（岩土工程专业论文）交通动荷载引起的软土地基长期沉降.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着高速铁路在软土地基上的大量修建和运营，交通荷载引起的路基长期动力 稳定性，特别是工后长期沉降，已引起工程师和研究者的广泛关注。高速铁路无砟 轨道严格要求路基工后沉降不超过1 5 m m ，预测和控制交通荷载引起的软土地基长 期沉降是高速铁路路基设计中的一个关键问题，目前国内对此尚缺乏有针对性且成 熟的分析方法。本文采用2 5 维有限元方法对高速铁路路基的动力响应进行数值模 拟，并结合室内试验建立的软粘土累积变形模型，提出了运行期列车动荷载作用下 地基长期沉降的计算方法，最后采用该方法分析了高速铁路运行动荷载引起的地基 长期沉降规律。这方面问题的研究对于城市地铁和高速公路是共通的，本文也对此 进行了初步展开。具体内容如下： 1 、基于目前在建的京沪高速铁路的研究背景，总结了高速铁路路基工后沉降的 组成、控制标准和现有的计算方法及列车动荷载引起的路基动力响应和累积长期变 形的研究现状。 2 、介绍列车动荷载作用下地基动力响应的计算方法及原理，并结合室内试验建 立的软粘土累积变形模型，提出列车动荷载作用下地基长期沉降的计算方法。 3 、建立轨道路堤地基在高速列车动荷载作用下的有限元模型，对高速铁路路 基的振动特征和动应力分布规律等进行了计算和分析，并基于本文提出的方法分析 了列车运行引起的软土地基长期沉降规律，其中考察了列车速度、路堤高度及刚度 等参数的影响。接着对地基处理的有效深度和效果进行简要评价。 4 、建立轨道隧道结构地基在城市地铁列车动荷载作用下的数值分析模型，分 析t y o 车移动荷载引起的波在地表和地基内部的传播规律。并对地铁运行引起的地 基长期沉降进行计算和分析，其中考察了列车速度、衬砌刚度及厚度等参数的影响。 5 、建立路面结构地基在公路车辆荷载作用下的数值分析模型，着重分析交通荷 载作用下公路典型路面结构的振动特征。并分析了公路交通荷载引起的地基长期沉 降规律，其中考察了车辆速度及路面结构特征等因素的影响。 关键词：高速铁路；软土地基；列车移动荷载；2 5 维有限元；瞬态振动；动应力； 长期沉降 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h em a s sc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no fh i g h - s p e e dr a i l w a yl i n e st h r o u g hs o f t s o i ld e p o s i t e da r e a ，t h el o n g - t e r md y n a m i cs t a b i l i t ya n de s p e c i a l l yt h ep o s t - c o n s t r u c t i o n s e t t l e m e n to fr o a d b e dd u et ot r a f f i cl o a d sh a sd r a w ne x t e n s i v ea t t e n t i o no fe n g i n e e r sa n d r e s e a r c h e r s w h a t sm o r e s u b g r a d es e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o ni ss t r i c t l yr e q u i r e dl e s s t h a n15 m mf o rh i g h s p e e dr a i l w a yo fb a l l a s t l e s st r a c k ，t h e r e f o r ei ti sak e yt e c h n i q u ef o r t h er o a d b e dd e s i g n e r st op r e d i c ta n dc o n t r o lt h e1 0 n g t e r ms e t t l e m e n t so ft h es o f ts o i l g r o u n d w h e r e a st h el a c ko fs o m et a r g e t e da n dm a t u r er e s e a r c h e si nt h i sf i e l di nc h i n a c u r r e n t l y , h e r e i n 2 5 df em o d e lf o rt r a c k e m b a n k m e n t g r o u n di sb u i l tt oa n a l y s et h e i r d y n a m i ci n t e r a c t i o n ，a n dt h el o n g - t e r ms e t t l e m e n to fs u b g r a d eg r o u n di