地铁隧道列车循环荷载下粉砂地基长期沉降研究

文章基于郑州地铁1号线农业南路—东风南路站实际工程,开展粉砂土排水工况的动三轴试验,基于动三轴试验结果提出粉砂土塑性累积变形计算公式,并结合有限元模拟获得的地层动偏应力数据,预测小曲率半径为250～350 m、列车速度为40～200 km/h时隧道地基的长期累积变形。研究结果表明：相较于软黏土,粉砂土更易受到振动变形破坏,其初始阶段的变形量与变形速率更大;根据数值模拟计算结果,曲率半径为350 m、速度为80 km/h工况下运行30 a的累积沉降为20.23 mm;列车行驶速度越大,曲率半径越小,动偏应力越大,且相较于曲率半径的影响,曲线隧道地基长期沉降对列车速度的敏感性更大;曲线隧道设计、施工和运营时,要综合考虑曲率半径和列车速度的影响,当曲率半径为250～350 m时,理论上,列车速度宜控制在80 km/h以下,而当曲线隧道曲率半径大于350 m时,列车速度可适当调高。     

地铁列车移动荷载作用下饱和软粘土地基动力响应及长期累积变形研究

为了研究地铁列车荷载反复作用下饱和软黏土地基的动力响应和长期累积变形,本文通过进行室内固结不排水动三轴试验,得到了地基累计变形计算参数,并建立了车辆-轨道相互作用动力学模型,对列车反复荷载作用下软土地基的动力响应和累积塑性变形进行研究。研究结果表明：土体中的累积塑性应变随深度逐渐减小,同样的深度位置,累积塑性应变随荷载作用次数增加而增加;在车辆荷载作用的早期,累积变形的增长速率最大,随着荷载次数的增加,累积变形的增长速率逐渐减小,且累积变形曲线有明显的拐点。     

地铁列车移动荷载作用下饱和软黏土地基动力响应及长期累积变形

为了研究地铁列车荷载反复作用下饱和软黏土地基的动力响应和长期累积变形,通过进行室内固结不排水动三轴试验,得到了地基累计变形计算参数,并建立了车辆-轨道相互作用动力学模型,对列车反复荷载作用下软土地基的动力响应和累积塑性变形进行研究。研究结果表明:土体中的累积塑性应变随深度逐渐减小,同样的深度位置,累积塑性应变随荷载作用次数增加而增加;在车辆荷载作用的早期,累积变形的增长速率最大,随着荷载次数的增加,累积变形的增长速率逐渐减小,且累积变形曲线有明显的拐点。     

列车动荷载影响下深基坑支护结构变形及隔离桩隔振效果研究

随着城市轨道交通迅速发展,深基坑工程在已运营地铁旁施工已较为常见。为研究列车动荷载作用下深基坑支护结构变形规律以及评价隔离桩的隔振效果,以武汉市华中科创产业园超大深基坑工程为背景,采用激振力函数模拟计算列车动荷载,通过FLAC3D有限差分软件模拟分析列车动荷载以及隔离桩对深基坑支护结构变形的影响,并将现场监测数据与数值结果对比分析,验证数值模拟方法的可靠性。研究结果表明：激振力函数模拟列车动荷载输入数值模型得到的基坑支护结构变形规律与现场实测基本一致;列车动荷载对基坑支护结构变形影响较小,列车动荷载作用下地表沉降和围护桩变形各增加了1.3mm、3.6mm;隔离桩对列车动荷载具有较好的隔振作用,使地表沉降和围护桩变形分别减小了28%、6.8%。研究成果具有一定的实际推广价值,能为类似工程提供参考。     

地铁列车荷载引起隧道基底长期沉降研究

地铁隧道在投入运营后,由于地铁列车荷载引起隧道基底的变形与稳定已成为亟待解决的问题.为研究运营期昆明地铁在列车荷载作用下隧道基底长期沉降变形,首先通过人工激振力函数法确定地铁列车荷载时程曲线.其次采用有限单元法,建立地铁隧道基底土体的动力响应的数值模型,揭示隧道基底土层的动力反应特性.最后采用Li和Selig提出修正指数模型预测昆明地铁在列车循环荷载作用下隧道基底的长期沉降变形.研究结果表明:地铁列车荷载产生动应力主要影响范围在隧道底部0~5m;昆明地铁三号线运营10年后的隧道基底的累计沉降值约为14.3mm,第一年的沉降值约占运营前10年累计沉降值的52%.     

