分层及饱和分层地基列车运行引起的地面振动特性分析

摘要

随着铁路尤其是高速铁路运输的发展，引起的振动日益频繁，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。一方面，随着高速铁路的发展，振动对人们生活环境和工作环境的影响愈显突出；另一方面，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。铁路交通振动产生的环境影响与治理已成为亟需解决的重要课题之一。本文对铁路交通引起的地面振动的传播与衰减进行了研究，主要内容如下： (1)把轨道作为弹性地基上的梁，考虑轨枕的离散作用，得到轨枕与道床之间的动反力，根据薄层法原理，推导了柱坐标系下的二次形函数薄层法模拟分层地基，得到了半空间分层土体的稳态响应，建立了运行车辆．轨道．地基的振动模型，得到频域内地基的振动响应，对频域内解答进行傅立叶逆变换得到时域振动反应；对分层地基上列车运行引起的地面振动进行分析，详细讨论了列车轴重、运行速度、列车长度等因素对地表振动的影响规律。结果表明：当列车速度小于场地的瑞利波速时，列车运行速度的提高对振动幅值的影响不大，而列车速度一旦接近场地的瑞利波速，场地的振动会显著增大；列车的固定轴距作用率对振动的频谱曲线影响比较明显，在移动轴重作用率附近出现加速度峰值；距轨道中心线越近，列车引起的地面振动越大，随着距离的增加而有较大的衰减，超过一定距离衰减变缓；振动加速度峰值受轮轴荷载的影响较大，基本上呈线性增加趋势；而列车长度对振动加速度的影响较小。 (2)从饱和土的Biot波动方程出发，根据薄层法的原理，将圆柱坐标系下饱和土的Biot轴对称波动方程在竖向进行离散，沿切向坐标及轴向分别进行Fourier级数分解和Hankel变换，得到饱和层状介质中频域波数域中的位移表达式，对此位移表达式进行Hankel逆变换和Fourier综合，求得频域柱坐标系内的位移表达式；结合运行列车．轨道．地基振动模型，对饱和分层地基上列车运行引起的地面振动进行分析，详细讨论了渗透系数、孔隙率、流体粘滞系数、剪切波速等主要土层参数对振动的传播及衰减的影响规律。结果表明：地基的第一层土体参数(表层参数)对列车运行引起的地面振动有较大的影响，随着表层土厚度的增加，下覆土层土体参数对地表振动的影响越来越小；地面振动随距离并非单调衰减，在近场有一定的起伏，且振动加速度幅值衰减曲线比振动速度幅值衰减曲线起伏明显；饱和土体的渗透系数是影响地表振动的主要参数，对地面振动有较大的影响；随着渗透系数的增大，地面的振动幅值增大，但当渗透系数大于某个较大值或小于某个较小值时，再增加或减小渗透系数对地面振动幅值基本没有影响；孔隙流体动力粘滞系数对地面振动的影响规律与渗透系数对地面振动的影响规律相反；土体孔隙率对地面振动有较大影响，地面竖向振动幅值随孔隙率的增大而减小；土体剪切波速是影响地面振动的主要因素之一，随着剪切波速的增加，地面竖向振动加速度、速度的幅值都明显减小；土骨架密度对地面振动幅值的影响较小。 (3)结合我国第一条高速客运专线——秦沈铁路的振动测试，运用本文方法，首次对秦沈高速铁路列车运行产生的沿线地基的振动响应进行了分析与对比。结果表明本文方法可以较好的预测近振源的地面振动。 (4)针对现有理论方法无法预测远距离地面振动响应的不足，对《动规》的地面振动衰减公式的参数进行适当调整，可用于评价铁路产生的地面振动衰减。预测了距铁路轨道50m、100m、200m、400m、500m、1000m等不同测点处的地面振动，并与实测资料作了对比分析；首次预测并对比分析了列车运行引起的远距离(1000m外)地面振动传播与衰减。结果表明：调整后的《动规》公式可以预测铁路引起的远距离地面振动；由于地面振动加速度的衰减规律与地面频率的衰减呈平方关系，其随距离的衰减比地面位移和速度的衰减较快，且实测对比资料较少，所以目前公式仅推荐计算铁路的地面振动位移幅值和速度幅值。 本文研究受国家自然科学基金(No.50538010，No.50178056)资助。

目录

文摘

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第1章 绪论

1.1前言

1.2列车引起的地面振动研究现状

1.2.1轨道结构模型

1.2.2地基建模

1.3本文主要研究工作

第2章 分层地基列车运行引起的地面振动

2.1理论预测模型

2.2二次形函数薄层法基本解答

2.2.1柱坐标系弹性动力学基本方程

2.2.2加权余量法

2.2.3特征值问题的求解

2.2.4旁轴近似

2.2.5薄层法位移基本解答

2.2.6二次形函数薄层法的验证

2.2.7程序实现

2.3分层地基列车运行引起的地面振动特性

2.3.1道床刚度对振动的影响

2.3.2格林函数分析

2.3.3列车引起的地面振动特性

2.3.4列车参数对地面振动的影响

2.4本章小结

第3章 饱和分层土列车运行引起的地面振动

3.1三维饱和地基薄层法基本解答

3.1.1柱坐标系弹性动力学基本方程

3.1.2加权余量法

3.1.3特征值问题的求解

3.1.4边界条件

3.1.5程序实现

3.2饱和单层地基列车运行引起的地面振动

3.2.1饱和单层地基地表稳态响应特性讨论

3.2.2饱和单层地基列车运行引起的地面振动特性

3.3饱和分层地基列车运行引起的地面振动

3.3.1饱和分层地基地表竖向位移特性

3.3.2饱和分层地基列车运行引起的地面振动特性

3.4本章小结

第4章 秦沈客运专线列车运行引起的地面振动实测与分析

4.1秦沈铁路地面振动测试结果分析

4.1.1测试概况及列车特性

4.1.2测试数据分析

4.2秦沈铁路地面振动计算结果分析

4.3本章小结

第5章 列车运行引起的地面振动实用衰减公式讨论

5.1地面振动的传播与衰减

5.1.1国外研究现状

5.1.2国内研究现状

5.2列车运行引起的环境振动的实测及实用公式讨论

5.2.1列车运行引起的环境振动的实测分析

5.2.2轨道交通引起的地面振动振幅衰减公式

5.3本章小结

第6章 结论与建议

6.1结论

6.1.1分层地基列车运行引起的地面振动

6.1.2饱和分层地基列车运行引起的地表振动

6.1.3列车运行引起的地面振动衰减预测

6.2建议

附录A 分层地基薄层法刚度矩阵

附录B 饱和分层地基薄层法刚度矩阵

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与研究成果