基于振动台试验的基覆型边坡损伤演化规律与快速识别方法研究

以位于鲜水河构造带附近某边坡为原型,基于相似理论建立基覆型边坡模型并进行大型振动台试验,分析基覆型边坡表面和内部的峰值加速度(PGA)演化规律。研究发现,地震作用下PGA具有明显的趋表效应和高程效应,但输入PGA为0.7 g时,堆积体和软弱夹层的PGA、PGA放大系数均有明显降低,揭示了地震作用下基覆型边坡损伤演化规律。在此基础上,利用传递函数理论,提出基于频响函数相关系数和函数幅值的基覆型边坡损伤快速识别方法,结果表明,前者计算快捷,能够量化反映各点损伤程度,为震后基覆型边坡抗震加固提供参考;后者能识别堆积体在地震作用下由损伤到即将破坏的特征信号,从而为边坡稳定性的监测预警提供帮助。

BP神经网络在铁路建设风险评估中的应用

研究目的:中国铁路建设项目是实施"一带一路"战略的重要组成部分,而海外铁路修建的风险评估是项目的首要环节。本文首先综合各项风险因素,主要分析铁路建设项目沿途的亚洲及欧洲部分国家,建立了铁路建设项目风险评价体系;其次,针对亚欧两个大洲政治经济文化上的差异,使用了不同的训练算法建立了两个独立的BP神经网络模型。研究结论:(1)本文针对亚洲和欧洲不同的情况,利用不同的函数建立了BP神经网络模型来进行风险评价;(2)通过所创建的神经网络模型,在铁路建设目标国宏观风险评价中,只需专家给出目标国各个风险的评分,就可以得出目标国的总体建设风险评分,无需再进行繁琐的人工总体评分;(3)本研究结果可用于高速铁路建设风险评估。

基于HHT的地震作用下基覆型边坡坍塌特性研究

以川藏铁路沿线位于理塘-德巫断裂带附近的典型基覆型边坡为原型,基于相似准则,按与原型相似比1∶10设计模型,进行汶川卧龙地震波、Kobe地震波、El Centro地震波作用下边坡地震坍塌试验,利用位移响应及加速度的HHT(Hilbert-Huang Transform)谱进行边坡在地震作用下的变形和破坏特征研究。结果表明:边坡坍塌过程可分为稳定振动、裂缝扩张和坍塌破坏3个阶段;稳定振动阶段边坡内力可抵消大部分地震动能量,土体内部出现少量弹性位移,不同地震波类型造成的边坡HHT谱幅值有明显差异,且主要为低频振动;裂缝扩张阶段边坡坡面出现碎屑流,土体产生明显塑性变形;坍塌破坏阶段边坡坍塌为局部效应,坍塌相邻区域的HHT谱幅值在时域上分布较大,坍塌时伴随出现软弱夹层面的滑坡,坡面位移大小与不同地震波作用下的HHT谱幅值大小保持对应。

基于结构优化BP神经网络的铁路“走出去”目标国宏观风险评估模型研究

本文综合考虑典型的BP神经网络模型优缺点,对典型3层前馈型BP神经网络模型进行结构优化,提出随机重连BP神经网络模型。综合各项因素研究,提出铁路"走出去"目标国铁路项目投资建设风险评估指标体系。运用"一带一路"32个沿线国家数据,通过建立随机重连BP神经网络模型,对模型进行训练和预测验证,其精度达到目标要求,验证了此模型可用于海外铁路项目投资建设的风险评估。

成层场地条件下远场地震动传播特性试验研究

设计并完成了成层场地的大型振动台模型试验,研究了成层场地条件下远场地震动传播特性,研究结果表明:从整体来说,当加载El Centro波和汶川卧龙波时,加速度放大系数峰值随岩层倾角的增加而增大,此增大趋势不明显;加速度放大系数峰值随输入地震波峰值增加而增大,此增大趋势较为明显。对于不同岩层倾角的场地,傅里叶谱的幅值均随着高程的增加而增加,在顶部碎石土场地中具有最大的傅里叶谱幅值,建于碎石土场地上的建筑物将遭遇最大的地震动速度。

列车-CRTSⅡ型板式无砟轨道-路基系统加速度响应大型振动台试验研究

为探究高速铁路在地震作用下的响应特征,同时为高速铁路地震预警提供试验验证,开展了国内首次大比尺列车-CRTSⅡ型板式无砟轨道-路基体系振动台试验,以CRH380BL型列车为原型,钢轨、扣件、列车、轨道板等构件依据相似比进行精加工,选用黄河大桥桥址地震波进行加载。试验结果表明:路基高程对水平向加速度增幅明显;加载0.12g地震波时,轮轨相互作用竖向响应强于水平向;现行停车阈值设置合理;转向架水平向减震效果明显;地震波幅值≤0.14g时,钢轨处加速度放大系数与地震波幅值成正相关,列车的振动模式在0.14g后发生变化,放大系数起伏不定,但均值仍大于0.14g以前系数。该研究成果可为高速铁路地震预警进一步的研究提供指导。

