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車致振動荷載作用下盾構隧道動力響應特性研究 版權信息
- ISBN：9787030674609
- 條形碼：9787030674609 ; 978-7-03-067460-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
車致振動荷載作用下盾構隧道動力響應特性研究 內容簡介
本書針對列車荷載作用下盾構隧道結構及周圍地層的動力響應、能量傳遞等動力學問題，系統地介紹了用于盾構隧道列車動力學研究的模型試驗方法、數值模擬方法和分析方法，研究了盾構隧道管片接頭、上軟下硬地層、襯砌管片背后空洞和列車行駛效應對盾構隧道動力響應的影響。全書共5章，內容包括：緒論、列車振動荷載作用下盾構隧道動力響應特性、上軟下硬地層對盾構隧道動力響應影響、襯砌管片背后空洞對盾構隧道動力響應影響、移動列車荷載作用下盾構隧道動力響應。
車致振動荷載作用下盾構隧道動力響應特性研究 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 問題的提出 1
1.2 國內外研究現狀 3
1.2.1 列車振動荷載作用下盾構隧道動力響應特性 3
1.2.2 盾構隧道管片接頭分析模型 7
1.2.3 上軟下硬地層中盾構隧道結構力學特性 10
1.2.4 襯砌背后空洞對隧道結構的安全性影響 14
1.3 本書內容 17
第2章 列車振動荷載作用下盾構隧道動力響應特性 18
2.1 基于模型試驗的盾構隧道動力響應特性研究 18
2.1.1 模型試驗設計 18
2.1.2 模型試驗數據可靠性分析 29
2.1.3 勻質圓環模型的動力響應 35
2.1.4 管片接縫對盾構隧道動力響應的影響研究 39
2.2 基于數值模擬的管片接縫對盾構隧道動力響應的影響研究 47
2.2.1 數值計算模型 47
2.2.2 網格尺寸的劃分 48
2.2.3 邊界條件及阻尼參數的選取 48
2.2.4 管片接頭模擬 49
2.2.5 列車振動荷載的模擬 52
2.2.6 模擬工況及測點布置 52
2.2.7 隧道結構動力響應 52
2.2.8 周圍地層動力響應特性研究 56
2.2.9 隧道結構內力分析 58
2.3 本章小結 62
第3章 上軟下硬地層對盾構隧道動力響應影響 64
3.1 上軟下硬地層對盾構隧道動力響應特性影響的模型試驗研究 64
3.1.1 模型試驗設計 64
3.1.2 上軟下硬地層中列車振動傳播規律研究 70
3.1.3 不同地層工況下隧道結構和周圍地層動力響應比較研究 76
3.2 上軟下硬地層對盾構隧道動力響應影響的數值研究 88
3.2.1 計算模型建立 88
3.2.2 模擬工況及測點布置 89
3.2.3 隧道結構動力響應特性 89
3.2.4 周圍地層動力響應特性 92
3.2.5 隧道結構內力分析 94
3.3 本章小結 100
第4章 襯砌管片背后空洞對盾構隧道動力響應影響 102
4.1 基于模型試驗的襯砌管片背后空洞對盾構隧道動力響應的
4.1 影響研究 102
4.1.1 室內模型試驗設計 102
4.1.2 空洞對盾構隧道動力響應影響研究 107
4.1.3 空洞對周圍地層動力響應影響研究 113
4.2 基于數值模擬的襯砌管片背后空洞對盾構隧道動力響應的
4.2 影響研究 118
4.2.1 數值模型 118
4.2.2 空洞與測點布置 119
4.2.3 隧道結構動力響應對比 120
4.2.4 周圍地層動力響應對比 124
4.2.5 隧道結構內力分析 127
4.3 本章小結 134
第5章 移動列車荷載作用下盾構隧道動力響應 136
5.1 移動荷載作用下盾構隧道動力響應特性分析 136
5.1.1 計算模型的建立 136
5.1.2 隧道結構動力響應特性研究 140
