地铁隧道运营中复杂软土地层的动力响应

随着滨海城市地铁与地下空间开发在广度和深度上的发展,软土地层中地铁运营对周围岩土环境带来的力学问题备受关注。文章采用可以描述土体循环交变荷载作用性质与长期累积变形特性的移动硬化弹塑性本构模型,建立有效应力框架下的水-土耦合有限单元-有限差分数值模型,并选取合适的轨道基床振动荷载,对埋置于复杂软土地层中的苏州地铁一号线运营中轨道振动荷载长期循环作用下隧道周围土体动力学响应进行分析研究,包括土体有效应力响应变化特征、超孔隙水压发展规律以及地层沉降等。随着地铁振动荷载循环次数增加,土体沉降位移与超孔隙水压持续增大直到稳定状态。其发展规律表明,地铁运营振动荷载对周围岩土环境影响范围大,持续时间长。尤其是渗透性较小的软土地层,长期循环荷载作用下土体累积塑性变形引起的地层沉降稳定性成为地铁隧道运营不可忽略的重要问题。本研究可为地铁隧道运营中的地层环境安全与稳定性评价提供一种合理有效的分析预测方法。

列车循环荷载下水泥土复合地基沉降的颗粒离散元计算

依托福州江阴港铁路支线水泥土搅拌桩软基处理试验工程,探讨利用颗粒离散元方法计算水泥土复合地基在列车循环荷载作用下的工后沉降问题。首先根据原场地淤泥质土的三轴压缩试验和水泥土的单轴压缩试验所得的应力—应变曲线,利用颗粒离散元建立三维数值模拟模型,并结合统计学习方法,对复合地基中的淤泥质土和水泥土颗粒的细观参数进行反演;然后按江阴港水泥土搅拌桩复合地基的实际尺寸建立缩尺的离散元数值模型,进行列车荷载下的沉降计算。结果表明：在500~1 000趟列车通过后水泥土搅拌桩复合地基的工后沉降趋于稳定,沉降量约为20 mm。这一结果与按现有规范计算所得沉降量较为接近。

车轮钢摩擦热影响区的相变及其损伤机理

将有限元热力耦合-温度场分析与材料相变特征的实验研究相结合,研究了高速度(200km/h)、大载荷(105N)条件下车轮摩擦热影响区的相变过程,探讨了材料对该过程的影响。结果表明,轮-轨摩擦导致的车轮踏面局部升温可超过材料的奥氏体相变的临界点,碳含量为0·5%时,完全奥氏体化层的深度可达0·6mm;过冷奥氏体高速冷却,几乎全部形成脆硬的马氏体薄层,造成踏面剥离。通过降碳来降低车轮钢奥氏体相变的临界点,可以显著抑制踏面马氏体层的形成。随着碳含量从0·7%降至0·4%,材料的Ac3提高45℃,马氏体层的厚度减小30%,有助于减少车轮踏面的热疲劳损伤。

考虑时间间歇效应的粉土动力特性

列车荷载是揭示路基真实动力响应特性的前提,以往的动三轴试验将列车荷载视为连续动荷载,忽略了追踪列车间隔时间对路基土体动力特性的影响.利用室内动三轴仪对粉土开展了连续加载和间歇加载(连续加载与间歇交替循环)的动三轴试验,分析了两种加载方式下粉土超孔隙水压力、回弹模量、累积塑性应变等的发展规律.研究结果表明:持续动荷载作用下累积的超孔隙水压力在间歇阶段会发生消散,轴向应变在间歇阶段得到一定程度恢复,进而提高了试样抵抗变形的能力;室内动三轴试验忽略间歇效应将高估列车动荷载作用下试样超孔压和塑性应变的累积量及发生破坏的可能性;间歇加载下试样的永久变形行为可依据安定理论划分为塑性安定、塑性蠕变和增量破坏.

饱和软土层地铁列车运行引起的环境振动研究

我国沿海地区大量的地铁隧道都修建在饱和软土地层,饱和软土地层中地铁列车运行引起的环境振动逐渐成为社会关注的问题。以上海2号线某地铁区间隧道为研究对象,采用循环运动模型本构模型和水土耦合动力分析方法,分析了饱和软土中地铁列车运行引起的地表振动加速度以及振动位移响应规律,采用加速度振级对地表的振动强度进行了评价,分析了单次列车通过时引起的隧道下卧土层超孔隙水压力(EPWP)响应规律。计算结果表明,饱和土的振动响应比干土要小得多,地表水平向与竖向的振动规律明显的不同,超孔隙水压力沿隧道下方沿向是不断减少的,在距离隧道中心的纵断面上是先增加后减少。分析饱和土中地铁运行引起的环境响应规律,可为地铁沿线建筑物减隔振设计及沉降控制提供一定依据。

