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原文传递基于离散元法的荷载作用下红层路基力学响应分析

论文题名：	基于离散元法的荷载作用下红层路基力学响应分析
关键词：	红层泥岩路基填料;荷载作用;力学响应;离散元法
摘要：	近年来，随着交通运输行业的快速发展，公路在运营过程中的变形、不均匀沉降等现象时有发生。红层泥岩填料其本身具有较差的物理特性，潮湿环境下力学特征不稳定，作为某公路工程的主要路基填料，该路段工程完工后在交通荷载作用下常出现公路病害问题。国内外陆续有学者基于室内外试验对红层土的物理力学特性、其作为基层填料的工程特性及其改良试验开展研究，但对甘肃境内的红层泥岩填料相关研究仅限于地质成因和基本物理力学指标测试，未系统地将红层泥岩填料室内试验的结果与其作为道路路基填料的力学性能研究有机结合。　　颗粒离散元软件在道路与岩土工程中的研究应用十分广泛，其能较好地将土体材料的室内试验结果在标定后用以建立模型，进而直接分析该材料在其他工况下的受力性能。因此，本文基于已有的研究经验，对红层泥岩填料展开了一系列室内试验研究，将粉煤灰和钢渣分别作为掺合物掺入进行改良，基于颗粒离散元软件建立数值仿真模型，从散粒体和细观角度模拟了荷载作用下不同加固处治措施前后道路模型的力学响应与沉降变化规律。以期揭示红层泥岩填料道路在不同加固措施下的工程特性变化规律。主要研究内容如下：通过室内无侧限抗压强度试验，对道路面层沥青材料进行细观模拟试验，标定得到该材料的细观参数；通过室内三轴试验及细观模拟试验，标定得到红层泥岩填料、钢渣改良土及粉煤灰改良土的细观参数。建立道路模型，模拟静载及不同周期半正弦荷载作用下原道路各结构层颗粒的力学响应及沉降变形规律。模拟静载及不同周期半正弦荷载作用下钢渣及粉煤灰改良路基填料道路模型各结构层颗粒的力学响应及沉降变形规律。建立水泥碎石桩沉桩模型，分析沉桩过程中桩体应力变化情况、模型内部接触应力变化情况，各结构层土颗粒的运动规律，模拟静载及半正弦荷载作用下水泥碎石桩加固路基的各结构层颗粒的力学响应及沉降变形规律。　　主要得到以下结论：　　（1）红层泥岩填料道路模型施加静载后，颗粒的位移云图沿模型顶部中心线位置向下呈扇形分布，模型内部应力由剧烈变化逐渐趋于稳定。对粉煤灰改良红层泥岩填料路基道路模型施加静载后，道路模型最大沉降发生在荷载作用点位置附近，最大沉降量为0.165mm，较改良加固前的0.183mm减小了10%。对钢渣改良红层泥岩填料路基道路模型施加静载后，整体的颗粒位移沿模型顶部中心线位置向下呈扇形分布；模型中颗粒的最大位移由改良加固前的0.183mm减小至0.15mm，减少了16%。　　（2）单周期半正弦荷载作用红层泥岩填料道路模型后，颗粒的位移沿模型顶部向下半空间逐级衰减；各结构层颗粒的应力分布情况较为复杂。　　（3）100周期半正弦荷载作用红层泥岩填料道路模型后，路基顶部两侧颗粒总位移最大值由荷载作用初期的0.024mm增至0.029mm，颗粒（id-1）及颗粒（id-3）的最大位移分别为面层颗粒（id-6）的3%和30%。100周期半正弦荷载作用钢渣改良红层泥岩填料路基道路模型及煤灰改良红层泥岩填料路基道路模型，竖向位移分别为0.0007mm、0.0015mm及0.11mm，0.006mm、0.03mm及0.12mm，较改良前均有不同程度的减小。　　（4）在不同直径桩体贯入过程中，20cm直径桩体贯入过程中颗粒的运动规律与30cm直径桩体的基本一致。对30cm直径桩体，id-1及id-2桩无论是水平还是竖向接触力，其应力值无较大差别，变化规律基本一致。竖向与水平应力曲线均表现为非线性缓慢增长的态势。
作者：	刘武通
专业：	建筑与土木工程
导师：	余云燕;李晓民
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022