5.1.3 周圍地層動力響應特性研究 148
5.2 移動荷載作用下地層軟硬差異對盾構隧道動力響應影響 154
5.2.1 計算模型的建立 154
5.2.2 隧道結構動力響應特性研究 157
5.2.3 周圍地層動力響應特性研究 165
5.3 移動荷載作用下襯砌管片背后空洞對盾構隧道動力響應影響 173
5.3.1 計算模型的建立 173
5.3.2 隧道結構動力響應特性研究 176
5.3.3 周圍地層動力響應特性研究 185
5.4 本章小結 191
參考文獻 193
彩圖 201
前言
第1章 緒論 1
1.1 問題的提出 1
1.2 國內外研究現狀 3
1.2.1 列車振動荷載作用下盾構隧道動力響應特性 3
1.2.2 盾構隧道管片接頭分析模型 7
1.2.3 上軟下硬地層中盾構隧道結構力學特性 10
1.2.4 襯砌背后空洞對隧道結構的安全性影響 14
1.3 本書內容 17
第2章 列車振動荷載作用下盾構隧道動力響應特性 18
2.1 基于模型試驗的盾構隧道動力響應特性研究 18
2.1.1 模型試驗設計 18
2.1.2 模型試驗數據可靠性分析 29
2.1.3 勻質圓環模型的動力響應 35
2.1.4 管片接縫對盾構隧道動力響應的影響研究 39
2.2 基于數值模擬的管片接縫對盾構隧道動力響應的影響研究 47
2.2.1 數值計算模型 47
2.2.2 網格尺寸的劃分 48
2.2.3 邊界條件及阻尼參數的選取 48
2.2.4 管片接頭模擬 49
2.2.5 列車振動荷載的模擬 52
2.2.6 模擬工況及測點布置 52
2.2.7 隧道結構動力響應 52
2.2.8 周圍地層動力響應特性研究 56
2.2.9 隧道結構內力分析 58
2.3 本章小結 62
第3章 上軟下硬地層對盾構隧道動力響應影響 64
3.1 上軟下硬地層對盾構隧道動力響應特性影響的模型試驗研究 64
3.1.1 模型試驗設計 64
3.1.2 上軟下硬地層中列車振動傳播規律研究 70
3.1.3 不同地層工況下隧道結構和周圍地層動力響應比較研究 76
3.2 上軟下硬地層對盾構隧道動力響應影響的數值研究 88
3.2.1 計算模型建立 88
3.2.2 模擬工況及測點布置 89
3.2.3 隧道結構動力響應特性 89
3.2.4 周圍地層動力響應特性 92
3.2.5 隧道結構內力分析 94
3.3 本章小結 100
第4章 襯砌管片背后空洞對盾構隧道動力響應影響 102
4.1 基于模型試驗的襯砌管片背后空洞對盾構隧道動力響應的
4.1 影響研究 102
4.1.1 室內模型試驗設計 102
4.1.2 空洞對盾構隧道動力響應影響研究 107
4.1.3 空洞對周圍地層動力響應影響研究 113
4.2 基于數值模擬的襯砌管片背后空洞對盾構隧道動力響應的
4.2 影響研究 118
4.2.1 數值模型 118
4.2.2 空洞與測點布置 119
4.2.3 隧道結構動力響應對比 120
4.2.4 周圍地層動力響應對比 124
4.2.5 隧道結構內力分析 127
4.3 本章小結 134
第5章 移動列車荷載作用下盾構隧道動力響應 136
5.1 移動荷載作用下盾構隧道動力響應特性分析 136
5.1.1 計算模型的建立 136
5.1.2 隧道結構動力響應特性研究 140
5.1.3 周圍地層動力響應特性研究 148
5.2 移動荷載作用下地層軟硬差異對盾構隧道動力響應影響 154
5.2.1 計算模型的建立 154
5.2.2 隧道結構動力響應特性研究 157
5.2.3 周圍地層動力響應特性研究 165
5.3 移動荷載作用下襯砌管片背后空洞對盾構隧道動力響應影響 173
5.3.1 計算模型的建立 173
5.3.2 隧道結構動力響應特性研究 176
5.3.3 周圍地層動力響應特性研究 185
5.4 本章小結 191
參考文獻 193
彩圖 201
