本文選題：動力荷載　切入點：地基　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：本文以北京地鐵8號線二期工程霍營站新增站外工程下穿既有線(北京地鐵13號線霍營站-立水橋站區(qū)間)為工程背景,在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,以室內(nèi)試驗、理論分析、現(xiàn)場試驗(監(jiān)測)和數(shù)值計算為主要研究手段,首先研究了循環(huán)荷載和沖擊荷載下土的動力特性,從理論上給出了隧道開挖對地基和既有線影響的計算方法,進(jìn)而采用現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬的方法詳細(xì)研究了列車荷載下地基和下穿隧道體系的相互作用性狀,對下穿隧道的施工提供指導(dǎo),為類似工程的合理設(shè)計提供理論依據(jù),具有十分重要的工程實用價值。主要研究成果總結(jié)如下：(1)為了研究循環(huán)荷載作用下土的動力特性,設(shè)計并實施了室內(nèi)動三軸試驗。在試驗方案的設(shè)計上,考慮了相鄰兩輛列車之間的時間間隔,這與目前多數(shù)既有研究不同。采用不同的動應(yīng)力幅值對北京地區(qū)第四紀(jì)粉土和粘土進(jìn)行試驗,得到了如下結(jié)論：(a)隨著動應(yīng)力幅值的增加,粉土和粘土在破壞前存在一個應(yīng)力最大值,粉土的應(yīng)力達(dá)到最大值后迅速衰減,而粘土的應(yīng)力達(dá)到最大值后保持不變直至破壞。(b)隨著加載次數(shù)的增加,滯回圈的中心隨應(yīng)變增大而移動,這說明土體發(fā)生了累積變形。(c)粉土累積變形分為3個階段變化：第1階段表現(xiàn)為累積變形快速增大,但增大速率卻逐漸減�。坏�2階段表現(xiàn)為累積變形穩(wěn)定變化,增大速率保持恒定；第3階段表現(xiàn)為累積變形趨于穩(wěn)定值。對于本文來說,下穿隧道施工結(jié)束后,其使用的初期周圍土體的變形較大,應(yīng)重點研究。(d)粘土如果不發(fā)生應(yīng)力強(qiáng)化,則其累積變形基本上按照一個均勻的速率逐漸增加,如果發(fā)生應(yīng)力強(qiáng)化,累積變形速率會出現(xiàn)拐點,在應(yīng)力強(qiáng)化點后累積變形的速度會加快,這對于土體的穩(wěn)定是不利的。(e)土的動彈性模量隨軸向應(yīng)變的增加不斷減小,即發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象,這與既有研究的結(jié)果相同,但當(dāng)動應(yīng)力較小(土樣在試驗中未發(fā)生破壞)的情況下,動彈性模量會隨著振動次數(shù)的增加而略有增大；而在動應(yīng)力較大(土樣在試驗中發(fā)生破壞)的情況下,動彈性模量則隨著振動次數(shù)的增加不斷減小。這種現(xiàn)象與既有的研究不同,可能的解釋是試驗加載所考慮的時間間隔改變了土顆粒重新排列的方式,進(jìn)而導(dǎo)致了此種現(xiàn)象的發(fā)生。(f)土的動阻尼比隨著振動次數(shù)的增加呈逐漸減小的趨勢：當(dāng)振動次數(shù)到達(dá)一定次數(shù)后,動阻尼比的大小基本保持不變；對每次加載的24次振動來說,動阻尼比隨著振動次數(shù)的增加呈逐漸增大的趨勢。這種現(xiàn)象與既有的研究不同,可能的解釋是試驗加載所考慮的時間間隔改變了土顆粒重新排列的方式,進(jìn)而導(dǎo)致了此種現(xiàn)象的發(fā)生。(2)為了研究沖擊荷載作用下土的動力特性,設(shè)計并實施了分離式霍普金森壓桿被動圍壓試驗。采用不同的沖擊速度對北京地區(qū)第四紀(jì)粉土和粘土進(jìn)行試驗,得到了如下結(jié)論：(a)土體的彈性段不是很明顯,并且沒有明顯的屈服過程。(b)隨著應(yīng)變率的增大,應(yīng)力也隨之增大,具有很強(qiáng)的應(yīng)變率效應(yīng)。