（地质工程专业论文）地铁振动对隧道周围软粘土微结构影响及动力特性研究.pdf

摘要 摘要 近年来，各大城市为了疏散人流、解决交通拥挤而大力兴建地铁工程，由 此而引发的工程环境问题也越发明显，特别是软土地区投入运营的地铁隧道轴 线变形和地面沉降等环境地质问题已经引起政府部门和工程技术人员的高度关 注。上海地铁隧道及其周围环境的监测情况表明，上海投入运营的几条地铁隧 道全线发生轴线变形和地面沉降，在地铁一号线某区段隧道轴线沉降量已超过 2 5 c m ，造成地铁隧道管片破裂、渗水、漏泥等现象，严重影响了地铁的难常运 营。由于地铁隧道轴线变形诱发的地面沉降，还引起地铁线路周围一些房屋的 地基变形、上部结构丌裂等环境地质问题。本文以此为出发点，针对当前在地 铁行车振动荷载的作用下，隧道周田软粕土层中轴线变形与地面沉降的问题， 丌展了地铁行车振动荷载对隧道周围软粘土的微结构影响及动力特性研究。通 过在地铁隧道现场钻孔测试、室内多功能循环三轴试验系统( g d s ) 、电子扫描 电镜( s e m ) 和压汞试验等定性、定量的研究方法，对饱和软粘土的动力特性及 在振动前后其微观结构的变化进行了定性与定量的研究，将微观结构变化与宏 观变形进行了祸台分析。并在现有的瞬态动力有限元分析方法的肚础一 ：利其进 行进一步改进，建立了模拟地铁列车经过时隧道周闱土体的动力响应计算机三 绺有限元模型。最终得出一些有价值的结论和成果： 1 地铁列车驶过时引起的隧道周围上体的响应频率有两个，高频“：2 4 2 6 h z ，低频f 。：0 4 o 6h z 。 2 循环三轴试验表明，地铁行车荷载下隧道周围孑l 隙水压力增k 趋势可分 为三个明显的阶段。并由此得出上海地区饱和软粘土在地铁行车荷载作用下的 孔隙水压力增长模型。 3 在循环三轴试验中，轴向应变在加载丌始后并没有立即增加，而是发生 明显的回弹现象，其性状与砂土的剪胀性十分相似，并且隧道侧壁深度处的变 形相对较小，而隧道底部的轴向应变曲线的回弹阶段非常短暂，而后立即进入 塑性变形阶段，并产生较大的轴向变形。 4 计算机数值模拟结果与现场监测资料较好吻合，保证了计算结果的可靠 性。 5 上海地区第层淤泥质软粘土主要存在絮凝结构、蜂窝一絮凝结构，结 摘要 构单元多为薄片状，容易形成淤泥质土高孑l 隙比的架空结构。 6 在振动过程中，土结构单元有压密趋势，但会形成更多的架空结构。在 循环应力比较高的情况下，随着振次的持续增加，原先有压密趋势的各结构单 元中尚未牢固的单元将会出现滑移、错动现象。 7 上海地区原状饱和软粘土的孔隙以大孔为主，且在进汞过程中存在“瓶 颈”效应( i n k b o t t l ee f f e c t ) 。 8 利用分形理论对饱和软粘土孑l 隙分白进行研究，根掘分形维数d ，与循环 应力比c s r 的关系曲线对其变化规律进行了合理的阐释。 9 可以预见，在地铁运营相当长的一段时问内，隧道周围和轨道底部地层 都会存在结构单元之| 日j 的压密过程，而由于隧道底部承受来自地铁的荷载较大， 单元之问的错动将会是变形的主要因素，因此，在相当长的时l 日j 内，隧道周围 软粘土的变形仍将继续。 1 0 微观试验的结果表明，采用堆砌体模型解释超低应力条件下饱和软粘 土的变形机制并不恰当。 1 1 关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：地饮撤动衍载，软猫t 2 ，功，j 铀忆，数恤梭拟，动力响应，微观绐 ，j a b s t t a c t a b s t r a c t f o rr e c e n ty e a r sb i gc i t i e s ，i no r d e rt os o l v et h et m f f l cc r o w dp r o b l e m ，r r ef a i r l y e n t h u s i a s t i ca b o u ts u b w a y t u n n e l - b u i l d i n g ，w h i c ha r o u s e sm a n ye n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s ，e s p e c i a l l yt h es u b s i d e n c ea n dd e f o r m a t i o no fs o f tc l a yl a y e ra r o u n dt h e t u n n e l so ft h er u n n i n gs u b w a y s t h e s ee n v i r o n m e n t a la n dg e o l o g i c a lp r o b l e m sh a v e r a i s e dt h ea t t e n t i o no ft h eg o v e r n m e n ta n dt e c h n i c i a n s t h em o n i t o r i n go fs u b w a y t u n n e l sa n dt h ee n v i r o n m e