（岩土工程专业论文）交通荷载作用下道面和软土地基共同作用数值分析.pdf

王林玉浙江大学博士学位论文 19 9 9 年7 月 交通建墼堡星下道面和墼圭墼! 梦同作用墼兰重兰至握 摘要 n 机场、高速公路对地基变形有严格限制，受地理条件的制约，许多大型民用 机场和高速公路不得不建造在深厚的软土地基上，由于软土地基含水量高，变形 大，般先要进行较长时间的堆载预压，以消除土体的固结沉降和次固结沉降。 尽管如此，使用期间在飞机、汽车等交通荷载作用下道面也会由于软粘土的塑性 变形而在很长时间内发生沉降，因而有必要研究道面和地基在交通荷载作用下的 应力和变形问题。丫 本文首先从理论研究、室内外试验和数值分析三个方面总结了目前道面体系 的研究现状，阐述了结构与土体共同作用的数值分析方法，然后采用弹粘塑性有 限元理论编制了结构与土体共同作用的计算程序舾嘲，分析了机场跑道在飞 机静荷载作用下道面、基层和软土地基的应力、挠度以及永久变形随时间的变化 规律，并讨论了地基模量、流动性参数等的改变对道面应力应变的影响。 ( 采用m o h 卜c o u l o m b 屈服准则和相关联的流动法则，通过屈服面和加载面相 结合的思想得出了循环荷载作用下道面基层和软土地基的应力应变关系，用于计 算交通荷载作用下道面累积变形随时向的变化规律，并研制了动力弹塑性有限元 分析程序d 五纠珂。丫 研究了有限深粘弹性土体底部竖向变形受限制时，在土体表面作用竖向半正 弦动力荷载条件下，土体一维变形问题的解析解，并与相同条件下动力有限元解 进行了比较，结果表明两者吻合得较好。 、i 运用本文建立的动力弹塑性有限元计算程序，分别对机场跑道横截面和纵截 面计算模型进行了分析，研究了单层地基、成层地基以及机场跑道在单次动力荷 载和循环荷载作用下的变形规律，讨论了土体弹性模量、塑性参数、加载形式和 阻尼等对道面、路基和软土地基的应力和变形的影响。 最后，应用动力弹塑性有限元程序对模拟道面体系的模型试验结果进行了分 析，计算值和实测值符合得较好。 本文综合考虑交通荷载的动力特性和循环性、软粘土的粘弹塑性以及道面和 地基的协同变形，突破了以往仅考虑单一因素或某些因素影响的局限性，更好地 反映了道面和地基在交通荷载作用下的应力和变形规律，对工程实际具有一定的 参考价值和指导意义。卜 王林玉浙江大学博士学位论文 19 9 9 年7 月 n u m e r i c a l a n a l y s i s o t h ep a v e m e n ta n ds o f tc i a yg r o u n d i t e r a c t i o nu n d e rt r a 蛳cl o a d s a b s t r a c t m a n ym o d e ma i r p o nr u n w 8 y sa n de x p r e s sh i g h w a y sh a v et ob eb u i l to n t h i c ks o n c l a yg r o u n d o w i n g t ot h ea i l o w a b l ed e f o n n a t i o ni ss t r i c t l yi l m i t e dt h e g r o u n di su s u a l l y n e e d e dt ob ei m p r o v e d n 0 to n i vt h ed e f o n n a t i o nd l l et o 口r i m a r va n ds e c o n d a r v c o n s o l i d a t i o n sb u ta l s ot h ep i a s t i cd e f 0 瑚a t i o ni n d u c e db yt h et r a 行j c1 0 a d ss h o u l db e t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n f i r s t l y ，i nt h ea s p e c t so f t h e o r e t i ca n dn u i n e r i c a la n a l y s e sa n dt e s t i n gt h es t a t e i o f - t h e a r to ft h ep a v e m e n t s t r u c t u r ei sb f i e n vs u m m a r i z e db a s e do nt h ee l a s t o p l a s t i c t h e o r y ，af i n i t ee l 哪e n tp m g r a m 胚蚜下ei sd e v e l o p e d t 1 1 es t r e s s ，d e f l e c t i o na n d p e m a n e n td e f b r m a t i o no ft h ep a v e m e n tu n d e fa c r o p l a n es t 缸i cl o a d sa r ea n a l v z e d ， i n c l u d i n gt h ei n f l