移動荷載作用下層狀橫觀各向同性地基和上部路基動力響應研究

鐵路基礎設施的建設推動經(jīng)濟增長，為人們的生活帶來便利；但隨著列車速度的提高以及鐵路網(wǎng)覆蓋范圍的擴大，列車運行引起的振動問題日益顯著，因此移動荷載作用下地基和上部路基結構耦合系統(tǒng)的動力響應研究備受關注。在實際工程中巖土體的物理力學性質通常呈現(xiàn)出橫觀各向同性（Transversely Isotropic，TI），而且不同地層的含水條件往往存在較大差異，已有研究大多將地基視為各向同性和單一類型的介質而忽視了地基的上述特性；巖土體的TI以及地層間含水條件的差異改變波的性質，從而影響振動的強度和傳播規(guī)律。本文提出了包含不同類型TI介質層的地基模型，以該地基模型為基礎，進一步建立梁、軌道-路基和振動處置構筑物等上部結構與層狀TI地基的耦合模型，基于解析和解析-數(shù)值耦合方法研究了移動荷載作用下耦合模型振動的傳播規(guī)律和處置措施，為列車運行引起環(huán)境振動的預測及治理提供理論指導。主要研究內容及結論如下：

（1）建立了由交替分布的TI單相介質及TI兩相介質層構成的層狀半空間地基模型，與既有模型相比，該模型可考慮地基的TI以及不同地層之間含水條件的差異；拓展了直角坐標系內TI單相介質動力方程求解的勢函數(shù)方法，將其推廣到TI兩相介質動力方程求解；針對異相介質交替分布的層狀地基模型，提出一種推廣的精確剛度矩陣法，得到了移動荷載作用下地基動力響應解析解，該方法解決了既有算法難以求解包含多種類型介質層狀模型的局限性。

（2）考慮實際工程中環(huán)境因素引起的軌道結構溫度應力，建立了梁-TI層狀地基耦合解析模型；使用傅里葉變換推導了包含軸力項的歐拉和鐵木辛柯梁微分方程解答，引入等效柔度的概念結合層狀地基動力響應解答，得到移動荷載作用下梁-地基耦合系統(tǒng)動力響應解析解；分析了溫度變化、地基橫觀各向同性、孔隙水、土體滲透率等因素對振動的影響規(guī)律；采用譜分析方法探明了結構-TI地基耦合模型臨界速度的產(chǎn)生機理。分析表明：溫度上升使梁中產(chǎn)生軸向壓力，降低撓度的臨界速度并提高其幅值，對結構產(chǎn)生不利影響；土體彈性和剪切模量的TI通過改變耦合系統(tǒng)頻散特征影響梁撓度的臨界速度以及幅值；在進行振動預測時，忽略地下水的存在將導致預測結果產(chǎn)生20%以上的誤差；土體水平向滲透率降至10 ^-11 m后對超孔壓的影響減弱，豎直向滲透率降至10-13m2后仍影響超孔壓分布。

（3）建立了一種軌道-TI層狀地基耦合振動的快速預測解析模型，使用傅里葉變換求解軌道系統(tǒng)動力微分方程組，結合道砟和地基接觸面的連續(xù)條件以及層狀地基的動力響應解答將有砟軌道與地基耦合，得到列車軸載以及簡諧荷載作用下系統(tǒng)動力響應解析解，采用譜分析方法探究了荷載特征以及軌道-地基特性兩者的耦合作用機理。分析表明：在TI兩相層內，由于層間界面波的反射疊加作用導致位移和超孔壓出現(xiàn)多階臨界速度；振動峰值頻率隨水平豎直彈性模量比值的增大而提高；振動峰值頻率等參數(shù)可通過荷載譜及軌道-地基響應譜的疊加準確預測。

（4）建立了三維精細化列車-軌道-雙線路基-TI層狀地基耦合模型；提出了一種用于模型動力響應求解的2.5維有限元-精確剛度矩陣耦合方法，該方法利用路基-地基沿荷載運動方向近似幾何不變的特性，采用2.5維有限元方法求解上部結構，采用推廣的精確剛度矩陣法求解地基2.5維動力格林函數(shù)，結合路基地基間位移應力連續(xù)條件實現(xiàn)兩者耦合；模型及方法可實現(xiàn)三維精細化車-軌-路基-層狀TI地基系統(tǒng)振動的快速準確預測。基于該模型，分析了雙向列車會車效應、軌道不平順等因素對振動的影響機理，分析表明：截止速度是決定地表振動特征的關鍵參數(shù)，地基TI影響截止速度；會車引起的地表動力響應放大系數(shù)分布特征取決于車速與截止速度的關系；軌道不平順對位移響應影響較弱，對路基頂部速度和加速度的影響逐漸增大；不平順對地表速度和加速度的影響與截止速度相關，當車速高于截止速度，不平順的影響減弱，速度響應由軸載主導；軸載對超孔壓的影響大于軌道不平順。

（5）提出了一種路基置換振動處置措施，建立相應的三維模型，基于2.5維有限元-精確剛度矩陣耦合方法，研究了混凝土底座下方置換以及路基邊坡置換兩種措施的效果。分析表明：硬質材料比軟質材料更適合用于路基置換；振動處置效果隨車速升高而提升；置換區(qū)域位于混凝土底座下方時對路基和地表振動均可發(fā)揮處置效果，位于邊坡時僅對地表振動發(fā)揮處置效果；兩種措施對地表振動的處置效果與地基橫觀各向同性相關，當水平和豎直彈性模量之比較低時振動處置效果更顯著；兩種措施對于80Hz以內振動均有較好的處置效果。

（編輯：江燾，舒忠磊）