s s o l v e db y i n c o r p o r a t i n gt h ec u m u l a t i v ed e f o r m a t i o nm o d e lb yt h el a b o r a t o r yt e s t s i m i l a r l y , t h e s e r e l a t e di s s u e sa b o v ea r ec a r r i e do u tp r e l i m i n a r i l yf o rt h es u b w a ya n dh i g h w a y s t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w si nt h i st h e s i s ： 1 d e v e l o p m e n t so ft h et r a i n 1 0 a d - i n d u c e dd y n a m i cr e s p o n s ea n dc u m u l a t i v ep l a s t i c d e f o r m a t i o no fs u b g r a d e ，t h ec o m p o n e n ta n dc o n t r o ls t a n d a r d sa n dt h ee x i s t i n ga n a l y t i c a l m e t h o do ft h ep o s t c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n to ft h er a i l w a yr o a d b e da r es u m m a r i z e d ，b a s e d o nt h eb a c k g r o u n do fb e i j i n g - s h a n g h a ih i g h - - s p e e dr a i l w a yu n d e rc o n s t r u c t i o nc u r r e n t l y 2 t h ea n a l y t i c a lm e t h o da n dp r i n c i p l ef o rd y n a m i cr e s p o n s eo fs o f tg r o u n da r e i n t r o d u c e d m e a n w h i l e ，a na p p r o a c hi sp r e s e n t e dt oc a l c u l a t et h el o n g - t e r ms e t t l e m e n t so f s o f tg r o u n di n d u c e db yt r a f f i cl o a d i n g sc o m b i n e dw i t ht h ec u m u l a t i v ed e f o r m a t i o nm o d e l e s t a b l i s h e dt h r o u g ht h ei n d o o rt e s to nx i a o s h a nc l a y 3 2 5 df i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt r a c k e m b a n k m e n t g r o u n dd y n a m i ci n t e r a c t i o n u n d e rm o v i n gt r a i n l o a d si sa d o p t e dt os t u d yt h et r a n s i e n tv i b r a t i o na n dd y n a m i cs t r e s s d i s t r i b u t i o no fs u b g r a d ea n du n d e r l y i n gg r o u n d m o r e o v e r , t h el o n g - t e r ms e t t l e m e n t so f s u b g r a d eg r o u n di ss o l v e db yt h ea b o v ea p p r o a c h ，a n dt h ee f f e c tf r o ms o m ef a c t o r s ， i n c l u d i n gt r a i ns p e e da n dt h eh e i g h ta n ds t i f f n e s so ft h ee m b a n k m e n ta r ec l a r i f i e d t h e n ， t h ee f f e c t i v ed e p t ha n di m p a c to ff o u n d a t i o nt r e a t m e n ta r ea l s oe s t i m a t e