第期黄功华等高速铁路桩网结构路基沉降变形数值模拟分析度的土柱进行计算即将脉冲应力简单地换算成均数值模型的建立布荷载这种方法在静力计算中不失为一种简单方便的方法但在考虑路基动力效应时这种荷载模式模型结构以武广客运专线直线路基地段为研究

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鹊扉姚
5 years ago
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1 安全与环境工程第卷第期 2 年月 X = W = A A 高速铁路桩网结构路基沉降变形数值模拟分析黄功华王杜江陈志浩徐峰中铁十五局六处洛阳中铁第一勘察设计院西安湖北地矿建设工程承包有限公司武汉黄河勘测规划设计有限公司郑州摘要本文以武广高速铁路乐昌段路基工程为依托利用有限差分软件 SH] 建立了数值模型构造出作用于路基表面的列车荷载函数并对该路基工程桩土应力分布桩土沉降特征及路堤等沉面与桩间距桩径等参数的关系进行了数值模拟计算与分析结果表明在桩体打穿软土层的情况下桩土应力比主要由桩间距决定且桩间距越大桩土应力比也越大桩间距越大桩土差异沉降也越大等沉面的高度约为桩间距的倍该研究可为高速铁路桩网结构路基的设计提供参考关键词高速铁路桩网结构路基沉降变形数值模拟中图分类号 R R 文献标识码文章编号 * * *P - ] 2 K - A ) QR A F- c ] A HQ=PF F R A B F )= ) )= )N B ) )= ) )N B *)2M =)G) 2 X _ ) ) J M )= ) ))= ) )= ) 2 ) ) Y N * * M =) 2 ])=O ) 2 EF MM c-f -A VF-F M G-JA A A S FA G SH] J F F- -JA ZM M F - F - A F-JA F V J M F M F F -JA M G FM M M EF G F M J A F - F F M JM M FM A F F M F FF M A J M M EFMM M W F F A M G _ - -JA F M G = F G - G _ -JA M M )- 引言荷载分配计算桩土沉降特征等理论远远落后于实践为此本文采用数值模拟分析的手段研究桩网复合结构是高速铁路软土地基的主要处理了高速铁路桩网结构路基工程在列车动荷载作用下方式精确控制桩网结构路基的沉降对保证列车安全桩顶和桩间土的应力分布以及沉降变形特征并分析运行具有非常重要的意义但目前而言国内还没有了其应力分布与沉降差异之间的关系最终确定路基形成统一的设计规范多借鉴国外设计方法凭经验进土体在列车动荷载作用下的等沉面高度以为高速铁行设计且路堤荷载下特别是列车动荷载下的桩土路桩网结构路基的设计提供参考收稿日期修回日期作者简介黄功华男博士高级工程师主要从事铁路设计与施工方面的研究= NN

第期黄功华等高速铁路桩网结构路基沉降变形数值模拟分析度的土柱进行计算即将脉冲应力简单地换算成均数值模型的建立布荷载这种方法在静力计算中不失为一种简单方便的方法但在考虑路基动力效应时这种荷载模式模型结构以武广客运专线直线路基地段为研究对象其的选取方法则明显不可取路基结构从上到下依次为混凝土道床板层水硬性况目前我国尚无足

此本类填料复合地基部分为 H 桩加固的复合地基定该路基结构标准断面见图 mrm [* 2 g 式中 _ R 为机车车辆 2 为路基设计动应力幅值 s 铁路客运专线路基面上的动应力大小及分布情文分析认为作用于路基面上的动应力可由下式确的静轴重 _ 为速度影响系数 g * 为列车运行速度 _)F速度在 _)F 以内按实际速度计超过

