高铁振动荷载作用下饱和砂土地基动力特性研究

摘要

随着我国高速铁路事业的蓬勃发展，越来越多的高速铁路即将建成，高速列车荷载引起地基的振动问题也越来越受到广泛关注。饱和砂土地基作为地基的一种，在高速列车荷载下不仅会发生沉降，还可能会发生液化，从而引起一系列的危害。本文使用室内GDS动三轴仪器对福建标准砂进行一系列试验，探究高铁列车荷载作用下饱和砂土的累积应变和动孔压等动力特性；基于试验结果，使用ABAQUS有限元软件进行二次开发，得到刚度衰减模型并结合Mohr-Coulomb本构模型，模拟出饱和砂土的累积轴向应变并与试验结果进行对比，验证模型的可行性；利用ABAQUS有限元软件建立了轨道-路基-地基三维有限元模型，对高铁列车移动荷载作用下饱和砂土地基的动力响应进行研究，所得出的结论为铁路相关设计提供了理论的依据和参考。主要研究成果有以下4个方面： （1）对单向荷载作用下饱和砂土的动力特性进行试验研究，全面考虑了固结方法、频率、围压和动应力幅值等不同条件下，饱和砂土累积轴向应变和动孔压的发展规律。通过试验可以发现：偏压固结下砂土的动力特性表现出与等压固结完全不同的情况；动应力幅值和围压是决定饱和砂土动力特性发展的主要因素，饱和砂土累积轴向应变和动孔压随着动应力幅值增大而增大，随着围压的增大而减小；砂土累积轴向应变和动孔压大致随着频率增大而减小，然而对于地基土来说，其本身是有一定的自振频率，当荷载频率接近或者达到它自振频率时，就会导致地基土发生一定程度的共振，从而发生更大的累积轴向应变和动孔压，本试验中测得砂土固有频率为3.5Hz； （2）对双向荷载作用下饱和砂土的动力特性进行试验研究。双向荷载作用下不管是动孔压还是累积轴向应变都要大于单向振动，不管是双向振动还是单向振动，围压的影响是一致的；不同相位差下饱和砂土的动孔压和累积轴向应变的发展规律是两两对称相似，并且是关于180°对称的；这是因为不同相位差的应力路径是关于相位差180°对称的；相位差180°对饱和砂土的累积应变和动孔压影响最大。 （3）基于动三轴试验结果，使用ABAQUS有限元软件进行二次开发，得到刚度衰减模型并结合Mohr-Coulomb本构模型，对饱和砂土的累积轴向应变进行数值模拟研究，并与试验结果进行对比分析。结果表明：只有稳定型应变曲线模拟效果最好，破坏型和临界型曲线在小应变阶段模拟效果较好，但是在大应变阶段，会出现较大的误差，这说明了刚度衰减模型有一定的局限性。整体来看二次开发的刚度衰减模型可以用于模拟高铁荷载作用下砂土长期稳定变形。 （4）利用ABAQUS有限元软件建立轨道-路基-地基三维有限元模型，对高铁列车移动荷载作用下饱和砂土地基动力响应进行研究。研究结果表明：动应力沿地基横向分布为马鞍形，并关于地基中心对称，动应力在地基中近似按照指数函数曲线衰减；地基中的动位移主要为竖向，沿轨道方向也会有一定的位移，值得引起关注；竖向位移沿地基深度的衰减规律与动应力相；速度对于地基动力响应影响较大，随着速度的增加，地基动力响应会呈现较大的波动性；动加速度随着速度的增大而增大，而动应力和动位移与速度的关系不是呈现正相关的，存在一个临界速度，当速度达到临界速度之前动应力与动位移与速度的关系基本呈正相关，但是当速度超过临界速度时，动应力与动位移随速度的增加而减小；铁路设计者需要注意列车速度达到360km/h附近对于地基动力响应的影响，因为当列车速度达到360km/h附近时，地基动应力与动位移会发生一定程度的增大，加大了安全隐患。双向列车荷载作用下的地基动力响应整体来说大于单向荷载，但是地基动应力随着地基深度的衰减比单向更快。

目录

声明

致谢

变量注释表

1绪论

1.1概述

1.2砂土基本动力特性研究现状

1.2.1频率对砂土动力特性影响的研究现状

1.2.2循环荷载作用下饱和砂土动孔压研究现状

1.2.3循环荷载作用下饱和砂土动变形研究现状

1.2.4循环荷载作用下饱和砂土动强度研究现状

1.2.5列车荷载引起的地基动力响应数值解研究现状

1.3目前研究存在的问题

1.4本文的研究内容

1.5研究的技术路线

1.6创新点

2单、双向激振循环荷载作用下饱和砂土的动力特性

2.1引言

2.2单、双向激振循环荷载作用下试样受力状态分析

2.3室内试验设计

2.3.1试验仪器

2.3.2试验材料与参数

2.3.3试验方案

2.3.4试验过程

2.4试验结果与分析

2.4.1饱和砂土累积轴向应变分析

2.4.2饱和砂土动孔压分析

2.5本章小结

3循环荷载下饱和砂土累积变形的数值模拟

3.1引言

3.2累积塑性变形在ABAQUS中的实现

3.2.1土体产生累积塑性变形的原因

3.2.2循环荷载下土体的刚度衰减

3.2.3刚度衰减在ABAQUS中的实现

3.3数值模拟方案设计

3.4饱和砂土动三轴有限元模拟过程

3.4.1有限元模型的建立

3.4.2模型参数

3.4.3计算结果与分析

3.5本章小结

4列车振动荷载下地基动力响应研究

4.1引言

4.2三维有限元模型的建立

4.2.1有限元模型的建立

4.2.2列车荷载的模拟

4.2.3模态分析

4.2.4列车荷载的施加

4.3单向列车荷载下地基动力响应分析

4.3.1验证模型的合理性

4.3.2动力响应规律分析

4.3.3速度效应

4.4单、双向列车荷载下地基动力响应对比分析

4.4.1动应力分析

4.4.2动位移分析

4.5列车荷载下饱和砂土地基孔隙水压力分析

4.5.1分析模型的建立

4.5.2 列车荷载引起的孔隙水压力变化的基本规律

4.5.3不同车速下孔隙水压力的变化

4.5.4单、双向列车荷载作用下超孔隙水压力的对比分析

4.6本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

附录

作者简历

学位论文原创性声明

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