地震作用下有砟轨道路基动力响应规律振动台试验

以京沪高铁CRH380BL高速动车组为原型,根据相似定律设计完成了1:10比尺的铁路有砟轨道路基振动台模型试验,研究分析了路基的加速度、土压力和位移响应规律。模型尺寸为9.6 m×3.5 m×1.0 m(长×宽×高),包括列车、有砟轨道和路基部分。试验结果证明:随高程增加,水平加速度峰值放大系数逐渐增大,基本上稳定在1.0~2.5,竖向加速度峰值放大系数则呈现先增加后减小的规律,基本稳定在1.5以内。随着输入地震动强度的增大,水平加速度峰值放大系数与高程成正比例关系,非线性关系逐渐增强,竖向加速度峰值放大系数最大值位于距离底部H/3处向2H/3处转移(H为路基高度),在输入峰位加速度(PGA)为0.3g时,水平、竖向加速度峰值放大性均达到最强;随着输入地震动强度的增大,填料中峰值土压力强度逐渐增大,在输入波PGA为0.4g时,土压力强度达到最大,路基中心截面土压力强度随高程增加有先增加后减小的趋势,最大土压力逐渐由距离路基底部H/3向2H/3位置转移;在输入地震波PGA为0.05g时,路基表面、路基底部的土压力强度沿着路基体水平方向呈线性分布,前者离路基越远、土压力越大,后者则是基本不变。在输入地震波PGA为0.15g、0.30g、0.40g时,土压力强度在道砟边缘处最小,在路基中心下土压力强度其次,整体沿着路基体水平方向呈三角形分布;路基坡面中部和顶部的水平位移逐渐增大,前者小于后者,呈近似线性分布,且两者差值逐渐减小。在路基顶部位置,坡面上的位移与路基中心线顶部的位移差值随着输入地震动强度的增大,两者差值逐渐增大,最后区域稳定;地震波在路堤底部时主频集中在5~15 Hz,随着高程增加,路基对30~40 Hz频段有强烈的放大效应,在其余频段的影响不明显。

高速铁路地震预警系统三级警报阈值及其处置策略研究

针对高铁地震预警系统中警报阈值及其处置策略问题,设计完成高速铁路列车-无砟轨道-桥梁缩尺模型、列车-无砟轨道-路基缩尺模型及列车-有砟轨道-路基缩尺模型的振动台试验,研究了列车的脱轨现象,并用模型试验验证了数值仿真分析方法的正确性。在此基础上,通过开展动力学仿真计算,提出地震作用下高速列车安全运行的速度阈值。研究结果表明:无论是桥梁还是路基结构,CHY004地震波首先出现脱轨系数超标和轮轨分离现象,ALS地震波次之,安评地震波最后;高速列车安全运行速度阈值表现为无砟轨道路基>过渡段>32m简支梁桥。从行车安全性指标来看,脱轨系数控制的安全运行速度阈值对地震动加速度变化最为敏感,呈反比例关系。最后,基于相关规定,建议高铁地震预警系统警报阈值分三级设置,即当40gal≤预测或计测的峰值地震动加速度a<80gal时,限速160km/h,以偏安全考虑;当80gal≤a<120gal时,紧急停车;当a≥120gal时,紧急停车并接触网断电。

基覆型边坡挡土墙抗震加固时频域响应试验研究

使用振动台对有无挡土墙基覆型边坡地震动响应进行了试验研究,并采用希尔伯特-黄变换方法分析了该类边坡的破坏机制和挡土墙的加固效果。结果表明:在地震过程中软弱夹层吸收了高频部分的地震能量,放大了低频部分能量,导致上覆堆积体和下伏基岩低频部分能量差异增大,从而加剧了软弱夹层的破坏;下伏基岩和上覆堆积体地震动响应不一致,裂缝逐渐向下延伸最终贯通致使边坡整体滑塌;采用挡土墙加固后,在地震波作用下软弱夹层顶面和底面测点的加速度希尔伯特谱相似,幅值接近,表明加固后地震波穿越软弱夹层后变异性减弱,采用挡土墙加固基覆型边坡效果明显。

地震作用下路基上列车脱轨响应的振动台试验研究

为探究路基上列车在不同特性及幅值地震波作用下的脱轨特性,开展大型振动台模型试验,详述列车脱轨系数的测量方法,加载地震波选用郑州黄河大桥桥址地震波(ZHQ)及CHY004地震。试验结果表明:模型在加载现行规范中停车阈值工况(0.12g)时,列车不同轮对脱轨系数峰值均小于0.8;随着加载地震波幅值增加,各轮对的脱轨系数峰值总体逐渐增大;在同一加载地震波幅值时,列车不同轮对的脱轨特性差别明显;加载同一类型地震波但幅值变化时,轮对不同位置的脱轨特性会发生变化;模型加载ZHQ地震波时临界脱轨工况(0.25g)大于加载CHY004地震波时列车的脱轨工况(0.18g)。试验中列车临界脱轨工况均大于现行规范要求,考虑试验中加载地震波类型及数量有限,现行停车阈值0.12g偏保守但具有合理性。

