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交通荷载作用下软土地基的动力响应和长期沉降研究

作　者: 孙波
导　师: 谢康和
学　校: 浙江大学
专　业: 岩土工程
关键词: 移动荷载饱和地基动力响应 Rayleigh波半透水边界埋置荷载 TRM法交通荷载长期沉降
分类号: TU447
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来,随着高速铁路、高速公路的快速发展,移动荷载作用下地基的动力响应研究受到越来越多的重视。当车辆的运行速度提高到一定程度后,地基振动会急剧增大,即发生共振现象,这将对车辆的运行安全构成巨大威胁。基于此,本文对饱和地基在移动荷载作用下的动力响应进行了详细的研究和探索。此外,在长期交通荷载作用下,软黏土地基会产生较大的累计沉降和沉降差。这将严重影响车辆的正常运营,导致保养和维修费用增加,甚至带来安全事故。如何对交通荷载作用下软土地基的长期沉降进行合理的预测是当前急需解决的重要研究课题。为此,本文提出了一种新的预测软土地基长期沉降的方法。首先,利用积分变换法研究了饱和半空间在移动荷载作用下的动力响应特性。在频域-波数域中分析了饱和土中体波和面波的弥散曲线、饱和土的Rayleigh波方程、多普勒效应和动力响应中波的组成等。将饱和土在移动荷载作用下的动力响应同饱和土中的波联系起来。在时域-空间域中分析了地基表面的波动状况和振动状况,并对地基的振动特性进行了研究。针对地基土层的实际分布和地下水对动力响应的影响,本文提出了上覆弹性层的饱和半空间模型。此模型中地基被分为两层,地下水位线之上的干土层用弹性介质模拟,地下水位线之下的部分被模拟为饱和半空间,上覆弹性层与下部饱和半空间之间的交界面被考虑成完全透水的或完全不透水的两种情况。本文研究了上覆弹性层的饱和半空间模型在移动荷载作用下的动力响应,并对弹性层厚度以及弹性层和饱和半空间之间的交界面透水性对动力响应的影响进行了分析。工程实际中,地基表层多少都经过处理,具有一定的透水性能(渗透系数既非无穷小也非无穷大),应该考虑成半透水边界条件。本文研究了半透水边界的饱和半空间在移动荷载作用下的动力响应,并讨论了边界透水性能对动力响应的影响。此外,本文建立了地下轨道和地基耦合系统的简化模型,研究了耦合系统在埋置移动荷载作用下的动力响应。采用传递反射矩阵法(Transmission and Reflection Matrices Method)来考虑弹性地基或饱和地基的成层性。TRM法在处理成层地基的高频、高速等问题上是很有效的。为了比较几种模型的不同,本文分别给出了弹性成层地基、弹性成层地基和梁耦合系统、饱和成层地基、饱和成层地基和梁耦合系统在埋置移动荷载作用下的动力响应积分形式解。当退化为一些简单情况时,本文解与已有的解能很好的吻合,也证明了本文解的正确性。本文还通过数值计算讨论了荷载速度、荷载频率、荷载埋置深度、梁刚度、夹层等因素对地基表面振动的影响。在长期循环荷载作用下,饱和软黏土强度和刚度发生衰减,导致土体出现塑性变形。本文基于已有的饱和软土循环三轴试验数据,提出刚度衰减修正公式,建立起刚度衰减系数与循环次数之间的关系。然后对有限元软件ABAQUS进行二次开发,将刚度衰减模型嵌入到有限元分析程序中去。这样,荷载每循环一次,各土体单元的刚度就按规律衰减一次,从而可以计算出此次循环加载后整个土体的累积塑性变形。最后采用该方法,对交通荷载作用下典型萧山软土地基的累积沉降进行了预测。计算结果发现,交通荷载下地基的长期沉降主要由浅层土的压缩而引起,并且随着深度的增加迅速降低,所以对软土地基浅层土体进行加固处理是很有效的。另外,路面结构层对车轮荷载的扩散作用是很明显的,计算中不能忽略结构层的影响。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-13
第一章绪论  13-35
  1.1 研究背景  13-15
  1.2 研究现状  15-26
    1.2.1 波在地基中的传播  15-17
    1.2.2 移动荷载作用下地基的动力响应  17-21
    1.2.3 交通荷载作用下路基的长期沉降  21-26
  1.3 以往研究存在的主要问题  26-27
  1.4 本文的主要研究内容  27-28
  参考文献  28-35
第二章饱和土地基在移动荷载作用下的动力响应特性研究  35-63
  2.1 引言  35-36
  2.2 Biot理论的不同表述及其统一性  36-40
  2.3 Biot方程的求解  40-44
  2.4 边界条件  44-46
  2.5 波数-频率域内的分析  46-54
    2.5.1 弥散曲线  46-50
    2.5.2 多普勒效应  50-51
    2.5.3 动力响应中各类波的成分分析  51-54
  2.6 时间-空间域内的分析  54-60
    2.6.1 波动状况  54-55
    2.6.2 地基表面的振动情况  55-60
  2.7 结论  60
