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原文传递深季节冻土区重载汽车荷载下路基动力响应与永久变形

论文题名：	深季节冻土区重载汽车荷载下路基动力响应与永久变形
关键词：	冻土区重载汽车;路基动力响应;永久变形;Hardin双曲线模型
摘要：	我国冻土面积分布广泛,冻融循环与重载汽车荷载是诱发季节冻土地区公路路基病害且由此引发路面破坏的两大主要原因。国内外关于季节冻土区重载汽车荷载下路基动力响应、长期重载汽车荷载下路基稳定性方面的研究罕有开展,公路路基病害机理认识不足。加之我国正处于高等级公路建设新时期,占国土面积超过一半的季节冻土地区内分布着纵横交错的国道、省道,如何有效评价季节冻土区(特别是深季节冻土区)高等级公路路基的稳定性与长期服役性能,有效降低路面、路基病害的发生且减轻运行维护难度,是制约我国寒区公路发展的瓶颈之一,也是我们面临的一大工程技术难题。　　鉴于此,本论文以深季节冻土地区高等级公路路基建造与运营维护为应用背景,采用室内试验、现场监测、理论分析、数值模拟相结合的技术手段,特别针对冻融循环与重载汽车荷载双重联合作用,开展重载汽车荷载下路基冻土与融土的动力参数、重载汽车-面层-基层-路基动力相互作用、重载汽车荷载下路基动力响应、长期重载汽车荷载下路基永久变形等科学问题研究,主要研究内容与取得的成果如下。　　(1)针对季节冻融循环与重载汽车荷载作用特点,基于低温动三轴试验研究了不同的含水量、冻融循环次数、荷载频率、负温、围压等条件下路基冻土动力参数;同时,基于常规动三轴试验研究了不同的含水量、冻融循环次数、荷载频率等条件下路基融土动力参数。以等效线性化模型描述冻土与融土的动应力～动应变关系,在经典双曲线模型基础上,提出了改进的Hardin双曲线模型以拟合冻土与融土的骨干曲线,分别研究了不同因素对最大剪切模量、最终剪应力幅值、最大阻尼比,以及剪应变幅值与剪切模量、阻尼比曲线的影响。　　(2)针对公路交通系统特点,在合理假设基础上,建立了深季节冻土区重载汽车-面层-基层-路基动力相互作用简化分析模型,包括典型重载汽车行驶振动简化分析模型、面层-基层-路基动力相互作用简化分析模型、春融期面层-基层-路基动力相互作用简化分析模型、正常期面层-基层-路基动力相互作用简化分析模型。以路面不平度作为重载汽车-面层-基层-路基系统的附加激励,轮胎点接触模型和改进弹性滚子模型作为轮胎与路面的接触关系,实现了重载汽车-面层-基层-路基的动力相互作用,并采用Wilson-θ逐步积分法求解动力体系方程。　　(3)在第(2)项理论基础上,开发了深季节冻土区重载汽车-面层-基层-路基动力相互作用简化计算程序DATPS,并采用前人试验结果和数值结果验证了计算程序的可靠性和理论模型的正确性。进而研究了重载汽车荷载下行车因素与道路因素对轮胎接地压力、路面动位移、基层顶面压应力的影响,并获取了基层顶面动压应力荷载时程。　　(4)针对深季节冻土区高等级公路典型路基,采用现场动应力监测手段,研究了三轴重载汽车在不同的整车质量、行驶速度时行车迹线下路基内动压应力传播规律和分布特性。采用有限单元法,基于虚功原理,将重载汽车-面层-基层-路基动力相互作用简化分析模型计算的基层顶面压应力时程作为荷载输入,建立了基层-路基-场地粘弹性动力有限元分析模型,并验证了数值模型的可靠性。进而分析了不同的汽车类型、后轴轴重、行车速度、路面不平度等级、路基融化厚度对正常期和春融期路基内动应力分布规律的影响。　　(5)基于常用长期循环荷载下土体永久应变模型,提出了冻融循环与重载汽车荷载联合作用下路基融土永久应变模型,根据三轴固结不排水压缩试验和长期重载汽车荷载下动三轴试验确定该模型参数。以应力比为关联,结合上述第(4)项研究成果,研究了不同的汽车类型、后轴轴重、行车速度和路基融化厚度对路基永久变形发展的影响,据此提出了深季节冻土区长期重载汽车荷载下路基永久变形预测公式。
作者：	张锋
专业：	土木工程
导师：	凌贤长;冯德成
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文