（岩土工程专业论文）低路堤与基底固化层工作机理及应用研究.pdf

摘要 我国土地资源紧缺。珍惜土地资源。合理利用土地和切实保护耕地是我国的基本国策。裉据交通部印 发的。关于公路建设中实行最严格的耕地保护制度的若干意见”的指导思想，高等级公路采用低路堤和浅 路堑方案，节约不可再生的土地资源，走可持续发展道路，成为今后高等级公路建设亟待解决的问题。 本文以江苏省交通科学研究项目长江漫滩低路堤高等级公路软土地基处理研究为依托，从几个方 面论证了水泥系无机结合料对长江漫滩低路堤高等级公路浅层软基进行固化处理方案的可行性 首先，采用国际先进的c p t u 孔压静力触探系统，借住其原位测试，连续测试，多指标联合测试等优 点，从软土的天然沉积特性、强度特征与地基承载力、渗透和固结特性几个方面对长江漫滩天然沉积黏性 土进行了科学的评价。 其次，通过大量的室内配合比试验，得出了加固长江漫滩天然沉积软黏土的合适掺量，指导现场施工， 在此基础上，采用b i s a r 计算程序分析了基底固化层对其上路堤性能的影响；应用二维有限差分方法对路 堤荷载作用下有无浅层固化层的软土地基固结排水与沉降进行了模拟，分析了基底固化层对其下软土地基 的影响。 最后，对目前交通荷载作用下，路基的动力响应现状进行了总结。在现场相应位置埋设了土压力计， 利用删一3 8 1 7 测试仪进行了数据的连续采集，得到了车辆荷载的影响深度。采用f l a c 3 d 对车辆荷载作用 下，基底固化层的动力响应进行了模拟，分析了交通荷载对低路堤工后沉降的影响。 关键词：低路堤；基底固化层；长江漫滩；c p t u ；b i s a r ：f l a c ：车辆荷载；影响深度；动力响应； 工后沉降 竺型 a b s t r a c t i no u re o u n u - y , t h e1 a n dr e s o u r i s 嘁t h u s ，t h e r ei sup o l i c yt ot r e a s u r et h es o i la n du s ei tr e a s o n a b l e b a s e do nt h ep r i n e i p l e t h ea t t i t u d eo f t r e a s u r i n gt h et i l t hs h o u l db et a k e ni nh i g h w a yc o n s h u c t i o n i s s u e db yt h e c h i n e s em i n i s u yo fc o m m u n i c a t i o n s ，t h el o we m b a n k m e n ti sas o l u t i o no fa v o i dt h i sp r o b l e mw i t hp u r p o s eo f s a v i n gt h es o i la n dg e t t i n ga c o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n t 弛t h e s i si ss u p p o r t e db yat r a f f i ct e c h n i c a lp r o j e c to fj i a n g s up r o v i n c ew h o s et i t l ei s t h er e s e a r c ho f g r o u n di m p r o v e m e n tm e t h o di nh i g h w a yc o n s t r u c t i o na t a n dt r i e st o d e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l n yo fs h a l l o w s o l i d i f i c a t i o ni m p r o v e m e n to ns o rg r o u n do f h i g h w a ya tt h ef l o o d p l a i no f y a n g t s or i v e rw i t hi n o r g a n i ca g g r e g a t e m a t e d a i ss u c ha sc e m e n t i tc o n t a i n st h r e es e c t i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) m t i lt h ea d v a n t a g e ( i n - s i t u , c o n t i n u o u s ，m u l t i p l ep a r a m e t e r st e s t ) o fc f r r u t oa n a l y z et h ep r o p e r t yo fs o r c l a ya tt h ef l o o d p l a i no f y a n g ：t s er i v e ri ns e v e r a ld i r e c t i o n sh l c l u 曲l g 心e n g t h e n , b e a r i n gc a p a c i t y , s e e p a g e a n dc o n s o l i d a t i o n ； ( 2 ) d oal o to f t e s t si n 吐峙l a ba n dd e