2 第期黄功华等高速铁路桩网结构路基沉降变形数值模拟分析度的土柱进行计算即将脉冲应力简单地换算成均数值模型的建立布荷载这种方法在静力计算中不失为一种简单方便的方法但在考虑路基动力效应时这种荷载模式模型结构以武广客运专线直线路基地段为研究对象其的选取方法则明显不可取路基结构从上到下依次为混凝土道床板层水硬性况目前我国尚无足够的实测资料主要参考国外资支撑层基床表层基床底层路基本体加筋褥垫层料和部分实测数据路基面动应力的幅值是与列车和复合地基部分基床表层填料为级配碎石和砂砾轴重机车车辆动态特性轨道结构轨道平顺度距石基床底层为 Y 组填料或改良土基床以下路基本体选用 Y 组填料和 H 组的块石碎石砾石轨底深度和路基状态有关的一个随机函数据此本类填料复合地基部分为 H 桩加固的复合地基定该路基结构标准断面见图 mrm [* 2 g 式中 _ R 为机车车辆 2 为路基设计动应力幅值 s 铁路客运专线路基面上的动应力大小及分布情文分析认为作用于路基面上的动应力可由下式确的静轴重 _ 为速度影响系数 g * 为列车运行速度 _)F速度在 _)F 以内按实际速度计超过 _)F 按 _)F 计在本实例中荷载机车车辆的静轴重为客运专线的速度影响系数取 _ 当设计列车时速分别为 _)F _)F _)F 时 h 图武广客运专线路基结构标准断面示意图 X F-JA - c-f -A VF-M A 计算得路基面最大动应力分别为 _ 在综合分析先前以静力计算为主的荷载模式以及路基面上的动应力幅值并依据秦沈客运专线试验段路基动力响应实测数据构造出作用于基床采用拉格朗日有限差分方法进行高速铁路路基表面的列车荷载函数即为与高中低频相应的可系统动力响应分析时应选取一个合理的纵向范围反映列车轴重不平顺附加动荷和轨面波形磨耗效同时考虑计算的工作量来建立高速铁路路基系统有应的正弦函数其表达式为限差分模型经过试算比较在保证模型计算精度的 B gr [R [R [R 式中 R 为车轮轴重 _ R R R 分别为对应前提下本路基长度取为按照不同部位的计算精度划分网格最小网格为最大网格为并参考武广客运专线路基标准断面建立的高速铁路路基系统动力响应有限差分计算模型见图于不同控制条件中某一典型值的振动荷载 _ 分别为对应于不同控制条件的振动圆频率 ) 为了评价列车动荷载对路基结构动力反应的影响同时考虑到铁路轨道不平顺的影响可将列车荷载模式进行简化由于列车实际荷载的动应力曲线可以真实地反映基床表层的动应力随时间的变化状况但因其不规则和无规律性使得利用它作为模型 Z Y 模拟计算中的载荷很不方便通常会导致运算量过 X 图有限差分计算模型 E 荷载组合目前高速铁路的路基沉降计算主要以静力计算为主根据铁路路基设计规范2 EY* 它将列车和轨道荷载换算成一定分布高度及分布宽大运算难以进行因此在模拟的过程中可将列车实际荷载的动应力曲线简化为如图所示 F 本构模型及计算参数的选取本文选取 SH] 中的 = 和 F H 两种本构模型来实现对无砟轨道各路基结构 J 层的模拟其中混凝土道床板层水硬性支撑层采用 = 本构模型进行模拟其他各结构层采用 F H J 本构模型进行模拟各实体单元之

安全与环境工程第卷质量的方法达到收敛增加的单元质量和减少的单 s 元质量相等因此总体上系统保持质量守恒局部 sd 阻尼系数可用下式确定 s sa gm 式中为局部阻尼系数为临界阻尼比其取值 M 可以参考瑞利阻尼中的临界阻尼比经验方法是直 s t 接选取岩土体的阻尼比参数 ` 图

桩土应力比分析高速铁路桩网复合结构对路基沉降变形的影 EJ H M F - 响本文主要考虑桩间距分别为种弹性模量泊松比序号结构层 ) 混凝土道床板层水硬性支撑层基床表层基床底层路基本体加筋褥垫层软土层 H 桩情况下路基各结构层的应力分布和沉降差异并研内聚力 )_ 内摩擦角重度 ) e _-* )) 究桩土应力比对桩顶和桩间土沉降变形的影响通过数值模拟可得到复

