高速铁路隧道基底软岩动力特性与结构安全性研究 (1)

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1、高速铁路隧道基底软岩动力特性与结构安全性研究1绪论1.1研究背景与意义社会需求：高速铁路建设，势必修建大量隧道，铁路是我国交通运输体系的骨干部分，同时也是国民经济的大动脉。近年来，高速铁路一直以飞快的速度发展，今后几年，中国铁路将步入全面高速化的崭新时期。结构要求：高速铁路隧道结构动力稳定要求更高地质条件：隧道穿越软弱围岩地段的长期沉降问题结构病害：隧道底部结构开裂、破损、下陷等病害意义：量化隧道衬砌结构和基底围岩的动力损伤量预测高速铁路隧道地基长期累积变形评价基底状况对高速铁路隧道结构性能的影响我国高速铁路隧道的合理设计和施工提供科学依据1.2研究现状列车振动响应研

2、究当列车在不平顺轨道上行驶时，轮轨间相互作用力将会通过轨道系统传递到隧道支护结构上，激起隧道支护结构的振动，从而影响结构的耐久性和使用寿命；同时，随着振动在地层中的传播与扩散，进一步对周边环境产生影响。隧道列车振动响应问题涉及振源、隧道结构和地层的振动响应以及振动响应环境影响等方面。隧道振动与诸多因素相关，其分析涉及列车、隧道结构、土层的模拟以及相互作用，各分部动力参数的确定以及远、近动力特性的描述。解析和数值计算由于解析计算的局限性，采用数值计算方法进行隧道振动响应分析已获得越来越多的认可，逐渐成为隧道列车振动响应分析的主要手段。国内外学者通过采用各种数值计算方法，

3、建立了越来越多的隧道振动响应计算模型。包括二维和三维有限元模型，二维和三维有限元-边界元耦合模型，但二维模型不能反映振动波沿轨道方向的传播，而三维模型计算代价昂贵。为克服此不足，近年来，学者们提出并发展了2.5维有限元模型，能有效地解决轨道-隧道-土体的三维动力相互作用问题，在此基础上，进一步发展了2.5维有限元-边界元耦合模型，以及2.5维有限元-无限元耦合模型。现场测试在对列车振动环境影响的评估与分析中，现场试验是最直观、最可靠的研究方法。早期有关地铁振动预测就是基于现场测试结果，通过建立起相应的经验公式进行分析的。我国高速铁路建设起步晚，受多方由于面条件限制，目

4、前有关高速铁路隧道振动的现场测试还很少模型试验由于隧道列车振动是一个包含了列车、轨道、隧道衬砌及周边岩土体的复杂系统，相应的室内模型试验工作难度极大，即便是做了一定的简化处理后，仍面临许多困难，因此有关这方面研究的文献报道还很少。混凝土和岩石损伤模型研究导致材料力学性能劣化的微观结构变化称之为损伤。对于混凝土材料而言，其内部存在的大量微空洞、微裂纹、微裂纹的发展，外载作用下的刚度劣化、强度下降等都是混凝土损伤的表现；对于岩土材料而言，如裂隙、节理、断层、颗粒间粘结力降低、强度软化等都可以看成是损伤的表现形式。损伤力学就是研究材料及构件在一定荷载和环境作用下，内部损伤出

5、现、发展导致宏观力学性能不断劣化直至破坏这一过程的演化规律。混凝土和岩石损伤模型研究混凝土损伤模型岩土损伤模型1976年Dougill将损伤力学应用到混凝土和岩石材料经典的弹性损伤模型包括Kachanov模型、Loland模型、Mazars模型、分段线性和分段曲线损伤模型等弹塑性损伤模型：Simo和Ju，Lee和Fenves，Faria，Jefferson，Kratzig，Jason以及Faleiro等学者提出的损伤模型。混凝土随机损伤模型：同济大学李杰等所做的工作往复荷载下岩土体变形特性研究往复荷载作用下岩土体的变形问题广泛存在于工程实践中，如地震荷载会导致岩土体变

6、形破坏，交通荷载的反复作用可能造成岩土体的变形过大，影响交通运行安全。试验研究土类材料循环变形特性岩石类材料循环变形特性。本构模型研究：经验模型，多屈服面模型、边界面模型岩石动力本构模型。往复荷载下岩土体变形特性研究土类材料循环变形特性循环荷载作用下软土的变形特性很复杂，一般刻画土的动应力应变关系主要从非线性、滞后性、累积变形这三个方面进行描述。软岩类材料循环变形特性循环荷载作用下软岩的变形特性与软土类似，其动应力应变关系同样表现出非线性、滞后性和变形积累性。试验研究循环荷载作用下岩土力学特性的试验研究最早可追溯到上世纪六十年代，Seed等（1955）根据软粘土的循环

7、三轴试验，研究了循环荷载作用下土的强度和变形特性，并指出动应力水平越高，累积塑性变形越大。试验对象：软粘土、饱和软粘土、粉土、砂土、道渣、堆石料、级配碎石、煤矸石、岩石等影响因素：循环应力比、加荷次数、超固结比、加载频率和加载波形等本构模型的研究-经验模型拟合室内和现场试验结果的基础上提出了一系列计算循环荷载作用下岩土累积变形的经验模型。Monismith模型：本构模型的研究-多屈服面及边界面模型以经典塑性理论为依据的模型如修正剑桥模型，都定义了一个屈服面，在屈服面内材料是完全弹性的，屈服面内无论应力如何改变只产生弹性变形，只能描述应力到达屈服状态时