列車振動及其引起場地效應研究進展

鄭海忠, 嚴武建,2, 王 平,2, 李福秀

(1. 中國地震局蘭州地震研究所 中國地震局黃土地震工程重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000;2. 甘肅省巖土防災工程技術研究中心, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展,高速列車成為交通運輸?shù)闹髁?對國家的發(fā)展起著非常重要的作用。特別是近年來鐵路和軌道交通的迅速發(fā)展,列車運行速度、運載重量和鐵路密度的大幅度提高,使得鐵路和軌道運輸系統(tǒng)與人們生產(chǎn)和生活的聯(lián)系更加緊密且矛盾更加突出。一方面,在可持續(xù)發(fā)展、全球氣候變暖和節(jié)能減排的全球性問題下,同時由于鐵路和軌道交通具有速度快、時間準確、安全、便捷、舒服等特點,使其成為人們?nèi)粘３鲂泻痛笮拓浳镞\輸?shù)氖紫裙ぞ?另一方面,由于鐵路和軌道交通系統(tǒng)建設的日新月異,由列車產(chǎn)生的振動問題也日漸突出,它可能引起附近建筑物振動,甚至導致建筑物的開裂,會產(chǎn)生大量的噪聲污染,對周圍居民的正常生活、工作和學習產(chǎn)生比較嚴重的影響,可能影響周圍高校以及科研單位等精密儀器設備的使用,同時也可能對周圍的歷史名勝古跡產(chǎn)生破壞性的作用。列車振動造成的環(huán)境問題主要有地基振動、建筑結(jié)構(gòu)物振動以及噪聲污染三個方面,因此在國際上已經(jīng)把振動問題列為七大環(huán)境公害之一[1]。

列車振動對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響的過程為:列車產(chǎn)生的荷載作用在軌道上,由于列車的高速運行,輪軌之間相互作用非常強烈,在列車軸重產(chǎn)生的準靜態(tài)荷載、車輪的磨損、軌道幾何面的不平順、軌道下基礎的缺陷等因素的共同作用下,構(gòu)成列車和軌道耦合系統(tǒng)激勵,成為列車振動的振源,并產(chǎn)生大量的噪聲。由列車和軌道耦合系統(tǒng)產(chǎn)生的振動,通過軌道下的路基(襯砌結(jié)構(gòu))、土體向外傳播,成為列車振動的傳播路徑。振動傳播到附近建筑結(jié)構(gòu)物的基礎,由于土體和建筑結(jié)構(gòu)物的相互作用,引起建筑結(jié)構(gòu)物的振動,造成建筑結(jié)構(gòu)物的破壞、精密儀器的正常使用等危害[2-3]。

國內(nèi)外許多研究者從列車振動產(chǎn)生的原因、傳播規(guī)律、預測方法以及控制方法等方面進行了大量的相關研究。關于列車振動及其場地效應的研究方法主要有:理論研究,通過對振源、傳播路徑建立相應的理論模型,獲得其動力響應的解析解和半解析解;數(shù)值計算研究,對列車—軌道—路基(襯砌結(jié)構(gòu))—土體建立研究體系的動力學模型,通過數(shù)值計算得到整個系統(tǒng)的動力響應;現(xiàn)場測試研究,對列車引起地面、建筑結(jié)構(gòu)物等振動的實際觀測,來分析列車振動及其傳播的特點。本文在上述三個主要研究方法已取得研究成果基礎上,對列車振動及其引起的場地效應相關理論、數(shù)值計算方法和現(xiàn)場實測研究進行了較為系統(tǒng)的分類及評述。