泥炭质土地区盾构隧道列车运营期沉降研究

为研究运营期列车振动荷载作用下盾构隧道地基土体的沉降特性,本文以昆明地铁二号线二期工程某区间隧道为例,结合地质勘察资料,建立Midas GTS NX三维有限元模型,通过人工激励函数对模型施加动力荷载,分析了列车满载高速的情况下,隧道周边土体的沉降特征,结合经验模型公式,预测了隧道在长期循环荷载作用下基底土体的沉降变形.研究结果表明:在长期列车振动荷载作用下,隧道周围土体发生被迫振动,类似作简谐运动;土体的沉降幅值随与振源距离的增加而减小;线路运营期基底土体沉降呈指数型增长,最终趋于稳定,第一年沉降16.9 mm,达前10年累计沉降的67.6%.为保障线路的安全运营,应重点加强隧道运营期前期的监测养护.     

列车动荷载影响下深基坑变形及隔振效果分析

为研究列车动荷载作用下深基坑支护结构变形规律以及评价隔离桩的隔振效果,以武汉市华中科创产业园超大深基坑工程为背景,采用激振力函数模拟计算列车动荷载;然后通过FLAC3D有限差分软件模拟分析列车动荷载以及隔离桩对深基坑支护结构的变形影响.将现场监测数据与数值计算结果对比分析,验证数值模拟方法的可靠性.研究结果表明:激振力函数模拟列车动荷载输入数值模型得到的基坑支护结构变形规律与现场实测基本一致;列车动荷载对基坑支护结构变形影响较小,列车动荷载作用下地表沉降和围护桩变形各增加了1.3、 3.6 mm;隔离桩对列车动荷载具有较好的隔振作用,使地表沉降和围护桩变形分别减小了28%、 6.8%.研究成果具有一定的实际推广价值,能为类似工程提供参考.     

高铁动荷载对近接综合交通枢纽换乘中心施工的影响

为研究高速列车动荷载作用下基坑变形规律与稳定性,以洛阳龙门站综合交通枢纽—换乘中心基坑工程为依托,采用激振力函数模拟计算高速列车动荷载.运用Midas-GTS/NX有限元软件并结合现场监测数据对高速列车动荷载的不同作用形式、不同车速以及不同轴质量作用下换乘中心基坑的锚索轴力、桩体位移、桩后地表沉降等展开研究.研究结果表...     

岩溶段连拱隧道列车振动响应及地基累积变形

采用动力有限差分数值计算方法,针对列车荷载作用下,宜万铁路白云山隧道穿越大型溶腔段连拱隧道结构动力响应问题进行计算分析,并进一步基于Dingqing Li塑性应变模型,探讨列车长期反复荷载作用下岩溶地基的累积沉降变形计算方法。研究结果表明:穿越大型溶腔的白云山隧道连拱结构段,各典型位置受列车荷载振动影响不明显,最大拉压应力峰值和位移变形均小于结构材料的设计值和正常使用允许值;隧底岩溶地基在列车长期荷载反复作用100 a后,累积塑性变形小于20 mm,能够满足列车高速运行对线路平顺性的要求,不会对列车长期运营造成破坏性影响。     

