（岩土工程专业论文）多荷载作用下路基土的力学行为研究.pdf

西华大学硕士研究生学位论文 摘要 路基是道路工程的重要组成部分，是道路的承重主体，无论是公路路基还 是轨道路基，其都承受着路面传来的车辆荷载和路面的自重。路基质量的好坏， 直接影响到路面或道轨的使用质量，在其上部荷载的作用下，路基将产生过量 应力和变形，甚至招致破坏。随着生产力的发展和人们生活水平的提高。运输 货车和私家车辆越来越多，交通量增大，堵车现象和交通事故日趋严重，路基 承受路面传来的荷载变得更加的复杂，由于荷载的复杂性导致了路基土力学特 性的不确定性，所以研究多荷载作用下路基土的力学行为具有一定的实际意 义。 本文回顾了单一荷载作用下路基土的力学特性研究现状，了解有关路基土 特性的理论研究、试验研究、数值分析等分析方法以及在动荷载或静荷载单独 作用下路基土的应力、应变变化规律。 依据荷载叠加理论，建立了动、静荷载耦合作用下的加载模型，并提出了 组合荷载、组合应力、组合沉降变形等概念，为本论文的数据采集和数据分析 提供方便，并为进步研究多荷载作用下路基土的力学特性奠定基础。 本文根据相似理论，通过室内相似模型试验，研究层状路基土在动荷载和 静荷载耦合作用下的应力、变形发展规律。保持动载不变，通过改变静载的 大小，研究动、静组合荷载作用下层状土路基的应力和沉降变化规律。 利用弹塑性理论和有限元动力学基本原理，运用a n s y s 有限元分析软件 进行瞬态动力反应分析，得出了动、静荷载耦合作用层状土路基的应力、变形 变化规律，通过改变静载大小或动载幅值，研究不同组合荷载作用下层状路基 的应力、沉降变化规律。 通过室内模型试验与有限元数值的分析比较，得出动静荷载耦合作用下层 状土路基应力、变形变化规律：动、静组合荷载作用下路基土中的组合应力和 组合位移约等于各荷载单独作用时产生的应力和位移之和；层状土路基中的组 合应力和组合变形随着深度的增加成菲线性减小，组合应力的最大值出现在组 合荷载加载点的下方，且主要表现为竖f 句应力：同层介质中，组合应力和组 i 西华大学硕士研究生学位论文 合沉降随着深度的增加成线性衰减，衰减速度的快慢与材料的性质和施工质量 有关；动载幅值、作用周期保持不变，随着静载的增加，路基中的组合应力和 组合位移成线性增加，保持静载大小和动载作用周期不变，路基中的组合应力 随着动载的增加成线性增加：组合应力和组合沉降变形沿路基宽度向两边逐渐 衰减，且成正态分布曲线趋势衰减。总之，研究结构为路基的设计、施工、运 行和维护提供了参考依据。 关键词：路基模型试验组合荷载组合应力与变形有限元 西华大学碛士研究生学位论文 a b s t r a c t t h es u b g r a d ei sa l li m p o m n t 叫o f r o a d , w h i c hn e a r l yb e a r sa i lf i l ev e h i d e l o a d sa n dg r a v i t yo f p a v e m e n ts u r f a c e t h eq u a l i t yo f s u b g r a d ew i l la f f e c tt h eq u a l i t y o fp a v e m e n to fr a i la n d 咖r e s u l ti np a v e m e n td c 随她i ft h es l l r e s sa n d d e f o r m a l i o np r , x t u o o dt r i t e rl df r o ms u r f a c e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y a n ds l a n do fl i v i n g , t h eq , m t i i yo f 位田- cl r u e ka n df a m i l yb e c o m el a r g e r , t l a f f i e v o l u m e , v e h i c l es p e e da n dv e h i c l el o a d i n g 犯i n 凹函n 吕砒t h e 跳血r et h el o a d a b o v es u b g r a d eb e c o m ei n o r ea n df r k 孵e o m p i e ) lm e c h a n i c a lc h a r a e t e m t i eo f 鲫岫尹池a 咒i n d e 杷m i l 碰b e c a u s eo fc 【耵i p 奴l o a d s , s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt o s t u d yt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co f s u b g r