1 列車振動理論研究

通過國內(nèi)外研究者長期對列車振動的研究與實踐,在理論研究上主要形成了車輛動力學理論和軌道動力學理論。在車輛動力學模型中,主要對列車激勵模型和列車模型進行了大量的研究,形成了較為完善的理論模型。對軌道的幾何不平整、鋼軌的接頭、車輪之間的磨傷等進行了系統(tǒng)研究,建立了確定性激勵和非確定性激勵,同時將運行中的列車考慮為有多個自由度的模型;在軌道動力學模型中,主要對鋼軌振動、軌枕振動、道床振動及其它們之間的相互關系建立了完整的理論模型。由于列車速度的加快、列車承載重量的加劇使得車輛-軌道之間的相互作用非常強烈,因此翟婉明[4]將車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)看作是一個相互作用、相互耦合的大系統(tǒng),將車輛動力學和軌道動力學相互聯(lián)系在一起,將軌道最為兩個系統(tǒng)之間聯(lián)系的紐帶,建立了車輛-耦合動力學模型,成為國際上較完整的列車振動理論模型。

1.1 列車荷載-軌道結(jié)構(gòu)模型

Krylov V V等[5-7]考慮列車軸重的影響,建立了作用在彈性基礎上的移動荷載模型,但沒有考慮到輪軌之間的相互作用,例如軌道的幾何不平順和車體自身振動等的影響。因為軌道的不平順具有隨機性,所以只能通過線路實測獲得相關的資料。早在1964年英國就開始軌道隨機不平順的測實測,隨后德國、美國等國家都進行了實測,并提出了軌道不平順譜密度等相關函數(shù)。20世紀90年代末,我國也進行了大量的實測,提出了軌道隨機不平順功率譜函數(shù)[8-9]。Jones等[10]建立了在分層地基土體上作用移動簡諧荷載模型,研究了移動荷載相對速度與土體波速的相互影響,這種移動簡諧荷載模型在一定程度上能夠反映輪軌的相互動力作用以及車體振動等的影響。Kruse等[11]建立了在黏彈性地基上的勻速移動的雙質(zhì)量振子模型,分析了雙質(zhì)量振子的本征頻率與黏性系數(shù)之間的關系,建立的列車荷載模型未考慮輪軌作用等因素。由于對列車研究的深入,提出了更為復雜、更能反映出列車振動振源模型,Sheng等[12]建立了列車-軌道-地基模型,把列車模型化為一個多自由度系統(tǒng),考慮輪對與軌道的相互作用,并將其視為Hertizian線性接觸彈簧,分析了列車引起的地基振動,結(jié)果表明輪軌之間的動力作用對地基振動的高頻成分有重要的影響。翟婉明[4]建立了完整的車輛-軌道耦合系統(tǒng),采用Hertz非線性接觸理論詳細描述了列車與軌道之間的相互動力關系,將列車荷載分為脈沖型激擾、諧波型激擾、動力型激擾和隨機型激擾。

國內(nèi)外研究者對鋼軌、軌枕、扣件和道床等都進行了大量的研究,建立相應的模型。對鋼軌的建立的模型主要有將鋼軌視為連續(xù)彈性體的Euler梁和Timoshenko梁,其兩者的主要區(qū)別是Timoshenko梁考慮了剪切變形和轉(zhuǎn)動慣量的影響,Timoshenko梁主要用于研究軌道結(jié)構(gòu)動力響應[13-14],但由于Timoshenko梁在理論計算時較為復雜,目前大多數(shù)采用Euler梁。Costa等[15]對鋼軌的兩種模型進行了比較,研究結(jié)果表明兩者在低頻范圍內(nèi)沒有差別,僅在高頻范圍內(nèi)數(shù)值上稍有不同。Sheng等[16]把扣件建立為彈簧-阻尼模型;對軌枕和道床建立有連續(xù)支撐和離散支撐兩種模型[17-18],Sheng和Knothe[19-20]對兩種模型進行了比較,結(jié)果為列車低速運行時,兩者無差別,但在高速運行時,連續(xù)支撐模型計算出的輪軌動力作用比實際情況大很多。對軌道下基礎結(jié)構(gòu)建立的模型有單層、雙層和多層支撐,翟婉明等[21-22]對軌下基礎模型進行對比研究,表明多層支撐模型模擬的結(jié)果優(yōu)于單層和雙層,同時多層支撐模型能夠模擬出基礎內(nèi)的缺陷等特殊情況。