(c)與粘土相比,粉土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為平緩,應(yīng)力最大值也小于粘土的應(yīng)力最大值。(d)圍壓的大小與應(yīng)變率關(guān)系不大。(e)在沖擊荷載作用下,土的動態(tài)屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而增大；粘土的動態(tài)屈服強(qiáng)度大于粉土。(f)與混凝土、巖石和煤等材料相比,土的反映低應(yīng)變率效應(yīng)的松弛時間θ1與這些材料的松弛時間θ1相差不大,都在0.3-0.4s-1之間,這說明巖石、混凝土、煤和土等材料具有比較一致的低應(yīng)變率響應(yīng)特性；土的反映高應(yīng)變率效應(yīng)的松弛時間θ2大于這些材料的松弛時間θ2,這說明土體材料對高應(yīng)變率的敏感性比混凝土、巖石、煤等材料強(qiáng)烈。對于粉土和粘土來說,θ1相差不大,θ2的值粉土大于粘土。由于高應(yīng)變率下松弛時間越長,材料中積蓄的能量越多,因此在沖擊荷載作用后,粉土產(chǎn)生了破壞,而粘土則沒有破壞。(3)給出了動力荷載下隧道開挖對地基和既有線影響的理論計算方法：將軌道和路基簡化為Euler-Bernoulli梁,將列車荷載簡化為一系列的移動軸荷載,得到了地基表面的均布荷載；在此均布荷載作用下,根據(jù)彈性力學(xué)三大基本方程并利用拉普拉斯變換得到了單層彈性地基的解析解,進(jìn)而利用變形協(xié)調(diào)和位移連續(xù)條件得到了層狀彈性地基的解析解。其次基于對時間t的拉普拉斯變換提出了使用柔度系數(shù)表達(dá)的粘彈性模型的物理方程,得到了沖擊荷載下單層粘彈性地基的基本解,進(jìn)而利用變形協(xié)調(diào)和位移連續(xù)條件得到了層狀粘彈性地基的基本解。最后同時考慮列車荷載和沖擊荷載,采用連續(xù)彈性解法從理論上分析了下穿隧道開挖對既有線的影響。(4)采用現(xiàn)場實測的方法研究了地基沉降和隧道結(jié)構(gòu)振動規(guī)律,并使用Peck公式對沉降進(jìn)行了分析,采用小波變換分析了振動信號的時頻特性,得到了如下結(jié)論：(a)使用Peck公式對實測沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,得到了地表沉降槽寬度系數(shù)K的值在0.8055-1.4609之間,大多數(shù)的數(shù)值略大于1；地層損失率V1的值在0.7569%-3.9185%,而且絕大多數(shù)的值在3%以下。(b)從地基表面垂直于隧道軸線各監(jiān)測點的沉降規(guī)律來看,隨著隧道的開挖,已開挖部分的地表沉降要大于未開挖部分的地表沉降；某一斷面開挖過后,地表沉降會加速,表現(xiàn)為沉降槽的下凸程度加大,地層損失率也隨之增大。從地基表面累積沉降規(guī)律來看,兩正線下方的地表沉降基本上隨時間的增加而增大,而兩聯(lián)絡(luò)線處的地表沉降則會出現(xiàn)先減小后增大的趨勢,這說明列車荷載對地表沉降也有影響。(c)隧道結(jié)構(gòu)垂直方向的實測振動速度最大,其次為與列車行進(jìn)方向相同的水平方向,與列車行進(jìn)方向垂直的水平方向的振動速度最��；在所監(jiān)測的范圍內(nèi)(兩正線外5m),振動速度隨著距離的增大逐漸衰減；實測頻率的范圍位于13-87Hz之間,絕大多數(shù)位于30-60Hz。(d)對地鐵行車荷載下隧道結(jié)構(gòu)振動的小波分析中,最優(yōu)小波基為bior小波系中的bior3.Nd(Nd=1、3、5、7、9)小波基。頻帶1-5(對應(yīng)的頻率為0-62.5Hz)的能量占去了信號能量的絕大部分,由于其頻率屬于低頻范圍,接近于建筑物的自振頻率(2-10Hz),因此,地鐵列車產(chǎn)生的振動應(yīng)引起足夠的重視。(5)根據(jù)對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的分析,給出了地基沉降和隧道結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測的建議：(a)埋深在4m以內(nèi),埋深對沉降量最大值的影響程度大于隧道的開挖面積：埋深在4m以外,隧道開挖面積的影響將處于主導(dǎo)地位。