深季節(jié)凍土區(qū)重載汽車荷載下路基動力響應(yīng)與永久變形.pdf

1、我國凍土面積分布廣泛,凍融循環(huán)與重載汽車荷載是誘發(fā)季節(jié)凍土地區(qū)公路路基病害且由此引發(fā)路面破壞的兩大主要原因。國內(nèi)外關(guān)于季節(jié)凍土區(qū)重載汽車荷載下路基動力響應(yīng)、長期重載汽車荷載下路基穩(wěn)定性方面的研究罕有開展,公路路基病害機理認識不足。加之我國正處于高等級公路建設(shè)新時期,占國土面積超過一半的季節(jié)凍土地區(qū)內(nèi)分布著縱橫交錯的國道、省道,如何有效評價季節(jié)凍土區(qū)(特別是深季節(jié)凍土區(qū))高等級公路路基的穩(wěn)定性與長期服役性能,有效降低路面、路基病害的發(fā)生且

2、減輕運行維護難度,是制約我國寒區(qū)公路發(fā)展的瓶頸之一,也是我們面臨的一大工程技術(shù)難題。
　　鑒于此,本論文以深季節(jié)凍土地區(qū)高等級公路路基建造與運營維護為應(yīng)用背景,采用室內(nèi)試驗、現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)手段,特別針對凍融循環(huán)與重載汽車荷載雙重聯(lián)合作用,開展重載汽車荷載下路基凍土與融土的動力參數(shù)、重載汽車-面層-基層-路基動力相互作用、重載汽車荷載下路基動力響應(yīng)、長期重載汽車荷載下路基永久變形等科學(xué)問題研究,主要研究內(nèi)容

3、與取得的成果如下。
　　(1)針對季節(jié)凍融循環(huán)與重載汽車荷載作用特點,基于低溫動三軸試驗研究了不同的含水量、凍融循環(huán)次數(shù)、荷載頻率、負溫、圍壓等條件下路基凍土動力參數(shù);同時,基于常規(guī)動三軸試驗研究了不同的含水量、凍融循環(huán)次數(shù)、荷載頻率等條件下路基融土動力參數(shù)。以等效線性化模型描述凍土與融土的動應(yīng)力～動應(yīng)變關(guān)系,在經(jīng)典雙曲線模型基礎(chǔ)上,提出了改進的Hardin雙曲線模型以擬合凍土與融土的骨干曲線,分別研究了不同因素對最大剪切模量、最

4、終剪應(yīng)力幅值、最大阻尼比,以及剪應(yīng)變幅值與剪切模量、阻尼比曲線的影響。
　　(2)針對公路交通系統(tǒng)特點,在合理假設(shè)基礎(chǔ)上,建立了深季節(jié)凍土區(qū)重載汽車-面層-基層-路基動力相互作用簡化分析模型,包括典型重載汽車行駛振動簡化分析模型、面層-基層-路基動力相互作用簡化分析模型、春融期面層-基層-路基動力相互作用簡化分析模型、正常期面層-基層-路基動力相互作用簡化分析模型。以路面不平度作為重載汽車-面層-基層-路基系統(tǒng)的附加激勵,輪胎點接

5、觸模型和改進彈性滾子模型作為輪胎與路面的接觸關(guān)系,實現(xiàn)了重載汽車-面層-基層-路基的動力相互作用,并采用Wilson-θ逐步積分法求解動力體系方程。
　　(3)在第(2)項理論基礎(chǔ)上,開發(fā)了深季節(jié)凍土區(qū)重載汽車-面層-基層-路基動力相互作用簡化計算程序DATPS,并采用前人試驗結(jié)果和數(shù)值結(jié)果驗證了計算程序的可靠性和理論模型的正確性。進而研究了重載汽車荷載下行車因素與道路因素對輪胎接地壓力、路面動位移、基層頂面壓應(yīng)力的影響,并獲取了

6、基層頂面動壓應(yīng)力荷載時程。
　　(4)針對深季節(jié)凍土區(qū)高等級公路典型路基,采用現(xiàn)場動應(yīng)力監(jiān)測手段,研究了三軸重載汽車在不同的整車質(zhì)量、行駛速度時行車跡線下路基內(nèi)動壓應(yīng)力傳播規(guī)律和分布特性。采用有限單元法,基于虛功原理,將重載汽車-面層-基層-路基動力相互作用簡化分析模型計算的基層頂面壓應(yīng)力時程作為荷載輸入,建立了基層-路基-場地粘彈性動力有限元分析模型,并驗證了數(shù)值模型的可靠性。進而分析了不同的汽車類型、后軸軸重、行車速度、路面不

7、平度等級、路基融化厚度對正常期和春融期路基內(nèi)動應(yīng)力分布規(guī)律的影響。
　　(5)基于常用長期循環(huán)荷載下土體永久應(yīng)變模型,提出了凍融循環(huán)與重載汽車荷載聯(lián)合作用下路基融土永久應(yīng)變模型,根據(jù)三軸固結(jié)不排水壓縮試驗和長期重載汽車荷載下動三軸試驗確定該模型參數(shù)。以應(yīng)力比為關(guān)聯(lián),結(jié)合上述第(4)項研究成果,研究了不同的汽車類型、后軸軸重、行車速度和路基融化厚度對路基永久變形發(fā)展的影響,據(jù)此提出了深季節(jié)凍土區(qū)長期重載汽車荷載下路基永久變形預(yù)測公式