黄土地基动力沉降特性试验研究

路基工后沉降控制是客运专线路基工程研究的重点内容,其中地基在列车荷载长期重复作用下的累积沉降不可忽视。为揭示黄土地基在列车振动荷载长期作用下的沉降变形,通过对原状黄土试样的循环三轴试验,模拟实际列车荷载瞬时加载状态,采用不等向长持时加载,得出了在不同围压条件下黄土的动强度特性和循环应力-累积应变关系,并对较小循环应力下的循环应力-累积应变关系进行了归一化处理,得到了以下结论:①黄土的累积应变随时间的增加而增大,当循环应力不超过临界应力时,应变会最终达到稳定;反之,黄土结构遭到破坏,应变不能达到稳定;②不同围压下的黄土累积应变均随循环应力的增大而增大,且临界循环应力随围压的增大而增大。③在同一围压状态和同一应变破坏标准下,动强度随振次的增加而减小;④在不同围压、相同振次条件下达到相同的应变所需要的循环应力随围压的增大而增大;⑤在较小循环应力作用下,不同围压下黄土的累积应变随循环应力增加呈线性增长。

重载铁路循环动载下水泥改良膨胀土路基动力特性

基于蒙华浩勒报吉-吉安段重载铁路工程,建立列车-有砟轨道-基床-地基动力系统耦合三维数值模型,进行重载铁路循环列车动载作用下水泥改良膨胀土路基动力特性研究。结果表明:轴重25~30 t列车以时速120 km运行时路基面动应力范围为106.3~127.2 kPa,大于轴重25 t列车以时速60~150 km运行时路基面动应力范围(88.81~114.59 kPa)以及轴重17 t的高速列车以时速250~350 km运行时路基面动应力范围(60~85 kPa);重载铁路列车运行时路基面动应力沿路基深度逐渐衰减,在基床表层和底层范围内的衰减分别可达40%和80%以上,动应力影响深度达3~4 m,超过基床设计厚度2.5 m。鉴于动力影响深度范围内路基的动应力水平远低于同位置填料的临界动应力,由临界动应力法评估可知,重载铁路水泥改良膨胀土路基的动力稳定性满足服役要求。

列车荷载下海相沉积软土循环累积变形研究

以宁波轨道交通1号线②、③和④层海相沉积软土为对象,进行GDS单向振动三轴试验,研究了不同动应力幅值和频率作用下软土的动力学特性.结果表明:动力幅值越大,循环累积塑性变形越大,动应力的幅值大小对累积塑性变形有较明显的影响;在动应力为12kPa时,④层粘土的累积塑性应变比相同条件下②层和③层土的应变大;在相同动应力幅值时,②和④层土随频率增大,③层土则相反.最后,利用修正的指数模型对循环加载累积塑性应变的变化进行拟合,并得到了优化的模型参数.

循环荷载作用下扣件钢轨纵向累积位移试验研究

为研究并模拟列车频繁制动作用导致的钢轨累积位移现象,以弹条Ⅲ型分开式扣件作为试验对象,对钢轨进行长期重复拉力加载,并通过数据采集软件采集拉力及钢轨位移数据,得到扣件纵向阻力与钢轨残余变形规律,获得在未超过扣件最大阻力的单向循环荷载加载下,钢轨纵向累积位移与加载循环次数的关系。研究结果表明:钢轨纵向累积位移随循环次数的增加而增大,在经过大量重复加载后残余位移增长速率有所减小,但位移值有进一步增大的趋势。对于弹条Ⅲ型分开式扣件,钢轨纵向残余位移f(x)和循环次数x间的函数关系近似满足幂函数形式:f(x)=0.01758x^(0.2332),且拟合度较高(R^(2)=0.9351)。该拟合公式具有一定的可信度,可以用于预测获得不同重复荷载作用后钢轨纵向累积位移值。经过大量纵向荷载重复作用后,扣件纵向刚度、扣件最大纵向阻力和扣件滑移阻力会有所增大,扣件弹塑性界限位移将会有所减小。研究成果可用于预测多次加卸载之后钢轨累积残余位移值,为相关线路设计与养护维修提供借鉴,同时也可为扣件本构关系的改进提供试验依据。同时可将钢轨残余位移预测值和扣件纵向刚度结合后计算出加载时钢轨最大纵向位移,通过对比不同地段钢轨最大纵向位移的限值,可以判断多次重复荷载后加载瞬间钢轨纵向位移是否超限。

软土的循环累积变形模型研究

基于上海地区饱和软土的动三轴试验成果,通过对累积变形影响因素及累积变形发展规律的分析,引入等效循环动应力水平的概念,建立能综合考虑列车荷载循环次数、静偏应力和和动偏应力的耦合作用、固结方式等影响因素的软粘土循环累积变形模型。结合试验成果对模型进行验证,确定不同试验条件下模型中的试验系数。研究结果表明:此模型能够很好地反映多种因素对软土循环累积变形规律的影响;此模型仅适用于软土正常固结且循环应力比小于临界循环应力比的情况;为提高模型计算和预测的精度,用室内试验确定模型中的试验系数时,应采用与现场实际相符的加载和固结条件。