粉砂地层中列车载荷对曲线隧道沉降的影响

为揭示粉砂土层中列车移动载荷作用下曲线隧道沉降规律,采用MIDAS数值模拟软件,对地铁列车载荷进行动态模拟,以郑州地铁一号线一期工程为背景,对隧道结构进行现场实测,将作用在轨道上的载荷分解成列车轴重引起的竖向力、横向力以及轨道超高引起的离心力,研究列车移动载荷对不同曲线半径和车速条件下隧道周围土层动力响应和沉降的影响.研究结果表明:粉砂土层中列车振动载荷对曲线隧道周围土层的影响主要在隧道底部0～15m内;隧道下方土层动力响应和长期累积沉降随着隧道转弯半径的增加而减小;列车运行速度的提升导致隧道下方土体动力响应增加71.4%,与之对应的长期累积沉降值降低6.4%.研究结论总结了列车载荷对隧道的沉降影响规律,为盾构隧道工程施工提供参考与建议.     

CRTSⅢ型板式无砟轨道下路基的累积变形

为研究CRTSⅢ型板式无砟轨道下路基在设计使用年限内的累积变形规律,设计了路基累积变形试验方案.介绍了CRTSⅢ型板式无砟轨道-路基足尺模型试验平台,并在该试验平台上开展了1亿次循环荷载试验.试验结果表明:路基动应力受循环荷载作用轴次的影响很小;随着列车荷载作用轴次的增加,路基累积变形在加载初期增长较快,随后增长速率逐渐变小,当加载轴次达到350万次后趋于稳定,在1亿次加载后最终稳定值为3.38 mm;基床表层、基床底层、路基本体和地基累积变形分别占路基总体累积变形的68.93%、16.86%、8.88%、5.33%.最后,基于模型试验结果提出了高速铁路路基累积变形预测模型,可为建立起符合实际的列车长期重复荷载作用下高速铁路路基累积变形计算方法提供参考和借鉴.     

富水强风化砂岩地层顶管隧道下穿既有铁路施工技术

为了解隧道下穿富水强风化砂岩地层施工对既有铁路的影响,依托某电缆隧道下穿广深铁路工程,通过理论分析、数值模拟与现场监测开展了相关研究,并分析了具体施工措施对隧道及地表变形控制的影响。结果表明：当不考虑地表列车荷载和地层富水时,开挖及顶进力为地表沉降、隧道变形的主要影响因素;当单独考虑列车荷载或地层富水弱化作用时,列车荷载会使得下穿段地表沉降和隧道拱顶沉降增大,而地层富水弱化对隧道进出口段沉降及下穿段底部隆起影响较大;当同时考虑列车荷载和地层富水时,隧道拱顶沉降及下穿段路基沉降均会大幅增加。对比分析现场监测、Peck公式预测和数值模拟计算结果,可知数值模拟结果与不考虑地层富水弱化时的Peck公式预测结果十分吻合,但由于其未考虑加固止水措施,地表沉降大于现场监测结果。电缆隧道下穿广深铁路现场施工严格执行现场监测和变形控制措施,将地表沉降值和隧道拱顶沉降值分别控制在6 mm和10 mm之内,隧道底部隆起控制在5 mm以下,可以保障项目的顺利实施与列车的运行安全,并为同类型工程提供一定的经验参考。     

岩溶区铁路列车荷载对新建下穿隧道动力响应规律

在岩溶地区,列车振动荷载已成为引起铁路周边地表岩溶塌陷的重要影响因素。为研究新建地铁隧道在岩溶地层中开挖时,列车荷载对隧道、地表及地层的动位移和动应力响应,以贵阳地铁3号线下穿川黔铁路为背景,通过有限元软件建模计算了在最不利围岩和列车动载条件下,隧道拱顶无溶洞、有溶洞和溶洞注浆3种工况的动力响应规律进行对比分析。结果表明：在列车动荷载作用下,溶洞存在及对其注浆加固对地表位移动力响应的影响范围大致为3.3倍洞径以内,有溶洞时地表最大瞬时沉降发生在路基中线与隧道中线交叉处,为2.74 mm,而对其注浆加固后此处的沉降为2.16 mm,减小了21.2%;对溶洞进行注浆加固后隧道支护结构产生了相对更大动力响应,最大瞬时位移和主应力均发生在隧道拱顶,分别为-1.41 mm和-0.36 MPa;地层竖向应力从地表到隧道拱顶衰减最明显的是有溶洞的情况,从-0.076 6 MPa衰减到-0.008 4 MPa,衰减率为89.03%。可见,对铁路与隧道之间的地层溶洞注浆加固后,在保证新建隧道安全的情况下,明显改善降低了列车动载引起的地表瞬时沉降。     