a d e t h i sp a p e ri n m x t u c e dt h eo r e s e n ts t u d y 翻矧b0 1 1m e c h a n i c a le h a m e t e d s 匦o f s u b g r a d eu n d e rs i n g l el o a d w ek n o ws o m es t u d ym e t h o d sa b o u ts o i ls u b g r a d e , f o r e x e u n t , t h e o l y 吣e x o e r i m e m lm o d e l i n g a n dm 珊蒯a r , a l y s i s ，a n d o n a t t h es a l l l e ：缸f i 蛾w es t u d y 毹h l 站r u l e sa b o u ts l r e s sa n dd e f o r m a t i 咖o f t h es u l , g v a d c u n d e r 咄s 碰e o r d y m m i e l o a d n 虻l o a d i n gm o d e lo f t h es t a t i cl o a da n dd y i l a n l i cl o a db e i n ga c t e da tt h es a m e l i m ew 罄e s t a b l i s h e da c e , , r c i i i l gt ot h e 蜘p 既p 【商位m 恸y t h ee o n c e 弗s o t e x a m p l e , c o m b i n a t o r i a ll o a d e o m b i n n l i o n a ls l r e s sa n dc o m b i n a t i o n a ld e f o n n a l i o n , 、僦p u tf o r w a r d t h i sm e t h o dm a yb ee o n v e r l i e r af o rt h ed a l a 卸叩凼砥d na n dd a l a p r o c e s s i n gi nt h i sp e t e r a th e 鬟咖石i n c i tp r o v i d e st h eb a s i c sf o re o t i n u i n gs t u d y l l a e m e c h a n i c a l d 磁自啪跚酶o f s 吐嘞u n d e r e o m l ) i a l a t i o m l l o a 凼 b a s e do nl h e 面_ r i i l 卸田l l ，c o f y ，t l l r 跚g ht h er e s e m b l em o d e lt e s t , 1 l 鹭v a l i a l j o no f l h el a y e r 郐| b 黜s o i ls l r e s sa n dd e f o r m a l i o ni sd i s c u s s e dw h e nt h es t a l i el o a da n d d y n a m i cl o a da l ea c t e da tt h e 爱眦i m l l ：t h ev a r i a t i o no f s t r e s sa n dd e f o m l a t i o no f t h e 蛔f 嚣蛐蜒p d es o i l i sd i s c u s s e du n d e rk 概t h ed y n a m i cm v a r i a b t ea n d c h a n g i n g t h es l l l t i c ：l o a d t h e 觚a n d 出f o n n a l i o n o f l a y e r 翱b p d ei m d e rs t a l i ea n dd y n a m i cl o a d a n a l y z e dw i t hl t a ee l a ：踉i p i a c 如m o d e la n df e md y * j m t l i cl t l e o r ya r i dw i t ha n s y s p r o g r a m i r a n s i e a ta n a l y s i s b yc i l 柚g i i l gt h e 印嘶o f s l a l i el o a d 饼d y 疵k 吐 m 西华大学硕士研究生学位论文 w e d i a 菇d t h e v a r i a t i o n o f c o m n n m o f i a l 曩i s s a n d c o m b i n a t o r i a l d f f o n