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車致振動荷載作用下盾構隧道動力響應特性研究 節選
第1章 緒論 城市地下軌道交通以其運量大、準時、便捷、舒適、環保等優勢已然成為城市居民日常出行的主要交通工具，極大地緩解了地面交通的壓力。截至2019年底，中國大陸共有40個城市開通城市軌道交通運營線路208條，運營線路總長6736.2km。其中，地鐵運營線路占主要部分，長度為5180.6km，占比為76.9%。據不完全統計，2019年全年累計完成客運量237.1億人次，同比增長12.5%；總進站量為149.4億人次，同比增長12.2%；總客運周轉量為2003.1億人公里，同比增長13.8%，運營規模繼續保持高增長勢頭[1]。 地下軌道交通已進入大規模發展的黃金階段，其為生活帶來便利的同時也帶來了一系列問題，地鐵列車運行所誘發的振動便是其中一個較為突出的問題。盾構法修建的地鐵隧道大多采用裝配式襯砌，隧道承載結構由預制管片拼裝而成。通常而言，地鐵列車運行產生的振動荷載幅值較小，不會導致襯砌結構的直接破壞，但在一些特殊情況下，如襯砌管片背后存在空洞或管片本身存在初始裂縫時，長期循環列車振動荷載就可能導致結構的損傷加速發展，進而導致結構出現失穩。另外，振動荷載可在隧道周圍地層中進行長距離傳播，誘發環境的振動問題，在一些振動敏感區影響尤為顯著，如影院、高精密儀器實驗室等。在一些特殊軟土地層中，長期重復列車荷載的作用還會導致地層的持續沉降，進而威脅周圍建筑物結構的穩定性。因此，研究列車振動荷載作用下盾構隧道的動力響應特性以及振動波在周圍地層中的傳播規律具有十分重要的現實意義，可為后期盾構隧道的減振設計提供一定的參考和依據。 1.1 問題的提出 地鐵列車的振動是由列車與軌道之間的垂直輪軌接觸力的準靜態激勵和動態激勵共同作用產生的，準靜態激勵是由移動軸荷載的靜態荷載分量、軸的距離和車輛速度決定的；動態激勵是由輪軌的不平順(如輪面擦傷、軌道接頭和焊接使鋼軌走形而發生的局部不平順、軌枕的間隔排列或軌面波紋導致周期性的不平順、縱向軌道水平偏差)、軌道支撐面(如軌枕、過渡區)剛度不同引起的隨機變化以及偏心輪重等因素造成的沖擊導致的[2， 3]。振動荷載產生后通過軌道傳導直接作用于隧道結構，引起隧道結構的振動，再以能量波的形式在地層中傳播，引起周圍地層和既有建筑物的振動，振動傳播機理如圖1-1所示。 圖1-1 振動傳播機理 振動波的傳播由隧道結構和土體性質共同決定，根據已有研究[4]，隧道結構對于振動波在隧道結構內部以及附近區域的傳播起著決定性的作用，這主要是由隧道襯砌結構的復雜性導致的。盾構法施工的地鐵隧道區間常采用裝配式襯砌結構，即將多個預制的鋼筋混凝土管片通過環向管片接頭和縱向環間接頭按照一定的拼裝方式組合為一個整體。由于其特殊的結構形式，襯砌管片存在眾多接頭和接縫，如圖1-2所示。管片接頭作為盾構隧道襯砌結構中的薄弱環節，與其他位置相比，剛度會有明顯的降低。當襯砌結構受力時，管片接頭位置易出現損傷甚至破壞。在列車振動荷載作用下，由于結構剛度分布不均，振動波在結構內部的傳播規律較為復雜多變，同時接頭處存在接觸面，振動波會在此位置發生反射或折射現象，這使得振動波傳播變得更加復雜。 圖1-2 襯砌管片結構 襯砌的復雜構造雖然使得盾構隧道在列車振動荷載作用下的動力響應機理及傳播規律變得復雜，但通常而言，隧道內列車運行期間的振動并不會導致隧道結構的直接損壞。而襯砌管片背后空洞作為一種常見的隧道病害形式，會影響隧道結構與圍巖間的相互作用，降低地層抗力，改變盾構管片所受荷載的量值及空間分布，導致結構承載力不均勻并產生應力集中，從而誘發隧道結構出現初始損傷。隨著盾構隧道運營年限的增加，列車荷載的作用會加速管片的損傷演化，進而影響整個盾構隧道體系的承載力和耐久性，還可能致使襯砌管片背后空洞的范圍不斷擴展，加劇管片荷載量值及空間分布的改變，導致結構出現較大內力，嚴重時甚至會引起結構的局部或整體失穩。 