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原文传递 2.5维有限元法分析列车运行引起的地面动力特性及沉降

论文题名：	2.5维有限元法分析列车运行引起的地面动力特性及沉降
关键词：	饱和分层地基;有限元法;粘弹性动力人工边界;高速列车运行;地基振动;隔振措施;地面沉降
摘要：	随着我国经济的不断发展，高速铁路和地铁得到了快速发展，但列车运行产生的振动对环境的影响也越来越大。一方面，列车提速引起的振动增大对邻近振动敏感的精密仪器、设备和建筑物等有不可忽视的影响。此外，随着人们生活水平的提高，人们对生活环境和工作环境的质量要求也越来越高。另一方面，软土地基上高速列车运行时轨道和地基的共振容易影响列车的稳定运行。因此，铁路交通振动产生的环境影响与治理己成为亟需解决的重要课题之一。　　本文主要研究内容如下：　　 (1)采用弹性地基的2.5维有限元结合无限元边界的高效数值方法来研究铁路轨道和周围地基在列车运动荷载作用下的振动响应以及应力波在三维地基中的传播。将轨道模拟成铺设在地基上的Euler梁，通过沿着轨道方向的波数变换将三维问题降为平面应变问题。在垂直轨道方向的平面上将轨道结构和地基进行有限元离散，采用四节点单元，每个节点包含三个自由度。采用无限元边界来表示两侧水平方向及底部无限延伸的土体，从而模拟波在无限域中的传播。在平面上求解的结果沿轨道方向进行波数扩展，最后求得三维空间中的动力响应。建立轨道-分层地基模型，编制计算程序，分析了单一荷载、列车准静态荷载和简谐荷载三种形式作用下的动力响应。　　 (2)从饱和土的Biot波动方程出发，通过对时间的Fourier变换得出频域内的波动方程，结合边界条件利用Galerkin法推导出频域内的u-p格式和u-w格式的2.5维有限元方程。把轨道视为饱和地基上的Euler梁，通过沿轨道方向的波数变换将三维空间问题降为每个节点有3个自由度的平面应变问题。地基中的土单元用四边形等参单元来模拟，将平面上求解的结果沿轨道方向进行波数扩展，得到了频域-波数域内的解答，通过Fourier反变换求得三维时域-空间域的振动响应。根据Biot流体饱和多孔介质波动方程，假设体波波阵面为半圆柱形式，推导出了简单实用的适合饱和多孔介质2.5维有限元的粘弹性人工边界。建立轨道-地基模型，对饱和均质地基及饱和分层地基上列车运行所引起的动力响应进行了分析，讨论了不同列车速度引起的位移、速度、加速度、孔压等的变化，并与弹性地基做了对比。详细讨论了轨道刚度、路堤土土骨架密度、剪切波速、阻尼系数等对振动位移的影响；同时分析了第一及第二层土骨架密度、动力渗透系数、孔隙率、剪切波速、阻尼系数等土层参数变化对地表振动的影响规律。　　 (3)根据频域内饱和地基的2.5维有限元方程及动力粘弹性边界，把轨道视为饱和地基上的Euler梁，建立轨道-地基在列车运行荷载下的相互作用模型，编制计算程序分析了列车低速和高速运行条件下不同屏障的隔振效果，包括空沟、填充沟(混凝土墙)和混凝土板(波阻板)，分析了主要参数对隔振效果的影响。主要参数为：空沟距轨道的距离、深度、宽度；隔振墙距轨道的距离、深度、宽度、弹性模量；波阻板与地面距离、宽度、厚度、弹性模量等几何和物理参数。　　 (4)对地下工程活动引起的沉降做了简要的分析，建立轨道.隧道结构.饱和地基的有限元模型，采用饱和地基的2.5维有限元公式，编制计算程序，分析了地铁列车移动荷载引起的波的传播规律以及地基的沉降规律。同时采用大型有限元软件ADINA，根据实例建立地下矿山开采有限元模型，分析了地下矿柱回采过程所引起的沉降，旨在对地下工程活动的安全性问题分析提供一定参考。　　本文研究受国家自然科学基金(No.50538010，No.50678128，No.50878155)资助。
作者：	何俊锋
专业：	岩土工程
导师：	高广运
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学土木工程学院
学位年度：	2009
正文语种：	中文