基于力学-经验模型的交通荷载作用下软基长期沉降计算

为合理表征交通荷载循环作用下各因素对软土累积塑性应变的影响,并对运营期内车辆荷载引起的软土地基沉降进行有效预测,在总结归纳上海地区典型饱和软黏土动三轴试验基础上,充分衡量动、静偏应力耦合效应的影响,给出耦合应力水平的定义,利用耦合指数χ反映动、静偏应力的各自影响程度,以此对循环荷载影响下软土的强度弱化模型进行指数化修正;引入软化指数极限值,提出修正耦合应力水平的概念,建立起综合反映动、静偏应力耦合作用、固结围压、土体结构性、强度弱化及循环加载次数因素影响的软土累积塑性应变模型,并以此模型为基础进行交通荷载诱发的软土地基长期沉降计算,结合申嘉湖(上海—嘉兴—湖州)高速公路沉降实测数据对计算结果进行检验。研究结果表明:通过对强度弱化模型及累积塑性应变模型进行参数分析可知,耦合应力水平对模型的描述在等向、偏压固结状态下具有统一的适用性;申嘉湖高速公路长期沉降计算表明地基浅表层塑性变形最为显著;在运营初期理论计算曲线与实测曲线略有差异,在运营1年后两者差异逐渐减弱,后期保持较强的一致性;随着运营年限逐渐增大,沉降逐渐趋于稳定,预估通车550 d后软土地基累积沉降量达128 mm,与实测数据的相对误差仅为1.68%,说明该模型合理可靠。     

软土隧道地铁振动效应现场实测与数值分析

为揭示列车运行软土隧道瞬时响应和长期沉降的影响,以上海地铁9号线某区间隧道为例,采用现场实测和动力有限元方法分析了软土隧道的自由场响应特征,基于经验公式法评估了隧道长期振动沉降.实测结果表明,隧道近处的地层响应以竖向振动为主,振动加速度总体上服从竖向加速度最大、横向加速度次之、纵向加速度最小的规律.隧道周围30 m范围内竖向加速度为0.02 ～0.32 m/s2,横向加速度为0.02 ～0.26 m/s2.竖向加速度在横向上以弧线状向外衰减,隧道斜上方和斜下方地层存在横向加速度放大现象,地层振动主频为0 ～400 Hz.地铁振动引起的土体动偏应力比小于2％,最大超孔压约为1.1 kPa.地铁运行初期隧道振动沉降主要来自土体不排水累积塑性变形,长期振动沉降则主要来自超孔压消散引起的固结沉降.研究软土地层响应特征有利于揭示地铁振动的传播过程.     

地铁荷载下饱和软黏土累积变形特性

针对地铁循环荷载作用下饱和软黏土的变形特性,对上海地铁2号线静安寺站附近的饱和淤泥质黏土进行(GDS)循环三轴试验,试验结果表明,振动次数一定时,累积塑性应变随动应力幅值的增大而增大,随荷载频率的增大而减小;采用正交设计法安排试验,充分考虑了振动次数、荷载频率、动应力幅值以及其两两交互作用等因素对土体累积变形的影响,结合数理统计分析法建立了影响土体变形的影响率及评价方法。研究结果显示,影响地铁隧道轴线变形的主要因素是动应力幅值,而荷载频率与振动次数的交互作用可以忽略,此研究成果对地铁隧道设计具有重要的参考价值。     