3 安全与环境工程第卷质量的方法达到收敛增加的单元质量和减少的单 s 元质量相等因此总体上系统保持质量守恒局部 sd 阻尼系数可用下式确定 s sa gm 式中为局部阻尼系数为临界阻尼比其取值 M 可以参考瑞利阻尼中的临界阻尼比经验方法是直 s t 接选取岩土体的阻尼比参数 ` 图简化的列车荷载动应力曲线 ] W M 注图中为初始静应力 2 为动应力幅值为围压根据式可确定局部阻尼系数为在 SH] 中可用 M 局部阻尼系数设置局部阻尼间通过节点的连接实现力的传递本文以直线路基普通板式无砟轨道路基为原始模型建立有限差分计算模型见图模型各结构层的计算参数取值见表路基沉降变形数值模拟分析表模型横截面各结构层的计算参数 E 桩土应力比分析高速铁路桩网复合结构对路基沉降变形的影 EJ H M F - 响本文主要考虑桩间距分别为种弹性模量泊松比序号结构层 ) 混凝土道床板层水硬性支撑层基床表层基床底层路基本体加筋褥垫层软土层 H 桩情况下路基各结构层的应力分布和沉降差异并研内聚力 )_ 内摩擦角重度 ) e _-* )) 究桩土应力比对桩顶和桩间土沉降变形的影响通过数值模拟可得到复合地基桩网结构在桩间距为的情况下模型中部横断面 ] 方向应力分布图见图以及不同桩间距情况下该断面中心处桩土应力比随时步的变化曲线见图 FA G 边界条件的设定每一个实体结构都需要一定的约束条件以使其保持稳定状态因此在动力计算时就需要给模型施加一定的约束条件以保持模型的稳定性为此本文在进行动力计算时也对模型边界条件进行了相关的设置即在模型周围设置了自由场边界模型底部设置为静态边界见图图桩间距为时模型横断面 ] 方向应力分布图 ] J F G FM M 由图和图可以看出模型横断面 ] 方向应力值在表层最大向下逐渐减小随着加载时间的增加不同桩间距桩土应力比逐渐增大当加载稳定后桩间距情况下桩土应力比可达桩间图施加自由场边界的模型距情况下桩土应力比可达比桩间距情况下 J- 的桩土应力比大同比桩间距情况时桩土应力比增加了 ` 桩间距情况下桩土应力比阻尼设置为了减小计算时间缩短计算工作量可选用局可达比桩间距情况下的桩土应力比大部阻尼作为动力计算中阻尼的设置局部阻尼在振这主要是由于桩间距越大桩顶分担的荷载也大其动循环中通过在节点或结构单元节点上增加或减小对应的桩土应力比也就越大因此桩土应力比随桩同比桩间距情况时桩土应力比增加了 `

4 第期黄功华等高速铁路桩网结构路基沉降变形数值模拟分析 2 m 2 m m 2 n 图不同桩间距下模型中心处桩土应力比随时步的变化曲线 ) mm m m m m 2 m m 图桩间距为时地基横断面方向桩土差异沉降分布图 ) 间距的增加而增大 -- 路基沉降特征分析桩间距对桩土差异沉降的影响在路堤荷载作用下随着地基土的固结桩及桩间土沉降值均不断增大桩土沉降差也在不断变化并当地基土固结结束后桩土沉降差也同时趋于稳定通过数值模拟可得到桩间距情况下地基横断面方向桩土差异沉降分布图见图至图由图至图可以看出在相同桩间距情况下随着地基固结沉降的发展路基土体均会产生沉降路堤底部桩土差异沉降较大较明显从路堤底部向上路堤桩土差异沉降逐渐减小桩间距不同其造成的桩土差异沉降值也有所不同桩间距分别为时桩土最大差异沉降分别为和即随着桩间距的增大最大差异沉降值也在不断增加等沉面的确定桩复合地基在荷载的作用下会出现不均匀沉降也即差异沉降而在地基以上一定距离处桩顶土体和桩间土体沉降值相等的面即为等沉面 -) 认为对于平面土拱等沉面高度与桩间距的比值等于英国规范规定桩承式路堤的最小高度不应小于的桩梁净距北欧国家规范规定桩承式路堤的最小高度不应小于倍的桩梁净距可见关于桩网结构路基等沉面的高度并没有形成共识由图至图可以看出在路堤底部向上一定距离桩土的差异沉降值为零而具体的差异沉降值随桩间距的变化而有所不同当桩间距为时在路堤以上高度处桩顶土体和桩间土体的沉降值相等即等沉面高度为等沉面高度 mm m m 2 m m m 2 2 m 图桩间距为时地基横断面方向桩土差异沉降分布图 ) mm 2 m 2 m m m m 2 2 m 图桩间距为时地基横断面方向桩土差异沉降分布图 ) 与桩间距之比为当桩间距为时在路堤以上高度处桩顶土体和桩间土体的沉降值相等即等沉面高度为等沉面高度与桩间距之比为当桩间距为时在路堤以上高度处桩顶土体和桩间土体

