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原文传递交通循环荷载作用下公路固化粉土路基力学性质及设计方法研究

论文题名：	交通循环荷载作用下公路固化粉土路基力学性质及设计方法研究
关键词：	公路路基设计;固化粉土;力学性质;交通循环荷载
摘要：	在我国广泛分布的粉土具有强度低、水稳性差、易液化、难压实等不良工程性质。固化技术能够有效改善粉土的工程性质。传统的土体固化剂主要有水泥、石灰等，存在效率低、能耗高、污染重等缺点。在保护环境、节能减排的时代背景下，针对粉土研制绿色低碳、经济高效的固化剂具有重要的现实意义。固化粉土用作道路材料会承受交通荷载的动力效应和循环效应，而现有规范中道路设计方法仅将车辆荷载简化为一定厚度土层的静力荷载，将建材的静力学指标作为要求标准，没有充分考虑建材在长期循环荷载作用下力学性能弱化的特性，导致道路病害过早出现。鉴于此，本文以江苏省废黄河地区的粉土为研究对象，采用水泥和高性能固化剂（ High-Performance Stabilizer，HPS）分别固化粉土，通过无侧限抗压强度试验和循环三轴试验研究了固化粉土在不同受力条件和不同因素影响下的强度和变形特性，建立了循环荷载作用下固化粉土的本构模型及基于动力学的路基设计方法。　　（1）通过无侧限抗压强度试验系统地研究了不同固化剂掺量、不同养护龄期下水泥、HPS 固化粉土的无侧限抗压强度和变形特性。研究了固化剂掺量、养护龄期对固化粉土无侧限抗压强度的影响，并据此建立了无侧限抗压强度预测模型。研究了固化粉土无侧限抗压强度和变形模量之间的相关性。基于前期研究、成分分析和微观形貌，讨论了HPS固化粉土强度形成机理。　　（2）通过等动应力幅值的循环三轴试验系统地研究了不同因素影响下水泥、HPS固化粉土的动强度特性。采用幂函数对固化粉土的动强度曲线进行拟合，得到任意破坏加载次数下的动强度，并研究了不同因素对动强度的影响。研究了固化粉土动强度和无侧限抗压强度之间的相关性。基于动强度曲线，得到固化粉土的动粘聚力和动内摩擦角这两个动强度指标，并研究了固化剂掺量和养护龄期对它们的影响。在采用幂函数对固化粉土动强度曲线拟合的基础上，研究了不同因素对拟合系数的影响，并据此建立了关于破坏加载次数、固化剂掺量、养护龄期和试验围压的动强度预测模型。　　（3）通过逐级增加动应力幅值的循环三轴试验系统地研究了不同因素影响下水泥、HPS 固化粉土的应力-应变、动弹性模量和阻尼比特性。固化粉土的骨干曲线符合Hardin 双曲线模型，通过该模型可以计算试样在循环加载条件下所能承受的最大动应力，研究了不同因素对最大动应力的影响。研究了固化粉土动弹性模量随动应变增加而衰减的特性，并得到了最大动弹性模量。研究了固化粉土最大动弹性模量和变形模量之间的相关性。研究了不同因素对固化粉土最大动弹性模量的影响，并据此建立了关于固化剂掺量、养护龄期和试验围压的最大动弹性模量预测模型。研究了固化粉土阻尼比-动应变关系，得到最大阻尼比，并分析了不同因素对最大阻尼比的影响。通过等动应力幅值的循环三轴试验系统地研究了不同固化剂掺量、不同养护龄期和不同试验围压下水泥、HPS固化粉土的累积塑性变形特性。　　（4）使用Hardin-Drnevich模型（H-D模型）能够很好地反映粉土和固化粉土的动应力-动应变关系。分析了H-D模型中参考应变的物理意义，并对粉土和固化粉土的参考应变进行了对比分析。考虑到固化粉土力学性质异于粉土且受多因素影响的特性，在 H-D模型中参考应变项引入修正系数 k以对模型进行改进。分析了固化剂掺量、养护龄期、初始含水量和试验围压对 k 的影响，并据此建立了 k 的预测模型，进而得到固化粉土的改进H-D模型。为了弥补H-D模型不能反映土体累积塑性变形的缺陷，基于固化粉土累积塑性变形-加载次数关系的幂函数规律，建立了累积塑性变形计算模型。　　（5）使用由传递矩阵法联合 Fourier 变换法求得的移动荷载作用下层状地基系统的三维振动响应数值解来计算交通荷载在道路结构中的传递和分布。基于循环荷载作用下固化粉土的累积塑性变形计算模型，提出了由交通荷载引起的固化粉土路基长期沉降的计算方法。基于路面-路基变形协调的条件，考虑路面结构对路基顶面压应变的影响，通过引入路面结构影响系数来对路基顶面容许压应变计算公式进行改进，进而提出基于动变形的固化粉土路基设计方法。基于循环荷载作用下固化粉土的动强度特性，提出基于动强度的固化粉土路基设计校验方法。
作者：	张孝彬
专业：	土木工程;岩土工程
导师：	朱志铎
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022