因此,對于暗挖隧道下穿既有線這類工程,在制定施工方案時,要充分考慮到隧道開挖面積和埋深的影響。同樣面積的隧道若埋深不同而沉降控制標(biāo)準(zhǔn)相同時,則埋深較小的隧道開挖需要更為有效的主動控制措施,如采用同步頂升技術(shù)、及時的護(hù)軌作業(yè)等。(b)鑒于地鐵行車荷載引發(fā)結(jié)構(gòu)振動的特殊性,應(yīng)當(dāng)對三個方向的振動進(jìn)行監(jiān)測,這點與爆破地震波的監(jiān)測不同。此外,不能以振動速度為標(biāo)準(zhǔn)對隧道結(jié)構(gòu)振動進(jìn)行控制,而應(yīng)當(dāng)以速度和頻率相結(jié)合的方式進(jìn)行。對本文所研究的工況,距離列車荷載作用位置10m范圍內(nèi)都需對結(jié)構(gòu)振動的速度和頻率進(jìn)行重點監(jiān)測。(6)采用數(shù)值模擬的方法,研究了列車荷載下地基與下穿隧道的相互作用性狀。利用ANSYS/LS-DYNA軟件的小型重啟動模擬了隧道開挖的整個過程和列車荷載的長期作用,得到如下結(jié)論：(a)列車荷載下下穿隧道軸線地表和下穿隧道拱頂會出現(xiàn)振動空洞效應(yīng),即對稱于列車荷載作用位置的節(jié)點中,處于已開挖區(qū)的節(jié)點振速大于未開挖區(qū),并定義振動放大系數(shù)為開挖區(qū)振動速度除以未開挖區(qū)振動速度。研究結(jié)果表明開挖結(jié)束后空洞效應(yīng)消失；多數(shù)的振速放大系數(shù)峰值出現(xiàn)在隧道開挖一半的位置。(b)在開挖過程中,對于地表位移,列車速度6Okm/h的影響程度最大；對于下穿隧道拱頂位移,列車速度80km/h的影響程度最大；開挖完成后,列車速度80km/h對位移的影響程度最大。(c)在下穿隧道開挖過程中,埋深4.5m對位移的影響程度最大；開挖完成后,對于地表位移,埋深15m的影響程度最大,而對于拱頂位移,埋深10m的影響程度最大。(d)基于混凝土材料疲勞壽命計算的Asa-Jakobsen公式,下穿隧道結(jié)構(gòu)的疲勞壽命可以滿足使用要求。本文有以下三個創(chuàng)新點：(1)設(shè)計并實施了動三軸試驗,得到了循環(huán)荷載下土的動模量和累積變形隨剪應(yīng)變和振動次數(shù)變化的規(guī)律；設(shè)計并實施了SHPB被動圍壓試驗,研究了沖擊荷載下土的力學(xué)性能,并根據(jù)試驗結(jié)果改進(jìn)了朱-王-唐本構(gòu)模型。(2)建立了動力荷載下彈性和粘彈性層狀地基的動力響應(yīng)理論,采用連續(xù)彈性解法推導(dǎo)出下穿隧道開挖對地基和既有線影響的理論計算式。(3)提出了一種新的列車荷載計算方法和加載方式,并應(yīng)用于ANSYS/LS-DYNA軟件模擬了隧道開挖過程和列車荷載作用下的地基與下穿隧道的相互作用效應(yīng),得到了開挖過程、列車速度和拱頂埋深對振動速度和位移的影響。
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【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU435

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 陳學(xué)良;金星;陶夏新;康蘭池;;土體動力一維非線性本構(gòu)關(guān)系剖析與評價[J];地震工程與工程振動;2006年06期

2 王小崗;黃義;;橫觀各向同性飽和層狀地基的三維穩(wěn)態(tài)動力響應(yīng)[J];工程力學(xué);2006年05期

3 劉俊新;陳忠富;徐偉芳;陳剛;;壓實度和含水率對壓實黏性土動態(tài)力學(xué)性能的影響試驗研究[J];巖土力學(xué);2012年06期

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本文編號：1568114