n ta r o u n ds h o w st h a tt h e r ei ss u b s i d e n c ea n dd e f o r m a t i o n o fs o f tc l a yl a y e ri ns h a n 曲a i t h es u b s i d e n c ea to n es e c t i o no fl i n eo n eh a s e x c e e d e d2 5 c m ，w h i c hr e s u l t si nt h ec r a c k so nt h es h e l l so ft u n n e l s ，p e n e t r a t i o no f w a t e ra n dl e a k a g eo f m u d a n dt h a tp o s e sag r e a tt h r e a tt ot h en o r m a lr u n n i n go ft h e s u b w a y t h es u b s i d e n c e ，d u et ot h ed e f o r m a t i o no ft u n n e l ，h a sa l s ob r o u g h to u tt h e g r o u n d w o r kd e f o r m a t i o na n du p s i d e s t r u c t u r es p l i to ft h eb u i l d i n g sn e a r b y o nt h e b a s i so ft h a t ，t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sm i c r o s t r u c t u r e so fs o f tc l a ya r o u n dt h e + s u b w a yt u n n e l sa n di t sd y n a m i cr e s p o n s e su n d e rv i b r a t i n gp r e s s u r eo fs u b w a yt r a i n ， f o c u s i n go nt h ep r o b l e m so f s u b s i d e n c ea n dd e f o r m a t i o no f s o f tc l a yl a y e ra r o u n dt h e t u n n e l s o nt h eb a s i so ft h a t ，t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sm i c r o s t r u c t u r e so fs o f tc l a y a r o u n dt h es u b w a yt u n n e l sa n di t sd y n a m i cr e s p o n s e su n d e rv i b r a t i n gp r e s s u r eo f s u b w a yt r a i n ，f o c u s i n go nt h ep r o b l e m so fs u b s i d e n c ea n dd e f o r m a t i o no fs o f tc l a y l a y e ra r o u n dt h et u n n e l s b a s e do nt h er e s u l t so fi n s i t ud r i l lm o n i t o r i n g ，l a b o r a t o r y g d s ( g l o b a ld i g i t a ls y s t e m ) t e s t ，s e m ( s c a n n i n ge l e c t r i cm i c r o s c o p e ) t e s ta n dm i p ( m e r c u r yi n t r u s i o np o r o s i m e t r y ) t e s t ，t h ed y n a m i cr e s p o n s e so fs a t u r a t e ds o f tc l a y a n di t sm i c r o s t r u c t u r ev a r i e t i e sa r eq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d , a n dt h e d e f o r m a t i o no fm i c r oa n dm a c r os t r u c t u r ei st h e nc o u p l i n ga n a l y z e d t h r e e d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs o i l sd y n a m i cr