列车振动荷载作用下边坡的动力响应分析

作     者：熊铖诚 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢强

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081401[工学-岩土工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：列车荷载 铁路边坡 动力响应 模型试验 数值模拟 

摘      要：山区多变的气候带来频繁的降雨使边坡的含水率升高,加之铁路边坡长期处于列车往复运行产生的循环振动荷载之下,对铁路的安全运营构成了极大的威胁。在此背景下,通过土工模型试验和数值模拟相结合的方法,对列车振动荷载作用下边坡的动力响应特征进行了分析,主要研究内容与取得的成果如下:(1)通过土工模型试验,针对不同含水率的边坡模型,分别输入不同的列车振动荷载,监测边坡的竖向速度响应和竖向加速度响应。试验结果表明:速度和加速度响应时程曲线的幅值几乎不随荷载循环的次数变化;随着传播距离的增加,坡面振动加速度的主要频率范围逐渐变窄,振动能量不断衰减,高频部分衰减得比低频部分更快,土体对振动波存在高频过滤、低频放大的作用,近场振动以高频为主,远场振动以低频为主;坡面的速度和加速度响应峰值随着与振源距离的增大不断减小,但衰减的速率逐渐减缓,在坡肩等部位存在的回弹放大效应;坡体内加速度响应,在水平和竖直方向,由内到外、由下至上逐渐增大;在不同列车荷载条件下,轴载是影响边坡动力响应强度的主要因素,轴载越大动力响应越强;在不同含水率条件下,含水率越高,时程曲线越复杂、速度和加速度峰值越大,说明高含水率下振动传播时的能量耗散更少,有利于振动波的传播。(2)通过FLAC3D数值模拟软件,建立边坡动力计算模型,在土工模型试验结果的基础上,选取重载货运列车(C80)作为激振荷载输入,将监测到的速度响应和加速度响应与土工模型试验中的结果进行了对比验证,并分析了边坡的动应力响应特性,发现坡脚处浅层部位动应力响应最强,最可能对边坡的安全构成威胁。此外,改变模型边坡的含水率,从位移、应力、剪应变增量研究了含水率对边坡动力响应的影响,结果表明:随着含水率的升高,边坡的水平位移和垂直方向的位移均增大,坡内最大垂直位移发生部位逐渐上移;坡脚处水平位移最大,垂直位移最小,但位移响应的强度均为最大;随着含水率的增加,坡体内大、小主应力增大,边坡对应力的响应增强。剪切应变增量随着列车振动荷载的持续逐渐增加并不断累积,使土体产生了一定的永久剪切变形,但增长速率逐渐降低,并且含水率越高,剪切应变增量累积速率越快,剪切变形的扩展范围越大。(3)通过数值模拟研究了坡型参数对边坡动力响应的影响,研究发现:平台宽度对加速度响应的影响范围集中在一级坡顶与二级坡顶之间,增大边坡平台宽度可有效降低边坡的加速度响应大小,同时降低应变增量值并缩小应变增量集中区的范围;随着坡度比的不断减小,在距轨道相同水平距离处,边坡表面的振动加速度响应逐渐增大,而在相同高度的平台区,加速度峰值衰减率不断增大,坡内的应变增量集中区从拉应变区变为压应变区,压应变增量值不断减小;随着边坡台阶级数的增加,在距轨道相同水平距离处,边坡的加速度响应增大,坡面振动加速度响应的波动效应更加明显,同时压应变增量值不断减小,当达到到3级以上台阶时,压应变增量集中区向坡脚转移集中。