u e n c e so f g r o u n dm o d u l u sa n dn u i d i t vp a r a m e t e r t h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n so fr o a db a s ea n ds o 最c l a yg r o u n du n d e rc y c l i cl o a d si s o b t a i n e db yt h ei d e ao fc o m b i n i n gt h e 如e l ds l 】嘬c ea n dl o a d i n gs u 嘞c e ad y n a m i c e l a s t o - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tp r o g r a i i lz h e 户：髓i sd e v e j o p e du s i n gm o h 卜c o u l o m by i e l d c r i i e r i o na n dt h ea s s o c i a t e d 目0 wl a w a n a n a l y t i c a ls 0 1 u t i o nf o rt h eo n e - d i m e n s i o n a ld e f o m ，a t i o no ft h ev i s c o u s e l a s t i c s o i li so b t a i n e da j l dc o m p a r e dw i t ht h ed y n a i i l i cf i l l i t ee l e m e ms o l u t i o nu n d e rh a l f s i n u s o i d a ld y n a l i cl o a d sb o t hr e s u l t sa r ei ng o o da 窟r e e m e n t c o m p u t i n gm o d e l so nt h ec r o s ss e c t i o na n dl o n 百t u d i n a ls e c t i o no fa na l r p o r t r u n w a ya r ea n a l y z e db yt h ed y n a m i ce l a s t o ：p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tp r o g r a md 唧 t h e nt h ed e f o r m a t i o nm l e so f u n i f o 加g r o u n d ，l a y e r e dg r o u n da n da i r p o r tr u n w a ya r e s t u d i e di n 日u e n c e s0 fe i a s t i cm o d u i u s ，p l a s t j cp a r a m e t e r 1 0 a d i n gf o ma n dd a m po n s t r e s sa n dd e f o n n a t i o no f t h ep a v e m e n t ，r o a db a s ea n ds o f tc l a vg m u n da r ed i s c u s s e d f i n a l l y ，w i t ht h ed y n a m i cf i n i t ee l e m e n tp r o g r a mt h em o d e it e s tw h i c hs i m u l a t e s p a v e m e n ts y s t e m i s a n a l y z e d t h e a n a l y z e d a n do b s e r v e dr e s u l t sa r ei n g o o d c o r r e s p o n d e n c ew i t he a c ho t h e r t h i sp a p e rs y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r sn o to l l i yt h ed y n a m i cc y c l i cc h a r a c t e r j s t i c so f l r a 塌cl o a d s ，b u ta l s ot h ev i s c o u s e l a s t o p l a s t i c i t yo fs o rc l a y ，a n dj n t e r a c f i o no ft 1 1 e p a v e m e n ta n di t sg r o u n dr e v i e w i n gt h ef 0 “n e rs i t u a t i o n i nw h i c ho n i yo n eo rs o m e f a c t o r sw e r et a k e ni n t oa c c o u n ta n dt h em l e so fs t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft 1 1 e p a v e m e n ta n di t sg r o u n da r ei m p r o v e d ni sv a l u a b l ef b rt h ep a v e m e n te n g i n e e r i n g d r a c t i c e 。 