动力荷载下地基与下穿隧道体系的相互作用性状研究

发布时间：2018-03-05 01:15

本文选题：动力荷载　切入点：地基　出处：《中国矿业大学(北京)》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：本文以北京地铁8号线二期工程霍营站新增站外工程下穿既有线(北京地铁13号线霍营站-立水桥站区间)为工程背景,在查阅大量相关文献的基础上,以室内试验、理论分析、现场试验(监测)和数值计算为主要研究手段,首先研究了循环荷载和冲击荷载下土的动力特性,从理论上给出了隧道开挖对地基和既有线影响的计算方法,进而采用现场实测与数值模拟的方法详细研究了列车荷载下地基和下穿隧道体系的相互作用性状,对下穿隧道的施工提供指导,为类似工程的合理设计提供理论依据,具有十分重要的工程实用价值。主要研究成果总结如下：(1)为了研究循环荷载作用下土的动力特性,设计并实施了室内动三轴试验。在试验方案的设计上,考虑了相邻两辆列车之间的时间间隔,这与目前多数既有研究不同。采用不同的动应力幅值对北京地区第四纪粉土和粘土进行试验,得到了如下结论：(a)随着动应力幅值的增加,粉土和粘土在破坏前存在一个应力最大值,粉土的应力达到最大值后迅速衰减,而粘土的应力达到最大值后保持不变直至破坏。(b)随着加载次数的增加,滞回圈的中心随应变增大而移动,这说明土体发生了累积变形。(c)粉土累积变形分为3个阶段变化：第1阶段表现为累积变形快速增大,但增大速率却逐渐减小；第2阶段表现为累积变形稳定变化,增大速率保持恒定；第3阶段表现为累积变形趋于稳定值。对于本文来说,下穿隧道施工结束后,其使用的初期周围土体的变形较大,应重点研究。(d)粘土如果不发生应力强化,则其累积变形基本上按照一个均匀的速率逐渐增加,如果发生应力强化,累积变形速率会出现拐点,在应力强化点后累积变形的速度会加快,这对于土体的稳定是不利的。(e)土的动弹性模量随轴向应变的增加不断减小,即发生应变软化现象,这与既有研究的结果相同,但当动应力较小(土样在试验中未发生破坏)的情况下,动弹性模量会随着振动次数的增加而略有增大；而在动应力较大(土样在试验中发生破坏)的情况下,动弹性模量则随着振动次数的增加不断减小。这种现象与既有的研究不同,可能的解释是试验加载所考虑的时间间隔改变了土颗粒重新排列的方式,进而导致了此种现象的发生。(f)土的动阻尼比随着振动次数的增加呈逐渐减小的趋势：当振动次数到达一定次数后,动阻尼比的大小基本保持不变；对每次加载的24次振动来说,动阻尼比随着振动次数的增加呈逐渐增大的趋势。这种现象与既有的研究不同,可能的解释是试验加载所考虑的时间间隔改变了土颗粒重新排列的方式,进而导致了此种现象的发生。(2)为了研究冲击荷载作用下土的动力特性,设计并实施了分离式霍普金森压杆被动围压试验。采用不同的冲击速度对北京地区第四纪粉土和粘土进行试验,得到了如下结论：(a)土体的弹性段不是很明显,并且没有明显的屈服过程。(b)随着应变率的增大,应力也随之增大,具有很强的应变率效应。(c)与粘土相比,粉土的应力-应变曲线较为平缓,应力最大值也小于粘土的应力最大值。(d)围压的大小与应变率关系不大。(e)在冲击荷载作用下,土的动态屈服强度随应变率的增加而增大；粘土的动态屈服强度大于粉土。(f)与混凝土、岩石和煤等材料相比,土的反映低应变率效应的松弛时间θ1与这些材料的松弛时间θ1相差不大,都在0.3-0.4s-1之间,这说明岩石、混凝土、煤和土等材料具有比较一致的低应变率响应特性；土的反映高应变率效应的松弛时间θ2大于这些材料的松弛时间θ2,这说明土体材料对高应变率的敏感性比混凝土、岩石、煤等材料强烈。对于粉土和粘土来说,θ1相差不大,θ2的值粉土大于粘土。由于高应变率下松弛时间越长,材料中积蓄的能量越多,因此在冲击荷载作用后,粉土产生了破坏,而粘土则没有破坏。(3)给出了动力荷载下隧道开挖对地基和既有线影响的理论计算方法：将轨道和路基简化为Euler-Bernoulli梁,将列车荷载简化为一系列的移动轴荷载,得到了地基表面的均布荷载；在此均布荷载作用下,根据弹性力学三大基本方程并利用拉普拉斯变换得到了单层弹性地基的解析解,进而利用变形协调和位移连续条件得到了层状弹性地基的解析解。其次基于对时间t的拉普拉斯变换提出了使用柔度系数表达的粘弹性模型的物理方程,得到了冲击荷载下单层粘弹性地基的基本解,进而利用变形协调和位移连续条件得到了层状粘弹性地基的基本解。