m t i o n t h en i l 嚣o f 咖鹃a n dd e 细m 砸o f l 鲫玎刚瓣a l ev c 蚵f i e db yc o m p a r i n g t h e 托s u bo f m o d e l 自瞬w i t hs o l u f i o mo f m m ：l e f i c a l 掘鞠吨t l r e s u l t ss h o w s ( h a t ： 玲c o m b i n a 蜘a ls l r e s sa n dt h e 咖l b i i 】嘶0 f i a ld e l b 删w 哦朗l u a lt ot h ea d d m o n o f t 量螂a n dt h ed e 幻m 碰u n d e rs i i l g l ei c e d ；t h e 伽椰b i 瑚椭js o s sa n dt h e 湖l h 瑚删d c 而咖谢册o f a y 玎鲫峨啦瑚嚏l l h 杞盯d c 掰既辩椭t ，ei l l c l 鼬s i l 唱 a n , , o t u 吐o ft h e 蛐m 羽面岫o f m b i 啮蒯s l r 苍si sj l l s tb e l o wl h e c o m b j 瑙哪试l o a d sc c m a n di tm 面由印p 巧v 硎l 蜘_ e s s ；t h ec o m n n a t o r i a l s t r e s sa n dt h e 伽棚b i 啦吐0 f i a ld c 晌n 嘶o no f t h e 湖譬i 掣珂驯【嚏驴i d ci i l 可幽c f 朗辩 w i t ht h ei l l 口朗s i l 唱a m o m l to ft h ed e p l 量l t h ed c a 鞠s i i 唱s p c 。di s1 d i a l e dt ot h e 咎峭缸妇lm 龇e i i c a lp r o p e f l ya n dt h e 氆枷珥蛾1 t c o m b i 瑾噍0 f i a l s o e s s 砌t h ec o m 梳蒯矗晒删o no f 期慨黜洫端盯矗翻龆辩撕l | ln 嚣i n c - n 葱s m g m n o m 吐o ft h e 觚1 0 a d k k fk 咖由删珊i cn u m e h c a lv a l u ea n dc y c l e n v a h a n e , m b i 瑾嘶捌s t r e s so f t l 铡b 卵i d el i n e a ri i 幻嗡w i t ht h e n c - r e a 豳g m n o c m to f 位由唧删l i ci m du n d e rl 【e e p i 坞t h e 舭v a l a n d 由嘣硼止c y c l e n v a f i a b l e ；t h e 咖l h 岫枷a ls l r e s s 砸l d 吐鲫n b i n 砒甜md e f o m 删o nd o 口般、) v i m t h ea 、吧t e i e i l c yo f n o n m l 击蛐曲咖w i t ht h ew i c h ho f 酬峨争础i n n c l 嘶册， 慨r e s u l t s 哦协蛐1 i 甜v ef o rt h ed e s i g n , c 0 哪伽，峭bm 撕m 跚匝髓o fl 句啊 s m g m d e k e y w o r d s ：鲫b g 憎d e ，m o d e lt e s t ，m 晌l a 岫ll o a d ，e o m b i m t o r i a ls t r e 鳃 a n d 小壕坩m a 幽吐f e m i v 西华大学硕士研究生学位论文 西华大学 学位论文原创性申明 本人郑重申明所呈交的论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期问在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名￥鼯唪加。j 年 只z o b 导师签名铡主加哆年f 月2 0 日 1 0 1 西华大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 引言 2 1 世纪，随着国民经济的发展，科学技术的进步，岩土工程建设和研究引 起了人们足够的重视，并在原有的水平上获得了突破性的进展。荷载作用下土 的力学行为问题，特别是复杂荷载作用下土的力学行为阀题，越来越引起许多 研究人员的重视。建筑工程中的岩土不仅受自身重力作用，同时受其它静荷载、 动荷载( 地震、爆破、施工荷载等) 、地下水渗流等荷载的作用，土所受荷载 的复杂性导致了其力学特性的不确定性。例如：城市地铁隧道，可能同时承受 地铁振动荷载、交通荷载、上部建筑物的自重荷载、地下水压等多种荷载，将 使隧道产生沉降位移，水平位移，隧道侧壁开裂等许多工程问题。 