详情

原文传递路面体系分析的多相层合弹性半空间理论

论文题名：	路面体系分析的多相层合弹性半空间理论
关键词：	道路工程;路基荷载;路面结构;弹性力学
摘要：	荷载作用下路面体系三维弹性力学分析研究,是岩土力学和固体力学重要研究内容。论文应用半解析方法来研究荷载作用下路面体系三维静动力特性,地基的模式包括单相弹性半空间体和两相饱和弹性半空间体,路面的模式包括薄板模式和三维弹性体模式,荷载从静荷载到振动固定荷载再到移动荷载。理论上，基于半解析方法,建立一套完整的荷载作用下路面体系的静动力特性的理论体系。数值计算方面,开发了统一的求解路面体系静动力特性的应用程序。　　本研究主要内容包括：⑴采用传统的薄板理论和半解析单元法,研究了基于单相弹性半空间地基模型的路面体系的静动力相互作用问题,提出了路面板与单相弹性半空间地基的半解析函数,建立了基本算式。利用数值计算全面分析了板的静动态响应与地基参数、板参数和荷载的关系。⑵采用三维弹性体模型模拟刚性路面板,建立路面体系的力学模型:三维层状弹性半空间体。提出单相弹性介质和两相饱和弹性介质的半解析位移函数,应用加权残数法系统地建立了路面体系三维静动态响应的半解析理论,最后通过算例计算荷载作用下基于弹性半空间体上无限大路面板、有限大路面板的三维响应,分析了荷载对各向同性混凝土路面板和正交各向异性配筋混凝土路面板的三维静态响应的影响,研究路面板表面的竖向位移、纵向位移、横向位移的变化规律以及板下路基的位移沿深度的分布规律。⑶在单相介质理论的基础上，推导了基于单相弹性半空间地基模型的路面体系在移动坐标下的动力控制方程和边界条件。将移动单元法引入到单相介质的半解析法中,构造随荷载按相同速度运动的移动层单元,基于移动坐标下路面体系的动力控制方程和边界条件,得到了移动层单元内部残数矩阵和边界残数矩阵,应用加权残数法建立了在移动荷载下基于单相弹性半空间地基模型的路面体系三维动态响应半解析动力方程,用以解决移动荷载作用下路面体系的三维弹性力学动态响应。通过算例分析了匀速移动荷载和简谐移动荷载作用下考虑阻尼和不考虑阻尼情况下弹性半空间地基的动态响应问题,全面分析了荷载运动速度、频率以及地基土介质的阻尼等参数对竖向位移、纵向位移、横向位移在空间的分布及最大值的影响。⑷在两相饱和土介质理论的基础上，推导了基于两相饱和弹性半空间地基的路面体系在移动坐标下的动力控制方程和边界条件。将移动单元法引入到两相介质的半解析法中,构造随荷载按相同速度运动的移动层单元,基于移动坐标下路面体系的动力控制方程和边界条件,得到了内部残数矩阵和边界残数矩阵,应用加权残数法建立了在移动荷载下基于两相饱和弹性地基模型的路面体系三维动态响应解,用以解决移动荷载作用下基于饱和弹性半空间地基模式的路面体系的三维弹性力学动态响应。通过算例分析了移动荷载作用下饱和弹性半空间地基-弹性地基-路面板系统的动态响应,研究了在不同速度下路面板响应的空间分布和饱和弹性半空间体内的孔隙水压力沿深度的分布情况,同时分析了弹性地基层厚和饱和土的渗透系数对路面板动态响应和饱和土层的孔隙水压力的影响。⑸统一的路面体系三维弹性力学静动力半解析理论的形成和程序开发。　　本研究应用半解析方法来研究荷载作用下路面体系三维静动力特性,地基土的介质包括单相弹性介质和两相饱和弹性介质,路面板的模式包括薄板模式和三维弹性体模式,荷载从静到振动固定荷载再到移动荷载,所以本文研究的问题是全面的。通过分析比较本文研究的三个问题,即路面体系的三维静态响应、路面体系的三维动态响应、移动荷载作用下路面体系的动态响应,可以看出,动态的可以转化为静态的,移动的可以转化为静态,三者是统一的;通过分析比较本文研究的两类问题,基于单相弹性地基模型的路面体系和两相饱和弹性地基模型的路面体系的特性研究,可以看出,两相介质可以转化为单相介质,二者是统一的;路面板按三维弹性体处理,既解决了路面板与地基土介质之间的相互作用和连接条件,同时建立了路面体系的统一的三维弹性介质理论。基于此形成了统一的、全面的路面体系研究理论,在统一的路面体系研究理论的基础上，编制了计算程序可以系统地进行路面体系的分析和计算。本文从理论和计算上解决目前在该领域存在的问题,为路面体系的研究提供了新的理论和方法,发展和完善了路面理论和应用体系。为道路、桥梁、交通工程等相关领域的分析设计、施工安全、破坏机理研究提供了可靠的理论和计算分析。
作者：	曹彩芹
专业：	岩土工程
导师：	黄义
授予学位：	博士
授予学位单位：	西安建筑科技大学
正文语种：	中文