db r i e f l y 4 t r a c k t u n n e l g r o u n di n t e r a c t i o nn u m e r i c a lm o d e li sb u i l tt os t u d yt h es p r e a d f e a t u r e so ft h er u n n i n gs u b w a y - t r a i n - i n d u c e dw a v e si nt h es u r r o u n d i n gg r o u n da l o n gt h e r a i l w a yl i n e m o r e o v e r , t h er u l eo ft h el o n g - t e r ms e t t l e m e n to fs o f tg r o u n di sa n a l y s e d ， c o n c e r n i n gt h ee f f e c to ft r a i ns p e e da n d t h es t i f f n e s sa n dd e p t ho ft h el i n e rs t r u c t u r e 5 p a v e m e n t g r o u n di n t e r a c t i o nn u m e r i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e dt oa n a l y s et h e v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et y p i c a lp a v e m e n ts t r u c t u r eo ft h eh i g h w a y s m o r e o v e r , t h e r u l eo ft h es u b s o i ll o n g t e r ms e t t l e m e n ti sa l s og i v e n ，c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so fv e h i c l e s s p e e da n d t h es t i f f n e s so ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r e k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dr a i l w a y ；s o f tg r o u n d ；t r a i nm o v i n gl o a d ；2 5 df i n i t ee l e m e n t ； t r a n s i e n tv i b r a t i o n ；d y n a m i cs t r e s s ；l o n g t e r ms e t t l e m e n t i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：需；谬 签字日期：劲孑年，月，口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：秀；1 芝 导师签名： 汤勺气a 签字日期：夕一j 年 占月，o 日签字日期：砌瑶年j 月，z ，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话： 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 近年来，高速铁路作为一种高效、安全、环保及经济的运输工具，在许多国家 得到了广泛重视和蓬勃发展。1 9 6 4 年日本建成世界上第一条高速铁路东海道新 干线，最高时速2 1 0 k m ，标志着高速铁路技术进入实用化阶段，并且在其投入商业 运营以来就迅速地展示出明显的技术经济优势。2 0 世纪6 0 年代以来，高速铁路在 世界发达国家崛起，不仅给传统铁路注入了新活力，而且掀起了世界各地区修建高 速铁路的热潮。2 0 世纪9 0 年代，西欧各国开始筹划联网，北美、东欧、大洋洲及 东亚的一些国家和我国台湾省等也积极推进高速铁路项目。时至今日，全世界有日、 法、德、意、西班牙、l i , n 时等国家建成投入运营的高速铁路已逾5 0 0 0 k m ，正在 新建和规划中拟修高速铁路的国家和地区有1 2 个，长度在5 0 0 0 k m 以上。可见，高 速铁路因其带来的巨大经济效益和社会效益而深受世界瞩目【l 】。 在我国，随着国民经济的迅速发展，高速铁路也得到了长足的发展。1 9 9 4 年广 深线作为第一条准高速铁路改造工程的顺利告捷，带动了中国铁路的大提速，至今 全国铁路干线已历经四次大规模提速，秦沈客运专线开通在即。为满足日益增长的 客货运输在数量上和质量上的需求，国家己确定京沪高速铁路为“十一五期间启 动的建设项目。根据国务院批准的中国铁路中长期发展规划，到2 0 2 0 年，中国 将投资2 万亿元建设高速铁路客运网。