另外，當振動波在隧道周圍地層中向更遠處傳播時，土體性質對振動波的傳播具有比較明顯的影響。在均一地層中，地鐵列車通過盾構隧道時產生的振動波的傳播過程較為簡單且較具規律性，但盾構隧道不可避免地穿越軟硬不均勻地層，振動波在軟硬地層的交界面處會發生反射、折射等現象，這使得振動波在地層中的傳播變得復雜。 目前，國內外學者對列車振動荷載作用下隧道結構的動力響應的研究，大多集中在列車荷載的產生機理、振動波在軌道-隧道支護-圍巖體系中的傳播規律、管片結構車致損傷特性以及列車減振技術等方面，在盾構隧道管片接縫、地層軟硬性質、襯砌管片背后空洞以及荷載的移動效應對盾構隧道動力響應影響方面的研究尚不深入，目前還難以有效指導盾構隧道的設計、施工以及后期運營。因此需要進一步研究盾構隧道及其周圍地層在列車荷載作用下的動力響應特性，旨在為盾構隧道在列車振動荷載作用下的安全性評估及結構減振方法的設計提供理論依據。 1.2 國內外研究現狀 本書主要討論盾構隧道在列車振動荷載作用下的動力響應特性及其影響因素，這些內容涉及盾構隧道在列車荷載作用下的動力響應規律，管片接縫、上軟下硬地層和襯砌管片背后空洞對盾構隧道響應的影響，因此下面將重點闡述列車振動荷載作用下盾構隧道動力響應特性、盾構隧道管片接頭分析模型、上軟下硬地層中盾構隧道結構力學特性以及襯砌管片背后空洞對隧道結構的安全性影響四個方面的研究現狀。 1.2.1 列車振動荷載作用下盾構隧道動力響應特性 1. 列車振動荷載 地鐵列車運行時，列車與鋼軌之間相互作用而產生振動激勵，其原因可以歸納為以下三個方面：①列車行駛下，眾多車輛與鋼軌同時發生作用產生的振動力；②車輪經過鋼軌接頭處產生的振動力；③車輪的不均勻磨損或鋼軌的不平順等誘發的振動力。總體來說，列車振動荷載產生的原因比較復雜，其影響因素涉及列車速度、車輛類型、鋼軌類型、軌道結構等，使得列車振動荷載的確定具有較大困難。現有的鐵路路線多采用的是無縫線路與整體道床，因而軌道的不平順和軌面波形磨耗效應，尤其是軌道的隨機不平順，是列車振動荷載產生的*直接原因。 目前，已有較多的國內外學者對列車振動荷載問題展開了研究。一部分學者基于現場測試進行頻譜分析，通過簡化模型和傅里葉變換來對列車振動荷載的數學表達式進行了研究。張玉娥等[5]在現場測試的基礎上，利用頻譜分析方法得出了由地鐵列車振動引起的軌道振動加速度的數定表達式，根據車輛系統振動簡化模型，建立了正確的模擬輪系的運動方程，從而推導出地鐵列車振動荷載。高峰?[6]根據北京—通遼線扎蘭營子隧道列車振動現場測試的加速度數據分析列車車輛體系的振動，得到了列車振動荷載的數定表達式。潘昌實和Pande[7]根據軌道加速度測試數據分析車輛體系的振動，采用輪軌相互作用模型進行推導，提出了采用振動力函數模擬列車振動荷載的思想。該函數包括靜荷載和一系列正弦函數組成的動荷載(見式(1-1))，可在一定程度上反映列車振動荷載的周期性，是一種近似的模擬方法。 (1-1) 式中，A0為車輪作用的靜荷載；ω1、ω2、ω3為鋼軌振動圓頻率；A1、A2、A3為對應的振動荷載峰值。令簧下質量為M0，相應的振動荷載幅值為 (1-2) (1-3) 式中，v為列車行駛速度；Li為典型波長；ai為典型矢高。Li和ai根據英國軌道幾何不平順管理值來取，如表1-1所示；ωi的取值則依據表1-1中的條件進行取值。 表1-1 英國軌道幾何不平順管理值 梁波等[8]在充分考慮振動荷載產生機理(車輛因素、軌下基礎因素等)的基礎上，對已有的列車荷載表達式進行了修正和完善。修正后的表達式(式(1-4))既考慮了相鄰輪對間輪軌力的相互疊加和軌枕的分散作用，又考慮了由于軌道不平順所產生的振動激勵及其他要素，修正后的表達式如下所示： (1-4) 式中，k1為疊加系數；k2為分散系數。k1、k2可根據車輛類型和軌道結構(包括軸重、長度、列車運行速度以及鋼軌和軌枕類型等條件)計算得到，k1一般為1.2～1.7，k2一般為0.6～0.9。 