高速列车荷载作用下CFG桩复合地基动力特性研究及桩体疲劳寿命预测

摘要

目前我国正在大力发展高速铁路事业,随着列车速度的不断提升,路堤与地基的动力响应愈来愈明显,对高速铁路路堤与地基的动态特性研究也就非常有必要。本文针对目前比较常用的处理高速铁路路堤下地基的CFG桩复合地基,通过实际工程建立无砟轨道—路堤—CFG桩复合地基三维有限元分析模型,运用大型有限元计算软件ABAQUS,计算并分析了路堤与复合地基在路堤分层填筑过程中的应力与应变特性,列车动载作用下复合地基的动力特性,并通过两种方法计算出素混凝土CFG桩体的疲劳寿命,主要的创新和成果如下:
　　1.依据实际工程与实测的现场沉降数据,通过ABAQUS中生死单元真实模拟路堤分层加载过程,将两者数据进行对比,验证了有限元模拟的可靠性;
　　2.采用修正后的静荷载和一系列正弦函数迭加的激振力函数模拟列车动荷载,不再简单地将列车荷载换算成静荷载加以计算分析;
　　3.列车运行对复合地基产生的动应力主要表现为竖直方向的力;时速越高,桩与土的动应力峰值增加的也越快,但是其衰减的也越快;列车运行线数与不同时速对桩顶动应力沿路堤长度衰减的影响具有一定的相关性;土体动应力相比于桩在沿桩长深度衰减的快,桩身动应力沿桩长深度的分布呈现比较复杂的规律;列车时速对于桩与土体动应力沿桩长深度衰减的影响不明显;
　　4.列车运行时对场地的振动影响主要集中在路堤范围内,但是其对于路堤以外的场地引起的振动也应该得到相应的重视;随着深度的增加,列车运行引起的复合地基的振动将主要集中在桩身上;由于CFG的桩存在,列车运行引起的振动影响深度增加了;
　　5.路堤高度的增加,作用在桩顶和桩周土体上的动应力峰值在不断减少,两者基本呈线性递减的关系;列车运行线数的增加,复合地基中桩的动应力增长率比土快;路堤高度的增加在一定范围内对于复合地基加速度的减少效果是比较明显的,但是随着路堤高度的不断增加,这种减小的趋势可能会逐渐变缓。
　　6.采用能量法与临界面结合的方法计算出来的 CFG桩体的疲劳寿命比用局部应力应变法计算出来的数值要偏大;采用能量法与临界面结合的方法,其损伤参量的定义比较明确,适用于多轴状态下的混凝土疲劳寿命的分析,并且能给出疲劳破坏的位置。

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1. 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 CFG桩复合地基的研究现状

1.3 本文研究的内容与方法

2. 基于ABAQUS的路堤填筑静载下路基沉降数值模拟

2.1 基于ABAQUS的数值模拟建模过程

2.2 沉降观测数据分析

2.3 CFG复合地基数值模拟结果分析

2.4 本章小结

3. 列车荷载作用下的CFG桩复合地基的动力特性

3.1 列车荷载的模拟

3.2 无砟轨道的数值模拟

3.3场地动力学参量

3.4 动力边界条件和力学阻尼

3.5 CFG桩复合地基动应力分布规律

3.6 复合地基动力衰减特性

3.7 路堤高度对复合地基动力特性的影响

3.8 本章小结

4. 混凝土疲劳研究及疲劳寿命计算方法

4.1 疲劳破坏与传统静力破坏的本质区别

4.2 混凝土结构的疲劳累积损伤理论

4.3 混凝土结构的疲劳寿命计算方法

4.4 本文采用的疲劳寿命计算方法

5. 高速铁路路堤下CFG桩体的疲劳寿命预测

5.1 基于局部应力应变法下的CFG桩体疲劳寿命预测

5.2 基于能量法与临界面结合的CFG桩体疲劳寿命预测

6. 结论

致谢

参考文献

附录 文中MATLAB主要程序