随着京沪高速、武广客运专线等多条高速线 路即将建设或者已经在建，我国己进入高速铁路蓬勃高速发展的新时期。可以预见， 这些高速铁路的建成，将会极大改善我国客货运输体系并促进地方经济的发展，而 且有利于国家交通运输结构的合理布置，有力地支持可持续发展战略的实施 1 】【2 】。 在我国许多经济发达地区如长江、珠江三角洲及渤海湾等沿海一带及部分内陆 地区广泛分布着深厚的软粘土层，这些软粘土一般具有高塑性、高含水率、高压缩 性、低强度、固结系数小及灵敏度高等特点。例如，沪宁高速公路沿线软土层厚薄 不均，一般为6 1 5 m ，最厚处达3 0 m 3 1 。陇海铁路线徐连段连云港地区海相沉积软 土广泛广泛，最厚达1 5 m 4 1 。近年来，随着国民经济的发展，许多重大交通基础设 施将不可避免地建设在这些软弱地基之上。特别是对于高速铁路在软土地基上遇到 的路基动力稳定和变形问题将更为突出。以往，对于铁路路基工程的设计主要强调 浙江大学硕士学位论文 强度的满足，而忽略了路基变形问题。例如日本东海道新干线设计中仅仅对轨道结 构采取强化措施，而忽略了路基变形的影响，以致于通车后不久，路基下沉严重超 限病害不断，不得不对其以年均3 0 k m 以上的速度大举整修，1 0 年内中断行车2 0 0 多次，列车运营速度也由原来2 2 0 k m h 的设计值下降到1 0 0 1 l o k m h ，尽管后期采 用了高质量的养护维修但仍未解决线路变形问题。可见，路基的变形问题是路基设 计中不容忽视的，尤其是对于交通动荷载作用下软土地基长期沉降量是相当可观【6 j 的情况下，高速铁路路基的变形控制将体现得更为严格和关键。 我国对于高速铁路路基工后沉降的控制提出了极其严格的标准，客运专线无碴 轨道铁路设计指南【7 1 、京沪高速铁路设计暂行规定 8 1 ( 以下简称暂规) 和 铁路特殊土路基设计规范 9 1 对于各路基工后沉降控制标准见下表1 1 。 表1 - 1 路基工后沉降的控制标准 工后沉降控制值( c m ) 年沉降速率 项目 ( e m 年) 一般地段 桥路过渡段 高速客运专线( 2 5 0 3 0 0 k m h ) ( 无碴) 1 50 5 高速客运专线( 3 0 0 3 5 0 k m h ) ( 有碴) 532 客运专线( 2 5 0 k m h ) ( 有碴) 1 0 高速铁路( 2 0 0 k m h )1 5 84 i 级铁路( 1 6 0 k m h ) 2 01 05 i i 级铁路( 1 6 0 k m h 以下) 3 01 5 尽管我国在处理软土地基方面积累了很多经验和教训，但对于软土地区路基的 变形稳定及工后沉降的预测和控制仍未得到有效解决。陇海线徐连段中云一带建成 通车后不到8 年工后沉降量达2 5 m 之多，已成为我国铁路软土地基下沉严重的典 型【1 0 1 。目前在建的京沪高速铁路沿线软土分布广泛，其中徐沪段软土地基总长度达 11 2 8 k m ，软土路基工点有1 2 5 处，且该地区软土成因复杂、工程特性差异很大。可 见，如何有效控制软土地基工后沉降是高速铁路设计与施工面临的一项关键技术， 也是如今亟需研究和解决的问题。本文正是基于京沪高速铁路的背景提出来的，具 有重要的工程现实意义。 1 2 高速铁路路基工后沉降 1 2 1 高速铁路路基结构形式 为适应高速铁路的发展，高速铁路线路结构取得了很大发展，目前主要有两种 2 浙江大学硕士学位论文 基本形式，即有碴轨道和无碴轨道。其中我国普通铁路、准高速铁路、客运专线以 及拟建的高速铁路基本以有碴轨道为主，仅在部分桥隧地段采用了无碴轨道。无碴 轨道因具有少维修、运营性高等特点是高速铁路新型轨道结构发展趋势，但目前技 术并未完全成熟，因此有碴轨道仍具有极强的生命力。法国国铁( s n c f ) 认为路基 与道床的结合有利于减轻振动与噪音，考虑到无碴轨道造价昂贵并不认为有必要将 有碴轨道改为无碴轨道。文献【1 l 】在总结以往研究工作及现场试验的基础上，认为经 改进后的有碴轨道能够满足2 5 0 k m h 以上行车的需要。 高速铁路路基一般有以下几个组成部分：基床表层、基床底层、路堤本体及地 基。为了减少列车荷载作用下路基的塑性变形，世界各国都非常重视提高路基质量， 通过各种措施来改善这一薄弱环节，以满足高速行车需要。我国在制订高速铁路和 客运专线路基基床设计标准时，采用级配砂砾或级配碎石基床表层结构型式，如图 1 1 所示。基床表层设级配碎石，厚度为0 7 m ，k 3 0 _ 1 9 0 m p a m ；基床底层厚为2 3 m ， 根据填料不同，要求k 3 它1 1 0 1 5 0 m p a m ；基床以下路堤k 3 0 9 0 1 3 0 m p a m 。 8 , 8 图1 - 1 京沪高速铁路单线路堤基床标准结构型式( 单位：m ) 1 2 2 高速铁路路基工后沉降的组成 路基在填筑过程中至铺轨前所产生的沉降为施工沉降，这部分沉降可以通过填 补加高来解决，不是路基工后沉降的主要控制部分。路基在铺轨之后所产生的沉降 为工后沉降，只能以抬道补碴调整，直接关系到高速铁路的运营能力和养护维修工 作量，它由如下三部分组成： ( 1 ) 路基填土压密下沉 辅轨后，由散体材料填筑而成的路基本体产生的压密下沉。