王林玉浙江太学博士学位论文! ! ! ! 璺! 第一章绪论 1 1引言 改革开放以来，随着众国国民经济的快速增长，各地交通事业得以迅速发展， 大型民靛枧场、惑速公路、离速铁路等一大戴交邋矮窭委农兴建、诗赵建设之中 或已投入使用。仪华东地区，在八五期间舰划建设的就有2 4 个民用机场，豳内从 八五计戈蛙拜始则凇备用3 0 颦左右的时闻修建约3 5 万公里鳃“五纵七横”糍等级 豳道主干线。 受地理条件的限制，许多大型民用机场郛离速公路不褥不建农深厚鲍软避 螫上。宁波机场魑国内第一个、国际上也罕见的建于深厚鞔土地基上的大型民用 机场，其他如温州机场、深圳国际机场、珠海国赋机场、舟山机场密正在建设的 上海清末溺际机场及杭州潜际机确等都建予软土翘基上。在国际上，g 本尔京国 际机场、哭西国际机场、香港新机场、澳门国际机场等均由围海造陆修建，其地 基软层深厚。对离速公潞和铁路来说，仪杭甬高速公路就有9 5 公厘位于软土地 基上，占仝长的6 5 ，沪宁高速公路也有很大一部分建在软土地基上，两已建成 遁车不久豹金溢铁路( 金华一溢粥) 也有一部分靛予深厚的淤泥疑软土地基上。 对于建在软士地基上的机场跑道或高速公路、铁路，必须解决好道网和地藜的关 系，螽处毽不当，势必影璃道路豹芷鬻运褥。 对道面结构而亩，一般可分为梁性道颟和刚性道面两种，由沥青材料和骨料 懿滢舍耪镱竣在俊藏颥粒耩辩土鬓缀盛豹逡西稼为柔注道籁，嗣毪遴瑟捌照指承 泥漏凝土邋面。沥街道面舆有表面平整、无接缝、耐磨、振动小、施工期短、养 护缝掺筵笈等特熹，掰戳褒公路帮参鍪撬殇蘧道方瑟应用院较广泛。滤凝王遂蟊 具有强度商、稳定性好、耐久性好、养护费用少等优点，目前我国藏在修建的高 速公熬器蛾场大嫠分采罴窳潺浸糍主遭嚣。求褪滋凝主邋箍其舂铰赢戆力学强 度，在轮载作用下变形较小，混凝士板基本处于弹性工作阶段，板内产生的蹑大 应力不超避农淀瀑凝熬鼹鼹应力。遵蘑耱载经j 霪瀣凝主媛簧爨圭毽基主已经镶 小，但由于士的变形模量很小，在循环荷载作用下地基仍然会产生一定量的带i 塑 性变形，默嚣使遵瓣产生不均匀淀黪。 对软土地基来说，由于其含水擞高，变形大，猩建造前一般先强进行较长时 斛懿堆我羰压( 妞字波掘场、涅姆规场襄是由凝场采爰袋装移井超载颈压法) ， 以消除绝大部分固络沉降和次圃结变形。尽管如此，使用期间在飞机、汽车蒋动 王林玉第一章绪论 1 9 9 9 年7 月 动力荷载作用下道面也会由于软粘土的塑性变形而在很长时间内发生沉降。由 于机场跑道和高速公路对道面的质量和平整度有较高的要求，因而很有必要研 究道面和地基在飞机和汽车等循环荷载作用下的应力、变形问题，从而为机场 和高速公路的正常运行提供一定的参考。 对工程问题的研究一般有以下几种方法：理论分析、室内外试验、数值计 算、大型仿真试验及原型观测等。对于机场这样的大型工程，修建供实测用的 试验跑道对于类似场地条件的机场具有重要的参考价值，但这需要大量的资金， 这只有在一些发达国家才有条件进行。因此，对这一问题的研究一般采用理论 分析、数值模拟、室内外试验和模型试验来进行，有限元分析由于能较好地模 拟实际情况而得以广泛应用。 1 2 道路工程研究现状 道路工程的研究涉及面较广，从研究方法上一般可分为理论研究、室内外 试验和数值分析三个方面，从研究内容上可分为弹性半空间地基上道面板的响 应、软土地基在荷载作用下的变形性状以及道面和地基共同作用等情况，而共 同作用由于较为复杂，一般采用数值方法进行分析。 1 2 1 理论研究 道面体系构造上比较复杂，通常由道面、基层、底基层和土基组成，是一 个大面积的层状结构，支撑在无限深的地基上，除了水泥混凝土道面比较接近 线弹性材料外，其它材料往往具有弹性、粘性和塑性，作用在道面上的荷载又 是多次重复的动荷载。因此，对道面体系进行完善的力学理论分析是非常困难 的，一般采用近代发展比较完善的弹性地基板和层状弹性理论进行研究。 早在十九世纪末，适用于路面设计的某些力学理论就已经得到一定的发 展。赫兹在1 8 8 4 年提出了液体支承板理论，假设板下各点的竖向支承力与板在 该点的弯沉成正比，这个模型运用在土力学中就是文克勒地基假设。 1 9 2 5 年，威斯特卡德以赫兹理论为基础，把地基反应系数k 作为衡量地基 特性的指标，计算了地基上混凝土板中的应力和位移。威氏方法和计算公式后 来经过几次修改补充，直到现在仍广泛地应用于很多国家的剐性路面设计中。 布辛涅斯克1 8 8 5 年提出了弹性半空间弹性体在集中荷载作用下的理论解， 这个理论在近代土力学中获得了广泛的运用。 王林玉浙江大学博士学位论文 19 9 9 年7 月 由于数学和弹性力学的发展，本世纪4 0 5 0 年代，路面力学理论又有了较 大的发展。