地铁循环荷载作用下隧道周边软黏土动力响应特性研究

以上海地铁9号线为工程背景,在现场实测的基础上,采用计算程序DBLEAVES对地铁循环荷载作用下隧道周边软黏土的动力响应特性进行了研究。研究表明:在地铁循环荷载作用下,隧道周边软黏土的沉降规律为绕隧道向外弧形扩散,沉降值越来越小,直至影响范围边界,地表沉降呈沉降槽形式发展;最大沉降发生在隧道正下方,通过拟合得出土体的最终沉降量为19.8 mm;加速度响应方面,其空间分布形式同沉降规律,隧道右下方土体内的加速度及其衰减速度均略大于右上方土体;在循环荷载加载初期,土体内的超孔隙水压力上升很快,几乎呈线性发展;随着循环次数的增加,逐渐趋于稳定并向边界消散;超孔隙水压力比土体的有效应力小得多,隧道下方土体在循环荷载作用下不会发生液化现象。     

黏土与粉土复合地层及其中地铁隧道的车致长期沉降

为了探明列车荷载对黏土与粉土复合地层及其中地铁隧道的长期影响,以无锡某地铁区段为研究对象,建立了轨道-隧道-地层系统的耦合2.5维数值模型,分析了运行列车诱发地铁隧道下覆黏土及粉土复合地层的动应力响应规律,进而结合循环荷载作用下黏土及粉土的不排水累积变形特征及孔压累积特征,采用分层总和法研究了列车振动荷载长期作用诱发该复合地层及其中地铁隧道的长期沉降量值及发展规律. 研究结果表明:1） 隧道下覆地基土的动偏应力沿深度方向呈先增大后减小的变化趋势,其最大值出现在隧道下覆约1.3 m深度处,可达2.80 kPa;2） 地铁列车运行导致复合地层中隧道结构的沉降主要发生在地铁列车前20万次运行期内,且隧道结构的沉降在此期间发展得较为迅速;3） 复合地层中隧道结构稳定后的车致沉降量值可达13.44 mm,其中由土体不排水累积塑性应变引起的沉降为11.40 mm,占比85%,由累积孔压消散引起的固结沉降为2.04 mm,占比15%;4） 隧道下覆黏土与粉土复合地层长期变形主要发生在隧道下方15 m范围内,该范围内的土体沉降对隧道结构长期沉降量值的贡献占比达90%.      

石家庄地铁某标段列车振动影响预测研究

采用Midas GTS软件建立三维轨道—隧道—土体结构的有限元模型,用移动荷载模拟地铁列车运行,研究了石家庄地铁1号线北宋站至谈固区间的列车振动传播规律,对其进行一定程度的振动预测,评价其对建筑物造成的影响。结果表明:(1)单双线运行对岩土及周围建筑物振动影响区别不大。(2)地铁振动传播主要以垂直方向为主,该方向上传播衰减较快,加速度变化程度最大。(3)列车无论单双线运行时,附近地面建筑物处产生的最大噪声均大于我国标准要求的65dB,建议采取一定措施减振降噪。     

高速列车振动荷载对近接隧道施工影响

为降低高速列车振动荷载通过土体作用于在建隧道存在的安全风险,以济南轨道交通R2号线开源路站—烈士陵园站区间工程为研究对象,运用Flac3D软件模拟分析在不同近接距离下,盾构机推进过程中列车振动荷载对隧道施工的影响。研究表明:高速列车振动荷载加剧隧道管片变形,随着近接开挖距离增加振动荷载影响程度趋于缓和;振动荷载加剧土体塑性变形,地面与隧道管片之间部分土体承受张拉剪切协同破坏。     

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.     