e s p o n s ei nt h ec o u r s eo fs u b w a yt r a i np a s s i n g i sb u i l to nt h eb a s eo f e x i s t i n gt r a n s i t i o n a ld y n a m i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d n l er e s u l t s a r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h e r ea r et w or e s p o n s ef r e q u e n c i e so ft h es a t u r a t e ds o f tc l a ya r o u n dt h e t u n n e lw h e ns u b w a yr o l l sb y t h eh i g h e ri sb e t w e e n2 4h za n d2 6h z , a n dt h el o w e r | l a b s t r a c t i sb e t w e e n0 4h za n d0 6h z 2 f r o mt h el a b o r a t o r ya n a l y s i s ，t h ei n c r e a s eo fp o r ep r e s s u r ec a nb ed i v i d e d i n t ot h r e ed i s t i n c ts t a g e s , a n do n ep o r ep r e s s u r em o d e li sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c hi sa i m i n ga td e m o n s t r a t i n gt h ei n c r e a s i n gm l e s o fs a t u r a t e ds o f tc l a yu n d e rt h e s u b w a y i n c l u d e dl o a d i n gi ns h a n g h a ia r e a 3 t h ea x i a ls t r a i nd o e sn o ti n c r e a s ei m m e d i a t e l ya f t e rl o a d i n gb u td e c r e a s e s a p p a r e n t l y ，w h i c hi sv e r ys i m i l a rt ot h es h e a r i n ge x p a n s i o no fs a n d m o r e o v e r ，t h e s i d ed e f o r m a t i o no ft h et u n n e li sr e l a t i v e l ys m a l l n l er e b o u n ds t a g eo fa x i a ls t r a i n u n d e rt h et u n n e li sv e r ys h o r t ，a n dt h e np l a s t i cd e f o r m a t i o no c c u r si m m e d i a t e l y c o n s e q u e n t l y , t h ea x i a ld e f o r m a t i o ni sm u c hl a r g e r 4 t h eh u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t hm o n i t o rd a t u m ，w h i c h g u a r a n t e e st h er e l i a b i l i t yo f t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t s 5 f l o c c u l a t i o na n dh o n e y c o m b f l o c c u l a t i o na r et h em a i n l ys t r u c t u r e si nt h e4 t h s o i ll a y e ri ns h a n g h a ia r e a ，a n dm o s to ft h es t r u c t u r ee l e m e n t sa r el a m i n a r , w h i c h e a s i l yg i v e sb i r t ht ot h eo v e r h e a ds t r u c t u r ew i t hh i g hp o r o s i t y 6 t h e r ei sat r e n do fc o m p r e s s i o nd u r i n gt h ev