研究复杂荷载耦合作用下土的应力、应变、强度、本构关系、破坏特征等 力学特性，是建筑物地基和机器基础动力响应及稳定性分析的重要基础，是岩 土工程勘测、设计、施工、运营和维护工程中首要解决的实际问题，将对解决 地基与基础工程、道路工程、隧道工程、边坡工程、海洋工程、动力机器基础 工程、矿山工程以及核废料储存等工程中实际存在的问题起重要的指导作用。 随着国民经济的发展和社会生产力的提高，交通运输业越来越引起人们的 重视。交通运输是国民经济的命脉，是经济建设不可缺少的基础设施，它的进 步与变革直接关系到生产力的发展与提高。近年来，伴随着国家综合国力的全 面提升，我国公路、铁路、航空、水路交通建设经历了历史性的跨越式发展， 目前，我国已经初步形成了公路、铁路、民航、水路、管道多方式构成的运输 系统。为所有旅客、货物和地区提供个畅通、经济和可靠的运输系统是整个 交通行业努力的目标。 高速公路是本世纪2 0 年代兴起的一种安全、快速、通过能力强的新型交 通手段。我国大陆从7 0 年代初就开始了高速公路修建的前期准备工作，其中 包括高速公路的技术资料翻译、科学考察、可行性研究以及公路检测工作。到 2 0 0 0 年末，我国已建成高速公路里程1 6 万公里，跃居世界第三位。到2 0 1 5 西华大学硕士研究生学位论文 年，我国汽车拥有量将超过l 亿辆，是目前的5 倍，我国同时将成为世界最大 的汽车生产国。可以肯定，随着汽车社会的来临，公路客货运输量将呈现持续 快速增长的态势，对高速公路的需求也将随之显著提高。根据交通部十五j 冤 划和2 0 1 5 年远景规划，预计“十五”期问我国将新增高速公路超过2 5 万公 里。目前，在世界发达国家中，交通事故死亡率考啦制在每车公里l 1 5 人 左右，而在我国则高达7 7 人，所以提高公路建设等级，增加公路的耐久性和 安全性，是我们每个工程技术人员和科研人员必须重视的问题，必须加强和重 视这方面的研究，建设以“快速、安全、经济、舒适”为特征的道路。 然而，路基是道路工程的重要组成部分，是道路的承重主体。无论是公路 路基还是轨道路基，其都承受着路面传来的车辆荷载和路面的自重。路基质量 的好坏，直接影响到路面或轨道的使用质量，在其上部荷载的作用下，路基将 产生过量的残余变形，表现为较大的工后沉降、不均匀沉降并开裂，且逐步反 应到路面。路面的损坏往往与路基排水不畅、压实度不够、强度低、沉降或不 均匀沉降过大等有直接关系，从而不能满足车辆能以一定的速度，安全，舒适 而经济地在道路上运行，不能提供良好的行驶条件和服务水平1 1 叫。 由于生产力的发展和人们生活水平的提高，运输货车和私家车辆越来越 多，堵车现象日趋严重，当道路阻塞或维修时，道路很可能塞满车辆或一半停 放车辆而另一半保持通行，并且运输车辆中大型货运车辆的比重不断增加，载 货汽车的超载现象变得越来越严重，汽车超限、超载己是普遍存在的问题。 所以，路基承受其上部复杂荷载的作用，并对路基造成极大破坏。 荷载作用下路基的力学特性研究引起了许多工程技术人员和科研人员的 重视。目前，各国工作者在理论分析、试验研究、数值分析等方面做了大量的 研究工作，并取得了不少的成果，但大都是关于单一荷载( 静荷载或动荷载) 作用下路基的应力、变形、加速度、破坏特征等力学行为。关于复杂荷载作用 下路基土的力学行为研究，目前还没有这方面的相关文献记载，所以研究多荷 载作用下路基土的力学特性是一个新的研究课题。鉴于此，本文主要通过理论 分析、室内模拟、数值分析对公路路基在准静荷载和动荷载共同作用下的应力、 变形等力学特性的变化特征进行探索性的研究，为公路路基设计、旌工、维护 提供参考。 2 西华大学硕士研究生学位论文 1 2 国内外研究现状 本文研究的主要内容就是多荷载作用下路基土的力学问题。所以，如何 能比较准确地模拟各种各样的交通荷载对于解决该问题是非常关键和重要的。 首先，必须对路基上部传来的荷载特性作深入的分析，然后根据荷载的特性， 采用不同的荷载组合方式对路基土的力学特性加以研究。路面上的车辆荷载有 其单性，但组合起来又有其复杂性，主要根据路面车辆运行情况而决定，归 纳起来主要有下述几种形式： 1 当车辆静止不动或缓慢前进时，路面上的荷载形式主要表现为准静载或 静载，即：此时车辆荷载一股被认为是大小位置均不随时问改变的恒载。目前， 私家车和货车数量不断的增加，车流量大、载重量大，特剐是车流高峰期，堵 车现象更加严重，给交i 蘑造成很大的压力，此时，车辆荷载主要表现为静载荷。 早期的研究工作者，通常把车辆荷载考虑为不变的恒载。如文商酊1 l 一1 9 1 2 恒定移动荷载。若车辆在平整度非常好的路面上行驶对，车辆苟载可被 描述为运动的恒定荷载，即把车辆荷载简化为沿行驶方向移动的常荷载，其大 小等于车辆的自重。这种荷载形式在目前的地面结构动力学模型中较为多见， 常见的移动点源荷载、线源移动荷载和圆形均布移动荷载等。k 肌l 它y 研究了 恒速移动荷载作用下置于粘弹性地基上梁的稳态响应，得到了响应的解析解和 共振曲线。 3 冲击荷载。