1 9 3 9 年舍赫捷尔提出了弹性地基上无限大板在圆形均布荷载下底板 中心处最大弯拉应力的计算值。以此为基础，伊万诺夫等提出了以弹性模量作 为地基强度指标的刚性路面设计的实用方法。b u 瑚i s t e “1 9 4 5 ) 提出了双层和多 层弹性体系应力和位移计算的理论解。 近年来，由于大型计算机的广泛应用，以及力学理论和数值计算方法的发 展，采用h a n k e l 变换式和反演法，已能编制出多层弹性体系的计算机程序，求 算多层体系内任意点的应力和位移值。p 舢s ( 1 9 7 8 ) 将有限元方法与弹性层状理 论相结合，用于铁路结构的应力分析，k 锄a r a n 等人( 1 9 8 1 ) 编制了个三层地 基上刚性路面应力分析的计算机程序。 黄晓明和邓学钧( 1 9 8 9 ) 推导了文克勒地基上无限大板的纵向振动微分方 程，然后用h a n l ( e 1 - l a p l a c e 变换获得了任意轴对称荷载作用下的挠度解。 钟阳等( 1 9 9 2 ) 利用传递矩阵方法，得出了多层弹性半空间轴对称问题在轴 对称荷载作用下，层间完全接触情况的解析解，并应用于柔性路面和层状地基 的应力分析中。钟阳等( 1 9 9 8 ) 利用l a p l a c e h a i l l ( e 1 积分变换和传递矩阵相结合的 方法推导出了轴对称半空间弹性层状体系动态反应的理论解，并对某高速公路 试验路进行了理论计算和现场实测的比较。 c h e n 和s h e n ( 1 9 9 3 ) 研究了粘弹性地基上t i m o s h e i l k o 梁在轴向荷载作用下的 动力响应，得到了动力形函数和动力剐度矩阵的表达式。 c o l i i n s 和w a i l g ( 1 9 9 3 ) 采用振动理论并利用h a l l k e l 变换和f o u r i e r 反变换技术 得到了三维层状路面体系的临界振动荷载，考虑了荷载分布形式、路面各层厚 度以及每层材料的强度对临界振动荷载的影响。当荷载小于临界振动荷载时， 路面塑性变形随加载循环次数的增加而逐渐趋于稳定，继续施加荷载时不再产 生永久变形而只产生弹性变形；当荷载大于临界振动荷载时，路面永久变形随 作用次数而累积，变形持续发展直至破坏。 1 2 2 室内外试验 路面和地基承受着车轮荷载的多次重复作用，每一次荷载作用之后，弹性 变形恢复，塑性变形则累积下来，随着荷载作用次数的增加，土的永久变形不 断增加，但变形累积的速度减小。地基在重复荷载作用下的变形累积将导致两 种不同的状况：一是地基逐渐压密，土的颗粒之问进一步靠拢，但不产生引起 士体整体破坏的剪裂面；另一种情况是荷载的重复作用引起土体整体破坏，此 时荷载的每一次作用在土体中产生了逐步发展的剪切变形，形成能引起整体破 王林玉第一章绪论1 9 9 9 年7 月 坏的剪裂面，最后达到破坏阶段。 循环荷载作用下软粘土的试验国外有很多人做过。1 1 l i e r s & s e e d ( 1 9 6 8 ) 、 f r a n c e & s a n 伊e y ( 1 9 7 7 ) 、m i t c h e l l k i n 甙1 9 7 7 ) 、k h o s l a & s i n g h ( 1 9 7 8 ) 、 a n d e r s o n ( 1 9 8 0 ) 、k o u t s o f t a s f i s c h e r ( 1 9 8 0 ) 、k i m & n o v a k ( 1 9 8 1 ) 、y 懿u h a m 等 ( 1 9 8 3 ) 、p r o c t e r & k h a 髓坟1 9 8 4 ) 、a l i s a i & e r k e n ( 1 9 8 9 ) 、a z z o u s 等( 1 9 8 9 ) 、 v u c e t i c ( 1 9 9 0 ) 等通过对软粘土施加单向或双向循环应力，利用室内动三轴试验 分析了加载次数、频率、循环应力比、超固结比等对软粘土应力应变的影响。 y a s u h a r “1 9 9 5 ) 总结了日本部分学者1 9 8 8 到1 9 9 1 年间在土体循环固结方面 的成果，分析了软土地基在循环荷载作用下的固结和沉降问题。将该问题按照 变形特性分为一维沉降问题和二维或三维沉降问题两种，其中维沉降问题包 括季节变化导致的地下水位改变、油罐地基中燃油重量的改变以及谷仓中粮食 的变化所引起的变形；二维或三维沉降问题包括地震、海浪、交通荷载等循环 荷载作用后或作用过程中引起的变形。采用室内动力试验对这些问题进行了研 究，并根据循环荷载作用后产生的孔压消散利用固结理论进行了分析。该文献 中还给出了某一实际高速公路在投入使用后几年中沉降发展过程曲线。为了进 步研究交通荷载下道路沉降发展过程，修建了不同基层厚度的试验道路，根 据试验结果得到了道路沉降随加载次数的经验关系武。 b r o w n ( 19 9 6 ) 在第3 6 届r a n h n e 讲座中综述了土力学在道路工程中的应用， 讨论覆盖了道路设计思想、弹性层状理论和非线性有限元理论分析、重复荷载 作用下地基层和碎石层的材料特性、实验室试验方法、模型试验和现场试验等 情况，并对路面破坏的力学特性进行了分析。 