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原文传递基于冲击荷载的公路路基动力学属性研究

论文题名：	基于冲击荷载的公路路基动力学属性研究
关键词：	路基压实;模态分析;固有频率;回弹模量;质量评价
摘要：	目前，路基压实质量的检测方法基本上可分为以灌砂法为代表的压实度类、以承载板法为代表的力学类和以压实计值（CMV）测试为代表的经验类三类方法，前两类在道路工程的压实质量评价中均得到普遍应用，第三类在时下智能压实研究和工程施工中亦有一定应用。但三类方法均未涉及路基系统本身的带有力学属性的固有频率这一参数。考虑到不论是在施工过程中还是运营期间，路基都受到压路机的周期性振动碾压或行车荷载的间歇性动力作用，因此，基于振动力学的理论研究路基的动力学属性就显得十分合理和必要。鉴于此，本文通过理论分析、数值模拟和室内外试验等手段，着重研究了室内压实试件系统和压实路基系统固有频率的测试与识别问题，以对压实工艺的合理性评判和优化提供依据;并通过承载板法测得的回弹模量对工程现场压实路基的识别频率结果的可靠性进行了论证。　　首先，依据振动理论建立了基于有阻尼单自由度和多自由度理论模型的压实试件室内动力学参数识别方法。对压实度为91％、93％的土体试件在正弦稳态运动激励下动态响应的研究结果表明，两种试件固有频率分别在24.20、26.14Hz附近;而在冲击荷载激励下的试验模态分析表明，两种压实度土体试件主要表现为3阶模态响应，其第1～3阶固有频率分别在4～5Hz、16～18Hz和26～28Hz范围内。　　进而，使用自行初步研制的路基模态测试仪对石灰处治土路基（总计碾压了5遍、每一遍均进行测试）、压实结束后的碎石土路基和水泥处治碎石土路基分别开展现场锤击模态试验，基于采集的信号，着重从频域角度对路基的动力学属性进行研究，建立了路基模态参数的测试与识别方法。分析结果表明，各压实遍数的石灰处治土路基在冲击荷载下一般表现出不低于5阶的模态响应，结合常用压路机的振动频率范围，工程感兴趣的路基低阶固有频率（约定为小于100Hz）平均是:土方路基前3阶频率分别为17.22、49.60和80.62Hz,碎石土路基的前2阶频率分别为36.71和78.07Hz,水泥处治的碎石土路基的前3阶频率分别为29.78、60.71和83.19Hz。使用Abaqus有限元软件并结合模态试验仪的相关参数,计算了路基模型在简谐荷载作用下的响应，结果表明，模型路基亦呈现出跟压实路基一致的多阶模态特征，各阶固有频率随着刚度的增大呈现近似线性增大，且高阶频率增长速率大于低阶频率的。　　为对固有频率反映压实质量的有效性进行验证，使用承载板、便携式落锤弯沉仪（PFWD）和刚度仪，对三种材料路基进行了与锤击试验对应性的刚度特性测试。统计分析表明，各刚度特性参数之间具有理想的正线性相关性，表明了测试结果的可靠性;路基的各低阶固有频率与回弹模量等刚度参数之间，亦分别具有与Abaqus模拟结论一致的显著的正线性相关性，表明了所识别的压实路基各低阶固有频率结果的可靠性，据此认为各低阶固有频率可作为压实质量的标志性参数，并可作为压路机振动频率选择或优化的依据。　　土方路基的低阶固有频率并未随着压实遍数的增加呈现增大的现象;刚度特性测试也表明，随着压实遍数的增加，石灰处治土路基回弹模量与刚度仪测的刚度指标均表现出局部锯齿状增加但整体并未增大的变化趋势，这与一般认为的应呈现逐渐增大的规律相去甚远,表明了针对该材质路基所采用的压实工艺的不合理性和改进的必要性。
作者：	马峥浩
专业：	交通运输
导师：	刘树堂;曹卫东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023