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西安地铁是我国首次在黄土区域建设的地铁线路。地铁行车荷载作用下黄土地层的振动响应和沉降是亟待解决的问题。本文以西安地铁为背景,就小幅值循环荷载作用下饱和黄土的动力特性和残余应变进行了试验研究;就地铁行车荷载作用下黄土地层的振动响应和沉降进行了模拟分析;针对西安地铁二号线下穿明城墙的具体情况,进行了城墙的静力稳定性、振动响应和地基沉降计算。主要研究内容包括:(1)进行了饱和黄土的振动三轴试验,探讨了小幅值循环荷载作用下饱和黄土的动力特性,研究了动应变、初始固结围压、超固结比、残余应变和有效固结围压对饱和黄土动弹性模量的影响。(2)进行了饱和黄土的循环三轴试验,探讨了小幅值循环荷载作用下正常固结饱和黄土的残余应变,研究了初始固结围压、排水条件、动应力及其循环次数,以及动应力比对饱和黄土残余应变的影响。(3)根据饱和黄土循环三轴试验结果,以动应力比和循环次数作为基本参数,建立了饱和黄土残余应变的反正切函数模型,模型计算结果与试验数据吻合较好。(4)根据饱和黄土残余应变的反正切函数模型,考虑前期动应力历史和前期残余应变硬化的双重影响,提出了不等幅值多级动应力作用下饱和黄土残余应变的累加方法,并编制了相应的Fortran程序。程序计算结果与饱和黄土排水循环三轴试验吻合较好,可用于小幅值循环荷载作用下饱和黄土残余应变的计算。(5)基于振动三轴试验得到的饱和黄土动力参数,建立了有限元和无限元结合的隧道-地层数值模型,采用有限单元法模拟了地铁行车荷载作用下黄土地层的振动响应,研究了隧道埋深、荷载频率、列车运行速度和地层动弹性模量对地面振动响应的影响。(6)基于黄土残余应变的反正切函数模型,二次开发了接口于Drucker-Prager粘弹塑性模型的CREEP子程序。通过定义初始场变量,综合考虑地层的初始固结围压和动应力。采用大型有限元程序ABAQUS建立了隧道-地层的二维平面应变模型,计算出地铁行车荷载作用下黄土地层的沉降,研究了黄土地层沉降的发展过程和空间分布,探讨了隧道埋深、上部地层浸水和地层固结围压对黄土沉降的影响。(7)针对西安地铁二号线下穿明城墙的具体情况,应用强度折减有限元法分析了城墙的静力稳定性;建立了考虑瓮城侧墙影响的二维平面应变模型,采用有限单元法计算了瓮城侧墙的振动响应;考虑城墙重量对地层的先期固结作用,计算了地铁振动可能引起的城墙地基沉降,并分析了隧道埋深、上部地层浸水和地层固结围压对城墙地基沉降的影响。