理論分析在列車振動荷載的研究中被廣泛采用，其核心是確定合適的計算模型。翟婉明[9]首先提出了車輛-軌道垂向系統統一模型，將列車簡化為10自由度的整車模型，軌道為三層連續梁-質量模型。韋凱等[10， 11]建立了車軌耦合動力模型，采用兩系懸掛自由度為10的模型模擬列車，鋼軌與浮置板簡化為Euler梁模型，提出了一定速度范圍內列車振動荷載計算方式。還有學者進一步考慮了隧道和地基的影響，采用車輛-軌道-隧道-地基模型確定作用在隧道上的振動荷載，如Xu等[12]利用車輛-軌道-隧道-地基縱向模型計算了整體式軌道和浮置板軌道下隧道結構上的振動荷載時程；王田友等[13]利用車輛-軌道-隧道-地基縱向模型計算了隧道道床上的振動荷載；歐陽昆森[14]采用列車-軌道-隧道-地基模型計算了整體式軌道和浮置板軌道結構下隧道內的振動荷載。 2. 隧道結構動力響應特性 許多專家學者已經對列車振動荷載作用下的隧道結構及周圍土體動力響應展開了研究。在理論分析與數值模擬方面，Forrest和Hunt[15， 16]首次提出了一種Pipe-in-Pipe(PiP)理論分析模型，模型基于彈性圓柱體理論，假設隧道結構與周圍土體為兩個同心圓，該模型能夠較為準確地模擬振動波在隧道結構和土體中的傳播。Gupta等[17]綜合了PiP理論分析模型與周期有限元-邊界元耦合模型，考慮列車、軌道、隧道與周圍土體間的動態接觸，研究了列車、軌道、隧道與土體參數對列車振動荷載作用下環境響應的影響。Hussein等[18]對PiP理論分析模型進行了拓展，假設地層分界面和地表對隧道位移響應無影響，建立了多分層半空間體中的隧道模型，并與有限元-邊界元耦合模型的計算結果進行了對比，驗證該模型可以較為準確地預測多層半空間體的動力響應，且計算速度有顯著提升。Yaseri等[19]建立了三維數值計算模型，隧道結構及周圍土體采用比例邊界有限元，并采用有限元模擬了軌道結構，對列車振動荷載作用下隧道結構及土體的位移響應進行了研究。Real等[20]建立了三維有限元模型以及兩種不同二維模型，分別對隧道結構的加速度響應進行了計算，對比三種模型的計算結果，發現二維模型中缺少振動波的三維傳播，可靠性不如三維模型。Gharehdash和Barzegar[21]建立了三維彈-塑性有限元模型，分別計算了隧道結構有管片接頭和無管片接頭兩種條件下的動力響應，計算結果表明隧道結構的動力響應受管片接頭影響較大，提出研究隧道管片結構動力響應時，考慮接頭效應很有必要。戴林發寶等[22]以廣深港高鐵獅子洋盾構隧道為依托工程，采用FLAC3D軟件建立三維數值模型，計算了隧道周圍土體在高速列車振動作用下的動力響應，并進一步研究了地下水的影響。 在模型試驗方面，Tamura等[23]早在1975年就驗證了在正常重力條件下采用模型試驗的方式對這一問題進行研究的可行性，并在開展的模型試驗中測試了隧道及圍巖的動力響應以及隧道的變形特性。Thusyanthan和Madabhushi[24]在正常重力條件下開展了模型試驗，對不同隧道結構材料對振動波的傳遞與吸收進行了研究。模型試驗采用了兩種荷載——沖擊荷載和簡諧振動；采用了兩種類型的材料模擬隧道——黃銅和塑料。數據采用功率譜分析與小波分析進行處理，試驗結果表明土體與隧道結構的阻抗適配度越高，隧道結構吸收的能量越少。Yang等[25， 26]利用離心機在模型試驗中還原了隧道周圍土體的應力場，對激振荷載分別位于地表和地下時隧道結構及周圍土體的動力響應進行了研究。同時采用FLAC3D軟件對模型試驗結果進行了驗證，并進一步探究了土體參數及數值模擬中的邊界條件對計算結果的影響。Huang等[27]在正常重力條件下開展了幾何相似比為1∶4的模型試驗，激振荷載通過MST電液伺服激
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