i b r a t i o n b u ti tm a yb r i n gm o r e o v e r h e a ds t r u c t u r ee a s i e r u n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g h e rc s r t h ef o r m e rs t r u c t u r e e l e m e n tw i t hc o m p r e s s i o nt r e n dw i l ls l i pa n df a u l tb e t w e e nt h el e s s f i r me l e m e n t s w i t ht h ei n c r e a s eo f v i b r a t i o n 7 t h er a t i oo fb i g g e rp o r eo fi n s i t us a t u r a t e ds o f tc l a yi ns h a n g h a ia r e ai s m u c hh i g h e r , a n dt h ei n k b o t t l ee f f e c te x i s t si nt h ei n t r u s i o ns t a g ei nt h em i pt e s t 8 t h ep o r ed i s t r i b u t i o no ft h es a t u r a t e ds o f tc l a yi ss t u d i e dw i t hf r a c t a lt h e o r y a c c o r d i n gt ot h ec u r v eo far e l a t i o nb e t w e e nf r a c t a ld i m e n s i o n sd ta n dc s l lt h e r e g u l a r i t yi sr e a s o n a b l ye x p l a i n e d 9 i tc a l lb ec o n c l u d e dt h a tt h ec o m p r e s s i o no fc o n t a c t e de l e m e n t si nt h es o i l a r o u n da n du n d e rt h et u n n e lw i l le x i s tf o rar e l a t i v el o n gt i m e t h es l i pb e t w e e n d i f f e r e n tc e l l si st h em a i nf a c t o ro ft u n n e ld e f o r m a t i o n b e c a u s et h 6b o t t o mo ft h e t u n n e li sl o a d e dw i t hl a r g es u b w a yp r e s s u r e a c c o r d i n g l y , t h ed e f o r m a t i o no fs o f tc l a y a r o u n ds u b w a yt u n n e l sw i l lc o n t i n u e 1 0 t h em i c r o - t e s t i n gr e s u l t si m p l yt h a tt h em a s o n r ym o d e li sn o ts u i t a b l ef o r t h es a t u r a t e ds o f tc l a yi nt h es u p e r - l o ws t r e s sc o n d i t i o n a b s t r a c t 11 i nt h ee n d ，t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：s u b w a y i n c l u d e dv i b r a t i n gl o a d ，s o rc l a y , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , d y n a m i cr e s p o n s e ，m i c r o s t r u c t u r e v 申请同济大学工学博士学位论文 地铁振动对隧道周围软粘土微结 构影响及动力特性研究 ( 国家自然科学基金项目编号：4 0 3 7 2 1 2 4 ) 培养单位：土木工程学院 一级学科：地质资源与地质工程 二级学科：地质工程 研究生：张曦 指导教师：唐益群教授博导 副指导教师：周念清副教授 二o o 七年三月 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：名? ) f p 训7 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 7 ( 、 龆孔声八 侧7 年弓月6 曰 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 近年来，地铁已经成为大城市交通的重要组成部分。