s 锄m a n g ( 1 9 9 7 ) 在他的博士论文中对淤泥质粘土和软粘土进行了循环荷载 作用下的动三轴试验，采用不排水条件模拟地震期间的应力和变形特性，而采 用部分排水条件模拟交通荷载和海浪的作用，根据试验结果提出了峰值孔压、 峰值轴向应变和加载循环次数的关系曲线，预测值和实测值符合得较好。作为 工程实例，该文献对佐贺机场跑道施工期间和竣工后的实测沉降进行了分析， 道丽作为弹性材料，地基采用剑桥模型并考虑固结效应，运用静力有限元方法 分析了道面在路堤和交通荷载作用下的沉降特性并和实测沉降进行了比较，计 算结果表明，跑道运行三年后交通荷载引起的沉降占总沉降的2 0 。 国内也有一些人运用室内动三轴试验和模型试验对这一问题进行了研究。 叶国铮( 1 9 8 7 ) 采用模型试验研究了柔性路面在长期重复荷载作用下的变形 性状，试验在室内路面试槽中进行，试验装置为沿试槽两边钢轨移动的反力钢 架，钢架下装l o o i 斟脉冲千斤顶。土基为粉质粘土，上面采用石灰土模拟柔性 路面，土基顶面的弹性变形和永久变形由预埋于土基表面的位移传感器测定， 王林玉浙江大学博士学位论文 19 9 9 年7 月 灰土顶面的弹性变形和永久变形可用千分表量测，得到了土层变形与加荷压力 和加荷次数的关系曲线。 徐攸在、刑书兰( 1 9 8 7 ) 采用动三轴压缩仪研究了在长期振动荷载作用下砂 土的应力应变关系以及振动蠕变特性，并对不同固结比、不同密度饱和砂样的 试验结果进行了比较。由试验得出，长期振动下土体是否产生塑性剪切变形， 取决于动剪应力是否超过临界动剪应力。砂土的动摩擦角一般要小于静摩擦 角，且有随固结比的增大而逐渐接近于静摩擦角的趋势。 阎澎旺( 1 9 9 1 ) 运用动三轴试验分析了正常固结粘土在反复荷载作用下的累 计轴应变和累计孔隙水压力随振动次数的变化规律。试验表明，在往复荷载作 用下，累计轴向残余变形与以平均固结压力归一化的累计孔隙水压力之间存在 唯一对应关系，而与固结压力的大小、加荷方式以及动应力的大小、频率无关。 因此，可以设想把动应力作用下经往复若干次产生的累计孔隙水压力所对应的 累计应变作为产生大小相当静孔隙水压力的偏应力作用下产生的轴应变来考 虑，这样可以把复杂的动变形计算问题转化为静的变形计算问题，在计算往复 荷载作用下土的永久变形时即可采用已有的静的本构关系。 蔡英、曹新文( 1 9 9 6 a ) 针对路基填土在列车荷载重复作用下产生永久变形的 问题，利用动三轴试验，研究了重复加载条件下，土体的临界动应力和永久应 变随加载次数、加载频率和周围压力的变化规律。 曹新文、蔡英( 1 9 9 6 b ) 采用室内模型试验研究了路基的动应力、永久变形、 弹性变形和加速度随列车荷载的重复作用次数、轴重及运行速度的变化规律。 试验在长2 5 m 、宽1 o m 、高2 o m 的模型槽内填深1 2 5 m 的粘土来模拟路基，土 表面填o 4 m 厚的道渣，列车荷载的大小和运行速度通过伺服激振器的荷载输出 群l 频率来反映。由试验可知，在列车重复荷载作用下，路基累积永久变形能甭 稳定取决于列车荷载产生的路基动应力与填土的临界动应力。路基动应力与荷 载成正比，大荷载加快路基填土的变形速度并产生大的永久变形，同时会加剧 列车与线路的相互作用和振动。运行速度的增加则提高了列车荷载的频率，路 基动应力增大，累积永久变形的速度加快，也会加剧列车与线路的振动。 1 2 3 数值分析 机场跑道、高速公路和海洋平台等经常受到飞机、汽车、海浪等的动力作 用，由于缺乏对动力荷载的实测情况，以往总是将这种动力作用视为静力荷载 近似处理，这样显然与实际出入较大。 b a r k e r ( 1 9 7 2 ) 将飞机荷载考虑为静荷载，采用增量加载方法，考虑了单轮荷 王林玉第一章绪论 1 9 9 9 年7 月 载作用下道面和地基的共同变形问题。根据跑道及荷载的对称性，取跑道的一 半来考虑，假设为平面应变情况。该文章采用大型试验和数值分析相结合的方 法，试验道面长6 0 英尺、宽6 0 英尺、厚1 4 4 英尺，厚度方向从表面向下依此 为沥青混凝土面层、碎石垫层、砂石垫层和软土地基，试验路段中沿水平和竖 直方向埋设有压力盒、位移计和孔压计，以测得荷载在不同位置时道路水平和 竖直方向的变形及应力情况。道面变形采用位移计测量，得到轮载在离测点不 同位置时测点的变形值，这通过把荷载停在不同的位置来完成，实际上测得的 是静载作用。当荷载靠近测点时代表道面板的加载位移，当荷载远离测点时代 表道面板的回弹位移。在有限元计算中，该文献通过采用不同的模量值来表示 这两种情况，采用标准三轴试验得到的弹性模量值代表初始加载情况；采用动 三轴试验测得的动态初始模量代表回弹和再加载情况。在计算中考虑了模量值 随应力变化的情况。对于道面，由于是沥青混凝土，考虑了温度的影响，分别 取冬季和夏季的模量值作为常模量来考虑。碎石、砂石和粘土层的模量均随水 平方向和竖直方向而变化，最大模量值发生在荷载作用面下的浅层深度内( 碎 石层) ，在荷载作用面的边缘到达最小值，荷载中心面下的模量值随深度的增 加而减小，在粘土地基层的表面达到最小值。该文献的有限元计算采用不同的 模量近似考虑道面与地基的压缩与回弹，并未真实地反映循环荷载作用下道面 的变形性状，有待于进一步发展。 