不同隧道介质下地铁列车运行引起地表的振动响应研究

通过选取具有代表性的地铁隧道土层和岩层介质环境,利用有限元软件ANSYS建立隧道—地层有限元模型,基于相同隧道埋深下,施加相同的轮轨激励,研究地铁列车通过不同隧道岩土介质环境时引起的地表振动响应。结果表明:土层地铁,低频(≤8Hz)衰减不明显,高频(80 Hz)开始衰减较快;岩层地铁,在低频(≤8Hz)和高频(100Hz)衰减均较快,衰减幅度大于土层地铁,但中高频能量带宽却大于土层地铁;不同隧道介质下地表振动响应一般均出现4个峰值,其中10~20Hz出现振动放大区,尤其是在12.5Hz左右。距隧道中心50m范围内,岩层地铁与土层地铁的地表振动响应相差不大,大于该距离后,岩层地铁低频振动(≤8Hz)衰减较快,中高频(≥20Hz)衰减较慢,土层地铁则相反。8Hz以内,岩层地铁中振动衰减量大于土层地铁,且随频率增大,岩层地铁与土层地铁振动衰减差异有减小趋势;在10~12.5 Hz,振动波在土层地铁中衰减量开始大于在岩层地铁,且二者衰减量随距隧道中心的远近影响不大。可为地铁减振及设计研究工作提供一定的参考。     

轨道平顺性与土动力特性对地铁隧道振动的影响

为精确计算列车动荷载作用下软土地铁盾构隧道频域振动响应,考虑地基动刚度随应变频响的非线性变化,建立了车辆/轨道/隧道/软土地基的垂向耦合动力学模型,研究了不同轨道平顺等级下软土动刚度随应变频响非线性变化对地铁盾构隧道随机振动的影响规律.研究结果表明:随着轨道平顺性的恶化,地基动刚度随应变频响非线性的变化将引起地铁盾构隧道各频段内的振动加速度级出现明显的非均匀变化;轨道不平顺恶化后,软土地基动刚度的非线性将改变地铁盾构隧道频域振动幅值大小,且其对应频率会出现约有0.2 Hz的偏移,致使地铁盾构隧道频域振动能量出现重分布现象.      

车辆荷载作用下超大断面双层隧道衬砌结构动力响应分析

针对大断面双层隧道结构力学复杂的特点,为了掌握其在运营期车辆荷载作用下的响应规律,对建立的三维隧道模型进行研究.对不同时刻的位移云图、位移进程曲线、加速度时程曲线进行分析,分析结果表明:在车辆荷载作用下,位移变化由大到小依次为车道、衬砌、围岩;位移响应在达到峰值后开始衰减直到荷载作用周期结束,并产生位移残余;加速度响应随着隧道轴线方向距离的增加而不断衰减,仅在出口段有所增加.通过车载作用下超大断面双层隧道的模拟,研究其衬砌结构的动力响应规律,可为运营期衬砌结构健康监控提供参考.     

列车荷载作用下地铁重叠隧道的响应分析

以深圳地铁一期工程区间近距离重叠隧道为背景，研究地铁运营期间，列车振动荷载对隧道结构的的影响。首先根据车辆－轮轨模型，确定列车振动荷载。然后采用释放荷载方法模拟地铁的开挖效应，确定初始应力场，并通过对地铁结构体系进行模态分析，得到体系的振型和频率，以确定合理的阻尼系数和时间积分步长。最后运用Newmark隐式时间积分法，分别研究在上行动载，下行动载和上下交会动载3种情况下，区间近距离重叠隧道的动力响应，确定在列车振动荷载作用下衬砌结构的薄弱部位及其相应的位移和应力。     

地铁列车引起的地面振动

为了研究地铁列车引起的地面振动,将轨道、隧道结构和列车荷载简化后建立三维有限元动力分析模型,列车按8节车辆编组,以80km／h的速度运行．计算了列车引起的地面振动,以分析隧道地基弹性模量和隧道埋深对地面振动响应的影响,结果表明：列车通过时,地面的竖向振动普遍比横向振动大;在靠近线路中心的区域,竖向振动随到线路距离的增加很快衰减;地面的横向振动有时比竖向的大,计算时不应忽略;地面振动强度和传播范围随地基弹性模量和埋深增加而减小。     

深埋式桩板结构桥-隧过渡段动力响应特征分析

为了解深埋式桩板结构桥-隧过渡段的动力特性及过渡性能,在沪昆高铁某工点过渡区（含隧道口、过渡段及桥台）开展现场动力响应测试,分析不同车型、车速及行车方向等工况下过渡区的动力响应分布规律;并建立考虑车辆-轨道-路基耦合振动数值模型,研究过渡区的线路平顺性及桩板结构过渡段的动应力分布. 研究结果表明:不同车型列车激励下,过渡区振动加速度及动位移有效值的最大值分别为0.85 m/s2、0.034 mm,过渡段的振动水平要比隧道及桥台的更低;过渡段动力响应有效值随车速增大而增大,其增幅比隧道与桥台的更小;行车方向对过渡段与桥台连接区域的动力响应影响较大,对其他断面影响微弱;列车以300 km/h车速经过该过渡区时,过渡区钢轨挠度最大变化率约为0.149 mm/m,车体竖向加速度最大值为0.74 m/s2;桩板结构的存在能够将列车荷载传递至深部地基,使浅层地基土体承受的动力作用降低.      