车辆在通过平整度非常差的路面或某些路面接缝时，发生剧 烈震动，车辆偶尔会跳离地面，这时车轮对路面的作用可被描述成个冲击荷 载。 4 波动荷载。般情况下，路面总有一定的不平整度，在近似的情况下， 车辆动力荷载可被描述为稳态正弦波动荷载，文献【5 】认为车辆荷载一般被认 为是大小位置均不随时间改变的恒载，有时也被假设为随时问作周期性变化的 简谐荷载( 如半波正弦荷载) 。目前，研究的车辆动荷载大都采用半波正弦荷 载。如文献【船 5 l 】 5 随机荷载。通过以路面平整度变化的振动谱作为路面系统的输入，采用 3 西华大学硕士研究生学位论文 随机振动理i 仑- r 解路面系统的输出。车辆荷载对路基的附加荷载会因路面激励 的随机性以及车型、车速的不同而差另f j 彳良大，其作用范围、作用大小、作用时 间及作用频率呈随机的动态变化，不仅大小变化而且在空问分布上也具有瞬态 特征，所以，随机荷载模型建立起来比较复杂，要应用到室内试验和数值计算 中都比较困难。东南大学的黄晓明嘲、孙璐“”1 等把汽车分别简化为二自由度 体系和五自由度体系，利用随机理论分析了车辆荷载与行车速度的关系。邓学 钧晦蝴等主要分析了路面在“运动的确定或随机荷载激励”( 简称“运载”) 下 的响应问题，主要包括：运载下弹性地基上的无限长梁的动力响应研究；运载 下弹性地基上的无限大板的动力响应研究。 据上所述，由于路面上部荷载的多样性和随机性，从而构成了路基上部荷 载的复杂性。研究不同荷载组合作用下路基土的力学特性，虽然有些随机性， 但是同时也很具有必要性。组合荷载形式可以表现为多种组合形式，例如： 静荷载+ 冲击荷载 静荷载+ 恒定移动荷载 静荷载+ 半正弦波荷载 冲击荷载+ 半正弦波荷载 由于试验条件和工作量的限制，本文研究的荷载组合形式主要考虑静荷载 和动荷载( 简谐荷载) 组合，分析它们耦合作用下路基土的应力、位移等力学 特性变化规律，为路基设计、箍工、维护提拱参考依据。 1 2 2 路基力学特性研究现，状 ( 1 ) 静载作用下路基土力学特性研究概况 把车辆荷载假定为静荷载，前人己经进行了比较深入的研究，取得了些 重要成果，静载作用下路基土的力学特性研究已比较完善。 在静载对路基作用方面，早在十九世纪末，适用于路面设计的某些力学理 论已经得塑卜定的发展。早期有 l 喇1 8 8 4 耀出的液体支承板理论，假设竖向 支承力与板的弯沉成正比，该理论应用于土力学中，就产生了文克勒( e w m k l e r ) 地基模型：b 0 吣血嘲l 裾5 ) 推导出了均质弹性半空间弹性体在表面竖向集中荷 4 西华大学硕士研究生学位论文 载作用下的理论解，这个理论在近代土力学中获得了广泛运用；c = f r t n i ( 1 8 s 8 ) 提出了单个水平力集中作用下，均质弹性半空问体内应力和位移计算的理论 解；t e m s a w a ( 1 9 1 6 ) 对轴对称荷载下的半空问体，采用贝塞尔函数法求得了应 力和位移计算的完整表达式。此后，l o v e 采用势能法得出了均质弹性半空间 体在圆面积荷载作用下任意点应力计算的近似解；b u n n i s t e t i n 求出了双层和多 层弹性体系应力和位移计算的理论解：s d l i f f r m m li 蟛瞎学者对层状体系的理论 求解及数值计算作了喇尽的研究。 w a i t e r rb a r g e r 0 9 7 2 ) i 嘲将飞机荷载考虑为静荷载，采用大型试验道 面和数值分析相结合的方法，分析了单轮荷载作用路面和地基的共同变形问 题。b a r l 【c r i l 4 j 将飞机荷载考虑为静荷载，对单轮荷载作用下路面与地基的共同 变形问题的研究而开展的大型现场试验，通过试验，量测了试验路段不同深度 的位移和应力，研究了荷载不同作用位置的影响。 目前，世界各国的地面结构设计规范中都是把车辆轮载作为静止的集中 ( 点缘谛弼弼谶状均布( 线源) 苛载或圆形分布( 面源) 茼载1 1 5 l ，将车辆轴载与通行 次数按照等效原则换算为标准车或标准轴载的通行次裂l q ，进而设计和解决路 面和路基的问题。同时，人们逐渐认识到超载车辆对路基的影响。魏连雨【1 1 通过对轴载分布的实际调查、分析了超载对柔性路面使用质量与寿命的影响， 杨映耐“l 在实测与调查、分析的基础上，证明了车辆超载是导致使用寿命降低 的主要因素，王金昌f l 研采用踟d 椭9 e r 屈服准则模拟复合地基和软土地基， 将车辆荷载简化为静荷载，分析沥青混凝土的温度、半刚性材料回弹模量、复 合地基材料参数和厚度对路面的最大弯沉、残余变形、基层和底基层的径向应 力的影响。 后来，研究工作者认识到车辆荷载主要表现为动荷载，开始尝试着做一些 研粗作。但是，在道路设计时对动荷载紧紧只限于在静力计算的基础上加以 修正。例如，在水泥混凝土路面设计中，考虑超载与动载等因素对路面的作用 只归结为个综合影响系数，而这个综合影响系数不是乘在标准轴载上，而是 乘在标准轴载产生的静态荷载应力之上。在公路沥青路面设计中，甚至没有专 门提出对轮载动力作用的修正。 