1.2 列車荷載引起的地基振動理論

20世紀50年代開始,許多研究者建立了移動荷載作用在二維平面模型和三維半空間模型,但由于列車引起的基礎振動加速度和位移通常比較小,將土體視為彈性或者是黏彈性介質(zhì),建立土體在移動荷載下的振動微分方程,通過Helmholtz分解和Fourier變換得到相應的位移解析解,通過地基土振動Green函數(shù)并結(jié)合車輛、軌道動力學建立相應的模型。

Cole和Huth[23]建立了移動集中線荷載以恒定的速度作用在彈性半平面的模型,利用Helmholtz分解和Fourier變換求解位移和應力解析解,表明任意分布荷載引起的應力場可以通過移動集中線荷載疊加建立,并討論了移動荷載速度大于和小于彈性介質(zhì)縱波和橫波波速以及介于兩者之間的情況。劉維寧等[24]建立了軌道-襯砌結(jié)構(gòu)-地層模型和列車-軌道系統(tǒng)模型,用來確定列車振動的荷載和振動的傳播規(guī)律。Lefeuve-Mesgouez等[25]將土體視為彈性半空間結(jié)構(gòu)建立二維平面模型,從理論上研究了由于移動的垂向簡諧荷載引起的地面振動,并且分析了在低速荷載和高速荷載下引起地面振動的特性和空間分布情況。Sheng等[26-27]研究了軌道臨界速度、分層地基中移動荷載引起的土體動力響應特點以及與土體Rayleigh波速的相互關系。曹艷梅等[28]利用地基土振動的Green函數(shù)以及結(jié)合車輛、軌道動力學,并通過輪軌之間利用Hertz接觸、軌枕和地基土的動力平衡關系建立了列車-軌道-地基土相互耦合模型,結(jié)果表明列車運行引起的動力響應與移動速度和地基土的性質(zhì)密切相關。謝偉平等[29]利用Green函數(shù)法、以軌道-地基作為研究對象并將軌道看成是半無限地基與成層地基上的Winkle梁,得到了在高速移動荷載作用下軌道與地表的振動特性。王常晶和陳云敏[30]將移動荷載作用于彈性地基上的Timoshenko梁上,計算得到作用于地基表面的反力,再將此力作用于地表的移動荷載,計算得到地基內(nèi)部的動力響應。

上述所建立的列車移動荷載引起地面動力響應的模型,大都將土體視為彈性或者黏彈性介質(zhì),由于土體是由氣體-液體-土顆粒三相組成,所以上述模型沒有考慮到流體和氣體對振動傳播的影響。因此,許多研究者利用Biot動力方程來求解在移動荷載作用在飽和土體的振動特性。Theodorakopoulos[31]求解了在平面應變下,半無限空間完全飽和土體Biot波動方程,研究了孔隙率、滲透系數(shù)、剪切模量、流體的可壓縮性和移動載荷的速度對土體骨架的垂直位移,流體壓力和有效應力的影響。Lu和Jeng[32]基于Biot理論,通過傅里葉變換得到勢函數(shù)的頻域Holmholtz方程,推導出了一個半空間飽和土體受移動點載荷動態(tài)響應的解析解,結(jié)果表明:移動荷載對多孔介質(zhì)的動態(tài)響應具有非常復雜的影響,一般而言,高速移動荷載在多孔介質(zhì)中產(chǎn)生動力響應比靜態(tài)或低速荷載情況下要大很多。Cai等[33]使用傅里葉變化并基于Biot理論推導出了半空間飽和土體在移動矩形載荷作用下的動態(tài)響應,結(jié)果表明荷載速度和土體的滲透性對其動態(tài)響應和孔隙水壓力有明顯影響。Cao等[34]通過車輛-軌道-飽和土體耦合系統(tǒng)模型,研究了由準靜態(tài)荷載和動態(tài)荷載作用于半無限空間飽和土體上的動態(tài)響應。袁宗浩[35]基于Biot飽和土波動方程,利用傅里葉變換和模態(tài)疊加法建立了二維平面應變模型并求解了柱坐標系的Biot波動方程和殼體振動方程,建立了三維襯砌結(jié)構(gòu)-飽和土體的全空間模型,通過彌散曲線研究了二維平面應變模型中的關鍵速度。