随着我国城市化进程 的不断加快，大城市交通紧张状况日趋明显，给广大城市人群的出行带来了极 大不便。而发展以地铁为骨干的大运量快速公共交通系统是解决城市客运交通 拥挤的最根本途径。目前，我国有很多大城市，如上海、南京、深圳等，都在 大力兴建地铁，还有十几座城市在向国务院申请建造地铁。因此，地铁的修建 将有一个广阔的发展前景。 饱和软粘土地区城市( 如上海、杭卅f 、广州、天津等) 人口众多、房屋密 集、街道狭窄、车辆拥挤，建设立体交通网络是解决交通拥挤状况的重要途径， 而地铁建设就是其中的一个重要组成部分。地铁作为一种新型交通工具，以其 快速、安全、舒适、低能耗和小污染等优点为城市居民所青睐，对于提高城市 土地利用率，缓解日益拥挤的城市交通，改善人民居住的环境，实现人车立体 分流及保持城市历史文化景观等方面均具有显著的作用，其优越性已被世界各 国所公认。 随着人们生活水平的提高和对生活质量要求的提高，地铁运营时，列车产 生的振动和噪声对环境的影响越来越受到人们的关注。随着城市建设的迅猛发 展，上海市的轨道交通正曰益形成一个立体空间交通体系，并且绝大多数分布 于城市中密集的居民点和商业中心。软土地基在遭受连续不断的行车荷载时， 即便是经过长期固结过程的软土地基也会产生不同程度的沉降。如日本某铁路 在开通运行5 年后的最大沉降近l m ，同时伴有冒泥现象。另外，根据上海市交 通规划，在“十五”期间要建设2 0 0 千米的地铁，远期规划将投资2 0 0 0 亿元用 于地铁建设，使总里程达到7 8 0 千米。根据已经营运的l 、2 号地铁线和正在建 设的地铁，其设计深度大多位于或穿越饱和软粘土层。上海地铁隧道及其周围 环境的监测情况表明，上海地铁在某区段轴线沉降量已超过2 5 c m ，严重影响了 地铁的正常运营，并且还引起地铁线路周围一些老房屋的开裂。这些很大程度 上与软粘土在地铁行车振动荷载作用下发生微观结构破坏有关，其发生和发展 第1 章绪论 表现为个从量变到质变的渐进的过程。 软土是指天然孔隙比大于1 0 ，且天然含水量大于液限的细粒土，主要包括 淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。本文研究对象淤泥土为滨海相沉积的淤 泥和淤泥质土( 上海第层土) 。 由于软粘土具有孔隙比大、天然含水量高、渗透性弱、压缩性高、抗剪强 度低等特点，其工程性状表现出自身特有的规律，影响其强度和变形的因素也 很复杂。因此，系统深入地开展对软粘土动力特性、微观变形和破坏机理的研 究，不仅对有效控制地铁轴线变形、避免或减轻地面沉降灾害的发生，指导地 铁工程的设计、施工以及地铁沉降的预测评价和防治等，对于分析行车荷载和 不同振动频率作用下软粘土的物理力学响应、应力应变特性、微结构的破坏特 征及其过程等也均具有重要的理论价值和实际意义，并为最终建立城市环境地 质灾害预警防治体系提供定的参考。 基于上述原因，本文将结合国家自然科学基金项目“地铁振动对隧道周围 软粘土微结构影响及动力特性研究( n o 4 0 3 7 2 1 2 4 ) ”，以上海地区淤泥质软粘土 为研究对象，通过现场监测、孔隙水压力观测，分析上海地区淤泥质软粘土在 地铁行车荷载下的动力响应规律，作为室内试验的试验参数；室内试验采用国 际上先进的多功能动态循环三轴试验系统g d s ( g l o b a ld i g i t a ls y s t e m s ，以下简 称“g d s ”) ，总结上海软粘土在地铁行车荷载下的孔隙水压力增长规律及固结 变形特性；然后，利用有限元方法对地铁隧道进行模拟分析，再现地铁列车振动 荷载对土体的影响；最后，采用先进的测试手段，对淤泥质软粘土在遭受地铁 行车荷载过程中微观结构的变化特征进行定量研究，进一步揭示其破坏机制。 系统、深入地开展对软粘土动力特性、微观变形和破坏机理的研究，不仅对有 效控制地铁轴线变形、避免或减轻地面沉降灾害的发生，指导地铁工程的设计、 施工以及地铁沉降的预测评价和防治等具有重要意义，而且对研究行车荷载和 不同振动频率作用下软粘土的物理力学响应、应力应变特性、微结构的破坏特 征及其过程等也均具有重要的理论价值和实际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 ，1 列车振动荷载引起的动力响应研究现状 2 第1 章绪论 由于列车载荷引起的振动，一般都低于导致建筑物结构破坏的振级，但能 引起周围物体的颤动，使人感觉不适，故列车振动引起地下结构体系的动力响 应研究主要集中在两个方面：一是列车振动对环境的影响，二是列车振动引起 隧道结构的动力响应。 关于列车振动引起周围环境的振动，早期的研究主要是通过现场振动测量， 进行数学处理后给出经验的计算公式。在国外，二十世纪七十年代，l a n g ( 1 9 7 1 ) 和k u r z w e i l ( 1 9 7 9 ) 给出了振级与距离有关的简单预测公式；随后，u n g a r ( 1 9 7 5 ) 及k u r z w e i l 等( 1 9 8 2 ) 又通过给定不同列车、轨道、隧道及建筑物类型的修正 参数，来预测不同的地点由于地铁列车运营而引起的环境振动影响。