高速列车引起的饱和土地基振动机理及隔振研究

摘要

随着我国大量的高速铁路干线建成并投入运营以及列车运行速度日益加快,高速列车引起的周边环境振动污染问题日益显著。利用基础理论研究成果,对高速列车引起的周边环境振动进行准确预测,对项目决策以及相关法规的制定都用重要意义。另外,开展隔振措施隔振效果方面的研究,将有利于有效、合理地解决高速列车引起的过大地基振动问题,为隔振屏障设计提供理论指导。
　　 在我国沿海地区,大量高速铁路建在饱和软土地基上。饱和软粘土具有含水量高,剪切波速低等特性,高速列车在饱和软土地基上容易引起过大地基振动。本文以Biot饱和土体波动理论为基础,采用饱和土体模型对高速列车引起的地基振动预测和控制展开了以下研究:
　　 1.采用Biot饱和土体波动理论以及Kirchhoff薄板力学模型,开展了移动荷载作用下上覆薄板三维饱和土地基的动力响应基本理论研究。深入分析了饱和土体渗透系数、荷载移动速度和薄板刚度等参数对薄板及饱和土地基动力响应的影响。
　　 2.提出了一种新的轨道系统-饱和土地基振动分析模型,研究了高速列车荷载作用下饱和土地基动力响应问题;并重点分析了轨道系统与饱和土地基间的接触边界条件对地基动力响应的影响。研究表明,在高频荷载作用时,轨道系统与地基的简化接触条件将明显低估地基振动响应水平;且在高速或高频荷载作用时,饱和土体与单相弹性介质动力特性有明显差异,单相介质模型计算结果明显偏小。
　　 3.针对列车运行过程中的加减速问题,提出了列车在加、减速情况下引起饱和土地基振动解析研究模型。通过合理设置列车速度随时问线性变化曲线来模拟列车加、减速情况,并采用Fourier变换结合Fresnel积分函数对控制方程进行求解。研究表明列车在加减速时对地基竖向位移响应影响不明显,但会引起纵向位移响应的明显增大;另外研究首次表明,列车在加、减速过程中可能引起饱和土地基中的超静孔压响应大大加剧。
　　 4.提出了车体-轨道系统-饱和土地基的耦合振动分析模型,通过在轮轨间引入Hertizian线性接触弹簧,确定了由轨道面不平顺引起的轮轨动力作用力大小及激振频率范围,并进一步分析了轮轨动力作用力对地基振动的影响;比较确定了列车轴荷载和轮轨动力作用力对地基动力响应的贡献大小。研究表明,轮轨动力作用力对列车引起的地基远场振动有重要贡献,实际工程中不容忽略。该研究对高速列车引起的周边环境振动的准确预测有重要指导意义。
　　 5.建立了饱和土地基上隔振沟解析分析模型,深入分析了不同速度下隔振沟对移动荷载引起的地基振动的隔振效果;着重比较了饱和土地基上隔振沟与单相弹性介质上隔振沟隔振效果的差异。研究表明饱和土地基上隔振沟的隔振效果优于单相弹性介质上隔振沟的隔振效果;随着饱和土体渗透系数的增加,隔振沟隔振效果降低;隔振沟设置在距离荷载越远处,隔振沟所取得的隔振效果越好。
　　 6.针对高速列车引起的地基振动问题,开展了隔振沟对列车引起的地基振动隔振效果研究。采用详细的轨道系统模型与饱和土地基上隔振沟模型相结合,分析了在不同列车运行速度下,隔振沟对高速列车引起的地基振动隔振效果,并分别研究了隔振沟对列车轴荷载和轮轨动力作用力引起的地基振动的隔振效果。研究表明,隔振沟对列车轴荷载引起的地基振动的隔振效果随列车运行速度的增加而变好;对轮轨动力作用力引起的地基振动,在各种列车运行速度下都能取得非常好的隔振效果;研究最后得出,应把列车轴荷载在超过临界速度时引起的地基振动应作为隔振沟屏障设计中需要考虑的主要因素。
　　 上述研究表明,饱和土体动力特性与单相弹性介质的动力特性有着重要区别。本研究基于Biot饱和土体波动理论,系统地提出了列车引起地基振动的预测和隔振理论分析模型和计算方法,对合理、有效地解决高速列车引起的周边环境振动问题具有重要理论意义和工程应用价值。