详情

原文传递列车荷载作用下螺杆桩复合地基动力特性及减振设计参数优化

论文题名：	列车荷载作用下螺杆桩复合地基动力特性及减振设计参数优化
关键词：	铁路路基;螺杆桩复合地基;动力特性;减振设计;参数优化;列车荷载
摘要：	随着我国铁路交通的快速发展，列车运行时速不断提高，列车产生的竖向动力荷载也越来越大，对铁路路基造成的动力响应问题开始突显。螺杆桩复合地基是近年来发展的一种新型路基处理手段，它凭借其强度高，沉降小，成桩速度快，造价低，适应多种土层且环保等优势在我国铁路建设工程中得到了广泛应用。尽管多项研究已表明螺杆桩复合地基在静载条件下具备良好的承载性能，但目前关于螺杆桩复合地基的动力学问题研究报道较少，螺杆桩复合地基能否在长期列车荷载作用下满足高速铁路的承载要求仍然是个问题，对铁路工程设计至关重要。鉴于此，本文首先建立了螺杆桩轴向振动响应理论计算方法，然后以典型工程实例为背景，通过开展动力模型试验探讨了列车不同运作模式下螺杆桩复合地基的动力响应特性及承载性状，在此基础上揭示了高周次循环动载下螺杆桩复合地基的振致损伤行为。此外，通过三维数值计算验证了试验结果的合理性和准确性，并进一步研究螺杆桩桩径、直杆段与螺纹段长度比、螺牙间距、桩间距等设计参数对螺杆桩复合地基系统动力特性的影响，以此提出相关减振设计参数优化措施。主要研究成果如下：　　（1）建立了均质土条件下螺杆桩轴向振动响应理论计算方法。理论计算结果表明：在桩周土为均质土的条件下，螺杆桩的轴向振动特性主要与桩侧土阻尼因子、刚度因子，桩端土阻尼因子、刚度因子，激振力频率因子等基本动力学因子，以及桩体模量、直杆段与螺纹段的相对长度、截面面积比等自身特征有关。桩身模量或者螺纹段截面面积的增大都会增大螺杆桩自身振动响应，在进行螺杆桩设计时桩身模量不应过大，螺纹段截面面积小于直杆段截面面积为宜。　　（2）探讨了列车不同运作模式下螺杆桩复合地基的动力响应特性及承载性状。通过开展室内动力模型试验研究发现：螺杆桩复合地基振动响应程度与列车时速及列车轴重与都呈正相关关系；列车运行时速或轴重的增加会导致桩土协同作用性能降低；螺杆桩在抗压与抗拔承载性能方面具有良好的兼顾，相比静载情况下，列车循环动载的影响下螺杆桩复合地基的极限承载力降低；螺杆桩复合地基加固作用下的铁路地基临界速度在280km/h左右，相对普通桩加固地基提高了29.62%。　　（3）揭示了高周次循环动载下螺杆桩复合地基的振致损伤行为。基于小波包变换（WPT）方法，根据高周次动载作用下螺杆桩复合地基振动信号的频域特征及能量变化规律建立了螺杆桩易损性评价指标ΔERSM；此外，通过桩周土体的骨架曲线特征及累积位移变化分析了长期循环荷载作用下螺杆桩复合地基累积变形发展过程。研究发现：螺杆桩复合地基振动信号的频率主要分布在0-25Hz，振动波沿桩间土体传递过程中会滤掉一部分高频能量；在列车动载作用下螺杆桩螺纹段易损程度大于直杆段，尤其在变截面处易产生变形破坏，属抗振薄弱部位；螺杆桩复合地基土体在长期循环荷载下的累积变形演化过程主要分为三个阶段：缓变期、波动上升期及持续增长期，表层土体会首先产生损伤并逐渐向下扩展。　　（4）研究了不同设计参数对于螺杆桩复合地基系统动力特性的影响。通过三维数值计算发现：桩径越大，直杆段长度比例越小，振动响应沿地基深度的衰减作用越小，因此在进行螺杆桩复合地基设计时桩径不宜过大，直杆段长度不应过短；本研究条件下存在一个最优螺距（1 倍桩径）及最优桩间距范围（3-5 倍桩径）使得螺杆桩复合地基沿深度或地表方向的减振效果良好。
作者：	关伟
专业：	地质工程
导师：	吴红刚
授予学位：	硕士
授予学位单位：	贵州大学
学位年度：	2023