高速列车作用下新型路涵过渡段动力特性研究

针对某一典型高速铁路路涵过渡段进行室内试验及数值模拟,建立车辆-轨道-过渡段动力大耦合模型,提出了新型过渡段的组成以及变态浆液、改良级配碎石的关键配比参数。结果表明:随着深度的增加路基动应力、加速度逐渐减小,并呈现指数分布;随着深度的增加,竖向位移变化曲线较为平缓;随着列车运行速度的增加,路基应力、位移、加速度总体上逐渐增大,存在速度150,350 km/h^2个临界速度,说明列车运行速度与过渡段的动力响应并非呈正比例关系;随着列车轴重的增加路基加速度、动应力变化不大,竖向位移变化较为明显,位移随列车轴重的增大而增大,这说明重载铁路对过渡段的要求很高。

高陡边坡沿高程地震动响应演化规律研究

高陡边坡工程受地震的威胁极大,振动台试验是研究边坡抗震的有效手段之一。本文通过制作坡度为60°的高陡边坡试验模型,并在大型单向地震模拟振动台上进行试验,的出主要试验结论如下:(1)地震波波形对峰值加速度放大系数在高程上的影响主要体现在变化幅值上;(2)不同地震波强度下,峰值加速度放大系数与高程均呈正相关关系;(3)在不同方向上,峰值加速度沿高程的放大系数有较大差异;(4)加速度反应谱沿高程的演化规律主要体现在短周期0.05 s附近,部分反应谱幅值有明显的提升效应。

山岭隧道跨断裂带段及洞口段地震响应大型振动台模型试验研究

为研究地震作用下山岭隧道跨断裂带段及洞口段的动力响应及其破坏机制,以国道318线康定折多山隧道工程为背景,设计并开展隧道长达8 m的大型地震动模拟振动台试验,对比分析处于不同围岩条件中衬砌结构的动力响应规律及其破坏机制,研究结果表明:在本次振动台试验中,隧道衬砌结构的加速度、动土压力以及应变等响应主要受周围围岩条件的影响,其所处的围岩质量越差地震反应越强烈。在三向地震作用下,隧道衬砌结构的PGA放大系数随着地震波幅值的增加逐渐减小,各部位间动土压力和应变差值逐渐增大并进入偏心受力状态,横截面共轭45°为主要受力方向。此外,衬砌结构的纵向破坏由洞口处向深部围岩发展,且各段衬砌具有相同的破坏机制,即破坏过程为自“仰拱→拱脚→拱肩→拱顶”发展。对比分析处于不同围岩条件中衬砌结构的最终破坏形态,洞口和断裂等围岩条件较差段衬砌结构的震害较为严重,且下部结构的震害明显比上部结构严重。因此,在实际工程中需重点关注洞口段和断裂带段衬砌结构的抗震设防,加强衬砌仰拱、拱脚等下部结构的加固设计。

基于振动台试验的顺层及反倾岩质斜坡地震动响应差异性研究

以折多山隧道隧址区内某顺层及反倾岩质斜坡为背景,设计并开展地震动模拟振动台试验,从破坏现象、PGA放大系数及加速度时频特征等方面系统地对比两类斜坡地震动力响应的差异。研究结果表明:在本次振动台试验中,顺层斜坡先于反倾斜坡发生破坏,表明反倾斜坡的地震稳定性优于顺层斜坡。反倾斜坡的损伤破坏主要集中于坡面顶部,而顺层斜坡的失稳破坏模式大致分为坡面腰部开裂、坡顶后缘张裂滑面形成以及失稳崩塌3个阶段。顺层与反倾斜坡加速度响应均表现出较为明显的"高程效应"和"趋表效应"。在0.1 g~0.5 g幅值地震波作用下,顺层斜坡的PGA放大系数大于反倾边坡。随着地震动的加强,顺层斜坡发生失稳破坏,其加速度放大效应弱于反倾斜坡。Hilbert谱和Hilbert边际谱清楚地描述顺层和反倾斜坡地震能量在时频域上的传播特征,两类斜坡地震能量在时频域上的分布相近,差异主要体现在沿高程的放大效应。此外,通过Hilbert边际谱识别出反倾斜坡的地震损伤主要集中在坡肩位置处,而顺层斜坡的破坏发生在坡腰,并在坡腰处形成剪切滑面,这与振动台试验现象基本一致。