压实度越高，沉降 量越少。目前通常采用控制路基填料和压实密度来予以保证，如k 3 0 控制指标。另 浙江大学硕士学位论文 外，德国和日本采用如下经验公式估算填土压密引起的工后沉降量，即 s - - h 2 3 0 0 0( 1 1 ) 式中：s 为路堤压密工后沉降量( m ) ；h 为路堤高度( m ) 。根据暂规，当 路堤以粗粒土、碎石类土填筑时，其工后沉降量可按路堤高度的0 1 0 3 计，这 与上述公式( 1 1 ) 计算值相当。 ( 2 ) 行车引起的基床累积下沉 这部分下沉是由列车通过道床传递到基床面的动荷载引起的，并不断累积。为 保证列车运行的安全性和舒适性，要经常进行轨道维修作业。累积下沉量的大小限 制主要与维修模式和维修费用有关。根据日本的资料，当基床表层k 3 0 1 5 0 m p a j m ， 底层k 3 0 7 0 , - - 一1 1 0 m p a m ，荷载作用1 5 0 万次( 相当于日本主要干线1 年的作用次数) 时，累积下沉量仅为1 2 5 m m ，且经过1 年行车后便能趋于稳定而不会再发展。 ( 3 ) 软土地基引起的路基工后沉降 这部分沉降主要由路基结构下方的地基所产生，它是路基工后沉降的决定性部 分。这里可以初步估算一下：客运专线有碴轨道路基高度一般在3 , - 6 m ，填土压密下 沉的工后沉降按0 3 计，由路基填土压密下沉和行车引起的路基工后沉降约2 c m ， 由地基所引起的路基工后沉降不应大于8 c m ，即占暂规要求的8 0 左右。可见， 软土地基产生的沉降将直接决定路基工后沉降能否满足要求。因此，如何准确地预 估并控制软土地基引起的路基工后沉降显得尤为重要。 软土地基引起的路基工后沉降，主要包含路堤静荷载引起的沉降和列车动荷载 作用引起的沉降两部分，如图1 2 所示。一些实际工程资料表明列车动荷载对软土 地基工后沉降比静荷载的贡献更大【12 1 。 i 町i - j f 通车前通车后 r 路堤i p 辐 图1 2 软土地基工后沉降的组成 载作用 载作用 1 2 3 列车动荷载引起的路基工后沉降机理分析 列车动荷载作用下，软粘土变形可分为弹性变形和塑性变形，其中弹性变形不 4 浙江大学硕士学位论文 会对地基的工后沉降产生影响。当列车动荷载较小且循环作用次数较少时，地基土 体呈现拟静态弹性体特征。 列车动荷载作用下软粘土塑性变形的产生一般有两个过程：一是形变，即列车 动荷载通过的初始( 加载) ，软粘土由于其低渗透性基本处于不排水或很少排水状态， 孔隙水一时来不及排除，有效应力全部由土骨架承担，从而引起土颗粒间的相对错 动和滑移形成新的排列，尽管土体体积没变，但土颗粒已出现不可恢复的残余变形， 在土颗粒变形的同时孔隙水压力不断提高，相当于固结不排水过程；二是体变，即 随着列车动荷载的远去( 卸载) ，累积的孔隙水压力逐渐消散，土体体积变形持续， 相当于固结排水过程。 值得一提的是，在土骨架有效应力转化为孔隙水压力的过程中，土骨架因有效 应力降低，使土颗粒间原已稳定的排列进一步遭到破坏，土体粘结力随之降低，其 强度和模量将会降低( 软化现象) ，在原有动应力下产生的残余应变将逐渐增大。 因此，列车动荷载作用下软土地基的塑性变形主要包括土体不排水残余应变引 起的变形和孔隙水压力消散产生的固结变形两部分。当列车动荷载较大且循环作用 次数较大时，这两部分塑性变形将不断累积，最终形成列车循环动荷载作用下软土 地基的长期沉降。 另外，对于列车动荷载作用下软土地基累积变形形成区域的研究，笔者导师5 】 6 】 通过饱和软粘土的动三轴试验和列车动荷载作用下地基临界动应力分布特征，提出 分析地基长期附加沉降时，只需要考虑临界区域线以内地基土体的变形，如图1 3 所示。 y 陀a 1 oo 50 0o 51 o o 2 o 4 n 訇 0 6 0 8 临界深度 1 0 彩黝黝戮 锈黝黝笏 j|獭缆,v,y瑟 多 动应力比 l缶界动强度 ，、 锄缈 临界区域 、 、必么易一， 、 动应力比 m5 界动强度 图1 3 地基长期沉降的形成区域示意图6 1 这里临界区域线指的是土体临界循环动强度与动应力比相等对应的边界线，在临界 浙江大学硕士学位论文 区域线以外的土体，动应力比小于临界循环动强度，列车动荷载作用下这部分土体 不会产生塑性变形的累积，更不会破坏。也就是说，列车动荷载引起的软土地基累 积长期变形主要是如图1 3 所示阴影区域土体塑性变形的贡献。 因此，在实际工程中为有效控制列车动荷载引起的软土地基长期沉降，可以设 法将动应力比降低在临界动循环强度之内或者仅对动应力比大于临界循环动强度区 域的土体进行地基改良处理。 1 3 研究现状 路堤和车辆静荷载作用引起的路基工后沉降 这方面的计算理论已较为成熟，目前多基于一维压缩变形假定，采用分层总和 法计算，也可根据前期沉降实测资料采用曲线拟合法或数值法进行分析。具体而言， 可归纳为以下几类常用方法：( 1 ) 、经验公式法，较好的公式有：日本名神东名高速 公路或铁路的经验公式、我国铁道工程设计技术手册中推荐使用的经验公式、 张诚厚等根据沪宁高速公路或铁路实测侧向位移建立的半经验公式和浙大经验公式 等；( 2 ) 、以e - p 曲线或考虑应力历史的e l g p 曲线为依据的方法，包括l a m b e 等提 出的应力路径法，但该方法过多地依赖室内试验；( 3 ) 、基于实测资料的推算法，如 双曲线法、指数法、沉降速率法、o s a k a 法和泊松曲线法等。