鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長，為人們的生活帶來便利；但隨著列車速度的提高以及鐵路網(wǎng)覆蓋范圍的擴(kuò)大，列車運(yùn)行引起的振動(dòng)問題日益顯著，因此移動(dòng)荷載作用下地基和上部路基結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)研究備受關(guān)注。在實(shí)際工程中巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)通常呈現(xiàn)出橫觀各向同性（Transversely Isotropic，TI），而且不同地層的含水條件往往存在較大差異，已有研究大多將地基視為各向同性和單一類型的介質(zhì)而忽視了地基的上述特性；巖土體的TI以及地層間含水條件的差異改變波的性質(zhì)，從而影響振動(dòng)的強(qiáng)度和傳播規(guī)律。本文提出了包含不同類型TI介質(zhì)層的地基模型，以該地基模型為基礎(chǔ)，進(jìn)一步建立梁、軌道-路基和振動(dòng)處置構(gòu)筑物等上部結(jié)構(gòu)與層狀TI地基的耦合模型，基于解析和解析-數(shù)值耦合方法研究了移動(dòng)荷載作用下耦合模型振動(dòng)的傳播規(guī)律和處置措施，為列車運(yùn)行引起環(huán)境振動(dòng)的預(yù)測及治理提供理論指導(dǎo)。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：

（1）建立了由交替分布的TI單相介質(zhì)及TI兩相介質(zhì)層構(gòu)成的層狀半空間地基模型，與既有模型相比，該模型可考慮地基的TI以及不同地層之間含水條件的差異；拓展了直角坐標(biāo)系內(nèi)TI單相介質(zhì)動(dòng)力方程求解的勢(shì)函數(shù)方法，將其推廣到TI兩相介質(zhì)動(dòng)力方程求解；針對(duì)異相介質(zhì)交替分布的層狀地基模型，提出一種推廣的精確剛度矩陣法，得到了移動(dòng)荷載作用下地基動(dòng)力響應(yīng)解析解，該方法解決了既有算法難以求解包含多種類型介質(zhì)層狀模型的局限性。

（2）考慮實(shí)際工程中環(huán)境因素引起的軌道結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，建立了梁-TI層狀地基耦合解析模型；使用傅里葉變換推導(dǎo)了包含軸力項(xiàng)的歐拉和鐵木辛柯梁微分方程解答，引入等效柔度的概念結(jié)合層狀地基動(dòng)力響應(yīng)解答，得到移動(dòng)荷載作用下梁-地基耦合系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)解析解；分析了溫度變化、地基橫觀各向同性、孔隙水、土體滲透率等因素對(duì)振動(dòng)的影響規(guī)律；采用譜分析方法探明了結(jié)構(gòu)-TI地基耦合模型臨界速度的產(chǎn)生機(jī)理。分析表明：溫度上升使梁中產(chǎn)生軸向壓力，降低撓度的臨界速度并提高其幅值，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響；土體彈性和剪切模量的TI通過改變耦合系統(tǒng)頻散特征影響梁撓度的臨界速度以及幅值；在進(jìn)行振動(dòng)預(yù)測時(shí)，忽略地下水的存在將導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生20%以上的誤差；土體水平向滲透率降至10 ^-11 m后對(duì)超孔壓的影響減弱，豎直向滲透率降至10-13m2后仍影響超孔壓分布。

（3）建立了一種軌道-TI層狀地基耦合振動(dòng)的快速預(yù)測解析模型，使用傅里葉變換求解軌道系統(tǒng)動(dòng)力微分方程組，結(jié)合道砟和地基接觸面的連續(xù)條件以及層狀地基的動(dòng)力響應(yīng)解答將有砟軌道與地基耦合，得到列車軸載以及簡諧荷載作用下系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)解析解，采用譜分析方法探究了荷載特征以及軌道-地基特性兩者的耦合作用機(jī)理。分析表明：在TI兩相層內(nèi)，由于層間界面波的反射疊加作用導(dǎo)致位移和超孔壓出現(xiàn)多階臨界速度；振動(dòng)峰值頻率隨水平豎直彈性模量比值的增大而提高；振動(dòng)峰值頻率等參數(shù)可通過荷載譜及軌道-地基響應(yīng)譜的疊加準(zhǔn)確預(yù)測。

（4）建立了三維精細(xì)化列車-軌道-雙線路基-TI層狀地基耦合模型；提出了一種用于模型動(dòng)力響應(yīng)求解的2.5維有限元-精確剛度矩陣耦合方法，該方法利用路基-地基沿荷載運(yùn)動(dòng)方向近似幾何不變的特性，采用2.5維有限元方法求解上部結(jié)構(gòu)，采用推廣的精確剛度矩陣法求解地基2.5維動(dòng)力格林函數(shù)，結(jié)合路基地基間位移應(yīng)力連續(xù)條件實(shí)現(xiàn)兩者耦合；模型及方法可實(shí)現(xiàn)三維精細(xì)化車-軌-路基-層狀TI地基系統(tǒng)振動(dòng)的快速準(zhǔn)確預(yù)測。基于該模型，分析了雙向列車會(huì)車效應(yīng)、軌道不平順等因素對(duì)振動(dòng)的影響機(jī)理，分析表明：截止速度是決定地表振動(dòng)特征的關(guān)鍵參數(shù)，地基TI影響截止速度；會(huì)車引起的地表動(dòng)力響應(yīng)放大系數(shù)分布特征取決于車速與截止速度的關(guān)系；軌道不平順對(duì)位移響應(yīng)影響較弱，對(duì)路基頂部速度和加速度的影響逐漸增大；不平順對(duì)地表速度和加速度的影響與截止速度相關(guān)，當(dāng)車速高于截止速度，不平順的影響減弱，速度響應(yīng)由軸載主導(dǎo)；軸載對(duì)超孔壓的影響大于軌道不平順。

（5）提出了一種路基置換振動(dòng)處置措施，建立相應(yīng)的三維模型，基于2.5維有限元-精確剛度矩陣耦合方法，研究了混凝土底座下方置換以及路基邊坡置換兩種措施的效果。分析表明：硬質(zhì)材料比軟質(zhì)材料更適合用于路基置換；振動(dòng)處置效果隨車速升高而提升；置換區(qū)域位于混凝土底座下方時(shí)對(duì)路基和地表振動(dòng)均可發(fā)揮處置效果，位于邊坡時(shí)僅對(duì)地表振動(dòng)發(fā)揮處置效果；兩種措施對(duì)地表振動(dòng)的處置效果與地基橫觀各向同性相關(guān)，當(dāng)水平和豎直彈性模量之比較低時(shí)振動(dòng)處置效果更顯著；兩種措施對(duì)于80Hz以內(nèi)振動(dòng)均有較好的處置效果。

（編輯：江燾，舒忠磊）