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原文传递公路路基动强度设计方法及其在全风化花岗岩路基中的应用研究

论文题名：	公路路基动强度设计方法及其在全风化花岗岩路基中的应用研究
关键词：	公路路基;汽车动荷载;应力应变;全风化花岗岩;动强度设计
摘要：	路基路面结构在运营中主要承受交通车辆的作用，它的实际工作状态与现行的静态力学计算体系有较大的差距。汽车荷载是移动荷载，特别是重载汽车在路面不平顺处对路基路面结构产生较大的动载作用。在这种重复荷载作用下，路基表现出疲劳特性，并会产生不可恢复的残余塑性变形，这种残余塑性变形主要由路基填料动强度与实际受到的动应力水平所决定。因此，研究动态荷载作用下路基路面结构的动力特性和路基动强度设计理论是公路交通技术的重要发展方向，具有重要的理论研究价值和工程实际意义。近年来，不少道路工程中使用全风化花岗岩作为路基填料，但目前对全风化花岗岩许多路用性质的研究尚少，更未见全风化花岗岩动强度方面的报道。本文结合交通部优秀青年专业技术人才专项经费项目“全风化花岗岩路基动态特性及稳定性研究”课题(批准号：95-05-05-19)，在这方面开展了深入系统的研究。采用理论分析、有限元数值计算、室内外试验及模型试验、实体依托工程建设与观测等方法，系统研究这种路基的动态特性和稳定性，提出路基动强度设计方法与静动态指标。主要内容如下： (1)通过室内试验系统研究了全风化花岗岩及其水泥稳定土的工程性质和化学成分，得到其工程性质及击实和压实规律。建立了全风化花岗岩CBR与液塑限、压实度、含水量之间的相关关系，首次提出使用液塑限和全风化花岗岩的分类作为路基填料适用范围的主要判别指标。全风化花岗岩的物理力学特性和化学成分， (2)使用动三轴试验研究全风化花岗岩的动态力学特性如动强度、动模量及其随应力水平和荷载重复次数的变化规律。 (3)首次通过三组大比例模型试验，研究了路基应力、变形随交通动荷载大小及重复加载的变化规律。得到了全风化花岗岩、全风化花岗岩水泥稳定土、全风化花岗岩土工格室加筋路基和路面结构的动应力应变、累积变形随加载次数的变化规律。 (4)分析总结了国内外汽车荷载模型，提出了汽车振动弹簧模型、半正弦模型和集中力的移动半圆汽车荷载模型，用接触单元方法分析模拟车—路面耦合振动，使得汽车荷载计算模型更加合理。 (5)采用Hamilton原理建立了汽车动荷载、路基路面结构的耦合运动方程，建立路基路面平面和三维有限元耦合力学分析模型，系统研究了路基路面结构动态响应，分析了路基路面结构动应力应变分布规律，以及应力应变随行车速度、路基强度等因素影响的变化规律，得到了路基路面应力应变变化的时程曲线，为路基动强度设计提供了依据。 (6)提出了公路路基动强度设计理论方法，并首次应用于全风化花岗岩路基设计和实体工程建设中，确定了全风化花岗岩路基动强度设计指标，从动强度角度评价了全风化花岗岩及其水泥稳定土作为高速公路路基填料的可行性和适用范围，确定路基质量控制标准及施工工艺。通过试验路基实体工程施工及跟踪观测处理效果，验证了动强度设计理论。 (7)在路基动强度设计方面，使用有限元技术对多种工况下路基路面应力应变进行了分析，从理论上分析了引起路面开裂的原因。根据影响公路使用品质的因素，确定了控制路基应变破坏标准的两个主要方面：一是路基本身的破坏，另一是路基应变发展到一定阶段引起路面开始破坏。 (8)通过比较《公路路基设计规范》所要求的CBR和弹性模量值与路基动强度设计指标，两者所要求的一致。在路基动强度设计时，路基填料的路用工程性质不但与CBR值有关，而且受动强度控制，应同时使路基的动强度满足要求。 (9)通过理论研究和现场沉降实测资料的分析，深入探讨了全风化花岗岩路基的沉降规律，提出了后期沉降预测公式。 (10)从理论和试验方面论证了全风化花岗岩作为路基填料的可靠性，提出了全风化花岗岩路基设计与施工指南，并成功地应用于临长高速公路全风化花岗岩路基修筑，保证了公路建设质量，产生了显著的经济价值和社会、环境效益。
作者：	李志勇
专业：	岩土工程
导师：	胡厚田;谢强
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文