机车荷载对多年冻土区桥梁桩基础稳定性影响研究

论文摘要

在全球逐渐变暖和人类工程活动等外界因素引起热扰动的影响下,青藏铁路沿线的冻土将面临退化的问题,从而威胁到青藏铁路的安全运营。为确保青藏铁路安全通过高温极不稳定和高含冰量的多年冻土地段,铁路大量采用了“以桥代路”的工程结构形式。决定这种“以桥代路”工程安全运营的关键因素是坐落在冻土地层中的桩基础,而影响桩基础稳定的关键因素是桩与桩周冻土在温度与动力耦合的作用效应。近数十年来,全球气温普遍升高,青藏高原年平均气温普遍上升了0.2-0.4℃,气温年较差逐年减小,造成了该区多年冻土多呈现出区域性退化的状态。同时,冻土地温的升高也造成了多年冻土强度的降低。随着青藏铁路的开通运营,每天往返数十辆列车,列车高频振动将对桥梁桩基结构产生振动效应,影响到桥梁桩基的稳定性,进而威胁到青藏铁路的安全运营。本文选取了青藏铁路高温极不稳定多年冻土区“以桥代路”的典型工程—清水河特大作为研究对象。通过现场考察和文献的查阅,确定了研究区内的工程地质和气候环境资料；在清水河特大桥开展了机车通过实时的现场强震动测试和温度测试,掌握了机车荷载作用下,桥梁桩基的振动响应特征、衰减规律及振动能量的分布和温度变化规律；最后采用二维有限元瞬态动力分析方法,结合现场实测的数据,分析了机车荷载下,桥梁桩基的振动响应特征。本文的创新点和主要结论可归纳如下：1.机车通过时,桥梁桩基的振动响应明显。振动加速度由桥面向桩基传递时,存在明显的衰减效应。振动三方向上的响应强度不同,垂直方向上的振动响应最为强烈,但衰减幅度大致相同。机车的振动能量多集中在50Hz-60Hz,该频率范围内的能量衰减也最为显著,振动能量到达桩基表层时为原来的10%左右。2.通过对现场温度监测数据的分析发现,机车实时通过时,机车振动对桥梁桩周温度场产生扰动,但由于作用时间较短,温度场瞬时升温幅值仅为0.02℃左右。3.数值计算表明,机车荷载下,振动能量由桥面到达桩基底部时为原来的2%左右。基础最大沉降量发生在桩基附近的上部土体处,最大沉降量为0.085mm。沉降量的大小随着距离桩的距离的增大而减小,随着深度的增加而减小。在桥梁桩基底部出现应力集中现象,桩土接触部分处于紧密接触状态,没有出现开裂、错动情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 未冻土区
• 1.2.2 冻土区
• 1.3 研究的主要内容与思路
• 1.3.1 研究的主要内容
• 1.3.2 研究的思路
• 第二章 青藏铁路多年冻土区清水河特大桥段工程地质条件
• 2.1 青藏铁路多年冻土区自然地理与环境条件
• 2.1.1 高原冻土气候特征
• 2.1.2 高原冻土区地形地貌特征
• 2.1.3 高原冻土区水文地质特征
• 2.1.4 高原冻土区地质构造特征及高原冻土区植被覆盖特征
• 2.2 高原冻土区气温变化特征
• 2.2.1 高原冻土区年气温变化
• 2.2.2 高原冻土区气温的季节变化
• 2.3 本章小结
• 第三章 机车荷载下现场强震动监测及数据的处理
• 3.1 试验段概况
• 3.2 测试断面概况
• 3.3 强震动数据采集
• 3.3.1 强震动观测目的及内容
• 3.3.2 强震动观测原理及意义
• 3.4 现场数据采集
• 3.4.1 仪器类型与采样参数
• 3.4.2 采集参数
• 3.4.3 测线布置与数据采集操作
• 3.4.4 采集波形例
• 3.5 分析结果
• 3.5.1 振动加速度时程波形分析
• 3.5.2 傅里叶频谱分析结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 机车荷载下现场温度监测及数据的处理
• 4.1 现场测试
• 4.1.1 温度测试仪器
• 4.1.2 测线布置与数据的采集
• 4.1.3 测试结果
• 4.3 讨论与小结
• 第五章 数值计算
• 5.1 瞬态动力分析
• 5.2 桥梁桩基结构的动力响应分析
• 5.2.1 分析方法与桥梁桩基结构的模型的建立
• 5.2.2 计算假设与模型中接触面的处理
• 5.2.3 计算模型的破坏准则
• 5.2.4 计算模型中的载荷及工况
• 5.2.5 计算模型自重应力的处理
• 5.2.6 机车荷载下桥梁桩基结构的动力稳定性分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文
• 攻读学位期间参加的研究项目