黄土地铁隧道施工围岩及地表变形规律研究

以西安地铁3号线某暗挖站区间双线地铁隧道施工为背景,采用有限差分软件FLAC3 D建立土体三维力学模型对双线地铁隧道台阶法施工过程进行动态模拟;并结合现场实测数据分析台阶法施工引起的地铁隧道围岩及地表变形规律。结果表明:(1)台阶法施工诱发的横向地表沉降呈"V"形,最大地表沉降出现在隧道中线偏右方约3 m,最终形成的沉降槽宽度约为隧道洞径的2倍。(2)台阶法施工诱发的纵向地表沉降在开挖面前地表沉降量最大,随着开挖掌子面距离越远,沉降量越小,最后在开挖进尺40 m附近趋于稳定。(3)隧道拱顶纵向沉降曲线与地表沉降变化趋势基本一致。帮部围岩变形呈现出先快速增长后逐渐平稳的趋势,且影响范围逐渐增大。所得结论可为双线地铁隧道施工和变形预测提供参考。     

黄土地铁隧道施工围岩及地表变形规律

以西安地铁3号线某暗挖站区间双线地铁隧道施工为背景,采用有限差分软件FLAC3 D建立土体三维力学模型对双线地铁隧道台阶法施工过程进行动态模拟;并结合现场实测数据分析台阶法施工引起的地铁隧道围岩及地表变形规律。结果表明:(1)台阶法施工诱发的横向地表沉降呈"V"形,最大地表沉降出现在隧道中线偏右方约3 m,最终形成的沉降槽宽度约为隧道洞径的2倍。(2)台阶法施工诱发的纵向地表沉降在开挖面前地表沉降量最大,随着开挖掌子面距离越远,沉降量越小,最后在开挖进尺40 m附近趋于稳定。(3)隧道拱顶纵向沉降曲线与地表沉降变化趋势基本一致。帮部围岩变形呈现出先快速增长后逐渐平稳的趋势,且影响范围逐渐增大。所得结论可为双线地铁隧道施工和变形预测提供参考。     

列车移动荷载下饱和软黏土地基的长期沉降计算

借助空心圆柱扭剪仪开展偏应力空间中主应力轴心形线旋转路径的室内模拟,建立列车移动荷载引发的主应力轴心形旋转路径下土体的塑性累积模型和孔压模型;在动力有限元中引入等效移动列车荷载,并结合分层总和法的思想,建立高速列车移动荷载作用下饱和软黏土地基的长期沉降计算方法,进一步研究交通荷载下地基软土的长期变形规律。研究结果表明:总沉降量随着振次的增加而增大,其增大速率迅速减小,并在振动约250万次时出现拐点,总沉降速率趋于稳定,此时沉降量占4 a总沉降量的90%以上;土体总沉降量随着深度的增加而不断减小,整体沉降主要发生在距地面5 m以上部分,该部分的沉降量占总沉降量的95%以上;随着列车运行速度的增大,地基土层的总沉降增大,当列车速度超过临界速度时,地基的总沉降量反而大幅度减小。     

软土的循环累积变形模型研究

基于上海地区饱和软土的动三轴试验成果,通过对累积变形影响因素及累积变形发展规律的分析,引入等效循环动应力水平的概念,建立能综合考虑列车荷载循环次数、静偏应力和和动偏应力的耦合作用、固结方式等影响因素的软粘土循环累积变形模型.结合试验成果对模型进行验证,确定不同试验条件下模型中的试验系数.研究结果表明:此模型能够很好地反映多种因素对软土循环累积变形规律的影响;此模型仅适用于软土正常固结且循环应力比小于临界循环应力比的情况;为提高模型计算和预测的精度,用室内试验确定模型中的试验系数时,应采用与现场实际相符的加载和固结条件.