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原文传递交通荷载下路基土应力、应变量化模型及工后沉降预测研究

论文题名：	交通荷载下路基土应力、应变量化模型及工后沉降预测研究
关键词：	交通荷载;路基土应力;路基应变量化模型;工后沉降预测;软土地区;道路病害
摘要：	路基是路面的支承结构物，在交通荷载作用下，路基土将产生显著的永久变形，表现为较大的工后沉降和不均匀沉降，并逐步反映到路面，进而影响路面结构的使用性能和使用寿命。特别是对于零填方或低路堤情况下的公路软基，由于交通荷载反复作用引起的路基土永久变形，是软土地区高等级道路局部沉陷及相关病害的根源。但是，国内外在这一领域的理论及相关技术研究还远没有系统、深入，一些关键性问题尚需通过全面的研究和相应的实践以后才能得到明确和解决，譬如：“交通荷载下路基土中动附加应力的响应模式”、“交通荷载下路基土的动应变特性及其计算方法”、“路基工后沉降的组成及控制措施”等。由于路基土在交通荷载作用下产生的动附加应力与永久变形至今尚未有成熟的计算模式和方法，在实际路道工程设计与建设中，仍是将车辆荷载简化为静荷载，通过静土力学理论来分析交通荷载下的路基土应力、应变行为。基于上述情况，本文采用模型模拟试验、循环荷载单轴压缩试验及原位监测试验与理论分析相结合的方法，系统地研究了交通荷载下路基土动附加应力的时空分布规律、提出了路基土动附加应力累积效应的概念，探讨了动附加应力累积与荷载次数、荷载频率、动附加应力水平及深度的关系，同时根据Shakedown理论，分析了交通荷载下路基土弹性应变、应变硬化和应变软化3种应变行为，确定了5种不同类型车辆荷载在4种不同性质路基土中的影响深度，建立了交通荷载下路基土动附加应力量化模型和永久变形量化模型。最后，本文探讨了交通荷载下路基土工后沉降的组成模式及其相关控制技术。研究将为道路工程建设、地基处理及养护技术提供科学的理论基础。本文取得的主要成果和认识包括以下几个方面： 1、根据Kirchhoff薄板理论和Kelvin弹性地基假设，假定车辆荷载为矩形均布移动荷载，在G.Eason等人的研究成果基础上，引入速度系数的概念，并通过模型模拟试验，确定了速度系数的取值为0.105，推导了交通荷载下路基土竖向动附加应力的计算方法。同时，根据循环荷载单轴压缩试验与数值分析，推导了交通荷载下路基土永久变形量化模型。 2、通过模型模拟试验与数值分析，提出了动附加应力累积效应的概念，建立了动附加应力累积预测方程。 3、路基项部在车辆荷载作用下产生竖向动附加应力变化在0～20kPa之间，随着面层和基层厚度的增加，路基顶部竖向动附加应力随之减小。路基顶部产生的动附加应力峰值与车辆载重和车速基本呈线性正比关系，随深度呈非线性减小，竖向动附加应力随深度的衰减速率略大于静附加应力的衰减速率。根据原位监测试验，确定了5种不同类型车辆荷载在4种不同性质路基土中的影响深度范围。 4、在交通荷载作用下，路基土具有弹性应变、应变硬化、应变软化3种力学行为。当交通荷载在路基土中产生的竖向动附加应力水平小于临塑应力水平时，路基土发生弹性应变行为；当交通荷载在路基土中产生的动附加应力水平位于临塑应力水平与破坏应力水平之间时，路基土发生应变硬化行为；当交通荷载在路基土中产生的动附加应力水平大于破坏应力水平时，路基土发生应变软化行为。 5、交通荷载下路基工后沉降变形由3部分组成：路堤静载作用下的未完成的主固结变形与次固结变形、交通荷载作用下的累积永久变形和侧向变形。 6、对于一般路基软土，如采用换填法进行加固处理，换填深度可以确定为2～5m，对于性质较差、交通运营强度较高的地段，可适当增加换填深度，换填深度理论上不大于车辆荷载对路基土的影响深度。本文建立的交通荷载下路基土中动附加应力量化模型，假定路基为均质弹性半无限空间体，因此在计算非均质层状地基在交通荷载下产生的竖向动附加应力时，可能会出现较大的误差。为方便计算，本文将车辆荷载在路基顶部产生的竖向动附加应力简化为矩形均布移动荷载，但原位观测试验数据显示，交通荷载在路基顶部产生的竖向动附加应力的波形更适合采用三角形曲线或正弦曲线来描述。进一步的研究可以考虑根据目前的弹性层状体系理论，将车辆荷载简化为三角形荷载或正弦荷载，更深入地探讨交通荷载下在多层路基土中的动附加应力及永久变形的计算方法。
作者：	张庆华
专业：	工程力学
导师：	汤连生
授予学位：	博士
授予学位单位：	中山大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文