凸起地形对铁路环境振动的影响范文

摘要：建立了列车作用下路基—凸起地形的二维有限元计算模型，研究了凸起地形宽度，形状，高宽比以及地基土性质对铁路环境振动的影响规律。结果表明,凸起地形减弱了铁路环境振动的地面加速度，明显放大了水平振动位移，对竖向振动位移的影响不明显；随凸起地形宽度、高宽比的增大，水平振动位移的放大效应更为显著；高宽比越大，竖向、水平两个方向地面加速度减小越明显；半圆形、梯形凸起地形对铁路环境振动的影响较为一致，但三角形凸起地形的水平地面加速度在凸起地形顶部出现明显的局部放大，水平振动位移的放大效应较半圆形、梯形地形要明显；地基愈软弱，凸起地形的影响效应越显著。

关键词：凸起地形；铁路环境振动；加速度；振动位移

1引言

近年来，铁路环境振动问题是国际学术界十分关心的一个课题，学者们侧重于这一方面的研究已取得了长足进展。Degrande等[1]现场测试了布鲁塞尔-巴黎区间线路上不同列车速度运行时的地面振动，为理论分析提供了大量地面振动的实测数据；Takemiya[2]实测发现深层软土条件下振动以低频模态为主，浅层软土条件下转向高频；Lombaert等[3]对比分析了不同车速的现场测试结果，分析了列车速度对地面振动的影响规律；并研究了准静态和动态荷载对自由场地振动的影响；Connollyd等[4]建立了三维数值模型，分析发现软路堤会增大周围土体的振动水平；Kouroussis等[5]研究了土体动力和几何参数对地面振动传播的影响。在国内，夏禾等[6]发现地面振动特性与车速和地基土特性紧密相关；雷晓燕等[7]现场实测发现地面低频振动较高频振动衰减更慢，远离振源处地面振动以低频为主；翟婉明等[8]发现土体阻尼的存在能有效地降低地面振动水平；高广运等[9]讨论了饱和土层参数对振动传播与衰减的影响规律，地面竖向振动幅值随孔隙率的增大而减小；巴振宁等[10]建立了2.5维间接边界元方法，开展了饱和地基透水情况、饱和土孔隙率、饱和基岩与饱和土层刚度比、饱和土层厚度等参数分析；但这些已有研究中都没讨论凸起地形的影响。列车引起的振动通过振动波（面波为主）的形式向外传播，当振动波入射凸起地形（山包、陡坎等）时，由于凸起地形对波的散射，其传播将受到影响，从而导致铁路环境振动也将不同，而目前尚未见对这一问题的报道。地震工程中的这一问题已有研究[11,12]，发现波（面波、体波）入射时，凸起地形会有明显的放大效应，但列车引起的振动在持时、频谱特性等方面不同于地震情况。所以要准确反映列车作用下凸起地形对铁路环境振动的影响，就必须考虑其地形效应。本文针对这一问题，建立了列车作用下的路基—凸起地形计算模型，分析了凸起地形形状、高宽比、地基土性质等参数的影响规律。

2二维计算模型的建立

采用有限元软件ANSYS进行建模和计算分析。根据文献[13]提出的土域计算范围，并考虑到凸起地形参数变化的需要，本文计算模型范围取为长200m，深41.3m；采用粘弹性人工边界模拟外部土域。按照已有研究结果，计算模型的单元网格尺寸取为0.5m，采用Rayleigh阻尼反映地基土阻尼情况。

3计算模型的验证

为了验证计算模型的有效性，建立路基-分层地基二维有限元计算模型，利用文献[15]的某软土区高速铁路实测的结果进行对比，文献[15]实测的列车时速为350km/h。地基土为分层地基，共分为四层。

4凸起地形的参数分析

利用建立的二维计算模型，针对凸起地形的宽度、形状、高宽比以及地基土性质进行了参数分析。观测点位置分别为距离轨道中心15m，25m，35m，40m，45m，47m，49m，51m，53m，55m，57m，59m，61m，63m，65m，70m，80m，90m，100m。首先给出了宽度为30m的凸起地形各时刻的位移云图。