s u b e i 等( 1 9 9 1 ) 提出了一种有限元和边界元相结合的方法，用于分析路面、 路基和地基在力学荷载( 包括汽车、火车和飞机的轮载) 和环境荷载( 包括路 面温度变化、地基含水量的变化等) 作用下的变形及应力情况。采用有限单元 法分析荷载作用点附近区域的变形，而采用边界单元法分析场地较远区域的变 形，这样单元数和计算时间将大大减少。采用平面应变假设，力学荷载取波音 7 2 7 飞机轮载，包括前轮、后轮轮载和后轮最大刹车水平荷载，荷载为静载。 环境荷载考虑了春季、夏季和冬季温度变化、土中含水量变化和弹性模量变化 而引起的道路应力状态的变化。该文献还考虑了道面板连接缝的传荷能力。该 文献只考虑了材料的弹性变形，在如此大的荷载作用下，材料将产生不可恢复 的塑性变形，这与实际情况不符，另外，该文献考虑的是静载，实际上交通荷 载都是动力荷载，这有待于进一步研究。 李锡夔等( 1 9 9 0 ) 分析了考虑饱和土壤固结效应的结构一土壤相互作用问 题，利用子结构分析技术，把结构剐度和作用于结构的荷载凝聚到结构和土壤 的交界面上。考虑到固结过程的缓慢性，忽略结构动力效应，而作为静力问题 进行了分析。 俞建荣等( 1 9 9 6 ) 采用空间有限元理论与弹性半空间体解析解相结合的方 6 墨堡苎 塑兰垄兰堡主璺竺垒墨 ! ! ! ! 曼塑 法，将半刚性基朦和剐性路面税为弹性半空间地基上的双层弹性体，分析了半 刚性基屡和刚性颟层层闽联结状态对荷载应力的影响。 无论是机场邋蕊还熄公路路獗，都受涉及到弹性地凝板的动力响应阀题， 因此，动力荷载 乍用下弹性半空间地基上道面投的挠度随荷载作用时自j 的关系 也得到了研究。 m i c h a e i 和嚣d w a r d ( 1 9 9 分析了粘弹性地基上矩形薄板在移韵荷载作用下酌 艨态响应。粘弹蚀地基由一系列不连续的弹簧和粘壶组成，交通荷载由两个独 立豹弹藕往俸系缀成，两者其存褥两的速度，替藏和板的接触骰定为点缓触。 该文献采用卜e w m a r k b 法，考虑了荷载的动力特性，同样没有考虑循环荷载和 圭巍簦变形蕊彩确。 许金余( 1 9 9 4 ) 将飞机一道面一士基作为一个相互作用的动力系统，对飞机 潺零亍竣态下弹瞧拳空海蟪鏊上丽淫遥瑟叛静动翡癍采臻旃鞭元法避行了谤算分 卡斤。采用薄板理论，忽略次起落架，主起落架以弹簧阻尼体系模拟，设飞机沿 平撂于遥鬻投方粕等纛这瘦港孬。隶泥渥凝遂嚣馥采麓瑟节点怒形革元离散， 半空间地撼采用布辛涅斯克公式来表述，假设道面板和土基完全光滑接触，可 褥飞枫在不羁港溅速度下，术潺滋凝遂疆摄酪掇瘦变伲 毒嚣，荠察实测篷遽 行了比较，两者符合得较好。该文献考虑了荷载的动力特性，但末考虑循环荷 载，也泰考虑遗蒸变形对遴瑟板瓣彩暖，对飞橇麓载长嬲孛# 瑶下懿道嚣突形链 状未作研究，而遮正是本课题所关心的内容。 道面和地基魑个相豆作用的有机熬体，在动力荷载作用下，基层和软土 地熬将产生不可恢复的塑性交形，因此，镶要对这一问题避孳亍综合疆究。 张崇文等( 1 9 9 4 ) 采用三维动态有限元法，分析了结构与土相互作用的动力 问题，海洋采油平台在设誊 中特剐关注敢是波浪、承滚、海冰积溉震鼹产生的 瞬态和周期性的动力载荷的作用。该文献将采油平台按等频原则划分成般有 照单元法的三维梁单元，水体考虑为动水压力，住为附搬震量施烟予采溜平台 一t 。谢算宽度取为采油平台底部宽度的三倍，土体的整体高度为沉箱高度的三 倍，采用线弹性有限元分析了采浊平台在冰蘅载l 擘用下的动力反应。浚文献采 溺w i l s o n 8 法分析了结构自振周期、底梁的反力分布、沉箱水平反应位移分布 以及沉箱底部水平蕊上土体备点水平位移分布情援。 w h i t e 鞠z a 曲l o u l ( 1 9 9 7 ) 运用三维动力有限元法分析了试验道面在飞机荷载 作用下的变形情况。采用位移计测定道路不同深度的位移情况，樱据位移值修 正有限元援受，飘丽使得测量值和计算值在不同拜寸问和不问深度她的位移相一 王林玉第一章绪论1 9 9 9 年7 月 致。试验路面包括沥青面层、石灰石基层、路基和士基，软土地基作为弹性地 基，以弹性支撑代替。整个计算模型长为1 4 4 i n ( 3 6 5 8 c m ) ，宽为8 7 5 i n ( 2 2 2 8 c m ) ， 厚为4 0 i n ( 1 0 1 6 c m ) ，边界条件为两侧和底部为弹性约束。该文献认为，边界条 件对于有限元模型有着显著的影响。在道路边缘和壤连接处存在垂直摩擦力 和被动土压力，摩擦力取决于道路和相l 临土之间的相对运动、摩擦系数和间距 以及侧向被动土压力，侧向土压力取决于土壤类型和土体重度，有限元分析中 考虑了摩擦力和被动压力。该文献视沥青混合料面层为粘弹性材料，并考虑 了温度的影响。基层和路基考虑为弹塑性材料，采用d m c k e 卜p r a g e r 模型。通 过试验得到基层和粘土路基的应力应变关系。荷载在计算模型上做往复循环运 动，由于计算机内存问题，研究了7 0 个加载循环步。该文献较为详细地研究了 移动荷载作用下道面和基层、路基的共同作用问题，由于内存问题，所耿计算 模型很小，虽然考虑了弹性边界问题，但并未详细考虑软土地基的塑性变形及 地基的流变性状。 1 3 材料本构模型研究现状 研究路面结构在循环荷载作用下的变形性状，首先必须采用能反映结构实 际变形特性的应力应变模型即本构模型。