小净距平行地铁隧道下卧土体长期沉降规律研究

为研究小净距平行隧道下卧土体长期沉降规律,以上海地铁1号线人民广场站—新闸路站区间隧道为工程背景,采用ABAQUS软件建立平行隧道仿真模型。以人工激励函数模拟列车荷载,并采用反映动偏应力的长期沉降模型,结合分层总和法计算隧道及对称轴处土体沉降值,分析隧道净距、列车运营速度和隧道衬砌刚度对土体沉降的影响。结果表明:土体沉降值随列车运营次数增加呈指数增长,相较于衬砌刚度,隧道净距、列车运营速度等两种因素对土体沉降影响较大;随着净距增加,隧道长期沉降值先减小后增大,最后减小至趋于单线运营时沉降值,当净距为1.2~1.8倍隧道外径时,隧道沉降值最大;模型对称轴处土体沉降值随净距增加呈指数减小;车速越大,沉降越小,衬砌刚度越大,沉降越小。

饱和软土二维-三维列车振动响应对比分析

针对岩土工程中常用二维模型等效三维模型进行数值计算的方法,对列车运行引起的二维和三维动力响应进行了分析.根据钢轨-扣件-隧道-地基纵向模型得到作用于隧道道床上的振动荷载,基于循环流动本构模型和土-水完全耦合理论,计算了列车平均时速下饱和软土层二维和三维的振动响应规律.研究结果表明:两种模型的地表振动加速度、位移以及隧道周围超孔隙水压力在横截面内规律基本相似但数值相差较大;二维-三维地表加速度比和位移比最大值分别可达9倍和6倍,加速度振级相差可达15 d B;隧道周围的二维-三维超孔压比在1.5~3.5之间,单次振动超孔压累积值可达4.36 k Pa和1.69 k Pa,且在隧道竖轴左右45°及135°位置处超孔压力累积最为明显;振动荷载形式、纵向土层振动、固结速度是造成饱和土软土二维-三维列车振动响应差异的主要原因.

高速列车与路基冻胀相互作用机理

针对高速铁路路基中低含水率、远离地下水的级配碎石等冻胀不敏感性粗颗粒土,却普遍发生冻胀的特殊现象,提出了一个简洁的"循环动载诱发冻胀"模型,认为高速列车循环荷载会导致地下水位以下饱和地基土中超静孔隙水压力的发展,进而将地下水"泵送"至冻结线以上,从而为土中独立冰层的形成,及冻胀的发生持续地提供"原材料"。模拟结果表明,本模型能够很好的揭示上述特殊工程现象发生的原因;同时,新模型对循环荷载诱发冻胀机理的阐述,也为季节性冻土区高速铁路路基冻胀防治研究提供了一种新的思路。

列车循环荷载下交叠隧道结构疲劳寿命预测分析

基于南京地铁某双线四孔交叠隧道节点,建立了四孔交叠隧道-土体系统动力计算模型,分析列车循环荷载下隧道结构动力响应,基于Miner线性累积损伤理论与FE-SAFE疲劳寿命计算软件,研究交叠隧道结构疲劳寿命,探讨列车运行速度、交叠隧道净距对交叠隧道疲劳寿命的影响。研究结果表明:四孔交叠隧道具有动力放大效应,疲劳寿命薄弱点为四孔交叠隧道中心处;距离四孔交叠隧道交叠区2倍隧道直径以外的区域动力放大效应明显衰退,对结构疲劳寿命影响已不大,定义为非交叠区;定义疲劳寿命折减系数η为交叠区最短疲劳寿命与非交叠区疲劳寿命的比值,列车行驶速度越低或交叠隧道净距越大,则η越大。

列车循环动荷载下地铁四孔交叠隧道长期沉降及控制分析

以南京地铁5号线下穿3号线为例,采用ABAQUS软件建立四孔交叠隧道的三维有限元模型,计算列车动荷载作用下的土体动应力,并结合经验模型预测交叠隧道的长期沉降量。结果显示,交叠隧道最大沉降量达16.3 mm,曲率半径为13589 m,相对变曲为1/1100,均超出规范要求,须采取沉降控制措施。现场拟在5号线隧道施工期采用壁后注浆加固措施。结果显示,采用地层加固措施后运营期交叠隧道的最大沉降量降低至10.4 mm,曲率半径增大至18750 m,相对变曲减小至1/2575,均满足规范要求。地层加固措施可有效控制隧道交叠区沉降的发展,保障隧道结构长期服役性能。

列车振动循环荷载作用下软黏土响应特性室内试验研究

采用动三轴试验分析不同动应力比和频率对土动强度的影响。根据现场实测结果,确定了地铁列车驶过时引起的隧道周围土体的响应频率分布区域,结合设备的循环加载能力,确定动三轴试验的加载频率为0.5Hz和2Hz。

城市轨道交通架空刚性接触网汇流排载流能力

分析了列车在城市轨道交通系统中的取流以及架空刚性接触网汇流排相应的载流。提出采用间歇性负荷循环电流的特性波形确定汇流排的载流能力,对通用架空刚性接触网既有汇流排进行了连续性负荷和间歇性负荷循环电流发热试验,对试验结果进行了对比分析。