t e r m i n et h ec o n t e n to f a d d i t i v et op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rc o n s l z u c t i e n w i t ht h ec o m p u t e rc o d eo fb i s a rt og e tt h ee f f e c to ft h es o l i d i f i e dl a y e rt ot h ee m b a n k m e n te a p a c i t ya n d w i t ht h et w o - d i m a n s i o n a lf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dt os i m l l l a t et h ee m b a n k m e n td r a i n e dd e f o r m a t i o nw i t ha n d w i t h o u ts o l i d i f i c dl a y e ru n d e rp l a ns t r a i nc o n d i t i o n ； ( 3 ) s u m m a r i z et h eb a c k g r o u n do fr e s e a r c ho nd y n a m i cr e s p o n s eo f t h ee m b a n k m e n tu n d e rt l - a 伍ci o a d i n 昌w i t h t h ee a r t hp r e s s u r eg a u g et om e a s u r et h ee a r t hp r e s s u r ei nd i f f e r e n td e p t ht og e t 也ei n f l u e n c ed e p t ho f t r a f f i c 1 0 a d i n g u s e t h es o r w a m o f f l a c j “t o m o d e l d y n a m i cr e s p o n s eo f s o l i d i f i e d l a y e r o i l t h e v e h i c l e l o a d a n d t og e tt h ei n f l u e n c eo f v e h i e l el o a do np o s t - c o 删o ns e t t l e m e n to f l o we m b a n k m e n t k e yw o r d s ：l o we m b a n k m e n t , s o l i d i f i e dl a y e r , f l o o d p l a i no fy a n g t s er i v e r , c p r u b i s a i ln a c v e h i c l el o a d , i n f l u e n c ed e p t h , d y n a m i cr e s p o n s o , p o s t - c o n s n u c t i o ns e t t l e m e n t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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了谢意。 研究生签名：坦李丝， 日期：2 1 丝u 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 坦i 堑； 导师签名： 日期：2 卅f u 1 1 概述 第一章绪论 从1 9 8 8 年我国第一条高速公路在上海建成通车以来，到2 0 0 4 年8 月底，高速公路的通车里程已经突 破3 万公里，跃居世界第二。根据交通部制定的 f ( 订= ：。：( 4 - 1 ) 。 恼 r l l r o i 式中r 0 为荷载分布边界至荷载中心的距离。如果r o 一0 ，则f ( 0 成为集中荷载：如果荷载是线状分布，那么 2r 0 就是线源分布长度：如果荷载是面状分布，那么r 0 就是面源分布半径。 实际上，汽车在道路上行驶，由于车身自身振动和路面的不平整，其车轮实际上是以一定的频率和振 幅在路面上跳动，其作用在路面上的轮载时而大予静态轮载，时而小于静态轮载。呈波动状态，轮载的这 种动态变动，可以近似的看作为呈动态分布，其变异系数( 标准偏差同静载的比值) 主要随三方面因素变 化：行车速率，车速越高，变异系数越大；路面的平整度，平整度越差，变异系数越大；车辆的振 动特性，轮胎越软，减震装置越好，变异系数越小。因此，车辆荷载的作用过程是一个复杂的过程，目前， 研究中主要用以下三种方法对车辆荷载进行简化。 1 ) 静态均布荷载 道路上总是不停的有车辆开过，在不同的时刻，道路的交通量不一样。但是如果从长期的角度考虑， 相当于路面上作用着均布荷载，此时荷载大小和作用位置均不随时间变化。这里就转化为静态问题了，是 交通荷载的长期作用。 2 ) 半波正弦荷载 在汽车、飞机等交通荷载作用下道面和软土地基的应力和变形具有周期性，h y o d o 和y a s u h a r a ( 1 9 8 8 ) 通过将1 0 吨重的卡车作为交通荷载以0 、1 0 、2 0 、3 0 和3 5 k m h 的不同速度在试验道路上往复运动，得到 了交通荷载作用下不同深度地基的竖向土压力。