在过去路基的研究中主要研究内容是土的物理性质、静力学性质、承载能 力等，在动强度方面涉及较少。静载下路基土的力学特性，无论是在道路设计、 s 西华大学硕士研究生学位论文 旌工、维护等方面得到了广泛的应用，其相关理论和研究方法在特定时期得到 了认可。 ( 2 ) 动载作用下路基力学特性研究现状 路基土在静载作用下能保持稳定，但在动载的重复作用下，其强度将逐渐 降低，变形随之发展，直到形成各神病害。导致线路功能降低甚至破坏，所以， 动载作用下路基土的力学特性与静载下的力学特性有很大的差别。近年来，有 关路基土的动强度、动应力、动变形等方面的研究日趋丰富。通过理论研究、 实验研究( 室内模型试验或现场、谶) ，数值模拟分析等方法，在公路路基、轨 道路基和飞机场跑道等工程领域开展了广泛的研究，取得了丰富的成果。 c o l l i n s 和w a n ga p _ 【2 0 l ( 1 9 9 3 ) 采r f l 振动理论并利用i - l a n k l e 变换和f o u r i e 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 面各层厚度和每层材料强度对临界振动荷载的影响。c o l e h u t h l 2 1 j 和b a m n l z 2 1 等提出考虑线荷载和有限长度的移动在半空问表面的线荷载的轴对称的解， c h e r t 和s h e l l 【2 a l 研究了粘弹性地基上t i m o s h e n 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刚度矩阵的表达式。 b r u k e 和尉n g s b 删驯推导了一个多孔弹性介质受到移动表面压力的闭合 解析解，但是没考虑到惯性和衰减，并只适用于单层。j o n e s 和心t v l l 2 5 删将地 基模拟为一弹性半空间，利用f o u r i e r 变换先后研究了矩形荷载、条形荷载作 用下地基的喻应。e a s o n t z u ( 1 9 6 5 研究了多种形式的移动荷载( 包括移动点衙载) 作用下，均质弹性半空间的三维稳态响应，他的研究仅限于低音速的情况。 d i c i c 釉瑚l & m e 虹i l d i 一冽( 1 9 明给出了粘弹性层在移动简谐荷载作用下的解析 解，研究了荷载的临界速度。s i n g h & k i l o i 冽( 1 9 7 0 ) 研究了半空间表面移动圆形 荷载引起的响应。文献4 3 0 1 用g r e e n 法和分层法计算了移动简谐荷载作用下 轨道一地基协同工作时体系的响应。k n o t h e 和g r a s s i ei ，l j 等考虑成层地 基，从理论上研究了高速移动的矩形简谐荷载作用下地基土的振动。 在国内，关于路基土动力学特性的研究也取得了丰富的成果，王贻荪 气1 9 8 0 ) 研究了在半无限体表面在竖向集中谐和力作用下的表面竖向位移的精 确解。还利用影响函数法求出了弹性半空间表面作用均布竖向突加力或谐和力 作用下的位移表达式。钟阳1 飞1 9 9 2 涮用传递矩阵方法，褥出了多层弹性半空 间轴对称问题在轴对称荷载作用下，层问完全接触的解析解，并应用于柔性路 6 西华大学硕士研究生学位论文 面和层状地基的竖向附加应力分析中。杨方庭( 1 9 9 6 ) 分析研究了温克勒地基上 的板受到运动的轴对称荷载时的动力响应，并分析了车辆参数对动态响应的影 响。杨建斌掣飞1 9 9 7 ) n hw m l d e r 地基上无限大板的垂直振动微分方程，通过 h a n k e l - l a p l a c e 积分变换推导了考虑轴对称动态荷载情况下薄板的变形解析 解。钟阳肛鼍1 9 9 8 ) 拳j 用l a p l a c e - h a n k e l 积分变换和传递矩阵相结合的方法导出 了轴对称半空间弹性层状动态反应的理论解，并对某高速公路试验路段进行了 理论计算和现场实测的比较。蒋建群、周华飞1 3 叼( 2 0 0 4 ) 用数值积分方法分析了 移动集中荷载作用下半空间内部的动力响应。 在理论研究的基础上，室内模型试验和现场试验更胄鲁清晰的反映荷载作用 时路基土的力学特性变化规律，并对其理论进行了充分的验证。 英国工程与科学研究委员刽3 7 l 在b o t h k e n n a 的软土地基上建立一个全尺寸 的试验路段，研究了交通蘅载下公路的力学和沉降特性：日本建设省f 3 s ! 在 a r i a k e 粘士t 进行了低路堤的交通荷载试验，对车辆动载作用下的路基土中的 附加动应力进行了研究。 时国刽3 智1 9 奶采用模型试验研究了柔性路面在长期重复荷载作用下变形 性状，得到了土层变形和加荷压力与加载次数的关系曲线。杨起敬( 1 9 9 1 在 室内试验的基础上建立了多级不排水反复荷载作用下的残余变形计算模式，强 调了预剪的重要性。