在国内， 王星星( 1 9 9 3 ) 对北京、天津两地的运营地铁进行环境测试调查，并对地铁振 动所产生的沿线环境进行了研究。辜小安等( 1 9 9 6 ) 通过对地铁振动传播途径 及影响参数的分析，经现场测试结果验证总结出地铁振动简单定量预测公式。 崔正翔等( 1 9 9 6 ) 也根据经验公式对南京地铁隧道振动对地面环境的影响进行 了预测。 到了上世纪8 0 年代以后，各国学者进一步深入研究地铁振动，通过数值模 拟、实验室实验及现场测量相结合的方法，来预测由于列车振动载荷引起地下 结构体系的动力响应。在德国，r u c k e r ( 1 9 8 0 ) 用二维有限元法，专门讨论不 同隧道深度，在地铁运营时所产生的振动辐射变化；e i s e n m a n n 等( 1 9 8 3 ) 用实 验室及现场量测结果，给出不同类型轨道安装系统所对应的建筑物距隧道最小 距离。美国n e l s o n 等( 1 9 8 3 ) 在美国麻省城市运输局的赞助下，开始系统总结 北美地铁系统各种影响环境因素带来的变化，并给出了定性和定量两种预测方 法。 在国内，潘昌实、谢正光( 1 9 9 0 ) 通过对北京地铁区间隧道若干特征点进 行现场测试，获得特征点的动态反应，并对其进行频谱分析，进而根据轨道加 速度测试数据和分析车辆体系的振动，得到了列车荷载的模拟数定表达式。并 且通过数据模拟来分析隧道及周围土体体系的动力性态。张玉娥，潘昌实( 1 9 9 3 ) 在现场测试的基础上，导出了列车荷载的数定表达式，采用了塑性本构关系和 摩尔一库仑屈服准则，应用有限元软件，有限元和无限元祸合模型在时域内对 北京地铁进行了振动分析。李德武( 1 9 9 7 ) 根据隧道的现场列车振动测试结果， 模拟了列车竖向振动荷载，用有限元法分析了在列车振动荷载作用下隧道衬砌 的响应，并评价了隧道衬砌在列车荷载作用下的安全与稳定性。陈实、徐国彬 3 第1 章绪论 等( 1 9 9 8 ) 在魏菩庄一安定道口处进行测量试验，沿钢轨布置测点，测得了1 8 趟列车振动时产生的1 0 8 条加速度波形，并进行了数据处理和分析，给出加速 度均值随距离衰减的相关函数，并选某一断面进行了静力、白振频率以及动力 响应的计算，得出了动力响应与结构跨度之间的关系。高峰( 1 9 9 8 ) 采用与李 德武相同的方法进行了北京一通辽线扎栏营子隧道进行了现场测试并用有限元 软件分析了隧道及周围介质的动力性态。王逢朝、夏禾等( 1 9 9 9 ) 通过一种简 化方法，建立了列车一轨道和路基一土层一建筑物的二维动力相互作用分析模 型，计算了列车引起的振动在土层中的传播特性及对邻近建筑的影响。张楠、 夏禾( 2 0 0 1 ) 通过对北京地铁八王坟车辆段平台及平台上建筑物的有限元计算 和分析，求得建筑物上各点在地铁列车振动荷载下的位移反应时程，并得出了 在不同列车运行速度、不同建筑物结构参数、同一建筑物不同楼层之间以及距 地铁轴线不同距离的建筑物之间地铁荷载产生的振动振级的变化关系。张璞 ( 2 0 0 1 ) 通过上海地铁某区间隧道进行现场测试并给出其数定表达式，对上海 市轨道交通明珠线二期工程南浦大桥站至浦东南路站地铁区间近距离交叠隧道 进行了列车振动作用下的有限元动力响应分析，对隧道结构的受力性状进行了 评价。宫全美、廖彩风等( 2 0 0 1 ) 通过单辆列车荷载、考虑列车间隔时间的长 期荷载作用，进行了地基土的动孔隙水压力室内实验，确定了南京地铁一号线 地基土的临界动应力比和临界动应变。将两种荷载作用下的动孔压模型分为破 坏型和强化型。最后通过地基中动应力计算和分析，认为在地铁列车荷载作用 下，南京地基土的动孔隙水压力模型为强化型，并建立了动孔压计算模型。谢 伟平等( 2 0 0 2 ) 以高速列车运行时的轨道一地基系统为对象，将轨道一地基系 统简化为半无限地基及成层地基上的w i n k l e 梁模型，对高速移动荷载作用下梁 一地基系统的协同工作进行了分析，得到了轨道与地表面的动力响应。王常晶 等( 2 0 0 3 ) 研究了饱和软粘土在地铁列车长期振动荷载作用下将会产生较大的 附加沉降变形。谢伟平等( 2 0 0 4 ) 讨论了移动荷载作用下地基土的变形问题， 推导了不同荷载形式下地基土的变形计算公式，并以矩形荷载为例，比较了轨 道、荷载自振频率、荷载移动速度、地基土模型等不同因素对地基土变形的影 响。王常晶等( 2 0 0 5 ) 分析了应力的特性及分布规律，发现列车经过时在地基 中产生的动应力是一种以压应力为主的循环荷载。动应力的空间分布与地基表 面作用静力荷载( 如条形荷载) 产生的应力分布相似，但随列车运动而呈动态变 化。另外还研究了半空间地基的土性和列车速度对应力的影响，发现剪切模量 4 第1 章绪论 对应力的影响与车速有关，列车速度对应力分布的影响很大，而泊松比仅对水 平应力影响较大。 1 2 2 列车振动荷载研究的发展和现状 列车振动下土的两种临界状态是稳定状态( s s ) 和循环极限状态( c l s ) 。 