目前用于分析材料应力应变特性的本 构模型有线弹性模型、非线性弹性模型和弹塑性模型等。 线弹性模型最为简单，其力学本构方程为广义虎克定律，荷载卸除后没有 残余变形。 非线性弹性模型是线弹性模型的推广，主要有以下几种：折线型、双曲线 型和对数曲线型等。按照采用的弹性系数分类，一般可分为e 一“非线性弹性模 型和k g 非线性弹性模型两类，目前国内外应用得较多的是d u n c a n c h a n g 非 线性弹性模型，采用双曲线方程表示。 为了真实反映结构在循环荷载作用下的累积残余变形，需要采用弹塑性模 型来描述。经典的屈服准则有t r e s c a 屈服准则和v o nm i s e s 屈服准则，在主应 力空间为一无限长的柱面。适用于混凝土和岩土材料的屈服准则应用较多的有 m o h 卜c o u l o m b 屈服准则和d m c k e r _ p r a g e r 屈服准则，其共同特性是考虑了静水 压力对屈服的影响，在主应力空间为一锥面。 英国剑桥大学的r o s c o e 和他的同事( 1 9 5 8 1 9 6 3 ) 在正常固结粘土和超固结 粘土试样排水和不排水三轴试验的基础上，提出了剑桥模型，假设土体是加工 硬化材料，并服从相关联的流动法则，剑桥模型认为在状态边界面内，土体变 王林玉浙江戈学博士学位论文 形是完全弹径的，藩撤瑟形获为弹头彩。r o s c o e 帮b u r l 8 n d ( 1 9 6 8 ) 又发震为修正 剑桥模型，该模型认为，在状态边界面肉，当剪应力增加时，土体虽然不产生 蘩瞧体积变形，缎产玺塑性剪讶变形。在应力空闽中，屈服面为一锥面加一藕 球砸帽子，椭球顽帽子屈服面随潜加工硬化而不断向外扩大。此后，魏汝龙和 黄文熙等叉对疆鼹藩形狡遗簿了修蕞，整密了更为一般韵情嚣。乙a d e d u n c a n ( 1 9 7 5 1 根据对砂土的真三轴试验，提出了l a d e d l u i c a l l 模型，该模型把 俸视为麴工疆纯耪籽，劳骚跌不相关联静流动注鄹，稳应力空阉孛燕激嚣为 开口曲边棱锥颟加一球形帽子。该模型认为在加载时，总应变等于弹性应变 稻烫毪应交之器，嚣在驽载嚣不产玺鎏毪交形。 由于土体变形的复杂性，不少学者认为采用单一的屈服面难于全面反映土 懿变澎穗缝，嚣熬提整了多矮照蘸模墼。双疆照褥模整毁出稿癍手球寝变静 压缩屈服顾和相应于偏应变的剪切屈服面组成，屈服面把应力平丽分成四个区 域：弹犍黩、压缀藤鼹区、骛切嚣缀区程磐甥压缭嚣爨区，鲡v e 瓣e 暖1 9 8 3 ) 模 型、殷宗泽( 1 9 8 8 ) 模型等。沈珠江( 1 9 8 4 ) 提出了土的三重屈服面模型，即压缩屈 服露、剪切屈鼹瑟秘剪联妪硬屈激瑟。多霾鼹覆模垄对誉藤豹应力鼹径案铰努 的适应性，但同时也大大增加了计算分析的复杂性。 对软糕，体的变形不仅鏊现出弹翅蛙性壤，同瓣还呈现感浚交技蒺。 对于土体的流变性，一般常用反映粘弹性黛形的k o l v i n 模型、m e r c h a n t 模型和 反映粘塑性变形的b i n 曲a m 模型撼逑。篷荚裁等( 1 9 9 3 ) 将殿宗泽( 1 9 8 8 ) 的联矮艨 面弹塑性模型与软粘土的流变性捆结合，建立了一个带双屈服面的粘弹骥性模 型，可以反映体的剪账、剪缩特性以及漉变牲蔟。郑撼明等f 1 9 9 6 ) 认为软糖 土的流变特性是非线性的，而无论k e i v i n 模型、m e r c h a n t 模型和还是b i n 加a m 模溅，只能描述线性流变过程，嚣线性漉变模型是耀出漉变产生骢慈变澎分离 成线性流变和非线性流变两部分，前者用常堵的流变模型理论描孟盎，后者用实 验结果作为修正，从而建立半经验半理论的非线性漉变模型。 对承受循环荷黻的结构来说，篡应力应变特性比单向加载复杂褥多。在循 环旖载俸翊下，结构其有循环濡变、循环软化和循环硬化特性，结构的变形情 况与循环加卸载次数、频率、应力水平和加荷方式等有关，为了反映循环赫线 乍蠲下静应力应交关系，瀚内羚许多学者对这一问题进行了不同程度的研究。 对于循环荷载丽言，非线性模型中用得较多的是r o 模型和h d 模型，分 弱懑弛m b e r 哥0 s 黔。戡l 舛3 ) 和嚣a l d i n d m e v i e h ( 1 9 6 3 ) 疆出，它们遵循m a s i n g 规 则：( i ) 每次加载反向后的剪切模攘值假定等于初始加载曲线的初女| ：_ ；切向模量 篷 ( 2 ) 蠲载饔反两嬲载麴线静形状与裙始嬲载蘧线形菝褶舷，只麓范识始满线 王林玉第一章绪论 19 9 9 年7 月 扩大一倍。这两个模型反映了循环加载时的b a u s c h i n g e r 效应，能较合理地确定 土体在地震时的加速度、剪应力和剪应变反应，但不能计算永久变形，也不能 反映循环蠕变、循环软化等现象。因此，只有采用弹塑性模型才能真实反映土 的循环应力应变关系。 1 w a n f l 9 6 7 ) 提出了循环荷载作用下的一维模型，该模型由一系列线弹性单 元和刚塑性摩擦单元按一定方式组成，其中包括并联型模型和串联型模型两种， 前者的应力应变关系以应变作为自变量，后者以应力作为自变量。循环加卸载 情况下的应力应变关系按照m a s i n g 规则由材料单向加载的应力应变关系获得， 材料初始加载的应力应变曲线根据实验绘制。