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原文传递高速公路路段的路基的性能确定方法、装置及处理设备

专利名称：	高速公路路段的路基的性能确定方法、装置及处理设备
摘要：	本申请提供了高速公路路段的路基的性能确定方法、装置及处理设备，用于在分析目标高速公路路段的路基的性能时，在充分考虑了车辆荷载的移动速度和振动特性、高速公路的层状特性、路基土体的非饱和特性的情况下，能够精确的计算出路基内部的应力、位移、速度、加速度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖北;42
申请人：	中国科学院武汉岩土力学研究所
发明人：	卢正;唐楚轩;姚海林;赵阳;刘杰
专利状态：	有效
申请日期：	2021-12-02T00:00:00+0800
发布日期：	2022-03-01T00:00:00+0800
申请号：	CN202111460692.4
公开号：	CN114117615A
代理机构：	北京众达德权知识产权代理有限公司
代理人：	潘行
分类号：	G06F30/13;G06F30/20;G06F17/11;G06F17/13;G06F17/16;G06F119/14;G;G06;G06F;G06F30;G06F17;G06F119;G06F30/13;G06F30/20;G06F17/11;G06F17/13;G06F17/16;G06F119/14
申请人地址：	430071 湖北省武汉市武昌区水果湖街小洪山2号
主权项：	1.一种高速公路路段的路基的性能确定方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S101，处理设备采用Odemark模量和厚度当量假定，将目标高速公路路段的公路结构简化为三层模型；步骤S102，所述处理设备在所述三层模型的基础上，并将所述目标公路路段的基层设为弹性介质以及将将所述目标公路路段的路基设为非饱和多孔介质，推导得到刚性路面控制方程、柔性路面和基层的控制方程、非饱和路基控制方程；步骤S103，所述处理设备根据车辆荷载作用形式，分别将所述刚性路面控制方程、所述柔性路面和基层的控制方程、所述非饱和路基控制方程中变量的时间项设为简谐形式并分离出来，再利用双重Fourier变换分别将所述刚性路面控制方程、所述柔性路面和基层的控制方程、所述非饱和路基控制方程中对三维空间域的偏导降为常微分方程，求解之后得到不同层位的单元刚度矩阵，再建立总体动力刚度矩阵；步骤S104，所述处理设备根据具体车辆确定荷载形式和大小，作为边界条件代入对应模型的刚度矩阵中求解，得到待求参数在频域内的解；步骤S105，所述处理设备采用快速Fourier逆变换将待求参数在频域内的解转换成在时域内的解f，其中，所述时域内的解f为应力{τxz,s τyz,s τzz,s pw pa}、位移{u2x u2y u2z W2V2}、速度vij、加速度aij。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S101中，所述三层模型为：其中，He为等效厚度，E为需要进行换算层的模量，H为需要进行换算层的厚度，E1为目标层的模量。 3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S102中，所述刚性路面控制方程为：其中，Dp＝Ephp3/[12(1-μp2)]是路面板的弯曲刚度，W(x,y,t)是路面板的竖向位移，Ep、ρ0和h0分别是路面板的模量、密度和厚度，f(x,y,t)是板上承受的交通荷载，是基层给路面板的反作用力，所述柔性路面和基层的控制方程为：其中ub是层的位移，Gb和λb是层的拉梅常数，ρb是层的密度，τb是层的应力，τb和εb分别表示层的应力和应变，δij为Kronecker符号，所述非饱和路基控制方程为：其中，A14＝1，A24＝1，a＝1-Kb/Ks，Kb和Ks分别为土骨架和土颗粒的体积压缩模量，pw和pa分别表示孔隙水和气体的压力，ρw和ρa分别为孔隙水和气的密度，Wi和Vi为孔隙水与孔隙气体在i方向上相对土颗粒的位移分量，g代表重力加速度，kw和ka分别表示孔隙水和孔隙气体的渗透系数；χ为有效应力参数，α、m和d为土水特征曲线模型拟合参数；Se为有效饱和度，Sw0为束缚饱和度，n为土体孔隙度，Sr表示饱和度。 