深季節(jié)凍土區(qū)重載汽車荷載下路基動力響應與永久變形.pdf

1、我國凍土面積分布廣泛,凍融循環(huán)與重載汽車荷載是誘發(fā)季節(jié)凍土地區(qū)公路路基病害且由此引發(fā)路面破壞的兩大主要原因。國內外關于季節(jié)凍土區(qū)重載汽車荷載下路基動力響應、長期重載汽車荷載下路基穩(wěn)定性方面的研究罕有開展,公路路基病害機理認識不足。加之我國正處于高等級公路建設新時期,占國土面積超過一半的季節(jié)凍土地區(qū)內分布著縱橫交錯的國道、省道,如何有效評價季節(jié)凍土區(qū)(特別是深季節(jié)凍土區(qū))高等級公路路基的穩(wěn)定性與長期服役性能,有效降低路面、路基病害的發(fā)生且

2、減輕運行維護難度,是制約我國寒區(qū)公路發(fā)展的瓶頸之一,也是我們面臨的一大工程技術難題。
　　鑒于此,本論文以深季節(jié)凍土地區(qū)高等級公路路基建造與運營維護為應用背景,采用室內試驗、現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析、數(shù)值模擬相結合的技術手段,特別針對凍融循環(huán)與重載汽車荷載雙重聯(lián)合作用,開展重載汽車荷載下路基凍土與融土的動力參數(shù)、重載汽車-面層-基層-路基動力相互作用、重載汽車荷載下路基動力響應、長期重載汽車荷載下路基永久變形等科學問題研究,主要研究內容

3、與取得的成果如下。
　　(1)針對季節(jié)凍融循環(huán)與重載汽車荷載作用特點,基于低溫動三軸試驗研究了不同的含水量、凍融循環(huán)次數(shù)、荷載頻率、負溫、圍壓等條件下路基凍土動力參數(shù);同時,基于常規(guī)動三軸試驗研究了不同的含水量、凍融循環(huán)次數(shù)、荷載頻率等條件下路基融土動力參數(shù)。以等效線性化模型描述凍土與融土的動應力～動應變關系,在經典雙曲線模型基礎上,提出了改進的Hardin雙曲線模型以擬合凍土與融土的骨干曲線,分別研究了不同因素對最大剪切模量、最

4、終剪應力幅值、最大阻尼比,以及剪應變幅值與剪切模量、阻尼比曲線的影響。
　　(2)針對公路交通系統(tǒng)特點,在合理假設基礎上,建立了深季節(jié)凍土區(qū)重載汽車-面層-基層-路基動力相互作用簡化分析模型,包括典型重載汽車行駛振動簡化分析模型、面層-基層-路基動力相互作用簡化分析模型、春融期面層-基層-路基動力相互作用簡化分析模型、正常期面層-基層-路基動力相互作用簡化分析模型。以路面不平度作為重載汽車-面層-基層-路基系統(tǒng)的附加激勵,輪胎點接

5、觸模型和改進彈性滾子模型作為輪胎與路面的接觸關系,實現(xiàn)了重載汽車-面層-基層-路基的動力相互作用,并采用Wilson-θ逐步積分法求解動力體系方程。
　　(3)在第(2)項理論基礎上,開發(fā)了深季節(jié)凍土區(qū)重載汽車-面層-基層-路基動力相互作用簡化計算程序DATPS,并采用前人試驗結果和數(shù)值結果驗證了計算程序的可靠性和理論模型的正確性。進而研究了重載汽車荷載下行車因素與道路因素對輪胎接地壓力、路面動位移、基層頂面壓應力的影響,并獲取了

6、基層頂面動壓應力荷載時程。
　　(4)針對深季節(jié)凍土區(qū)高等級公路典型路基,采用現(xiàn)場動應力監(jiān)測手段,研究了三軸重載汽車在不同的整車質量、行駛速度時行車跡線下路基內動壓應力傳播規(guī)律和分布特性。采用有限單元法,基于虛功原理,將重載汽車-面層-基層-路基動力相互作用簡化分析模型計算的基層頂面壓應力時程作為荷載輸入,建立了基層-路基-場地粘彈性動力有限元分析模型,并驗證了數(shù)值模型的可靠性。進而分析了不同的汽車類型、后軸軸重、行車速度、路面不

7、平度等級、路基融化厚度對正常期和春融期路基內動應力分布規(guī)律的影響。
　　(5)基于常用長期循環(huán)荷載下土體永久應變模型,提出了凍融循環(huán)與重載汽車荷載聯(lián)合作用下路基融土永久應變模型,根據(jù)三軸固結不排水壓縮試驗和長期重載汽車荷載下動三軸試驗確定該模型參數(shù)。以應力比為關聯(lián),結合上述第(4)項研究成果,研究了不同的汽車類型、后軸軸重、行車速度和路基融化厚度對路基永久變形發(fā)展的影響,據(jù)此提出了深季節(jié)凍土區(qū)長期重載汽車荷載下路基永久變形預測公式