该系列模型不仅可以处理固定界 限的循环加载问题，还可以对变界限循环加载问题进行分析。 e i s e n b e r g 和p h i l l i p s ( 1 9 7 1 ) 考虑了循环荷载作用下结构的应力应变关系，在 应力空间中用屈服面和加载面描述，屈服面包围的是纯弹性区域，并被加载面 完全包围。对于加工硬化材料，当应力点位于屈服面以内时，材料只产生弹性 变形；当应力点达到屈服面时，材料产生塑性变形。继续加载时，屈服面大小 不变，加载面由于硬化而逐渐增大，应力点始终和加载面接触。在卸载过程中， 材料不产生塑性变形，加载面发生等向软化，逐渐缩小，直至与屈服面重合。 重新加载时，当应力点达到屈服面时，产生新的塑性变形。本次加载的应力应 变关系曲线与上一次加载曲线的间距随荷载的增加而逐渐趋近于零，累积塑性 变形随加载次数的增加而最终趋于稳定。 d a f a l i a s 和p o p o v ( 1 9 7 5 、1 9 7 6 ) 从材料单轴循环加载试验曲线一般都落在两 条相互平行的界线之间这一事实出发，推广到多维情况，认为屈服面的运动总 是位于边界面之内，将塑性模量看成是以屈服面上应力点到边界面上应力点的 距离为自变量的函数。在加载过程中，当应力点达到屈服面并继续加载时，屈 服面和边界面发生移动，但边界面移动速度较慢，如果屈服面移动到边界面时， 两面相切并以相同的速度移动，此时塑性模量保持不变。对于金属材料，边界 面表示一个相对稳定的状态面，而对于土体而言，边界面代表破坏面。该模型 的重点是考虑循环加载情况下由于塑性应变率的改变和应力反向所引起的塑性 模量的变化，而没有考虑如何描述屈服面、加载面的变化情况。心i g ( 1 9 7 5 ) 也提 出了两面塑性理论模型，将硬化模量场用一个统一的微分方程描述，采用了等 向硬化和运动硬化理论。谢一环和王勖成( 1 9 8 6 ) 在d a f a l i a s 模型的基础上提出了 新的本构关系，对d a f a l i a s 模型在实际计算中可能出现塑性刚度波动的现象进 行了改进。该文献在a x e l s s o n 、s 锄u e l s s o n ( 1 9 7 9 ) 以及王勖成、常亮明( 1 9 8 6 ) 对 混合硬化模型分析的基础上进行了本构方程的积分。 m r o z ( 1 9 6 7 ) 提出了多屈服面塑性模型理论，用于分析循环加载情况下材料 王林玉浙江大学博士学位论文 19 9 9 年7 月 的应力应变关系。首先根据试验得到材料的应力应变曲线，然后采用多屈服面 理论把该曲线用一折线表示，同一个屈服面所包围的区域其弹塑性模量为定值， 不同屈服面内的模量值不同。假定材料是各向同性的，所有屈服面相似并以原 点为中心，其中最小的屈服面内的变形是弹性变形。循环加载时，应力点推动 屈服面发生移动，使得各个屈服面移动、接触、分离而发生弹性变形和塑性变 形，从而更好地反映复杂加载情况。m r o z ( 1 9 6 8 ) 在上述多屈服面理论的基础上 建立了更通用的加工硬化模型，屈服面除了移动以外，在塑性变形过程中还可 能膨胀或收缩，从而可以描述更为复杂的非比例加载问题。k a i e v 和g l u c k ( 1 9 7 7 ) 采用v o nm i s e s 屈服准则、p r a g c r 线性运动硬化规则以及m r o z 多屈服面塑性模 型，运用增量弹塑性有限元方法和迭代技术分析了材料在对称循环荷载作用下 的应力应变情况，反映了b a u s c h i n g e r 效应。 p r e v o s t ( 1 9 7 8 ) 采用多屈服面理论提出了粘性土在不排水情况下的应力应变 模型，因为土体拉伸和压缩的形状不同，屈服面中心不在原点，其中心偏离原 点的距离反映过去的应力所引起的土体各向异性。m r o z 等( 1 9 7 9 、1 9 8 1 ) 应用硬 化模量场的思想，采用两面模型理论和多屈服面模型理论，土体采用临界状态 模型并考虑各向异性，得到了循环荷载作用下土体的应力应变关系和变形、孔 压随加载循环次数的关系。r 瓤n s a m 0 0 j 和a l w a s h ( 1 9 9 0 ) 采用p r e v o s t ( 1 9 7 8 ) 多屈 服面模型并运用各向同性硬化和运动硬化规则，考虑了土体的软化效应和屈服 面、剪切模量的改变，预测了松砂的应力应变关系和孔压情况。王建华、要明 伦( 1 9 9 6 ) 将等向硬化和运动硬化规则相结合，用应力空问中的边界破坏面、加 卸载屈服面和应力反向面以及它们之间相对位置的变化，描述循环荷载下土的 弹塑性响应，建立了一个总应力形式且屈服面连续变化的非等向硬化模量场弹 塑性模型，描述了土体的循环蠕变和弱化效应。由多屈服面得到的应力应变曲 线与试验曲线相比较，初始加荷曲线很符合，但卸载曲线不一定符合，由于汁 算模型的复杂性，应用上受到一定限制。 b a r d e t ( 1 9 9 5 ) 将比例内存概念应用到土体的一维循环特性上，提出了比例内 存模型，即把土体应力应变曲线的非线性塑性模量转变为分段线性分布，然后 根据加载、卸载和重加载情况得出循环加载时的塑性模量。浚模型可以反映土 体的各向异性，但未考虑循环弱化的影