高速铁路论文：高速列车振动作用下水—土—管片耦合及砂土液化分析.doc

1、 高速铁路论文：高速列车振动作用下水土管片耦合及砂土液化分析【中文摘要】在过去几十年里,高速铁路在世界各国获得高速发展。然而随着列车速度的提高,高速列车诱发的环境振动问题变得尤为突出。一方面列车运行速度的提高势必造成列车振动荷载进一步加大,从而对隧道结构的动力稳定性提出了更高的要求。另一方面,列车运行时,列车荷载通过轨道-隧道结构传至周围土壤中,当隧道围岩为饱和砂土时,高速列车振动有可能使饱和砂土发生液化,导致隧道结构的破坏,同时也危及列车的运行安全。因此,列车振动作用下盾构隧道动力响应的研究对隧道安全运营具有重要意义。本文结合广深港高速铁路狮子洋隧道列车振动研究项目,对盾构隧道列车振动动力响

2、应进行数值模拟分析,主要包括以下研究工作：(1)在前人研究的基础上,根据列车-轨道系统模型,采用弹性地基梁板模型,分析了高速列车快速通过无砟轨道时钢轨支点压力的时程曲线,为三维隧道列车振动动力响应分析提供外部激励荷载。根据砂土液化机理以及特征,确定了计算分析过程中判定砂土液化的一般准则。(2)采用数值模拟的方法对是否考虑地下水影响进行列车振动动力响应研究,得出含地下水的列车振动问题必须考虑流固耦合,然后针对同时进入隧道的车辆数不同、围岩参数不同、隧道埋深不同,对盾构隧道列车振动动力响应进行系统研究,分析总结相应参数变化对盾构隧道列车振动动力响应的影响规律。(3)以广深港高速铁路狮子洋盾构隧道洞

3、口为原型,建立精细的三维分析模型,从单列列车经过隧道和双列列车会交经过隧道这两种典型工况,分析了高速列车振动作用下管片沉降,水-土耦合作用及砂土液化的可能性【英文摘要】In the passed several decades, high speed railway developed at an unprecedented rate all around the world. However, as the train-speed developes, problems caused by vibration of the train begin to show themselves. On

4、 one hand, obviously, the improvement of the train-speed leads to increment of vibrating load and so dynamic stability should be improved. On the other hand, vibrating load acts on the track-tunnel system, altimatly on the surounding stratum. When the tunnel is surounded by saturated sand, liquefact

5、ion may occur due to cyclic load, which will lead to failure of structure and pose danger to passing trains. Therefor, reserch of dynamic response of shiled tunnel under vibration load of high speed railway is quite significant. Based on the project of Shiziyang shield tunnel of Guangshengang high s

6、peed railway, main research work includes as follows.(1) Based on research before, the external excitation loads of moving trains onto the track plate are obtained by train-track system model and beam-plate model on the elastic foundation of ballastless track. Acconding to the mechanism and characte

7、ristics of saturated sand liquefaction, the saturated sand is liquefied by the rule of cyclic mobility.(2) Contrast analyse of Dynamic response has been undertaken for taking water into acount or not. It shows that fluid-particle coupling effect should be considered in the case of saturated stratum.

8、 The effects of many factors on dynamic response of shield tunnel, such as the number of trains, parameters of surrounding rock, depth of burial, are numerical modeling, and rules of variation in corresponding parameters are analyzed.(3) A fine model has been established under the condition of porta

9、l of Shizivana shield tunnel. The cases under action of two cross trains and under action of one single train are caculated respectively. The settlement of lining, the fluid-particel coupled consolidation, and the possibility of sand liquefaction have been studied respectively.【关键词】高速铁路 砂土液化 盾构隧道 流固

10、耦合【英文关键词】high speed railway sand liquefaction shield tunnel fluid-particle coupled consolidation【目录】高速列车振动作用下水土管片耦合及砂土液化分析 摘要 6-8 Abstract 8-9 第 1 章 绪论 13-20 1.1 引言 13-14 1.2 国内外研究现状 14-17 1.2.1 列车振动机理及振动荷载 14-15 1.2.2 列车振动传播规律 15-16 1.2.3 列车振动的隔振减振措施 16 1.2.4 列车荷载作用下土壤沉陷和砂土液化研究 16-17 1.3 工程概况 17-18

11、 1.4 现有研究存在的问题 18-19 1.5 本文的主要研究内容 19-20 第 2 章 动力计算基础 20-32 2.1 高速列车荷载确定 20-23 2.1.1 板式无砟轨道概述 20-21 2.1.2 无砟轨道弹性地基梁板模型 21-22 2.1.3 钢轨支点压力 22-23 2.2 饱和土体动力固结方程 23-25 2.3 边界条件及材料阻尼模型 25-28 2.3.1 边界条件及处理 25-27 2.3.2 材料阻尼 27-28 2.4 动孔压模型 28-30 2.4.1 Matin-Fin-Seed 孔压模型 28-29 2.4.2 Byrne模型 29-30 2.5 土体液化

12、的机理及判别准则 30-31 2.6 本章小结 31-32 第 3 章 盾构隧道列车振动动力响应影响因素研究 32-46 3.1 地下水影响 32-35 3.1.1 本构模型 32-33 3.1.2 地层位移分析 33-34 3.1.3 管片位移分析 34-35 3.2 同时进入隧道的车辆数 35-40 3.2.1 地层位移分析 35-37 3.2.2 管片位移分析 37-38 3.2.3 饱和砂土液化分析 38-40 3.3 围岩参数的影响 40-42 3.3.1 地层位移分析 40-41 3.3.2 管片位移分析 41-42 3.4 埋深对振动孔压响应的影响 42-44 3.5 本章小结

13、44-46 第 4 章 盾构隧道进口单向列车振动响应分析 46-66 4.1 模型构建 46-48 4.1.1 本构模型 46-47 4.1.2 计算范围 47-48 4.2 动力响应时程分析 48-54 4.2.1 管片环位移时程分析 49-51 4.2.2 地层位移响应时程分析 51-54 4.3 地层及管片位移分布规律分析 54-59 4.3.1 地层位移分布规律 54-56 4.3.2管片环位移分布规律 56-59 4.4 地层应力及孔隙压分析 59-65 4.4.1 地层应力响应规律分析 59-60 4.4.2 地层孔隙水压积聚及弥散规律 60-63 4.4.3 地层超孔压比变化规律

14、分析 63-65 4.5 本章小结 65-66 第 5 章 盾构隧道进口双向会车动力响应分析 66-83 5.1 模型构建 66 5.2 动力响应时程分析 66-71 5.2.1 管片环位移时程分析 67-68 5.2.2 地层位移响应规律分析 68-71 5.3 地层及管片位移分布规律分析 71-76 5.3.1 地层位移分布规律 71-74 5.3.2 管片环位移分布规律 74-76 5.4地层应力及孔隙压分析 76-82 5.4.1 地层应力响应规律分析 76-77 5.4.2 地层孔隙水压积聚及弥散规律 77-80 5.4.3 地层超孔压比变化规律分析 80-82 5.5 本章小结 82-83 结论 83-86 主要结论 83-85 不足及建议 85-86 致谢 86-87 参考文献 87-92 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果 92