5 安全与环境工程第卷的沉降值相等即等沉面高度为等沉面高度与桩间距之比为可见等沉面高度受桩间距影响较大一般约为倍的桩间距通过本实例数值模拟计算可知等沉面高度与桩间距之比约为因此在工程设计中若路堤高度确定时则可调整桩间距当桩间距确定时可调整路堤高度以使路堤高度大于等沉面高度这样可以避免路基面出现差异沉降结论数值模拟可以作为分析高速铁路列车动荷载作用下桩网结构路基沉降变形的一种手段本文的数值模拟计算与分析表明在桩体打穿软土层的情况下桩土应力比主要由桩间距决定且桩间距越大桩土应力比也越大桩间距越大桩土差异沉降也越大等沉面的高度约为桩间距的倍因此在工程设计中若路堤高度确定时则可调整桩间距当桩间距确定时可调整路堤高度以使路堤高度大于等沉面高度这样可以避免路基面出现差异沉降从而保证列车动荷载下路基的稳定性参考文献赵维录无砟轨道桩网结构路基设计初探建设监理代智光张鹏飞苗正伟等桩网复合地基技术的研究进展河北工程技术高等专科学校学报曹卫平桩承式路堤平面土拱等沉面高度影响因素分析路基工程黄欢滕伟福方聚宝软土路基的最终沉降量计算方法探讨安全与环境工程曾超肖锋唐仲华应用灰色模型预测软土路基沉降量安全与环境工程张勇胡斌李博等路基沉降的非等间隔时变离散灰色预测模型安全与环境工程陈新国冯晓腊胡朝阳真空联合堆载预压法在加固软土路基中的应用安全与环境工程屈晓辉客运专线铁路路基设计技术北京人民交通出版社 -) ) * * ) * - * - - * 上接第页曲玉玲韩松臣四维航迹同一进场航线碰撞风险模型南京 ) 航空航天大学学报 ) ) - ) ) - ) ) - 张兆宁张晓燕李冬宾基于导航的平行航路侧向碰撞率计算模型交通运输工程学报 - ) - ) ) - 曲玉玲韩松臣张明转弯航路碰撞风险模型交通运输工程学报张兆宁王莉莉李冬宾飞行间隔安全评估引论北京科学出版社蔡明张兆宁王莉莉基于模糊事故树分析法飞行碰撞风险研究航空计算技术 - 孟祥伟张平王瑛交叉航路航空器碰撞风险评估北京航空航天大学学报张兆宁沈金炜刘计民基于定位误差的侧向碰撞风险模型交通运输工程学报通讯作者陈金良男教授主要从事空中交通管理方面的研究

(2015-2016-2)-0004186-04205-1 140242 信号与系统 Ⅰ 学科基础必修课 37 37 1 教 203 17 周 2016 年 06 月 13 日 (08:00-09:35) (2015-2016-2)-0004186-04205-1 141011

(2015-2016-2)-0004186-04205-1 140242 信号与系统 Ⅰ 学科基础必修课 37 37 1 教 203 17 周 2016 年 06 月 13 日 (08:00-09:35) (2015-2016-2)-0004186-04205-1 141011 关于 2015-2016 学年第二学期期末周内考试时间地点安排选课课号班级名称课程名称课程性质合考人数实际人数考试教室考试段考试时间 (2015-2016-2)-0006178-04247-1 130101 测试技术基础学科基础必修课 35 35 1 教 401 17 周