该方法利用施工现场 前期观测资料，推算路基后期施工中以及竣工后的沉降，简捷且具有较大工程价值； ( 4 ) 、数值分析法，主要包括有限元法、边界元法、差分法、离散元法等，其中有 限元法可以考虑复杂的边界条件、土体非线性特性、土体应力历史及实际复杂的加 荷和卸载影响，具有很多优势，考虑到土体本构模型的选择及其涉及的参数多且不 易确定，该方法在实际工程未能得到普遍应用；( 5 ) 、其他方法，如灰色理论预测法、 反演分析法、人工神经网络法等。 交通动荷载作用引起的路基工后沉降 目前，对于这方面计算理论和分析方法的研究尚处于初步阶段，现有的方法主 要概括为以下几种： 一是结合土体动三轴试验，采用二维数值动力学分析来预测交通荷载作用下地 基的变形 1 3 】。而地基土体的动响应是三维问题，其直接模拟实际工程有些困难； 二是采用等效静荷载处理交通荷载。k u t a r a ( 1 9 8 0 ) t 1 4 】提出采用一维固结理论简化 沉降分析过程，但未考虑交通荷载的实际传递机制和荷载循环产生的沉降； 6 浙江大学硕士学位论文 f u j i k a w a ( 1 9 9 6 ) ”】在实测的基础上，假定交通荷载作用产生的应力增量呈倒三角分 布，这种估算土体的固结沉降不够精确。实际上，列车动荷载作用下地基土体表现 出来的性状与其在静载作用下有很大差别，单纯采用静力学的观点对软土地基长期 沉降进行求解，具有很大局限性，这也是导致在软土分布广泛且厚度较大的地段实 测路基工后沉降远大于预测结果的原因。 三是经验拟合法，即建立土体塑性变形与初始应力状态、动应力及循环加载次 数之间的关系。其中以m o n i s m i t h ( 1 9 7 5 ) t 1 6 】提出的简单指数模型应用最广泛，该模型 简单明了，一直作为很多后续研究软基土累积变形特性的起点。 不难看到上述三种方法均对列车动荷载引起的路基长期沉降的影响因素做了极 大简化，并不能很好地模拟实际情况。可见，目前对于列车动荷载作用下路基长期 沉降的计算方法尚有待迸一步完善，总体来说必须首先展开如下两方面的深入研究： 一是列车动荷载引起的路基动力响应和地基内部动应力分布；二是路基土在循环动 荷载作用下的动力特性。 1 3 1 列车荷载引起的路基动力响应研究现状 列车荷载引起的路基动力响应包括路基动应力、动应变、加速度及其影响因素 等。对路基动力响应的分析因受列车类型、轴重、运行情况、线路结构、钢轨、轨 枕、道碴和下部基础等诸多因素的影响而显得特别复杂，国内外许多学者就列车模 型、轨道及地基模型和振动响应特征等方面进行了大量的研究工作，并取得了一些 重要的理论和试验研究成果。 w i n k l e r ( 1 8 6 7 ) 【1 刀提出了采用弹性支承的b e r n o u l l i e u l e r 梁一维模型模拟铁路轨 道的静态响应问题，后来，t i m o s h e n k o ( 1 9 1 5 ) 1 8 2 将这项研究延伸到动力荷载。 h j e k n i n s ( 19 7 4 ) 1 9 】等根据己有的研究成果和试验数据，采用一个激振振力函数 模拟列车动荷载，它由一系列正弦函数迭加而成。 y o s h i h i k o ( 1 9 8 8 ) 2 0 】将列车荷载表示为与列车速度和轮重、轨道支承状态及轨枕 间距等因素有关的静轮载和附加动载之和。 k r y s o v ( 1 9 8 8 ) 【2 1 】等将轨道模拟为位于w i n k l e r 和k e l v i n 地基上的b e r n o u l l i e u l e r 梁。后来，k r z y z y n s k i 和p o p p ( 1 9 9 7 ) 2 2 1 研究了周期布置的轨枕条件下粘弹性地基上 的二维t i m o s h e n k o 梁模型的动态响应。 s h e n g ( 1 9 9 9 ) 2 3 1 等研究了成层半空间的叠合梁在固定和沿线移动的简谐荷载产 浙江大学硕士学位论文 生的地基振动问题，指出了轨道的动力响应取决于路基结构的临界状态。 g r u n d m a n n ( 1 9 9 9 ) 2 4 】等分析了半空间和分层半空间中一组局部列车荷载引起的 地基静态和动态响应，结果显示了地基分层特征的决定性作用。 w us f ( 1 9 9 9 ) 2 5 】等基于车辆及其悬挂系统的动力平衡得出车辆特征矩阵，并结 合有限元方法确定了多轮对车辆作用下轨道地基的动力响应。 e k e v i d ( 2 0 0 2 ) 2 6 】等采用边界元分析了高速列车移动引起的波在周围路基中的传 播特征，建立的地基振动模型考虑了路基无限边界，提出了以有限元和边界元两者 相结合的分析方法。 a m a f f e i s ( 2 0 0 3 ) 2 刀等将列车与轨道分离，建立轨道路基结构的二维和三维分析 模型，利用谱元素对地基进行离散，对运行在l e d s g a a r d 线上的x 2 0 0 0 列车引起的 路基振动进行了数值模拟，得到的钢轨变形与实测结果较好吻合。