凸起地形對鐵路環(huán)境振動的影響范文

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摘要：建立了列車作用下路基—凸起地形的二維有限元計(jì)算模型，研究了凸起地形寬度，形狀，高寬比以及地基土性質(zhì)對鐵路環(huán)境振動的影響規(guī)律。結(jié)果表明,凸起地形減弱了鐵路環(huán)境振動的地面加速度，明顯放大了水平振動位移，對豎向振動位移的影響不明顯；隨凸起地形寬度、高寬比的增大，水平振動位移的放大效應(yīng)更為顯著；高寬比越大，豎向、水平兩個方向地面加速度減小越明顯；半圓形、梯形凸起地形對鐵路環(huán)境振動的影響較為一致，但三角形凸起地形的水平地面加速度在凸起地形頂部出現(xiàn)明顯的局部放大，水平振動位移的放大效應(yīng)較半圓形、梯形地形要明顯；地基愈軟弱，凸起地形的影響效應(yīng)越顯著。

關(guān)鍵詞：凸起地形；鐵路環(huán)境振動；加速度；振動位移

1引言

近年來，鐵路環(huán)境振動問題是國際學(xué)術(shù)界十分關(guān)心的一個課題，學(xué)者們側(cè)重于這一方面的研究已取得了長足進(jìn)展。Degrande等[1]現(xiàn)場測試了布魯塞爾-巴黎區(qū)間線路上不同列車速度運(yùn)行時的地面振動，為理論分析提供了大量地面振動的實(shí)測數(shù)據(jù)；Takemiya[2]實(shí)測發(fā)現(xiàn)深層軟土條件下振動以低頻模態(tài)為主，淺層軟土條件下轉(zhuǎn)向高頻；Lombaert等[3]對比分析了不同車速的現(xiàn)場測試結(jié)果，分析了列車速度對地面振動的影響規(guī)律；并研究了準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)荷載對自由場地振動的影響；Connollyd等[4]建立了三維數(shù)值模型，分析發(fā)現(xiàn)軟路堤會增大周圍土體的振動水平；Kouroussis等[5]研究了土體動力和幾何參數(shù)對地面振動傳播的影響。在國內(nèi)，夏禾等[6]發(fā)現(xiàn)地面振動特性與車速和地基土特性緊密相關(guān)；雷曉燕等[7]現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)地面低頻振動較高頻振動衰減更慢，遠(yuǎn)離振源處地面振動以低頻為主；翟婉明等[8]發(fā)現(xiàn)土體阻尼的存在能有效地降低地面振動水平；高廣運(yùn)等[9]討論了飽和土層參數(shù)對振動傳播與衰減的影響規(guī)律，地面豎向振動幅值隨孔隙率的增大而減小；巴振寧等[10]建立了2.5維間接邊界元方法，開展了飽和地基透水情況、飽和土孔隙率、飽和基巖與飽和土層剛度比、飽和土層厚度等參數(shù)分析；但這些已有研究中都沒討論凸起地形的影響。列車引起的振動通過振動波（面波為主）的形式向外傳播，當(dāng)振動波入射凸起地形（山包、陡坎等）時，由于凸起地形對波的散射，其傳播將受到影響，從而導(dǎo)致鐵路環(huán)境振動也將不同，而目前尚未見對這一問題的報道。地震工程中的這一問題已有研究[11,12]，發(fā)現(xiàn)波（面波、體波）入射時，凸起地形會有明顯的放大效應(yīng)，但列車引起的振動在持時、頻譜特性等方面不同于地震情況。所以要準(zhǔn)確反映列車作用下凸起地形對鐵路環(huán)境振動的影響，就必須考慮其地形效應(yīng)。本文針對這一問題，建立了列車作用下的路基—凸起地形計(jì)算模型，分析了凸起地形形狀、高寬比、地基土性質(zhì)等參數(shù)的影響規(guī)律。

2二維計(jì)算模型的建立

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模和計(jì)算分析。根據(jù)文獻(xiàn)[13]提出的土域計(jì)算范圍，并考慮到凸起地形參數(shù)變化的需要，本文計(jì)算模型范圍取為長200m，深41.3m；采用粘彈性人工邊界模擬外部土域。按照已有研究結(jié)果，計(jì)算模型的單元網(wǎng)格尺寸取為0.5m，采用Rayleigh阻尼反映地基土阻尼情況。

3計(jì)算模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的有效性，建立路基-分層地基二維有限元計(jì)算模型，利用文獻(xiàn)[15]的某軟土區(qū)高速鐵路實(shí)測的結(jié)果進(jìn)行對比，文獻(xiàn)[15]實(shí)測的列車時速為350km/h。地基土為分層地基，共分為四層。

4凸起地形的參數(shù)分析

利用建立的二維計(jì)算模型，針對凸起地形的寬度、形狀、高寬比以及地基土性質(zhì)進(jìn)行了參數(shù)分析。觀測點(diǎn)位置分別為距離軌道中心15m，25m，35m，40m，45m，47m，49m，51m，53m，55m，57m，59m，61m，63m，65m，70m，80m，90m，100m。首先給出了寬度為30m的凸起地形各時刻的位移云圖。

