(整理)列车动荷载作用下土的动力特性分析1.

列车动荷载作用下土的动力特性分析[1].txt如果有来生，要做一棵树，站成永恒，没有悲伤的姿势。一半在土里安详，一半在风里飞扬，一半洒落阴凉，一半沐浴阳光，非常沉默非常骄傲，从不依靠从不寻找。天津城市建设学院学报第16 卷第1 期2010 年3 月

Journal of Tianjin Institute of Urban Construction Vol.16 No.1 Mar. 2010

收稿日期：2009-12-10；修订日期：2009-01-07

作者简介：李乂（—），男，天津人，中国纺织工业设计院工程师

土木工程

$

列车动荷载作用下土的动力特性分析

李乂1，袁富强2

(1. 中国纺织工业设计院，北京100037；2. 中国地质大学，北京100083)

摘要：研究了列车动荷载对地基的振动效应，给出了Winkler 地基－Timoshenko 梁模型下梁的最

大位移和地基表面反力．研究了列车动荷载作用下地基内应力状态和空间分布，分析了土单元体

的应力路径及地基土在动荷载作用下的软化和液化效应，结果表明：在列车运行过程中，动荷载引

起的动应力随时间发生变化，并与土单元体初始应力相叠加；列车的速度对水平剪应力zx τ与偏差

应力(σdz ..σdx) / 2 之间关系的影响较大．

关键词：动荷载；动力特性；应力路径；孔隙水压力

中图分类号：U211.4 文献标识码：A 文章编号：1006-6853( 2010) 01-0025-04

在大多数建筑工程中，地基土体的承载力验算、

变形验算及稳定验算均采用静荷载或等效静荷载作

为附件荷载来进行计算及分析．实际工程中动荷载

的简化，一方面使工程计算简单，但另一方面却使得

工程安全性受到质疑．随着经济的快速发展，越来越

多的土木工程朝着大、高、深的方向发展，工程结构及

受荷状态更加复杂化．动荷载对被作用体系的动力

效应也更加明显，不能忽略．笔者对列车动荷载作用

下的土的动力特性进行分析．

1 列车荷载对地基振动效应的影响

列车运行会引起轨道和地基的振动，当列车速度

达到轨道地基系统的临界速度时，振动能量无法及时

消散，且与轨道和地基原有振动叠加从而形成振幅叠

加产生更大的振动．在振动荷载作用下，地基土中的

空隙水压力将增大，塑性变形不断累积，引起地基的

附加沉降会进一步产生，并不断累积．例如，上海一

号线的沉降监测资料表明，在地铁建成后未通车的两

年内，其主固结沉降和次固结沉降基本完成，但通车

后8 个月内沉降达到了3～6,cm，4 年内甚至达到了

14,cm．这说明了在列车动荷载作用下，地基的附加

沉降是相当可观的[1]．

当列车静止时，会在地基中产生静应力场；当列

车运动时，应力场也会一起运动，并在地基中产生应力波，这是引起地基振动的最主要原因．这种动力响应主要受到列车轴向荷载、轮轴间距和列车速度的影响[1]．另外一些因素亦可以增大上述应力场产生的振动，如列车的不平稳性、轨道的不连续性以及支撑的特性等．列车产生的地基振动由两部分组成，一部分是由移动荷载引起的轨道结构响应的低频振动( 0～20,Hz) ，另一部分是由于轨道缺陷、枕木之间铁轨的次变形、车辆的不平稳运行等引起的高频振动．相对于低频振动来说，高频振动在地基内衰减快、影响小，其主要影响的是轨道结构的长期稳定性．列车产生

的振动主要以瑞利波形式传播，并引起地基的振动，而几何阻尼和材料阻尼是振动衰减的两个主要原因．动荷载的特性主要包括振动形式、振动频率、振

幅和振次．振幅和振次对地基土孔压和变形的影响

占主导地位．列车对轨道结构的作用是非常复杂的，包括轮轴荷载、瞬时冲击荷载、轨道不平顺及机车制动引起的附加荷载等．研究中需要对列车及轨道进

行相应的简化，列车可简化为以车厢为单位的一系列移动荷载，设定钢轨处于弹性状态即可简化为弹性连续梁或简支梁，地基土简化为各向均质的成层土[2]．在移动荷载作用下，轨道结构的位移和地基表面的反力，可以通过单个移动荷载引起的轨道位移和地基表面反力进行叠加获得．Winkler 地基－Timoshenko 梁(T 梁) 模型得到列车荷载引起的梁总位移和地基表

面反力[1]分别为

1978 .

.. 26 .. 天津城市建设学院学报2010 年第16 卷第1 期

0 0

1

( , ) ( , )

n

l i i

i

w x t w x x t

=

=Σ .. ( 1)

1

( , )

n

l i i

i

f f x x t

=

=Σ .. ( 2)

式中： 0 ( , ) i i w x..x t 和( , ) i i f x ..x t 分别为第i 个列车轮轴

荷载引起的轨道位移和地基表面反力．

令t＝0 时，列车中心位于坐标原点处，列车移动

方向与x 轴正方向重合，y 轴为垂直于列车移动方向

的水平坐标轴，z 轴垂直于列车移动方向且其正方向

指向地基内部，地基表面z＝0，坐标系统符合右手法

则，计算中不考虑阻尼的影响，应力空间分布计算参

数见表1 所示．在表1 所示的参数条件下，可得到地

基表面应力空间分布图( 见图1) ．

表1 应力空间分布计算参数

3

b ρ /kg m.. .. Eb /MPa a ×b/m×m 1 2 24 P = P = = P / kN μ/MPa 3 ρ/kg m.. .. o s v /v

1 900 30 000 2×0.3 160 10 1 800 0.45

图1 地基表面反力空间分布

地基中的应力状态随列车的移动而发生变化，地

基内应力空间分布随列车速度的变化而变化．列车

低速运行时，应力分布与静止时的状态相似；列车高

速运行时，地基中应力随速度的增大而有较大变

化．列车高速运行时，地基上部沿车行方向水平应力

迅速增大，而竖向应力有所减小；地基深部沿车行方

向水平应力随车速增加而减小，竖向应力随速度的增

大而有较大增大[1]．动应力幅值及其作用次数是造成

地基土软化的主要原因，当动应力作用次数累积达到

一定数量时一般会直接造成地基土的破坏．