列车振动荷载对地铁周围土体长期变形性状的影响.docx

摘 要：地铁列车的长期振动不仅会造成隧道结构本身的不均匀沉降，同时也会使隧道周围软土产生振陷；而实际工程经验表明受扰动的地铁隧道土体在车致振动下会产生更大的振陷，影响地铁安全运营。所以研究受扰动地铁隧道土体在列车长期振动荷载作用下的变形规律，对运营地铁附近有基坑开挖等卸载扰动时地铁的安全运营有重要意义。本文对地铁荷载作用下土体的动力响应理论、列车振动循环荷载对地铁周围土体动力特性的影响进行了综述；介绍了几种典型土体的应变模型，分析了地铁列车振动荷载作用下的饱和软粘土形状的微观研究，总结了影响地铁长期沉陷的因素。并利用了三次函数等方法进行地铁沉降的实测数据拟合分析。最后得出结论，总结出地铁列车振动荷载是其中最重要的因素之一。 关键词：地铁振动荷载；黏性土；粉性土；沉降；变形 1 引言 1863年1月10日英国伦敦建成世界上第一条地下铁路，标志着城市地下轨道交通方式的诞生。一百多年以后地铁已经成为一种普遍的城市现代化交通工具并遍及全球[1 随着社会经济的发展，进行了大量的地下铁路、高速公路、高速铁路、过江隧道、贮油罐等基础设施建设，而作用在这些基础设施上的荷载以及地下水位变化、海浪等引起的荷载都可以看作是循环荷载[2,3]。众所周知，地震对工程建筑所引起的破坏十分严重，损失也很大，因此，以往循环荷载研究都集中在由地震作用所引起的土的性状变形问题上，也就是进行地震荷载下的抗震设计分析。而随着世界经济建设的发展，对世界各大城市内的高速交通网的需求日益增长。现在城市快速路、地铁和轻轨等已经成为解决城市交通拥挤和促进经济发展的重要途径。但对于类似高速铁路列车、地铁列车振动荷载之类的具有作用时间长、有一定作用周期的循环荷载可能产生的破坏也不容忽视。地铁建成投付使用后，会发现隧道中行驶列车的振动对隧道周围土体强度和变形有较大影响，而且这种影响与列车运行状态有很大的相关性[4]；一些软土路基上修建的高速铁路，经过一段时间的运营后，发生路面开裂和倾斜，影响道路的正常使用。因此研究在交通荷载作用下地铁隧道和路基周围土体的强度和变形控制问题具有重大意义。在国际上，振动已经被列为七大环境公害之一[5]。 地铁投入运营后，其振动荷载的长期作用可能使地基土软化、孔隙水压力增大，导致土体承载力降低，而土体被弱化的后果不仅危及地铁运营的安全，对上方建筑物地基的稳定性也同样会造成难以挽回的不利后果[6]。所以研究受扰动地铁隧道土体在列车长期振动荷载作用下的位移规律，对运营地铁附近有基坑开挖等卸载扰动时地铁的安全运营有重要意义。 交通工具运行时的振动荷载作为一种特殊的循环荷载，既不同于静荷载，也不同于地震荷载，而是长时间往复施加的循环荷载，因此有必要研究交通荷载作用下土体的动力稳定性。 列车振动引起地下结构影响的研究主要集中在两个方面：一是列车振动对环境的影响，二是列车振动引起隧道结构的动力响应。中外学者通过数十年的实际测试和理论分析，在地铁振动的产生机理、传播规律以及控制方法上都取得了一定成果。自地铁开始运行以来，地铁对环境的振动影响就已经引起人们的关注。早期的研究主要是通过现场振动测量，进行数学处理后给出经验的计算公式或模型。早期从事地铁列车振动工作研究的Jenkins[7]曾指出，随着列车速度的提高，轨道的不平顺或轮子的缺陷是产生列车振动的主要因素。随之，Dawn[8]等通过对现场监测，对地铁荷载引起的地面振动传播规律及对周边影响进行了探讨。由此，人们开始展开了对振动的污染规律、产生原因、传播途径、控制方法以及对人体的危害等的研究[9]。Lang[10]和Kurzweil[11]给出了振级与距离有关的简单预测公式；随后，Ungar[12]及Kurzweil等[13]又通过给定不同列车、轨道、隧道及建筑物类型的修正参数，来预测不同的地点由于地铁列车运营而引起的环境振动影响。1977年，Rucker[14]对柏林地铁双线区间隧道列车振动进行过试验研究，1979年Dawn和Stanworth[15]研究了铁路运行所产生的地面振动，1982年英国伦敦运输科学顾问室进行了地铁区间隧道振动试验。英国铁路管理局研究发展部技术中心对铁路车辆引起的地面振动进行了测试，主要就行车速度、激振频率和轨道结构参数的相关关系以及共振现象等进行了实验研究。瑞士联邦铁路和国际铁路联盟（UIC）实验研究所（ORE）共同执行了一项计划，以A．Zach和G．Rutishauser为首的研究小组研究了地铁列车和隧道结构的振动频率和加速度特征。从改善线路结构的角度提出了降低地铁列车振动对附近地下及地面结构振动影响的途径。在国内，夏禾等[16] 综述了国内外关于轨道交通引起的环境振动问题的研究状况，分析了振动对人们工作和生活的影响，振动产生的原因，列车速度对振动的影响，振动的持续时间、强度分布等特