4.1凸起形狀的影響

4.1.1凸起地形寬度

分別選擇寬度為30m、50m、70m五種半圓型凸起地形來分析，凸起地形中點(diǎn)距軌道55m，地基土采用表1中勻質(zhì)地基，列車速度按250km/h考慮，計(jì)算各種寬度凸起地形的豎向、水平地面加速度和振動位移，并與無凸起地形情況的地面振動進(jìn)行對比，相比于無凸起的平地，凸起地形的存在會明顯減小豎向、水平兩個方向的地面加速度，且當(dāng)距離軌道較遠(yuǎn)時，不同寬度凸起地形的加速度減小趨于一致；結(jié)合表2發(fā)現(xiàn)，地形寬度對凸起地形頂部豎向加速度減小幅度的影響很小，三種寬度下凸起地形頂部的豎向加速度都在平地時的0.3倍左右；而對于水平地面加速度，地形寬度存在一定影響，即寬度越大，水平加速度減小幅度越大，但寬度較大時這種影響不明顯，如本例中地形寬度30m的凸起地形頂部水平加速度為平地時的0.35倍，而寬度50m、70m的凸起地形頂部水平加速度則分別為平地時的0.26倍、0.22倍。凸起地形對地面豎向振動位移的影響不明顯，凸起地形頂部豎向振動位移的放大倍數(shù)也表明了這一點(diǎn)；但對水平振動位移，凸起地形有著顯著的放大效應(yīng)，且地形寬度越大，放大效應(yīng)越明顯，表2計(jì)算結(jié)果顯示，地形寬度為30m時，凸起地形的水平振動位移放大2.05倍，而地形寬度增加到70m時，凸起地形的水平振動位移放大到3.03倍。

4.1.2凸起截面形狀

為分析凸起地形截面形狀的影響，選擇三角形、梯形和半圓形三種截面形狀比較分析，凸起地形的寬度都取為30m，高度15m，距離軌道55m，梯形凸起頂部寬10m，底部寬30m，列車速度按250km/h考慮，計(jì)算各種寬度凸起地形的豎向、水平地面加速度和位移，并與無凸起地形的地面振動進(jìn)行對比，梯形、半圓形兩種截面形狀對兩個方向加速度、振動位移的影響較為一致，三角形凸起地形只在豎向加速度、豎向振動位移的影響上同梯形、半圓形兩種截面形狀相當(dāng)，而在水平方向存在明顯差異，表現(xiàn)為較大的水平向放大效應(yīng)，即水平加速度存在局部明顯放大，且水平振動位移的放大效應(yīng)也較梯形、半圓形凸起地形更為明顯，這是因?yàn)槿切瓮蛊鸬匦雾敳考怃J而產(chǎn)生能量集中現(xiàn)象。在本例中，三角形的水平振動位移放大為2.3倍，而梯形和半圓形只分別為2.07和2.05倍。

4.1.3高寬比

凸起地形的高寬比h/a即凸起地形高度與底部寬度的比值，為便于分析，本文選取三角形凸起地形進(jìn)行計(jì)算。凸起地形的其它計(jì)算參數(shù)同凸起截面形狀工況，分別選取高寬比h/a=2.0、1.0、0.5三種情況進(jìn)行分析。

4.2地基土性質(zhì)的影響

選擇了三種勻質(zhì)地基情況比較分析，凸起地形中點(diǎn)距離軌道中心55m，凸起的寬度為30m，高度為15m，半圓形凸起地形，車速為250km/h。

5結(jié)論

通過建立列車作用下路基—凸起地形的二維有限元計(jì)算模型，討論了凸起地形寬度，形狀，高寬比以及地基土性質(zhì)對鐵路環(huán)境振動的影響，發(fā)現(xiàn)凸起地形對鐵路環(huán)境振動存在重要影響。（1）凸起地形會減小豎向、水平兩個方向的地面加速度，對豎向振動位移影響不明顯，但會顯著放大水平振動位移，且凸起地形寬度越大，放大效應(yīng)越顯著。（2）半圓形、梯形凸起地形對鐵路環(huán)境振動的影響較為一致，但三角形凸起地形的水平地面加速度在頂部出現(xiàn)明顯的局部放大，水平振動位移的放大效應(yīng)較半圓形、梯形地形更明顯。（3）凸起地形高寬比越大，豎向、水平兩個方向地面加速度減小越明顯，且三角形凸起地形頂部的水平加速度局部放大效應(yīng)亦減小。隨著高寬比的增加，凸起地形水平振動位移的放大效應(yīng)更為顯著。（4）地基愈軟，凸起地形的影響效應(yīng)愈顯著，而地基變硬時，凸起地形的影響效應(yīng)減弱。

作者：盧華喜；徐路遙；梁平英；吳必濤單位：華東交通大學(xué)