通過以上研究成果可以看出,對列車振動及其場地效應的理論研究從作用在均勻彈性地基上Euler梁的移動常荷載的一維模型到列車-軌道-路基(襯砌結(jié)構(gòu))-地面耦合三維模型、從將土體視為彈性或者黏彈性地基到將土體視為由兩相組成的飽和土體的研究過程中,主要集中在對列車荷載、軌道模型、地基模型以及三者之間的相互作用的建模,并對列車速度、列車軸重、地基的材料特性等對地面振動動力響應的影響進行了詳細的研究,得到了較為完善的結(jié)論。目前大都理論研究將土體視為彈性或者黏彈性,將土體視為飽和土體的研究較少,視為非飽和土體的研究更是鮮有涉及;另外,將土體視為飽和土體地基,在列車移動荷載作用下引起的土體內(nèi)部空隙壓力的變化以及土體的固結(jié)沉降的研究甚是少,有待進一步研究。

2 列車振動數(shù)值計算研究

隨著計算機的快速發(fā)展,特別是計算機運行能力和內(nèi)存的不斷提高,使得利用數(shù)值計算方法求解大型計算成為可能。目前,最常用的數(shù)值計算方法有有限單元法、有限差分法和邊界元法等方法。有限單元法的優(yōu)點是能夠?qū)碗s的材料屬性進行模擬,同時能夠適用于各種復雜的幾何形狀,也可以用于求解線性、非線性、均質(zhì)和非均質(zhì)等復雜問題。但是有限單元法在計算振動傳播問題時,不能夠在無限區(qū)域進行離散,只能在一定區(qū)域上進行,因此必須設置合理的人工邊界,使得波動能力傳遞出去,不能夠反射回來。有限差分法的優(yōu)點在于能夠直接將微分問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)問題,建模簡單直觀,不需要進行單元分析和整體分析,但其缺點是不能夠模擬比較復雜的邊界條件和不規(guī)則的幾何形狀。邊界元法是對定義域內(nèi)的邊界進行單元劃分,用滿足控制方程的函數(shù)去逼近邊界條件,因此邊界元法最大的優(yōu)點就是在于處理無限和半無限介質(zhì)問題,但其缺點是不能模擬復雜和不規(guī)則的幾何形狀。由于每種數(shù)值計算方法都有自己的優(yōu)缺點,所以為了利用每種數(shù)值計算方法的優(yōu)點提出了耦合數(shù)值計算方法,例如:有限單元-邊界元耦合法。

2.1 二維和三維有限元數(shù)值計算模型

劉維寧等[24]建立了列車-軌道-襯砌結(jié)構(gòu)-地層系統(tǒng)的三維有限元模型,研究了地鐵列車引起地面振動的傳播規(guī)律,結(jié)果表明在距離隧道軸線一定距離處存在一個振動放大區(qū)。李亮等[36]利用激勵函數(shù)模擬列車荷載,并建立二維彈塑性有限元模型來分析動力響應。和振興等[37]將軌道-隧道-列車建立了三維有限元分析模型,列車由8節(jié)車輛組成,以速度為80 km/h運行,分析了隧道地基彈性模量和埋深對動力響應的影響。Wang等[38]在隧道內(nèi)采用有限單元法而在土體邊界采用邊界元方法建立了有限元-邊界元分析模型,提出了一種數(shù)值模型來預測隧道內(nèi)地鐵列車激勵引起的自由場振動。翟婉明和韓海燕[39]等采用有限單元法并結(jié)合車輛-軌道耦合動力學,建立了列車-軌道-土體三維有限元分析模型,計算結(jié)果表明:移動荷載的速度接近土體的Rayleigh波波速時,土體會發(fā)生共振。姚錦寶等[40]建立了列車-軌道-路基-土體-建筑物二維有限元分析模型,分析了地基土-建筑物基礎的在不同相互作用下的動態(tài)響應。黃強等[41]根據(jù)上海2號線某地鐵隧道,運用循環(huán)運動本構(gòu)關系建立了二維有限元分析模型,分析了飽和軟土中列車引起的地表動力響應。