曹新文蔡英1 4 1j 0 9 9 6 ) 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。 华政矧4 2 1 按照现场路面路基的实际结构进行了室内足尺大型动静态模型 试验，通过静力加载和模拟路面承受的竖向交通荷载的重复加载试验，研究了 路面路基结构在双轮车辆荷载作用下的动静态响应，分析了路面路基结构在浸 水状态( 土层含水量增加) 和压实密度降低等不利因数的影响下，路面路基各结 构层的动静力学响应特性 徐毅以现场试验实测数据为加载依据，通过室内循环三轴试验，模拟交 通荷载对路基的循环作用，研究交通荷载引起路基变形及土体特性变化的性 状，并对主要影响因素进行分析。 董秀坤对风积沙路基边坡的稳定性进行了大比例尺室内模拟试验，研究 了风积沙路基边坡失稳破坏形式及影响因素，结合现场试验进行了风积沙路基 7 西华大学硕士研究生学位论文 边坡稳定性的理论分析。 由于试验设备的限制，现场试验难度大并且费用高，室内模拟试验数据又 不能完全反映现场真实的力学响应，于是数值分析方法成为了科研工作者常用 的分析方法，近年随着计算机的发展其越来越得到广泛的应用。 w m l 等( 1 9 9 7 1 运用三维动力有限元法分析了试验道路在飞机荷载作用 下的变形情况。详细研究了移动荷载作用下路面和基层的共同作用问题。 - u d d i n 等( 1 9 9 7 ) 采用三维有限元模型，模拟f 吩作用于沥青路面表面，分析 了荷载大小、加载时间等因素对路表弯沉的影响。 王林型删( 1 9 9 9 溧用动态有限元法，对交通倚载作用下的道面和软土地基 共同作用进行了分析。邓亚虹1 47 】运用有限元方法，对车辆动荷载作用下路基下 伏黄土暗穴的动力响应和稳定性进行了弹塑性数值分析，其中主要考虑了车 速、洞径、埋深和偏移距离等因素的影响。陈掣啊用m a t语言编制了弹 塑性动力有限元程序，通过非线性数值分析，探讨了公路路基中动应力和加速 度的衰减规律：车速度、基层刚度、路面平j 皈度、车辆载重对路基动应力的影 响以及交通荷载引起的路基沉降和永久变形问题。 陈卓 4 9 1 采用有限元软件，分析重载作用下路基路面的动力响应，得出不同 荷载、车速和路面的不平整度对路基路面的应力、应变和弯沉的影响规律。 王金昌 1 9 1 基于弹塑性动力学理论，采用数值方法，分析了软土地基上半刚 性路面结构体的工作性状。具体探讨了荷载周期、道路结构体的阻尼比、沥青 混凝土的温度、半刚性基层的回弹模量、复合地基的材料参数和厚度对特征点 的竖向位移、基层和底基层底径向应力的影响。 王静榭别运用数值分析方法，分析了重复交通荷载作用下风化花岗岩路基 结构的动应力分布规律，结合室内三轴试验得到的路基土动力变形特性即残余 变形与动应力的关系，进而根据计算的动应力分布分析路基土的永久变形。 刘立炱”i 对沥青路面在动态荷载作用下的结构响应进行了数值分析，重点 分析了不同激励下二维平面应变模型的动态响应规律以及路面结构参数改变 对沥青路面动态响应的影响。文中还研究了任意荷载作用即荷载位置变化时路 面结构内的应力状态。 钟辉虹阻j 通过现场测试和室内试验对压实粘土路基在往复列车荷载作用 下的受力行为进行了研究，定量分析了填土路基在往复列车荷载作用下应力一 r 西华大学硕士研究生学位论文 应变反应特性，剖析了路基病害产生的原因。 1 2 3 研究中存在的问题及展望 通过分析和研究前入的研究成果，可知，由于实验设备和测试技术的限制， 其研究成果大都是关于单一荷载作用下的土的力学特性和相应的本构理论、力 学模型、计算方法等，但对于多荷载耦合作用下路基土力学特性研究较少，所 以，有关文献比较缺乏。然而，土在静力和动力荷载下的行为主要由加载方向 ( 应力路径) ( 例如压缩、拉伸、剪切) ；细粒成分( 塑性特征) ；结构( 失稳 的塌陷) 等因素决定的。目前，我国考虑多荷载耦合作用下土的力学特性方面 的研究还比较少，但有些学者已经进行了研究，并取得了成果。 郭营等采用最新研制与开发的土工静力一动力多功能剪切仪，通过实验 室主工试验研究多种复杂应力条 - f l ：t 土的动力变形特性与动力变形参数，在多 种形式的静一动组合条件下，结合各种复杂循环荷载类型，探讨其对土的动模 量与阻尼比特性以及变形参数的影响；分析不同静一动组合的加载模式下的大 量试验数据，探讨影响土的动孔隙水压力增长的主要因素；通过对各种类型的 循环剪切试验的大量试验数据的分析、整理获得了复杂应力条件下统一的动孔 隙水压力增长模式；通过对多种复杂静一动组合循环荷载试验数据的分析，研 究了初始大主应力方向、循环荷载应力路径对饱和松砂应变路径以及对残余应 变发展的影响，获得了广义剪应变的变化规律，为在复杂应力条件下研究土的 变形特性提供试验基础。 对多荷载耦合作用下土的力学特性研究刚剐起步，而建立合理的数学模 型，确立模型参数和验证本构模型、研制和开发试验仪器和提高测试技术是未 来研究人员必须解决的课题。由于在复杂荷载条件下土体的应力一应变关系相 对比较复杂，因此，建立土体在复杂荷载条件下的本构模型、进行模型参数的 确定，并将其应用于实际工程是未来研究的一个重要发展方向。 