l a r s ( 2 0 0 3 ) 皿8 1 、 t a k e m i y a ( 2 0 0 5 ) 2 9 】等也建立了轨道与路基结构的二维和三维分析模型。 在国内，翟婉u f j ( 1 9 9 2 ) 3 0 】等建立了车辆一轨道耦合动力学模型和计算机仿真分析 系统，研究了高速列车与轨道的相互作用问题，并对车辆一轨道耦合动力学模型与传 统车辆动力学模型和轮轨动力分析模型进行了对比分析。 杨英豪( 1 9 9 5 ) t 3 1 】等通过建立在半空间表面上作用无限长均匀线分布竖向荷载模 型来模拟列车运行时动荷载产生的扰力，得到了竖向和水平向振动位移衰减公式， 该公式较好地反映列车运行时振动波在土中的传递规律。 蔡英( 1 9 9 6 ) 【3 2 1 等通过室内模型试验研究了铁路路基的动应力、永久变形、弹性 变形和加速度随列车轴重、运行速度及列车动荷载重复作用次数的变化规律，同时 提出了改善路基动态特性的一些措施。 李军1 d t ( 1 9 9 8 ) t 3 3 1 等通过引入波传导单元和完全的能量传递边界，采用有限元法 分析了铁路路基在高速列车作用下的动力响应问题，并着重讨论了列车速度、地基 刚度及车辆振动等所带来的影响。其中列车动荷载简化成一个包含振幅和频率的指 数形式，通过f o u r i e r 级数反映不同轮组在不同时刻、不同位置处的情形加以考虑。 梁波( 2 0 0 4 ) 3 4 】等采用与不平顺管理标准相应的激振力来模拟列车竖向动荷载。 通过非线性数值分析，探讨了路基在不平顺条件下的动态响应。揭示了路基不同位 置刚度变化对基面变形、动应力及加速度的影响规律。 除了上述研究为路基动应力的分析提供理论基础外，目前对于路基内部动应力 大小及分布规律的研究成果并不多，一般采用实测与理论分析相结合来得出一些规 浙江大学硕士学位论文 律性的认识。 我国大秦线线路实测结果【3 5 1 表明列车速度对路基动应力影响不明显。日本新 干线实测结果【3 6 】表明，路基动应力随列车速度增加而增加，当列车速度超过一定数 值后，其对路基动应力的变化无影响。 文献3 刀认为列车在低速普速运营时，路基内部动应力的变化随速度的增加并 不明显，而当列车速度高于1 5 0 k m h 时， 此外，当列车速度约在3 0 0 k m h 以上时， 动应力幅值明显增加，如图1 - 4 ( a ) 所示。 动应力幅值则基本保持在同一水平。在其 它条件不变的情况下，无碴轨道下路基竖向动应力幅值明显低于有碴轨道，平均值 分别约为1 0 k p a 和3 2 k p a ，如图1 - 4 ( b ) 所示。 以军臻燧v 1 i r c n l 火车蓬缆v lp 【州弼 ( a ) 汉诺威威尔斯堡高速铁路、有碴轨道【3 研( b ) 库茨豪泽既有线改建工型3 9 】 图1 _ 4 路基竖向动应力与列车速度关系的实测结果 可见，对于路基动应力的研究，因其复杂性，不同文献给出的结论有所差别。 目前，我国通过参考国外高速线资料及国内已有的准高速线实测数据，提出了路基 设计动应力幅值按下式计算【4 2 】： = 0 2 6 p ( 1 + 删 ( 1 2 ) 式中：为路基动应力幅值( k p a ) ；p 为静轴重( 心) ；矿为列车速度；口为速度 影响系数，高速和准高速铁路无缝线路分别取0 0 0 3 和0 0 0 4 。 理论分析方面主要采用弹性理论或有限元理论来研究。铁路路基规范和技 术手册一直沿用的是换算荷载法，即将铁路中“活载 等效为按4 5 。扩散角计算的 土柱静荷载，采用b o o u s s i n e s q 理论得出路基动应力的大小及分布规律。 王常晶( 2 0 0 5 ) 【4 伽等通过建立弹性地基上的t i m o s h e n k o 梁模型，给出了列车荷 载作用下地基内部动应力的分布规律，并结合现场测试进行了验证。 边学成( 2 0 0 5 ) 【4 1 】采用2 5 维有限元方法研究了列车动荷载引起的三维地基动力 9 浙江大学硕士学位论文 响应问题，给出了列车运行引起的地基内部动应力的变化路径。 1 3 2 路基土动力累积变形特征研究现状 以往对土体动力变形的研究较多地集中在砂土抗震液化问题上，随着路基工程 的发展，路基土的循环累积动变形特性也越来越受到关注( 具体见附录a ) 。 s e e d ( 1 9 5 6 ) 4 3 1 等研究了压缩粘土在循环荷载作用下的强度和变形特征，由于试 验仪器的限制未将永久变形从总变形中分解出来，仅仅对总变形和循环荷载建立了 定性的关系。 h a r g i s ( 1 9 6 3 ) 4 4 等通过石灰石集料的动三轴试验结果总结出了颗粒材料回弹模 量及永久变形的计算公式。 d l h e a t h ( 1 9 7 2 ) 4 5 j 通过对伦敦粘土三轴试验结果的整理发现累积应变和荷载作 用次数关系存在两组试验曲线：一组变形逐渐发展直到破坏；另一组变形速率逐渐 缓慢最后趋于稳定。这是因为土体存在临界动应力瓯，的缘故，文中还提出了瓯，的 影响因素主要包括土的种类、含水量、密实度、动弹性模量、围压大小、荷载波形 和作用频率等。 