4.1凸起形状的影响

4.1.1凸起地形宽度

分别选择宽度为30m、50m、70m五种半圆型凸起地形来分析，凸起地形中点距轨道55m，地基土采用表1中匀质地基，列车速度按250km/h考虑，计算各种宽度凸起地形的竖向、水平地面加速度和振动位移，并与无凸起地形情况的地面振动进行对比，相比于无凸起的平地，凸起地形的存在会明显减小竖向、水平两个方向的地面加速度，且当距离轨道较远时，不同宽度凸起地形的加速度减小趋于一致；结合表2发现，地形宽度对凸起地形顶部竖向加速度减小幅度的影响很小，三种宽度下凸起地形顶部的竖向加速度都在平地时的0.3倍左右；而对于水平地面加速度，地形宽度存在一定影响，即宽度越大，水平加速度减小幅度越大，但宽度较大时这种影响不明显，如本例中地形宽度30m的凸起地形顶部水平加速度为平地时的0.35倍，而宽度50m、70m的凸起地形顶部水平加速度则分别为平地时的0.26倍、0.22倍。凸起地形对地面竖向振动位移的影响不明显，凸起地形顶部竖向振动位移的放大倍数也表明了这一点；但对水平振动位移，凸起地形有着显著的放大效应，且地形宽度越大，放大效应越明显，表2计算结果显示，地形宽度为30m时，凸起地形的水平振动位移放大2.05倍，而地形宽度增加到70m时，凸起地形的水平振动位移放大到3.03倍。

4.1.2凸起截面形状

为分析凸起地形截面形状的影响，选择三角形、梯形和半圆形三种截面形状比较分析，凸起地形的宽度都取为30m，高度15m，距离轨道55m，梯形凸起顶部宽10m，底部宽30m，列车速度按250km/h考虑，计算各种宽度凸起地形的竖向、水平地面加速度和位移，并与无凸起地形的地面振动进行对比，梯形、半圆形两种截面形状对两个方向加速度、振动位移的影响较为一致，三角形凸起地形只在竖向加速度、竖向振动位移的影响上同梯形、半圆形两种截面形状相当，而在水平方向存在明显差异，表现为较大的水平向放大效应，即水平加速度存在局部明显放大，且水平振动位移的放大效应也较梯形、半圆形凸起地形更为明显，这是因为三角形凸起地形顶部尖锐而产生能量集中现象。在本例中，三角形的水平振动位移放大为2.3倍，而梯形和半圆形只分别为2.07和2.05倍。

4.1.3高宽比

凸起地形的高宽比h/a即凸起地形高度与底部宽度的比值，为便于分析，本文选取三角形凸起地形进行计算。凸起地形的其它计算参数同凸起截面形状工况，分别选取高宽比h/a=2.0、1.0、0.5三种情况进行分析。

4.2地基土性质的影响

选择了三种匀质地基情况比较分析，凸起地形中点距离轨道中心55m，凸起的宽度为30m，高度为15m，半圆形凸起地形，车速为250km/h。

5结论

通过建立列车作用下路基—凸起地形的二维有限元计算模型，讨论了凸起地形宽度，形状，高宽比以及地基土性质对铁路环境振动的影响，发现凸起地形对铁路环境振动存在重要影响。（1）凸起地形会减小竖向、水平两个方向的地面加速度，对竖向振动位移影响不明显，但会显著放大水平振动位移，且凸起地形宽度越大，放大效应越显著。（2）半圆形、梯形凸起地形对铁路环境振动的影响较为一致，但三角形凸起地形的水平地面加速度在顶部出现明显的局部放大，水平振动位移的放大效应较半圆形、梯形地形更明显。（3）凸起地形高宽比越大，竖向、水平两个方向地面加速度减小越明显，且三角形凸起地形顶部的水平加速度局部放大效应亦减小。随着高宽比的增加，凸起地形水平振动位移的放大效应更为显著。（4）地基愈软，凸起地形的影响效应愈显著，而地基变硬时，凸起地形的影响效应减弱。

作者：卢华喜；徐路遥；梁平英；吴必涛单位：华东交通大学