4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S103中，所述双重Fourier变换为：其中，β和γ分别为x和y方向上的波数，f和分别为空间域和相应变换域内的变量，刚性路面在变换域内的控制方程为：变换域内柔性路面的应力应变关系为：其中，矩阵中元素的上标0表示层顶面，矩阵中元素的上标1表示层底面，应力向量[Dp]为路面的位移矩阵，[Sp]为路面的应力矩阵，位移向量[Kp]＝[Sp][Dp]-1为该层的动力刚度矩阵，α12＝β2+γ2-k12；α22＝β2+γ2-k22，c、c1和c2分别为交通荷载速度、弹性介质的压缩波速和剪切波速，ω＝Ω0-βc，h代表该层的厚度，i为虚数，在变换域内弹性基层的应力应变关系为：在变换域内非饱和路基的应力应变关系为：其中，Bwn＝ω2ρwSnλn-fwnλn，Ban＝ω2ρaSnλn-fanλn，Bn＝2μSnλn2+λ-aχfwn-a(1-χ)fan，dn为方程dn3+b4dn2+b5dn+b6＝0的根，b4＝-b12-b33-b21，b5＝b12b33-b13b32+b21b12+b21b33-b22b11-b23b31，b6＝-b21b12b33-b13b31b22-b23b11b32+b21b13b32+b22b11b33+b23b31b12，n＝1,2,3，b11＝baρaA11，b12＝baρaA12，b13＝ω2ρa+baρaA13，b21＝bwρwA21，b22＝bwρwA22，b23＝ω2ρw+bwρwA23，柔性路面高速公路模型的总体刚度矩阵为：其中，上标0,1,2对应所述三层模型中从上往下所示的不同层位，[Kf]为11×11的矩阵，刚性路面高速公路模型的总体刚度矩阵为：其中，[Kr]为8×8的矩阵。 5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S104中，所述具体车辆确定荷载形式和大小为：其中，P代表车辆的总轴载，在移动坐标系中x＝x1-Vt，y＝y1，z＝z1，在变换域内，所述具体车辆确定荷载形式和大小为：所述刚性路面高速公路模型的边界条件为：所述刚性路面高速公路模型的边界条件，去掉时间项后表示为：其中，B33是[Kr]-1中的第三行第三列的元素，与竖向位移对应，所述柔性路面高速公路模型的边界条件为：所述柔性路面高速公路模型的边界条件，去掉时间项后表示为：其中，对于所述刚性路面高速公路模型，将对应边界条件带入所述刚性路面高速公路模型的总体刚度矩阵，对于所述柔性路面高速公路模型，将对应边界条件带入所述柔性路面高速公路模型的总体刚度矩阵，得到各个面上的位移，将路基顶面的位移代入在变换域内非饱和路基的应力应变关系中求得在频域内路基内部任意位置处的应力和位移路基的振动速度和加速度可通过位移计算出速度加速度 6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S101之前，所述方法还包括步骤S106：所述处理设备获取所述目标高速公路路段的路基的性能确定任务。 7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S105之后，所述方法还包括步骤S107：所述处理设备输出所述在时域内的解f。 8.一种高速公路路段的路基的性能确定装置，其特征在于，所述装置包括：结构模型简化单元，用于采用Odemark模量和厚度当量假定，将目标高速公路路段的公路结构简化为三层模型；控制方程推导单元，用于在所述三层模型的基础上，并将所述目标公路路段的基层设为弹性介质以及将将所述目标公路路段的路基设为非饱和多孔介质，推导得到刚性路面控制方程、柔性路面和基层的控制方程、非饱和路基控制方程；刚度矩阵构建单元，用于根据车辆荷载作用形式，分别将所述刚性路面控制方程、所述柔性路面和基层的控制方程、所述非饱和路基控制方程中变量的时间项设为简谐形式并分离出来，再利用双重Fourier变换分别将所述刚性路面控制方程、所述柔性路面和基层的控制方程、所述非饱和路基控制方程中对三维空间域的偏导降为常微分方程，求解之后得到不同层位的单元刚度矩阵，再建立总体动力刚度矩阵；求解单元，用于根据具体车辆确定荷载形式和大小，作为边界条件代入对应模型的刚度矩阵中求解，得到待求参数在频域内的解；转换单元，用于采用快速Fourier逆变换将待求参数在频域内的解转换成在时域内的解f，其中，所述时域内的解f为应力{τxz,s τyz,s τzz,s pw pa}、位移{u2x u2y u2z W2 V2}、速度vij、加速度aij。 9.一种处理设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时执行如权利要求1至7任一项所述的方法。 10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行权利要求1至7任一项所述的方法。
所属类别：	发明专利