  参考文献  60-63
第三章上覆弹性层的饱和半空间在移动荷载作用下的动力响应  63-78
  3.1 引言  63-64
  3.2 控制方程  64-67
  3.3 边界条件和连续条件  67-69
  3.4 方程的解  69-70
  3.5 数值计算和讨论  70-76
    3.5.1 数值积分方法和验证  70-71
    3.5.2 数值结果  71-76
      3.5.2.1 边界透水性对动力响应的影响  72-75
      3.5.2.2 上覆弹性层厚度对动力响应的影响  75-76
  3.6 本章小结  76-77
  参考文献  77-78
第四章半透水边界饱和半空间在移动荷载作用下的动力响应  78-91
  4.1 引言  78
  4.2 半透水边界的表示法  78-79
  4.3 控制方程  79-81
  4.4 边界条件及解答  81-83
  4.5 数值计算及讨论  83-89
    4.5.1 数值积分方法和验证  83-84
    4.5.2 数值结果讨论  84-89
      4.5.2.1 边界透水性的影响  84-85
      4.5.2.2 荷载移动速度的影响  85-87
      4.5.2.3 渗透性的影响  87-89
      4.5.2.4 荷载频率的影响  89
  4.6 本章小结  89-90
  参考文献  90-91
第五章埋置移动荷载作用下成层地基的动力响应  91-144
  5.1 引言  91-93
  5.2 弹性成层地基在埋置移动荷载作用下的动力响应(不带梁)  93-110
    5.2.1 基本方程  93-95
    5.2.2 边界条件  95-96
    5.2.3 利用TRM法求解方程  96-101
    5.2.4 数值计算和分析  101-110
      5.2.4.1 数值积分方法  101-102
      5.2.4.2 单层地基  102-109
      5.2.4.3 成层地基  109-110
  5.3 弹性成层地基和梁的耦合系统在移动荷载作用下的动力响应  110-116
    5.3.1 基本方程和边界条件  110-111
    5.3.2 方程的求解  111-112
    5.3.3 数值计算和分析  112-116
  5.4 饱和成层地基在埋置移动荷载作用下的动力响应(不带梁)  116-135
    5.4.1 基本方程  116-118
    5.4.2 边界条件  118-120
    5.4.3 利用TRM法求解方程  120-125
    5.4.4 数值计算和分析  125-135
      5.4.4.1 数值积分方法及验证  125-129
      5.4.4.2 单层地基  129-133
      5.4.4.3 成层地基  133-135
  5.5 饱和成层地基和梁的耦合系统在移动荷载作用下的动力响应  135-140
    5.5.1 基本方程和边界条件  135-136
    5.5.2 方程的求解  136-137
    5.5.3 数值计算和分析  137-140
  5.6 本章小结  140-141
  参考文献  141-144
第六章交通荷载作用下软土地基的长期沉降  144-181
  6.1 引言  144-147
  6.2 刚度衰减模型  147-163
    6.2.1 概述  147-148
    6.2.2 土的结构性  148-149
    6.2.3 刚度衰减经验模型的建立  149-163
  6.3 刚度衰减模型的应用  163-166
    6.3.1 概述  163
    6.3.2 ABAQUS中的USDFLD用户子程序  163-166
  6.4 算例分析  166-177
    6.4.1 工程概况  166-167
    6.4.2 计算过程  167-169
    6.4.3 计算结果  169-177
  6.5 工程应用中的建议  177-178
  6.6 本章小结  178-179
  参考文献  179-181
第七章结论和建议  181-186
  7.1 结论  181-184
    7.1.1 饱和土地基在移动荷载作用下的动力响应特性  181-182
    7.1.2 上覆弹性层的饱和半空间在移动荷载作用下的动力响应  182
    7.1.3 半透水边界的饱和半空间在移动荷载作用下的动力响应  182-183
    7.1.4 埋置移动荷载作用下成层地基的动力响应  183
    7.1.5 交通荷载作用下软土地基的长期沉降  183-184
  7.2 进一步工作的建议  184-186
附录浙江大学岩土工程学科历届博士学位论文目录  186-194
作者简历及博士期间发表论文  194

交通荷载作用下软土地基的动力响应和长期沉降研究

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