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地铁移动荷载作用下深厚软土本构模型及沉降预测研究

骆俊晖  
【摘要】:随着中国交通建设的发展,地铁成为城市交通最重要的交通工具之一。运营期间,地铁移动荷载产生振动,导致地铁隧道轴线变形,沿线地基出现不均匀沉降,进而引起隧道管片开裂、结构裂缝、渗水和地面沉降,影响地铁的安全运行以及地铁沿线构筑物的正常使用,对周边环境造成噪声污染等一系列不良影响,因此,地铁振动引起的相关问题成为轨道交通设计和运营维护的重要研究课题。鉴于上述问题,需要对地铁移动荷载作用下深厚软土的动力特性和沉降规律进行深入研究,为地铁工程设计、建设和维护提供参考依据。本文以南京地区长江漫滩相深厚饱和软土为研究对象,分析低振幅地铁移动荷载作用下饱和软土的蠕变及动力特性,探讨深厚软土地基在地铁振动荷载下的长期沉降问题,论文主要的研究工作和成果如下:(1)针对不同的动应力幅值、有效围压、振动频率、天然含水量、分级加载下变荷载以及变频率六种影响因素,通过GDS动三轴试验,分析软土动力参数一振次关系变化规律,建立动剪切模量随振次关系函数;基于拟静力法,采用Mesri蠕变模型,计算并分析低振幅地铁振动荷载作用下软土应变—振次关系的发展规律,由试验分析结果得出稳定振次概念,为预测长期沉降建立理论基础;同时分析软土动孔压发展规律。(2)深入分析临界状态土力学理论的特点及其在动力条件下的局限性,研究塑性本构模型与边界面本构模型在本构方程上的异同点;结合地铁移动荷载低振幅的特点,考虑软土在长期荷载作用下的蠕变特性,采用拟静力法,在边界面本构模型中引入Mesri蠕变模型以及Taylor模型,建立考虑时间效应边界面本构模型。(3)设计详细的计算总体系及各模块流程图,分析ABAQUS有限元软件子程序的编写原理,利用应力积分算法,借鉴阻止应变法对前述建立的考虑时间效应边界面本构模型进行算法优化及程序实现,采用本文提出的本构模型和南京软土 GDS动三轴试验获得的相关参数进行数值模拟计算,对模型参数的蠕变参数、临界状态参数及塑性模量参数H0进行计算分析,验证本构模型的有效性。(4)结合试验与有限元计算分析,提出一种预测高振次动荷载作用下地基累积变形的幂函数公式。建立地铁振动简化模型,得到地铁移动荷载—时间关系;建立地铁二维有限元模型,嵌入地铁振动荷载及本构模型子程序,设置粘弹性人工吸收边界,采用建立的幂函数公式预测累积变形,获得固结沉降和总沉降,并与实测沉降数据进行对比分析,验证该方法合理、可行。选取沉降量作为评价标准,采用正交法对隧道埋深、时速、轴重三个影响因素进行敏感性分析。同时,建立三维地铁有限元模型,得到沿纵向、不同水平位置以及不同深度处的沉降量。


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