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原文传递高速铁路路基段地面振动响应研究

论文题名：	高速铁路路基段地面振动响应研究
关键词：	高速铁路;路基工程;地面振动响应;反弹机理;分频段预测方法
摘要：	高速铁路作为一种节能环保、低碳经济的交通方式，已在我国得到大力发展，客运铁路高速化是未来客运铁路的必然发展趋势，高速铁路在给人们生活带来方便、快捷的同时其运营期间产生的地面振动问题也不可忽视。相对于普通铁路，高速铁路产生的地面振动的持时更短，但是通常其振动幅值比普通铁路更高，且开行频次更高，因此其产生的环境振动问题可能更加严重。高速铁路路基段是高铁线路的重要组成部分，在地面距线路中心相同距离处路基段振动幅值甚至比桥梁段更大，研究高速铁路路基段地面振动对高速铁路振动影响的预测和防治具有重要意义。本文通过现场试验、数值模拟、理论分析对高速铁路路堤段和路堑段地面振动响应特点、振动波的传播路径、路基本体和场地地质条件对地面振动的影响、地面振动的反弹机理以及铁路地面振动的预测等几个方面作了研究。　　(1)对西宝高速铁路、成灌铁路、郑西高速铁路路基段地面振动进行了现场测试，通过分析得到，高速铁路基段地面振动随距离并非呈单调衰减，在某些距离处会出现振动放大现象。振动随距离衰减过程中高频振动的衰减速度比低频振动更快。地面振动响应受列车编组长度和列车运行速度的影响很大，16节编组列车引起的地面振动比8节编组列车引起的地面振动持续时间更长，振动幅值更高，振动的衰减速度也更快，但列车编组长度对振动频率的影响比较小;列车运行速度越快地面振动持续时间越短，振动幅值越高，振动衰减速度也越快;列车速度越快，振动频率的分布越离散，当速度达到290km/h及以上时，地面振动频率出现一系列近似等间距分布的单峰值，对黄土地区路堑段地面振动频率与速度的关系进行分析，发现地面振动峰值频率与列车运行速度之间存在一定的数学关系。　　(2)根据振动波在地质体中的传播规律，对路基段振动波的传播路径进行了分析，得到不同场地路堤段和路堑段地面振动的组成成分。在均匀场地中，路堤段地面振动是由地表R波和靠近地表的体波组成，路堑段地面振动由地表R波、靠近地表的体波以及路堑边坡体体内部向上传播的体波叠加组成;在双层介质中，路堤段地面振动除了地表R波、靠近地表的体波外还包括地层界面的反射体波，此时路堑段的地面振动由地表R波和靠近地表的体波、坡体内部向上传播的体波和反射体波（或透射体波）组成。　　(3)对高速铁路路基段地面振动进行了数值模拟分析，结果显示路堤和路堑的存在都起到了减轻地面振动的作用，路堤段地面振动以垂直向振动为主，地面振动随路堤高度和路堤刚度的增大而减小。路堑段地面振动中垂直轨道的水平向与垂直地面的Z向振动幅值比较接近，路堑深度和坡度对地面振动幅值的影响相对较小。　　(4)均匀场地中，地面振动幅值随介质的密度、泊松比、阻尼的增大而减小，而振动幅值随场地弹性模量非单调线性变化。通过敏感度分析得到地面振动受场地地质参数影响的敏感度排序为:弹性模量＞阻尼＞泊松比＞密度。在上覆土层下伏基岩的双层地质结构中，覆盖层厚度对地面振动的影响存在临界厚度，本文中临界厚度为10m，当覆盖层厚度小于10m时，覆盖层厚度越小地面振动幅值越大，当覆盖层厚度大于10m后，对地面振动影响很小。　　(5)通过傅立叶变换分析了路基本体、场地弹性参数、阻尼和覆盖层厚度对场地振动频率的影响，结果显示路堤高度和刚度对地面振动频率的分布影响很小;路堑深度的变化影响近场高频振动的含量，但对地表30m以后的振动频率分布影响很小，路堑坡度越陡地面振动频率和主频的分布范围越宽;场地密度、泊松比以及覆盖层厚度对地面振动频率几乎没有影响。场地介质弹性模量在100～400MPa范围内，地面60～85Hz范围内的振动能量随弹性模量的增大而增大，弹性模量大于400MPa后对振动频率影响很小。介质阻尼对近场的地面振动频率影响较小，在远场相同距离处阻尼越大，地面振动频率越小。　　(6)对地面振动随距离衰减过程中出现“振动反弹”现象的机理进行了探讨，得到地面振动反弹是由以下多种因素共同作用的结果:①振动波在地层间的反射作用;②多个扣件激振点产生振动波的叠加作用;③列车长持时激振产生的不同类型振动波在传播过程中的叠加。④路堑段边坡内部向上传播的体波与地面附近振动的叠加。根据振动波的反射定律和不同振动波的传播速度差异，推导出了双层介质中可能出现振动反弹的位置。　　(7)在对铁路地面振动预测方法的研究中，针对不同频率的振动衰减速度不同这一特点，分别提出了适合于铁路路堤段、桥梁段和路堑段的基于Bornitz模型的铁路地面振动分频段预测方法，将分频段预测结果与实测结果进行对比，证明了该方法的适用性。
作者：	张光明
专业：	地质工程
导师：	杨立中
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文