最后同时考虑列车荷载和冲击荷载,采用连续弹性解法从理论上分析了下穿隧道开挖对既有线的影响。(4)采用现场实测的方法研究了地基沉降和隧道结构振动规律,并使用Peck公式对沉降进行了分析,采用小波变换分析了振动信号的时频特性,得到了如下结论：(a)使用Peck公式对实测沉降数据进行了分析,得到了地表沉降槽宽度系数K的值在0.8055-1.4609之间,大多数的数值略大于1；地层损失率V1的值在0.7569%-3.9185%,而且绝大多数的值在3%以下。(b)从地基表面垂直于隧道轴线各监测点的沉降规律来看,随着隧道的开挖,已开挖部分的地表沉降要大于未开挖部分的地表沉降；某一断面开挖过后,地表沉降会加速,表现为沉降槽的下凸程度加大,地层损失率也随之增大。从地基表面累积沉降规律来看,两正线下方的地表沉降基本上随时间的增加而增大,而两联络线处的地表沉降则会出现先减小后增大的趋势,这说明列车荷载对地表沉降也有影响。(c)隧道结构垂直方向的实测振动速度最大,其次为与列车行进方向相同的水平方向,与列车行进方向垂直的水平方向的振动速度最小；在所监测的范围内(两正线外5m),振动速度随着距离的增大逐渐衰减；实测频率的范围位于13-87Hz之间,绝大多数位于30-60Hz。(d)对地铁行车荷载下隧道结构振动的小波分析中,最优小波基为bior小波系中的bior3.Nd(Nd=1、3、5、7、9)小波基。频带1-5(对应的频率为0-62.5Hz)的能量占去了信号能量的绝大部分,由于其频率属于低频范围,接近于建筑物的自振频率(2-10Hz),因此,地铁列车产生的振动应引起足够的重视。(5)根据对现场实测数据的分析,给出了地基沉降和隧道结构振动监测的建议：(a)埋深在4m以内,埋深对沉降量最大值的影响程度大于隧道的开挖面积：埋深在4m以外,隧道开挖面积的影响将处于主导地位。因此,对于暗挖隧道下穿既有线这类工程,在制定施工方案时,要充分考虑到隧道开挖面积和埋深的影响。同样面积的隧道若埋深不同而沉降控制标准相同时,则埋深较小的隧道开挖需要更为有效的主动控制措施,如采用同步顶升技术、及时的护轨作业等。(b)鉴于地铁行车荷载引发结构振动的特殊性,应当对三个方向的振动进行监测,这点与爆破地震波的监测不同。此外,不能以振动速度为标准对隧道结构振动进行控制,而应当以速度和频率相结合的方式进行。对本文所研究的工况,距离列车荷载作用位置10m范围内都需对结构振动的速度和频率进行重点监测。(6)采用数值模拟的方法,研究了列车荷载下地基与下穿隧道的相互作用性状。利用ANSYS/LS-DYNA软件的小型重启动模拟了隧道开挖的整个过程和列车荷载的长期作用,得到如下结论：(a)列车荷载下下穿隧道轴线地表和下穿隧道拱顶会出现振动空洞效应,即对称于列车荷载作用位置的节点中,处于已开挖区的节点振速大于未开挖区,并定义振动放大系数为开挖区振动速度除以未开挖区振动速度。研究结果表明开挖结束后空洞效应消失；多数的振速放大系数峰值出现在隧道开挖一半的位置。(b)在开挖过程中,对于地表位移,列车速度6Okm/h的影响程度最大；对于下穿隧道拱顶位移,列车速度80km/h的影响程度最大；开挖完成后,列车速度80km/h对位移的影响程度最大。(c)在下穿隧道开挖过程中,埋深4.5m对位移的影响程度最大；开挖完成后,对于地表位移,埋深15m的影响程度最大,而对于拱顶位移,埋深10m的影响程度最大。(d)基于混凝土材料疲劳寿命计算的Asa-Jakobsen公式,下穿隧道结构的疲劳寿命可以满足使用要求。本文有以下三个创新点：(1)设计并实施了动三轴试验,得到了循环荷载下土的动模量和累积变形随剪应变和振动次数变化的规律；设计并实施了SHPB被动围压试验,研究了冲击荷载下土的力学性能,并根据试验结果改进了朱-王-唐本构模型。(2)建立了动力荷载下弹性和粘弹性层状地基的动力响应理论,采用连续弹性解法推导出下穿隧道开挖对地基和既有线影响的理论计算式。(3)提出了一种新的列车荷载计算方法和加载方式,并应用于ANSYS/LS-DYNA软件模拟了隧道开挖过程和列车荷载作用下的地基与下穿隧道的相互作用效应,得到了开挖过程、列车速度和拱顶埋深对振动速度和位移的影响。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU435

【参考文献】