交通荷载对道路工后沉降影响的研究

论文摘要

道路沉降可以分为道路施工期沉降和道路工后沉降。道路施工期沉降一般通过填补加高等措施解决,道路工后沉降需对运营中的道路进行平整性修补,对道路的运营能力、维修成本影响较大。引起道路工后沉降的原因主要有：固结残余孔压消散、交通荷载等。精确预测道路在交通荷载作用下的工后沉降,对道路在设计、施工过程中采取有效措施来减少道路工后沉降具有重要的意义。论文针对这一问题开展了如下工作：首先,论文采用脉冲函数的有限差分近似表达式模拟交通荷载,反映交通荷载的作用点、轴重、行车速度。理论验证了该表达式模拟交通荷载特征与匀速移动荷载作用于弹性半空间表面的竖向动应力特征一致,试验验证了与实际行驶车辆在道路中引起的竖向动应力脉冲曲线特征结果一致。其次,基于原状杭州软粘土的三轴压缩试验结果中土体轴向应变和偏应力呈应力-应变硬化或者应力-应变软化形式、Es/E20re与q/q,呈非线性关系,论文提出了Hardening Soil （HS）修正模型。该修正模型能描述在三轴压缩试验中土的应变硬化及应变软化现象、非线性刚度软化现象,且该修正模型的应力-应变曲线与实测应力-应变曲线的相关系数大于0.97。第三,基于道路为半空间无限体,论文采用Plaxis有限元软件,建立了黏弹性人工边界有限元数值模型。其中黏弹性人工边界条件为在有限元模型的截断边界处：（]）采用吸收边界模拟系统在振动过程中动应力波动向远场介质辐射的特点,消除了应力波在固定边界上的反射而导致振动波在有限域内的振荡反射,使得计算周期出现放大或缩小及卸载后出现动位移、动应力反复振荡的不正常现象；（2）采用锚锭杆单元模拟线性弹簧作用,解决吸收边界在低频作用下出现的漂移现象而导致动位移响应与理论值有较大差异的稳定问题。结果显示：黏弹性人工边界的有限元数值分析模型计算区域小,模拟交通荷载作用下道路的动响应准确性好。第四,基于循环三轴试验,采用εp-N与Up/σ.-N的幂函数关系拟合了累积塑性应变-加载次数及累积孔压比-加载次数的关系,考虑的影响因素涉及动偏应力幅值和振动频率等交通荷载因素,孔隙比、粒径、含水量、回弹模量等道路因素,初始静偏应力和围压等试验初始应力条件。第五,基于Plaxis有限元软件,采用脉冲函数的有限差分形式模拟交通荷载、以Hardening Soil非线性刚度软化修正模型模拟土的本构关系、以黏弹性人工边界模拟有限元模型边界上波的传播,建立模拟交通荷载作用下道路动响应的数值分析模型。利用上述数值分析模型,计算了交通荷载作用下道路的初始静偏应力、围压等试验初始应力条件和交通动偏应力幅值；计算了交通荷载的有效传递深度,并采用0.001%的最大竖向动应变为界定标准,得到交通荷载的传递深度在6～15m范围内；综合道路因素、交通荷载因素和试验初始条件多项因素的作用,计算了道路累积塑性应变和累积孔压。最后,利用分层总和法,以杭州市古翠路为例,预测道路在开放交通300天后的工后沉降值为0.046m,与现场原位监测结果一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 车辆荷载作用下道路动响应的研究现状
• 1.2.1 车辆荷载模型研究
• 1.2.2 土的本构模型研究
• 1.2.3 道路结构动力响应特性的研究
• 1.3 交通荷载作用下道路累积沉降的研究
• 1.4 本文的研究内容和创新点
• 1.4.1 本文的研究内容
• 1.4.2 本文的创新点
• 2 交通荷载的数值模型
• 2.1 脉冲交通荷载的数值模型
• 2.2 行驶车辆作用于弹性半空间表面的竖向动应力
• 2.3 交通荷载在道路近地表处动应力试验
• 2.4 小结
• 3 Hardening Soil本构模型的修正
• 3.1 Hardening Soil模型简述
• 3.2 Hardening Soil模型初始骨干曲线的修正
• 3.2.1 Hardening Soil模型存在的问题
• 3.2.2 Hardening Soil模型的修正
• 3.3 HS修正模型的验证
• 3.4 小结
• 4 黏弹性人工边界有限元数值分析道路动响应特征
• 4.1 黏弹性人工边界与有限元数值模型
• 4.1.1 黏弹性人工边界
• 4.1.2 有限元数值模型
• 4.1.3 黏弹性人工边界有限元数值模型
• 4.2 稳态Lamb问题算例
• 4.3 瞬态Lamb问题算例
• 4.4 人工边界对道路动响应特征的影响
• 4.4.1 道路竖向位移的响应特征
• 4.4.2 道路竖向动应力的响应特征
• 4.4.3 边界条件对荷载传递深度的影响
• 4.5 小结
• 5 交通荷载下道路累积塑性应变和累积孔压的研究
• 5.1 交通荷载作用下道路累积塑性应变和累积孔压的影响因素
• 5.1.1 交通荷载因素
• 5.1.2 道路因素
• 5.1.3 试验初始应力条件
• 5.2 交通荷载因素对累积塑性应变和累积孔压的影响
• 5.2.1 动偏应力幅值对累积塑性应变和累积孔压的影响
• 5.2.2 振动频率对累积塑性应变和累积孔压的影响
• 5.3 道路因素对累积塑性应变的影响
• 5.3.1 土的孔隙比和相对密度对累积塑性应变的影响
• 5.3.2 土粒的粒径大小对累积塑性应变的影响
• 5.3.3 土中含水量对累积塑性应变的影a向
• 5.3.4 土体回弹模量对累积塑性应变的影响
• 5.4 试验初始应力条件对累积塑性应变和累积孔压的影响
• 5.4.1 初始静偏应力对累积塑性应变和累积孔压的影响
• 5.4.2 围压对累积塑性应变和累积孔压的影响
• 5.5 小结
• 6 交通荷载作用下道路动响应特征与累积沉降的计算
• 6.1 交通荷载作用下道路动响应的数值分析模型
• 6.1.1 交通荷载作用下道路动响应数值分析主要技术要点
• 6.1.2 数值模型验证
• 6.2 交通荷载在道路中的传递深度的影响因素
• 6.2.1 道路因素对交通荷载传递深度的影响
• 6.2.2 车辆因素对交通荷载传递深度的影响
• 6.3 交通荷载作用下道路累积沉降计算
• 6.3.1 累积沉降计算模型
• 6.3.2 实例分析
• 6.4 小结
• 7 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录一:主要术语符号及意义
• 附录二:发表论文情况