稳定状态( s s ) 是土壤在体积和有效应力不变情况下连续变形的破坏状态；循 环极限状态( c l s ) 是由循环荷载引起破坏时的一个参考状态，并构成了循环次 数很大时无破坏情形的上限。试验资料表明，在状态空间中，循环极限状态的 轨迹也是一条与应力历史无关的曲线。 周期荷载作用下软粘土的变形可以分为两类。其一为短期加载过程中地基 土的瞬时变形，如地震荷载的作用，此时粘土层可视为不排水状态。其二为长 期循环荷载作用下的变形问题，如近海石油平台在波浪荷载作用下的变形，又 如公路软基在交通荷载作用下的变形，此时粘土层可视为是部分排水的。早期 的工作一般很少考虑排水影响，如s e e d ，y a m a n o u c h i ( 1 9 6 6 ) 等的工作。然而， 排水作用对土体变形的影响逐渐受到重视。f u j i w a r a ( 1 9 7 4 ) 主要考察了总荷载、 荷载周期、荷载增量比、加荷方式、胶结程度和循环次数对变形的影响。一般 情况为循环荷载作用下的固结变形量大于静荷载作用下的固结变形量，这是由 循环荷载作用过程中次固结变形引起的，而次固结变形与重复荷载的大小、荷 载增量比、荷载周期、有机质含量成正比。阎澎旺( 1 9 9 1 ) 试图把复杂的动荷 载作用变形计算问题转化为静的变形计算问题。而杨起敬( 1 9 9 2 ) 在室内试验 基础上建议了多级不排水反复应力作用下( 级间允许完全排水固结) 的残余变 形计算模式，强调了预剪的重要性。 潘昌实( 1 9 8 4 ) 及梁波( 1 9 9 9 ) 采用简单而又能够反映列车振动荷载特点 的，类似激振荷载形式的函数来表达列车荷载，即： ，( f ) = a o + a ls i n n r i t + a 2s i l l 刃2 t + a ，s i n a r 3 t ( 1 1 ) 式中：f ( ，) 为列车振动荷载；4 为车辆静载：a j 、a ：、a ，分别为对应某一 频率的振动荷载幅值。当列车行使速度v 已知，量测钢轨基本振动波长厶及相 应的振幅口，即可求吼：2 z 善，相互振动荷载幅值爿，= 肼q 矿 上。 5 第1 章绪论 甘惠琳( 1 9 9 0 ) 根据长沙铁道学院提供的我国铁路一条干线的不平顺谱密 度函数，通过模拟该特定谱密度函数的随机过程得到不平顺函数，从而进行桥 梁竖向振动的随机过程模拟分析。李军世( 1 9 9 5 ) 等假设列车无限长，将列车 每组轮在视为周期性移动荷载同f r o u r i e r 级数形式来表示，并将列车竖向振动 引起的附加动载转化为一个包括振动幅值与频率的指数函数，利用波动的可叠 加型，将列车侧行的全部轮载都加以考虑，此方法是用于波传导单元。刘伟宁、 夏禾( 1 9 9 6 ) 采用列车模型、轨道模型激轮轨间的耦合关系组成的列车一轨道系 统动力分析模型。其中，列车模型为多节轻轨列车动车组，每节列车为车体、 转向架、轮对，二系弹簧与阻尼减振器组成的多自由度振动系统：轨道模型为 三层质量一弹簧一阻尼器系统支持的长梁按有限元处理，模拟钢轨；三层质量一弹 簧一阻尼器系统分别模拟轨下垫层、轨枕及道床。利用列车一轨道系统动力分析 模型，并采用确定有效的数值仿真方法，在计算机上进行模拟分析。罗雁云 ( 1 9 9 7 ) 等根据随机振动基本理论，引入轨道不平顺谱，建立起轮轨相互作用 模型。通过假设轮轨间为线性接触刚度，建立轮轨间运动方程，采用f o u r i e r 变换得出簧下质量振动引起的动荷载均方差；以半车体为研究对象，建立车体 振动运动方程，应用线性叠加方法，并采用f o u r i e r 变换，从而得出簧上质量 振动引起的动荷载均方差。高峰( 2 0 0 3 ) 根据车辆一轮轨模型，确定列车振动 荷载。通过对地铁结构体系进行模态分析，得到体系的振型和频率，以确定合 理的阻尼系数和时间积分步长。运用n e w m a r k 隐式时间积分法，分别研究在上 行动载，下行动载和上下交会动载3 种情况下，区间近距离重叠隧道的动力响 应，确定在列车振动荷载作用下衬砌结构的薄弱部位及其相应的位移和应力。 最重要也是最直观的确定列车振动荷载的方法是现场振动测试。1 9 7 7 年德 国柏林与1 9 8 2 年英国伦敦地铁都进行过振动测试研究。在国内，由于对地铁列 车振动所产生的环境影响问题日益重视，1 9 8 8 年，潘昌实、谢正光曾在北京地 铁崇文门一前门区间隧道内进行过列车振动测试与相应的动态有限元分析研 究。潘昌实、谢正光等( 1 9 9 0 ) 在北京地铁隧道内进行了列车振动测试与相应 的数值模拟分析。张玉娥等( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 是在现场测试的基础上，利用频谱 分析方法，得出由于地铁列车振动而引起的轨道振动加速度的数定表达式，根 据车辆系统振动简化模型，建立了模拟轮系的运动方程，从而推导出地铁列车 振动荷载。王祥秋( 2 0 0 5 ) 采用先进的测试仪器对京广线朱亭隧道结构的动力 响应进行现场测试：并对测试数据频晌特征进行分析。以此为基础，建立了列 6 第1 章绪论 车振动荷载的分析模型，确定了列车振动荷载的数定表达式。 