2.2 2.5維有限元數(shù)值計算模型

二維有限元單元法不能精確反應幾何形狀和材料的特性。三維有限單元法的適用性很強,可以考慮不規(guī)則的幾何形狀和材料的復雜性及不均勻性等,但是為了獲得高階振動的精確解需要細化網(wǎng)格,在計算的過程中導致運行內(nèi)存不足,運行速度慢。因此,鑒于軌道結(jié)構(gòu)大多數(shù)是沿著軸向均勻?qū)ΨQ的特點,發(fā)展了2.5維有限元數(shù)值計算模型,是一種有限元-邊界元相結(jié)合的模型,將路基和土體以及之間的相互作用用有限元進行模擬,將地基的半無限空間用邊界元來模擬。

Huang等[42-43]建立了地鐵運行引起土體振動的2.5D有限元-無限元模型,并考慮了軌道不平順動力特性,結(jié)果表明:由于軌道不平順的存在,使得土體的振動加速度大大增加。邊學成等[44]利用2.5D有限元數(shù)值計算方法模擬了在單個輪軸荷載作用下土體的動力響應,并分析了在不同的移動荷載速度下,飽和軟土的動力響應。袁宗浩等[35,45]基于Biot和彈性理論,建立了地鐵-軌道-襯砌結(jié)構(gòu)-飽和土體的2.5D有限元分析模型,常荷載移動速度及移動簡諧荷載頻率與地表動力響應的關系。馬龍祥等[46]建立了薄片有限元-無限元數(shù)值分析模型來預測地鐵運行引起的環(huán)境振動。

3 列車振動現(xiàn)場測試研究

現(xiàn)場測試研究相比于理論和數(shù)值計算研究更具有真實性和可靠性,對列車振動及其引起的場地效應有著非常重要的影響?，F(xiàn)場測試的結(jié)果不僅能夠為理論分析提供相應的依據(jù)、驗證理論模型和數(shù)值分析模型的正確性和適用性,而且能夠?qū)α熊囈鸬沫h(huán)境振動進行評估、對列車振動進行預測提供依據(jù)。但是現(xiàn)場測試的結(jié)果受到人為因素、測試方法、測試線路環(huán)境、測點選擇等因素的影響很大,對列車振動的研究沒有形成統(tǒng)一性和普遍性方法。但目前對列車振動現(xiàn)場測試的研究相對較少,缺乏相關的實測數(shù)據(jù),仍然有許多理論和數(shù)值模擬成果需要驗證、有許多問題需要進行現(xiàn)場實測研究解決。

3.1 地鐵列車振動現(xiàn)場測試與分析

許多學者對地鐵列車運行時產(chǎn)生的地面及其周圍環(huán)境振動進行了大量的測試與分析,得出了振動的傳播規(guī)律以及有效的減振措施。閆維明等[49]對某地鐵1號線附近列車運行引起的地面振動的動力響應進行了實測和分析,結(jié)果表明:列車運行引起的地面振動的振級主要由垂直于軌道的距離決定,不但存在一個振動放大區(qū),而且地面振動響應集中在一個主要的頻率范圍內(nèi)。鄭曉和劉勝群[50]對上海1號線某區(qū)段地鐵引起的地表振動進行了現(xiàn)場測試,經(jīng)過分析得到列車引起的振動主要是由輪軸荷載引起的;振動具有脈沖、尖峰特征;列車速度越快,高頻成分越大。栗潤德等[52]對北京東單-建國門某區(qū)間地鐵引起的振動進行現(xiàn)場測試和分析,結(jié)果表明地鐵引起的地面振動特征主要受距離和背景振的影響,提出地面振動有一個特征頻率為“交匯頻率”,當小于特征頻率是列車引起的地面振動主要由背景振動控制,而大于特征頻率時,由距離控制。李克飛等[54]對采用減振措施的北京地鐵5號線進行了實測分析,對普通扣件、Ⅳ型軌道減震器扣件、梯形軌道的減振性能進行了評價。劉衛(wèi)豐等[59]分別對地鐵列車與道路車輛引起的地面振動及其兩者的疊加進行了實測,并進行了對比分析,得出在距離地鐵隧道中心線一定范圍內(nèi),地鐵列車引起的振動效應要低于公交車引起的。

