高速铁路隧道基底软岩动力响应及疲劳损伤特性研究

摘要

近年来我国高速铁路建设取得了长足的发展，高速铁路隧道长期稳定性问题已逐渐引起工程界的广泛关注，开展高速列车振动荷载对隧道基底软岩动力特性及疲劳损伤等方面的研究已显得尤为重要。本文以武广高速铁路金沙洲隧道基底软岩为研究对象，依托国家自然科学基金项目“高速铁路隧道结构动力累积损伤机理与控制方法研究(51278121)”，采用室内试验与数值模拟相结合的方法，以相似材料模拟高速铁路隧道基底软岩，对软岩试样施加非对称正弦荷载，进行了疲劳及损伤综合试验，获得了高速铁路隧道基底软岩疲劳损伤特性。在此基础上，利用有限元分析软件MIDAS/GTS分析了不同强度软岩隧道基底动力响应特性。
　　通过试验结果分析，软岩的疲劳破坏表现为端部拉-剪复合破坏和中部压·剪复合破坏两种模式，并建立了不同强度软岩3参数多项式S-lgN疲劳特征曲线，结果表明不同强度软岩S-lgN曲线呈现出相似的变化规律;结合弹性损伤理论与非金属超声检测方法对不同试验工况下软岩的损伤特性进行了测试，得到了不同强度等级软岩4参数损伤参量与循环振次D-N/Nf曲线，并与累积振次-动应变关系曲线进行对比分析，认为两者之间具有良好的相关性;根据软岩损伤测试超声波形态特征与累积振次之间的关系，认为超声波波速可作为软岩损伤的关键性评价指标。
　　基于MIDAS/GTS分析软件，对高速铁路列车隧道基底软岩动力响应特性进行了详细的论述，分析了不同列车车速、不同强度软岩下隧道基底的动力响应特性，得出了列车车速对仰拱底部软岩影响较大的基本结论。基于不同条件下动应力计算结果，结合疲劳损伤试验，得出了相应条件下的疲劳寿命及当基底软岩强度较低或软土地区修建高速铁路隧道时，需对基底进行一定深度的加固以提高疲劳寿命的结论，并估算了金沙洲隧道基底软岩疲劳寿命。
　　本文研究成果将对我国高速铁路隧道基底软岩在循环荷载下的长期稳定性及疲劳寿命预测具有重要的指导意义，并可作为软土地区高速铁路隧道设计、施工的重要参考。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 列车振动荷载理论研究

1．2．2 隧道动力特性试验研究

1．2．3 隧道动力响应特性数值模拟研究

1．2．4 隧道疲劳损伤特性研究

1．3 本文主要研究内容

1．4 本文创新之处

第二章 疲劳损伤及损伤检测理论

2．1 疲劳损伤变量

2．2 疲劳损伤等效理论

2．3 疲劳累积损伤理论

2．3．1 线性疲劳累积损伤理论

2．3．2 双线性疲劳累积损伤理论

2．3．3 非线性疲劳累积损伤理论

2．3．4 疲劳寿命估算方法

2．4 损伤检测理论

2．4．1 软岩超声波传播特性

2．4．2 超声波损伤计算原理

第三章 软岩疲劳损伤试验

3．1 试验目的

3．2 试验内容

3．2．1 试样制备

3．2．2 疲劳试验

3．2．3 损伤试验

3．3 试验结果分析

3．3．1 疲劳特性分析

3．3．2 损伤特性分析

3．4 本章小结

第四章 高速铁路隧道基底软岩动力响应特性分析

4．1 隧道结构动力响应分析基本原理

4．1．1 体系振动方程

4．1．2 结构阻尼的确定

4．1．3 动力响应计算方法

4．2 高速铁路列车荷载的确定

4．3 动力分析模型

4．3．1 模型材料参数

4．3．2 模型单元及网格划分

4．3．3 动力边界条件

4．3．4 计算工况

4．3．5 计算步骤

4．4 计算结果及分析

4．4．1 体系模态分析

4．4．2 基底软岩动应力响应特性

4．4．3 基底软岩加速度及位移响应特性

4．4．4 基底软岩疲劳寿命分析

4．4．5 金沙洲隧道基底软岩疲劳寿命估算

4．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