高速铁路加筋土挡墙动响应规律现场试验

为研究土工格栅加筋土挡墙在高速列车荷载作用下的动态响应规律并分析其作用机理,设计并进行了现场激振试验,研究了加筋土挡墙内加速度、动土压力等动态响应的分布规律,并进行了不同墙面形式挡墙动态响应规律的对比分析.研究结果表明:加筋土的竖向加速度随加载次数的增加基本没有变化;靠近墙面处水平动土压力沿墙高呈单峰值分布,峰值位于2/3墙高处;随加载次数的增加,垂直动土压力增长很小;在顶部不到1/3墙高的范围内,竖向加速度衰减了87%~91%,垂直动土压力衰减了86%;模块式加筋土挡墙具有刚度大、变形小、整体性好等优点.     

双振源激励下地铁车辆段上盖建筑物振动特性

以广州某地铁车辆段为研究对象, 实测了试车线与库内检修线引起地面振动的加速度, 分析了两类振源的衰减规律与差异; 建立了车辆段上盖建筑物有限元模型, 将实测地面振动数据采用大质量法进行多点激励, 分析了双振源激励对上盖建筑物楼板振动的影响。研究结果表明: 列车通过时, 试车线地面振动主要频率为60~80 Hz, 检修线主要频率为20~40 Hz; 试车线荷载振源强度大于检修线, 约为6 dB; 试车线振动衰减率约为1.07 dB·m-1, 检修线振动衰减率约为1.69 dB·m-1, 说明检修线引起地面振动强度的衰减速度比试车线更快; 与非一致激励相比, 一致激励对上盖建筑物楼板10 Hz以下振动影响显著, 各层加速度级在2.5 Hz处存在明显峰值, 这与建筑物楼板的固有频率有关; 试车线荷载激励下, 底层楼板振动主要频率范围为40~60 Hz, 顶层出现在20~40 Hz, 峰值中心频率集中在40.0 Hz处; 检修线荷载激励下, 各层楼板振动主要频率范围为0~40 Hz, 峰值中心频率集中在31.5 Hz处; 对比单一振源激励, 双振源激励使建筑物楼板Z振级增加了0~3.5 dB, 这在地铁车辆段上盖建筑物的环境振动评价中应充分重视。      

重载铁路隧道基底动力响应及加固研究

以蒙华铁路王家湾隧道为工程依托,采用数值模拟的方式,研究不同行车速度下隧道基底围岩的动力响应规律,进一步分析基底围岩经水泥挤密桩加固后的动力响应情况以及桩间距的改变对加固效果的影响。研究结果表明:隧道基底围岩的加速度峰值和动应力峰值都随着行车速度的增加而增加,且加速度峰值受速度变化影响较大;隧道基底围岩的加速度峰值、动应力峰值都随着离基底距离的增加而减小,加速度峰值衰减速率逐渐变小,而动应力峰值衰减速率逐渐变大,其中,基底以下0~3m为速度强影响区,3~5m为速度弱影响区;水泥挤密桩加固使基底围岩最大加速度峰值减小,动应力峰值增大;随着桩间距的增大,较浅处围岩加速度峰值减小,较深处围岩加速度峰值增大,而动应力峰值都逐渐增大,且桩中部受影响较大。根据分析,建议在重载铁路隧道加固方案中,桩间距取0.4m左右较为合适。     