3.2 鐵路沿線及其特殊路段的現(xiàn)場測試與分析

對鐵路沿線包括橋梁、隧道、路橋過渡段等特殊線路,列車運行引起的振動進行了很多現(xiàn)場實測分析。楊光輝等[47]通過一系列橋下振動現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù),利用復合回歸方法,得到了列車運行引起的地面加速度隨距離衰減的經(jīng)驗公式。夏禾等[48]對鐵路橋梁以及鐵路附近地面和建筑物的動力響應進行了兩次現(xiàn)場測試研究,結(jié)果表明:地面和建筑物的振動隨著列車速度的增加而增加,距離線路越遠地面和建筑物的振動越小,但在距線路一定范圍內(nèi)有一個振動放大區(qū)。高廣運等[51]對秦-沈鐵路沿線列車引起的地面振動進行了測試,分析了在不同列車編組和速度下,對地面振動的影響。陳建國等[53,57]對京-廣鐵路某區(qū)段附近列車引起的地面振動進行了現(xiàn)場測試與分析,研究了地面振動的特點及其衰減規(guī)律。陳果元等[55-56]對鐵路沿線橋路和路涵過渡段進行了地面振動和沉降實測和分析,得出級配碎石過渡段能夠有效地減輕地面的沉降。張良濤[58]進行了高架鐵路列車運行引起的地面振動的測試與分析,并評價了隔振屏障的效果。肖明清等[60]對列車在隧道中運行引起的地面振動進行了實測分析,發(fā)現(xiàn)環(huán)向和徑向的振動要大于垂向振動并在距離隧道中心線一定范圍內(nèi)存在一個振動放大區(qū)。張光明[61]、陳功奇[62]對高速鐵路路基段的振動響應進行了實測和數(shù)值計算分析。徐善輝等[63]在京津城際高鐵廊坊段進行了長時間的觀測,結(jié)果表明:沿線路在不同位置處,不同列車經(jīng)過是引起的地面振動的差別很大,而在同一位置,不同列車經(jīng)過時,引起的地面振動具有非常好的相似性。孟祥連等[64]對在黃土地區(qū)的西寶高鐵進行了振動測試,分析表明:水平和垂向的振動強度隨著列車的速度和軸重增加而增加,振動持時隨著列車長度而增加,黃土的特性會使得振動在某些部位出現(xiàn)反彈。

綜合上述學者對列車振動現(xiàn)場實測與分析的研究成果,可以得出:列車運行引起的地面振動的強度主要由距離軌道中心軸線的距離決定,隨著距離的增加,振動強度衰減,在距軌道中心軸線的一定范圍內(nèi)會存在一個振動放大區(qū);列車運行產(chǎn)出的地面振動主要是由列車軸重引起的;列車運行速度越快,產(chǎn)生的地面振動強度越高;列車編組越多,產(chǎn)生的地面振動越強,振動持時也越長。目前,對列車振動產(chǎn)生的環(huán)境振動的實測主要集中于列車運行速度、列車編組等因素對振動的影響,形成了比較一致的結(jié)論,但是不同場地對列車振動的影響研究較少。

