软土地区高铁运行引起的环境振动及减振研究

随高速铁路的快速发展，其引起的环境振动对邻近建筑物、精密仪器和设备等有不可忽视的影响，软土地区尤为甚。我国高铁多采用高架桥桩基，本课题拟开发一种饱和地基的2.5维有限单元法，分别建立饱和均质及分层地基、饱和横观各向同性地基上高铁荷载作用下桩-土体系动力模型、CFG桩和灰土桩复合地基动力模型，实现编程计算，研究桩-土体系、CFG桩和灰土桩复合地基在高铁荷载作用下的动力响应、减振机理和环境振动在三维层状地基中的传播。分析车速变化、轨道不平顺、荷载作用频率变化对饱和地基中桩-土体系、CFG桩和灰土桩复合地基动力响应的影响规律；研究布桩形式、桩基的几何尺寸、土层地质条件、渗透系数、土体泊松比和桩身弹性模量等参数变化对减振结果的影响；根据工程实测结果及其与理论预测的综合对比分析，提出软土中高铁运行引起的振动沿地面传播与衰减的计算公式。研究成果对土动力学、地震工程学、交通工程等工程问题提供理论指导。

我国高铁发展成就举世瞩目，已建成了时速350km的京沪、京津、武广和郑西高铁等。高铁运行引起的振动对邻近建筑物、精密仪器等有不可忽视的影响，危害人们的身心健康和工作环境。高铁振动包括两个方面：其一，高铁轨道的振动可危及行车安全和舒适性；其二，振动以波的形式通过地基传播，将严重干扰沿线人们的正常工作和生活。.主要研究内容为：采用2.5维有限元法，分析了高铁运行引起的饱和地基和横观各向同性饱和地基动力响应及层状地基中填充沟的隔振，研究了车速、轨道不平顺、荷载频率及地基土参数的影响，分析了软硬土场地地面振动传播与衰减规律。基于半解析边界元法，分析了列车运行时层状和竖向非均匀地基及饱和土中波阻板的隔振效果；采用积分方程法分析了排桩隔振及等效方法。建立了2.5维有限元复合地基动力计算模型，分析了层状、饱和地基及横观各向同性土体中CFG桩及灰土桩复合地基动力响应，研究了车速、轨道不平顺、复合地基模量等的影响。建立了车辆-轨道-桥梁-桩土作用模型，研究了高架桥群桩地基动力响应，分析了桩长、桩径、桩间距和轨道不平顺对地面振动的影响及减振。基于现场振动测试，研究了列车轨道不平顺等对地面振动的影响。研究了不同内源突加荷载作用下饱和土与衬砌隧道的动力响应。.主要成果为：饱和路基轨道中心处由轨道的共振条件确定竖向振动，轨道外由车速确定，车速等于或接近于地基土剪切波速时引起轨道共振；高速运行时饱和土的地面竖向振动大于弹性地基，车速低时弹性地基大于饱和土；软土中应力波衰减快于硬土，近轨道处较远处衰减快；轨道不平顺幅值越大、车速越高，地面振动越大，不平顺波长大则影响小；表层土参数的振动影响大于下伏土层，地面振动随渗透系数增大而增大，随剪切波速的增大而减小；随波阻板弹性模量、厚度和宽度增大及埋深减小，列车荷载下饱和土中隔振效果增大；分析了4种不同填料填充沟的隔振效果；CFG桩复合路基及垫层可减小高频-中低频地面振动，提高了路堤边坡的动力稳定性；合理调整桥梁跨度与车速组合、合理设计桩长、适当增加桩间距均可减小地面振动，上硬下软比上软下硬地基条件的减振效果好；提出了线源和点源荷载作用下地面振动的近场与远场界线；得到了不同车速和不同地基模型中孔隙水压力的变化规律。.本研究揭示了高铁荷载作用下软土地基的动力响应及减振，可完善土动力学、地球物理学、交通工程等学科理论，具有重要的科学意义和应用价值。