柔性接头地铁隧道穿越地裂缝的地震响应

采用振动台模型试验,模拟地震荷载和地裂缝场地沉降,分析了穿越地裂缝区域且设置柔性接头的分段地铁隧道的动力响应,研究了地裂缝场地沉降、裂缝发育特征、地铁隧道加速度响应特征、土压力与隧道各区段不同部位的应变规律。分析结果表明:由地裂缝场地沉降与地震荷载耦合作用所产生的差异沉降和裂缝多集中于柔性接头部位;各区段地铁隧道间的运动具有一定独立性,上盘靠近地裂缝的地铁隧道的加速度峰值是下盘隧道的3.2倍;距离地裂缝越近土压力越大,且在耦合荷载作用下,上盘土压力是下盘土压力的6.7倍;地铁隧道各区段左右拱腰应变较大,底板处应变次之,拱顶部位应变较小;柔性接头设置后各区段应变增率减小,在距离地裂缝较近部位未出现明显的应变增加现象。可见,在地震荷载与地裂缝场地沉降耦合作用下,柔性接头能够减小地铁隧道地裂缝位置处的集中应力与地裂缝场地的变形。     

既有桩基影响下隧道开挖地层变形规律研究

为了研究城市隧道沿线邻近既有桩基的情况下,隧道开挖导致的地层变形规律,本文通过一个透明土物理模型试验并采用基于PIV技术的土体内部断层三维变形量测系统监测变形,得到了在既有桩基影响下,隧道施工过程中的地层规律。研究结果表明:隧道开挖引起的周围土体变形区域主要位于隧道上方及上方左右两侧,变形主要以竖向沉降为主,水平变形为辅,砂土地层呈现出整体较均匀变形模式,竖直与水平方向变形均大致对应隧道轴线对称;砂土地层中,隧道掌子面在桩基-隧道中心轴线前时,隧道周围地层变形较小,即隧道开挖的影响还未到达(刚到达)该区域;掌子面位置经过桩基-隧道中心轴线切面后,该切面上地层发生持续变形,直至掌子面位置距离该面约2倍直径后重新达到稳定平衡状态,变形基本完成。     

隧道群上方土体开挖对隧道竖向变形影响分析

地铁上方土体大面积开挖时,因为卸荷作用,土体会发生隆起,同时土体下方的隧道也会伴随出现变形,变形过大将会影响列车的安全运行。如何控制开挖土体引起的隧道竖向变形是一个非常重要的问题。以杭州某河道开挖工程为研究对象,运用ABAQUS有限元软件进行数值模拟,建立三维模型,分析隧道上方土体开挖顺序对隧道的竖向变形影响。分析结果表明:隧道群上方土体开挖应优先开挖埋深较浅隧道上方的土体,同时尽可能保证开挖区域的对称性,以减小隧道不均匀变形。本文的研究结果可为今后的类似工程提供借鉴。     

地铁列车引起的大地振动传播规律研究

建立列车一轨道连续弹性双层梁平面模型,模拟地铁列车运行时引起的轨道结构振动,采用快速傅里叶变换法并结合Matlab软件编制程序,求出作用在隧道基底的荷载值,在此基础上,建立“隧道一土层”三维有限元模型,计算并分析了不同列车速度、不同隧道埋深等工况组合下地铁列车引起的大地振动传播规律。     

砂卵石地层地铁车站地震动力响应规律研究

基于砂卵石土高摩擦性、低粘结性特点,通过ABAQUS建立二维数值计算模型,研究砂卵石地层与软黏土地层下地铁车站地震动力响应规律,结果表明:小震作用下软黏土地层对车站结构抗震有利,中震及大震时砂卵石地层对车站结构抗震有利。     

地铁盾构双线隧道施工地层变形及衬砌结构应力数值分析

为预测盾构双隧道施工周围土体的变形及衬砌结构管片应力规律,以石家庄地铁1号线07标段北宋—谈固站区间双线隧道为工程背景,在考虑各土层材料性质及盾构施工工艺的基础上,利用FLAC3D建立了盾构双隧道的三维精细数值模型,研究了盾构双隧道衬砌管片的应力规律,并与现场实际监测数据进行了对比分析.结果表明:盾构隧道开挖造成的地层沉降大致沿隧道轴线与水平线夹角45°向地表扩散.横向地表沉降的影响距离距隧道中心约为30m.随着隧道埋深增加,对应地表监测点位累计沉降值变小,与隧道埋深成反比对应关系.隧道附近土体的第一主应力存在应力集中现象,应力集中系数约为1.3.衬砌管片应力分布存在差异性,靠近双隧道共同扰动的管片侧的拉应力和剪切应力集中现象较为明显.衬砌管片横断面形变以"椭圆化"变形为主,兼有断面收缩变形.