4 列車振動不同場地效應研究

我國分布著大面積的特殊土體,如黃土、凍土等,在這些不同場地對振動有著不同的效應。目前許多研究者對不同場地的振動特性進行了大量的研究,這對于我國在不同地區(qū)振動防護和列車的安全運行有著重要的意義。

孟祥連等[64]對在黃土地區(qū)的西寶高鐵進行了振動測試,分析表明:水平和垂向的振動強度隨著列車的速度和軸重增加而增加,振動持時隨著列車長度而增加,黃土的特性會使得振動在某些部位出現(xiàn)反彈。馬林等[65]對車輛荷載作用下路基重塑黃土的干密度、圍壓等對振動特性的影響進行了研究。吳志堅等[66-67]對列車荷載作用下多年凍土區(qū)的振動特性和土體蠕變特性進行了研究分析,研究表明:列車振動從路基中傳播會發(fā)生大幅度的衰減,同時在重復列車荷載作用下土體發(fā)生蠕變,且在列車運行的第一年沉降最大,隨著時間的增加,蠕變基本保持不變。董連成等[68]對多年凍土區(qū)列車荷載作用下的動力響應進行了分析,對比了客車和貨車運行引起的路基振動特性。王子玉等[69]對季節(jié)性凍土區(qū)分布在不同季節(jié)進行了鐵路路基振動加速度現(xiàn)場監(jiān)測和振動分析,研究表明:在冬季土體凍結(jié),使得剛度和強度增大,而阻尼比減小,振動衰減緩慢;在春融季,由于土體含有大量的水分,甚至處于飽和狀態(tài),使得土體強度減弱,峰值加速度在縱向和豎向減弱,水平方向稍有增強。邊學成等[70-71]對飽和軟土地區(qū)列車荷載作用下土體的沉降特性進行了研究,并根據(jù)土體循環(huán)動三軸實驗提出了列車荷載作用土體蠕變模型。申權(quán)等[72]針對列車荷載作用下膨脹土路基的動力響應特征,提出了一種新的防排水結(jié)構(gòu),研究表明:新型防排水結(jié)構(gòu)能夠加速動力衰減,有效控制基礎的動位移。

目前,在列車荷載作用下,特殊土體場地振動效應的研究較少。大部分特殊土體的研究主要集中在軟土地區(qū),對其他特殊土體場地研究較少,特別是對濕陷性黃土地區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū)沉降特性的研究甚是罕見,有待于進一步的實測與分析。

5 總結(jié)與討論

本文從列車振動的理論研究、數(shù)值計算研究、現(xiàn)場實測與分析進行詳細的討論與總結(jié),主要得出以下結(jié)論和展望:

(1) 列車振動及其引起場地效應理論研究從作用在均勻彈性地基上Euler梁的移動常荷載的一維模型到列車-軌道-路基(襯砌結(jié)構(gòu))-地面耦合三維模型、從將土體視為彈性或者黏彈性地基到將土體視為由兩相組成的飽和土體的研究過程中形成了一系列完整的理論體系,但是將土體視為飽和土地基的研究中對土體中空隙變化以及固結(jié)沉降研究較少,特別是將土體考慮為三相非飽和地基的理論研究更少。

(2) 列車振動及其引起場地效應數(shù)值計算研究從二維有限元模型到三維有限元,再到有限元和邊界元相結(jié)合的2.5D模型,對列車運行引起的環(huán)境振動能夠很好地模擬計算,計算結(jié)果能夠和現(xiàn)場實測很好的吻合。

(3) 列車運行引起的環(huán)境振動的現(xiàn)場實測對振動的傳播特點、場地效應以及振動的預測方面都得出了較為一致的結(jié)論,但對列車在不同場地上運行引起的振動的差異實測較少,應加強對不同場地振動測試,對于地質(zhì)災害的防護有著重要意義

(4) 對列車運行的地面沉降的實測和研究較少,特別是對濕陷性黃土地區(qū)以及季節(jié)性凍土地區(qū)的研究更是鮮有,應進一步加大對列車振動引起地基土體沉降的研究,這對于列車的正常和安全運行非常重要。