9 西华大学硕士研究生学位论文 1 - 3 本文的主要研究工作 1 3 1 工程背景 都汶高速公路( 国道3 1 7 ( 2 1 3 ) 线都江堰至汶川公路c 合同段) ，所处地 区在多雨、地面多丘陵覆盖地区，回填路基多位于斜坡地段，边坡总体走向在 1 0 - 一2 0 度，但路基的填方高度较大，设计标高最高处为3 5 米，由于填方高度大， 采用不同的填料作为路基是难免的，本路段地基为粘土层，然后，采用碎石和 土石混合进行强夯分层填筑，以达到设计标高要求。由于填路基均匀性较差， 所以回填路基的稳定性较差，易产生不均匀沉降，故研究荷载作用下层状土路 基的力学特性非常必要。同时，路面上车辆荷载的作用方式非常复杂，但由于 条件的限制，本论文仅研究动、静组合荷载作用下路基的力学特性。 1 3 2 主要研究内容 本课题的研究目的主要是弄清动、静荷载耦合作用下层状土路基内的力学 特性及其规律，并为设计与旌工提供指导性的控制与监测方法，提高工程的稳 定性和可靠性，减少工程事故的发生。 认真分析前人的研究方法和研究成果，采取理论和实验相结合的方法，针 对不同介质构建的路基，研究多荷载耦合作用下的应力、位移变化规律，分析 土在静、动荷载耦合作用下路基土的力学特性变化特征，并与单荷载作用下 的力学参数进行比较，分析和总结引起参数变化的原因。 l 、通过分析土的应力一应变变化特征、强度特征、破坏条件，为室内模拟 研究和数值分析奠定理论基础。 2 、结合现场路基的结构特征，根据相似性原理，按比例创建路基相似模 型，通过室内模型试验，分析静荷载、动荷载共同作用下层状土路基 的应力、位移变化规律。 3 、采用通用有限元软件a n s y s ，建立实体模型，利用弹塑性理论进行数值 分析，研究在不同的加载模式下层状士路基的应力、位移变化特征 4 、室内试验结果与数值分析结果进行对比，分析动、静荷载共同作用下 层状土路基内的应力、位移变化规律。 1 0 西华大学硕士研究生学位论文 2 基本理论和分析方法 2 1 弹塑性体基本概念 2 1 1 弹塑性变形基毒概念 固体材料从受力到破坏一般经历三个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段 和破坏阶段。研究弹性阶段的受力与变形应采用弹性力学方法，在这阶段内 力与变形存在着完全对应关系，当应力消除后变形就完全恢复。研究材料在塑 性阶段内的应力与变形，在这阶段内的应力应变关系要受到加载状态、应力 水平、应力历史与应力路径的影响。塑性与弹性的本质差别在于材料是否存在 不可逆的塑性变形，还在于塑性变形中加载和卸载时的变形规律不同，以及塑 性应办应变关系与应力历史有关。讨论具有弹性与塑性变形阶段的材料，并 通称为弹塑性体。 弹塑性体的应力响应只和变形的路径或历史有关，不是时间的显函数，这 和次弹性体类似，称为率无关性材料；和次弹性体不同的是，弹塑性体进入塑 性后，加载和卸载服从不同的本构关系。图2 - 1 表示弹塑性体单轴拉伸时典型 的应力应变曲线，其中。为e u l e r 真应力，伊为对数真应变。在a 点之前o 魄( 2 - 3 ) 其中，k 和n 式与缩短实验曲线拟合得最好材科常数，并不独立且必须满足 = 彳勺钥4 的条件。 ( 4 ) 图( d ) r a m b e f y - o s g o o d 模型，其非线性应力一应变曲线形式可用于描 述弹塑性性质 s = + 蚴( 2 - 4 ) 其中，a 、b 和n 为材料常数。尽管对屈服点没有明确的定义，但初始曲线斜率 取值为杨氏模量e 随着应力增加，斜率单调减少。 上面介绍的是材料在简单拉伸时的现象。在二维、三维应力状态的条件下， 1 3 西华大学硕士研究生学位论文 描述方法就复杂的多了。 2 2 岩土介质弹塑性本构模型 土和岩石是天然历史的产物，是由固体颗粒、水和气体组成的多相体。 在微观t 是不连续、不均匀与各向异性的。但是对许多岩土工程问题，几何尺 度是非常大的。在这个大尺度上，微观的不均匀性和不连续的影响能够因平均 化而消失，所以从宏观上来说，这些微观结构上的不连续就显得无足轻重了。 采用塑性理论的概念解决土工问题可以追溯到1 7 7 3 年c o u l o m b 提出c o u l o m b 屈服准则。建立在弹性理论与塑性理论基础上各种非线性弹性与弹塑性本构模 型构成了地质材料本构模型的主体，在许多岩土工程中获得了普遍的应用。 岩土介质弹塑性理论主要解决屈服条件与破坏条件即屈服准则、加卸载准 受l j 、流动法则和硬化定律四个方面的内容。对于岩土介质，应用最多的屈服准 则或破坏条件有m o h r - c o u l o m b 和d m c k c r - p r a g c r 屈服准则。工程中大多数问 题可简化为平面应变、平面应力或轴对称阿题。 2 2 1 屈服堆则 物体受到外界载荷作用以后，最初是产生弹性变形，随着载荷的逐渐增加 到一定程度，物体内应力较大的部分就开始出现塑性变形，这种材料由弹性状 态