和地基模型，通过在水平方向使用傅里叶变换和正交变换从而将饱和地基Biot动力公式化为Love和Rayleigh模态方程。在竖直方向使用薄层法将地基划分为数个单元，得到单个薄层单元的控制方程后通过组装获得模型总体控制方程，最终推导出了三维成层饱和土地基的频域动力Green函数。数值计算时通过将每两层视作一个周期结构单元，研究了Love模态与Rayleigh模态在不同激振频率与土体参数下的弥散特性，从而得到了波在周期饱和软土地基中的通带和禁带，并研究了周期结构单元数对通带与禁带分布规律的影响。　　最后，在第二部分中已建立的三维层状饱和地基模型的基础上建立了铁路高架桥的三维数值模型。该模型为无碴轨道模型，其部件包括无限长的铁轨、铁轨扣件、不连续的轨道板及其垫层和架设于无限多跨弹性支撑梁上的混凝土底座。地基模型使用了已建立的三维层状饱和地基模型，桩则离散为欧拉-伯努利梁。使用一系列移动简谐点荷载模拟了列车荷载。通过数值计算，首先研究了饱和土地基中群桩基础的阻抗，其次研究了不同速度下地表振动速度与孔压的空间分布规律以及列车速度的变化对地表最大振动速度与地下最大孔压的影响，最后研究了荷载激振频率对地基动力响应的影响。　　以上研究为铁路高架桥引起的地基振动提供了理论分析模型和方法，可丰富饱和土体波动理论，对铁路高架桥周边建筑的设计与施工具有重要的指导意义。
作者：	杨逸敏
专业：	建筑与土木工程
导师：	孙宏磊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文