1 2 3 动荷载下软粘土的动力特性研究 h b s e e d 等( 1 9 6 8 年) 进行饱和软粘土的动强度试验，注意到在一定压力 固结稳定的试件经动荷载作用后产生附加变形，并指出在动应力频率和持续时 间不变的情况下，该附加变形由固结压力大小、动应力大小以及循环次数等三 个因素决定的。 k l l e e ( 1 9 7 4 年) 对循环荷载作用下实践的残余变形作了比较系统的研究， 建立了动应力作用n 次后产生残余应变占。的经验公式： 占，：。fl!：s：!：!：!：!：!：12：!i!；!jj；：!j!业；+8；、：1cz) 式中为k 。固结比，吼为动应力、c 4 、只、g 、最、c 6 、瓯和s 均为试 验参数，随着土性的不同而变化，对土坝的振陷量进行估算。 s e e d 等( 1 9 7 8 年) 对旧金山海湾粘土进行应变控制三轴试验，分析循环荷 载作用下饱和软粘土的强度和刚度的退化，建立刚度退化表达式： j = 丝= n 。 ( 1 3 ) e 式中局为第一周循环的原点切线模量，e 。为第n 周原电切线模量，万为退 化指数，f 为退化参数。运用该公式分析了影响退化参数f 的因素( 加荷速率、 循环应力应变水平、应力历史、应力状态( o c r 等) ，而且建立了粘土在循环荷 载作用下的两条曲线g g 。一，和丑一，。 h o u s t o n 等( 1 9 8 0 年) 通过对海洋粘土施加双向和单向循环应力的应力控制 三轴试验，建立了循环强度同破坏振次、循环应力比之间的关系，同时指明应 力转向对循环破坏的影响，即双向循环较单向循环易引起粘土的循环剪切破坏。 a n d e r s e n ( 1 9 8 0 年) 对原状粘土做了大量的循环三轴和直剪试验，试验结果表 明：不排水循环加载在粘土中产生了孔隙水压力；循环荷载作用下粘土的性状 可以用有效应力加以解释，正常固结粘土试样在不排水循环加荷下，有效应力 路径超过正常固结粘土试样静载试验的破坏线，而趋向于超固结试样的破坏线， 这说明在循环受荷过程引起有效应力的变化产生了正常固结粘土的等效超固 7 第1 章绪论 结。 m a t s u i 等( 1 9 8 0 年) 对重塑正常固结、超固结粘土进行了循环应力控制三 轴试验，试验中保证平均主应力为常值，而且精确测量了孔隙水压力，分析了 影响孔隙水压力的因素；随后进行后继不排水和排水三轴试验，分析了强度和 刚度同等效超固结比的关系，但没有定量的分析强度和刚度同等效超固结比的 关系。m a t s u i 等( 1 9 9 2 年) 总结了以前的研究成果，对原状和重塑粘土先施加 不排水应变控制式循环荷载，然后在不排水条件下，单调加荷至破坏。通过与 超固结粘土的应力历史相比较，提出了等效超固结的假设，指出等效超固结比 o c r 。同选择的循环轴向应变及施加在正常固结粘土上的循环次数有关。然后根 据o c r 。建立了估算不排水条件下强度退化和刚度退化特性的公式。 y a s u h a r a 等( 1 9 8 2 年) 对饱和重塑的软粘土做了几组循环应力控制三轴试 验，采用有效应力分析，得出以下结论：1 循环不排水强度几乎独立于循环荷 载的频率和持续时间；2 由于土体重塑的影响，循环强度低于静力强度；3 归 一化的孔隙水压力u o 。同循环剪应变有唯一的双曲线关系。 y a s u h a r a 等( 1 9 9 2 年，1 9 9 4 年) 通过大量的试验，提出了预测高塑性重塑 粘土在不同的侧限压力、加荷频率和循环应力水平下的退化特性；根据超固结 粘土因应力释放引起有效应力的变化同不排水循环荷载作用下引起的表观超固 结状态之间有效应力路径的相似之处，推导了基于表现超固结比a o c r 的预测强 度变化的计算公式，同时指出试验参数可视为i 。( 塑性指数) 的函数而方便的 确定。安原( 1 9 9 4 年) 通过不排水循环试验，指出不排水强度比未受循环扰动 的静强度要高。建立了上述三种排水条件下，强度变化同土样常规参数之间的 关系。 a z z o u z 等( 1 9 8 9 年) 通过对波士顿蓝粘土的不排水循环直剪试验，根据表 观超固结比( a o e r ) 的假设，建立了不排水强度退化同a o c r 之间的关系。 日本学者西田一彦( 1 9 9 3 年) 根据重塑东大阪软粘土在循环应力增长模型， 基于扰乱比的概念建立了退化同d 。之间的关系： 轨= # o _ o o 一“ ( 1 4 ) 式中盛一初始固结平均压力，u 一动孔隙水压力 以上这些学者根据对饱和软粘土在循环荷载作用后性状分析，提出了循环 8 第i 章绪论 荷载作用后正常固结粘土的等效超固结概念。每位学者针对特定的土类，采用 特定的加荷频率，选用特定的试验方案来考虑饱和粘土的循环不排水性状，具 有一定的局限性。而且在不排水循环作用下，等效超固结比o c 艮主要是循环受 荷过程引起的孔隙水压力所致，而上述研究者有许多并未建立循环结束时孑l 隙 水压力的计算公式，不利于直接用于实际饱和软粘土的反应分析。 国内学者主要集中于原状饱和软粘土在动力荷载作用下应力一应变关系的 建立和参数的确定，研究不排水循环加荷后，后继不排水强度、刚度变化的论 文很少。 饱和软粘土的反应分析的方法可分