b a r k s d a l e ( 1 9 7 2 ) 4 6 通过对不同颗粒材料的永久变形进行研究时发现，在动应力 水平较低时，塑性变形的累积率随荷载作用次数的增大而减小，当动应力水平超过 某一临界值后，塑性变形的累积随荷载次数的增大而增大，并推导了轴向塑性变形 的计算公式。 b r o w n ( 1 9 7 5 ) 4 7 1 通过对饱和粘性土路基永久变形的研究，提出了有效应力分析的 方法，发现对于超固结比的土，塑性变形即使到了荷载作用1 0 6 次后仍在发展。 m o n i s m i t h ( 1 9 7 5 ) t 1 6 】等研究了重复荷载作用下击实条件、应力水平和应力次序对 粘性路基土永久变形的影响，发现：塑性应变率随荷载作用次数增加而减小，对于 受到高应力水平作用前先受低应力水平作用的土体，其永久变形比直接受高应力水 平作用的要小，并导出了累积塑性应变的表达公式。 u sd e p a r t m e n to ft r a n s p o r t a t i o n ( 1 9 7 9 ) 4 8 1 对道碴及路基土的永久变形特性进行 了综合研究，认为路基土永久变形的计算模型与m o n i s m i t h 相同，影响路基永久变 形的主要因素有含水量、密度、应力水平、应力历史和冻融循环等。 h y o d o ( 1 9 9 2 ) 4 9 等通过整理高塑性海积粘土的不排水三轴试验结果，引入相对循 环强度和有效应力空间位置的两个应力参数，采用经验模型模拟了软粘土循环加载 1 0 浙江大学硕士学位论文 产生的孔隙水压力消散过程。 m u h a n n a ( 1 9 9 4 ) 5 0 】通过土体三轴循环试验得到循环加载所产生的塑性变形行为 具有如下结论：( 1 ) 永久变形随着加载次数的增加而增加；( 2 ) 较高应力水平下会 有较大的累积变形；( 3 ) 应力水平相同时，较高的含水量将会产生较大的累积永久 变形；( 4 ) 在未产生破坏的应力水平条件下，永久变形在几乎最初个循环中产生。 l i ( 1 9 9 6 ) ”】等基于m o n i s m i t h 模型，对级配良好的路基土做了大量的试验，提 出了新的改进模型。j i i l 和m i u r a ( 2 0 0 2 ) t 5 2 】考虑初始应力场的影响，对l i 模型进行了 进一步的修正，但确定新引入的参数仍有一定困难。 s a k a i ( 2 0 0 3 ) t 5 3 】等基于a r i a k e 未扰动软粘土三轴循环试验，提出了模拟不同围压 下软粘土部分排水特性的模型。 国内这方面的研究起步较晚，主要针对加载次数、加载频率和波形、应力水平 及超固结比等影响因素来研究国内不同地区软土的循环加载特征( 闰澎旺 6 8 ( 1 9 9 1 ) 、 王建华6 9 ( 1 9 9 6 ) 、周赳7 明( 1 9 9 8 ) 、蒋掣7 1 ( 2 0 0 1 ) 、钟辉虹【7 2 ( 2 0 0 2 ) ，黄茂松7 3 ( 2 0 0 6 ) 、 陈云敏 7 4 】【7 5 ( 2 0 0 6 ，2 0 0 7 ) 等) 。 蒋军( 2 0 0 1 ) 【7 1 1 通过循环加载试验分析了不同加载波形作用下粘土的一维沉降特 征，研究表明：( 1 ) 循环荷载作用下粘土的应变速率随时间的增大而减小，应变速 率与时间之间可用双对数线性关系描述；( 2 ) 应变速率随加载频率和循环应力的增 大而增大，粘土未破坏前的应变速率对数与循环应力比之间可用线性关系描述；( 3 ) 粘土的应变速率衰减率与加载频率、循环荷载应力比无关，但与超固结度有关。 钟辉虹( 2 0 0 2 ) r 7 2 】等通过室内试验研究饱和软粘土在循环荷载作用下不排水条件 下的累积残余变形规律，发现：( 1 ) 在给定的围压和动应力水平下，随着循环次数 的增加累积轴向残余应变逐渐增大，且当动应力水平较低时，循环达到一定次数后 累积轴向残余应变值趋于稳定；( 2 ) 对于给定的循环加载次数，若动应力水平增大 则累积残余应变值相应增大；( 3 ) 土样循环受剪前的应力历史对其后的受力行为有 着显著影响，对于相同动应力水平和循环加荷次数，若剪前所受固结应力水平较高 则累积残余应变较小，反之则较大。 铁道部科学研究院通过对路基土在列车动荷载作用下永久变形特性的大量研 究，发现：( 1 ) 在低应力水平下，路基土主要表现为可恢复的弹性变形，塑性应变 累积很小，与循环荷载次数成半对数关系；( 2 ) 随动应力水平的增大，塑性应变随 荷载作用次数增加有较大增长，但当塑性应变累积达到一定程度后，变形趋于稳定； 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 当动应力水平继续增大时，试样因塑性变形的急剧增长而破坏，此时塑性应变 与重复荷载次数成指数关系。 基于上述两方面研究现状的综述，不难发现对于列车动荷载引起的软土地基长 期沉降的研究确实是一个热点，也是一个难题。惟有首先对上述两方面开展深入的 研究加深认识，才能保证地基长期沉降计算的准确性和可靠性。 1 4 本文主要工作 1 、基于目前在建的京沪高速铁路的研究背