对地基某一点而言，竖向土压力的波形如图4 1 ，可采用 半正弦加载曲线描述，该点土压力持续时间与卡车速度之间的关系曲线见图4 - 2 以一 图4 - 1 竖向土压力观测变形 h y o d o 等( 1 9 8 8 ) 图4 - 2 土压力持续时间与车辆速度 关系曲线 h y o d o 等0 9 8 8 ) 、龛 东南大学硕士学位论文 3 ) 移动恒载 车辆驶过路面时，对路面上任一点来说，虽然速度很快，但还是有一定的承受荷载的时间，通常是0 0 l o 1 s 左右，在路面以下不同深度处。应力作用的时间还要略长一些。若车速为4 0 k m h ，则车辆通过路面上 一点时实际已经通过了o 1 l m 1 1 m 的距离。因此，完全可以把车辆通过路面上的。点”转化为“线”， 即把路面分成若干个小段，以此来模拟移动恒载的情况。此时荷载大小不变。而作用位置随时问变化，对 应的是一辆车开过道路的情形，是交通荷载的一次性作用。这种情况下荷载的大小跟长期均布荷载的大小 相同。 4 1 2 交通荷载作用下路基动力响应研究现状 交通荷载作用下路基动力响应和沉降这一课题的研究涉及面很广泛，从研究方法上可分为理论研究、 试验研究和数值分析研究三种方法。从研究内容上有研究在移动荷载作用下无限大道面板和无限长梁在各 种地基模型上的动力响应以及无限长梁或列车轨道在交通荷载作用下的位移和路基表面反力及其对周围 环境和建筑物的影响。还有通过试验的方法研究在交通或循环荷载的作用下饱和软粘土的变形特性或复合 地基的性状研究，还有研究复合路基在冲击或振动荷载作用下的动力响应与地震响应数值分析等等。 下面就以这三种研究方法为分类依据，将交通荷载下路基动力响应的研究现状加以综述。 1 ) 理论研究 早在十九世纪末。h e r z ( 1 8 s 4 ) 提出了著名的液体支承板理论。假设板下各点的竖向支承力与板在该点 的弯沉成正比，在进行数学推算时，则忽略了板的竖向应变和板底的水平剪应力，在土力学中，就是文克 勒地基假设。b o i l s s i i l e 朝( 8 8 5 ) 推导了半无限均质弹性体表面受法向集中力作用( 不计自重) 时体内各点的 位移和应力分布情况。c e r r u t i ( 1 8 8 8 ) 推导了半无限均质弹性体表面受切向集中力作用( 不计自重) 时体内各 点的位移和应力分布情况。这些都是研究交通荷载作用下路基动力响应和沉降婀题的最基本的理论基础。 c o l d e r ( 1 9 2 4 ) 根据板的角隅处最容易破坏的观察结果，假设板角完全失去地基支承并且把板看作为端 点受集中荷载作用宽度变化的悬臂梁，从而建立计算公式。h m s w e s t c 口d ( 1 9 2 5 ) 以h e r z 理论为基础，假 设地基类似于液体那样作用着，把液体反应系数改为地基反应系数k ，作为衡量地基强度的指标，从而得 出了著名的威氏路面板应力和位移的计算方法。直到现在，经过多次的修正和完善。威氏荷载应力计算公 式仍然在计算交通荷载作用下路面的竖向附加应力和沉降问题中发挥着重要的作用。 舍赫捷尔( 1 9 3 9 ) 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应力的计算值。此后， f o x 和a c u m ( 1 9 5 1 ) ，科岗( 1 9 5 8 ) ，j e u f f r o y ( 1 9 5 9 ) ，s c h i f f m a n ( 1 9 6 2 ) 等学者对层状弹性体系的理论求解及 数值计算做了比较详尽的研究。c o l l i n s 和w a n g ( 1 9 9 3 ) 采用振动理论并利用h a n k l e 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，考忘了荷载分布形式、路面各层厚度和每层材料强度对临 界振动荷载的影响。当外荷载小于临界振动荷载时，路面的塑性变形随加载循环次数的增加而逐渐趋于稳 定，继续施加则不再产生永久变形而只产生弹性变形；当外荷载大于临界振动荷载时，路面永久变形随作 用次数累积，变形持续发展直至破坏。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 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。 随着计算机的发展，许多学者编制了层状理论的计算机程序解。基于b u r m i s t e r s 层状理论的计算机程 序k e n l a y e r 能够分析受到单圆和多圆均布荷载作用下的多层体系的响应。其中，沥青混合料可以是弹性或 粘弹性材料，基层和底基层可以被分为几个亚层，并且各个亚层的依靠应力的模量可以通过惯量的方法获 得。模量在垂直方向变化，并且沿各亚层的水平面保持不变。 由m o 面s b m 和他的合作者s o u s a 等开发的计算机程序s p p s i 可以用来计算粘弹性层状系统受到稳定的 圆形均布荷载时响应。k r a mc h a t t i 等( 1 9 9 5 ) 在s p p s i 基础上开发了s p p s i m 程序，这个程序的荷载条件 可以是瞬间的运动荷载。这个方法对路面分析是一个巨大的贡献，实测结果表明速度的影响是相当重要的， 并且是路面结构特征的函数。 国内这方面的研究开展较晚，王贻荪( 1 9 8 0 ) 首先研究了半无限体表面在竖向集中谐和力作用下表面竖 向位移的精确解。他在1 9 8 1 年还利用影响函数法求出了弹性半空问表面作用均布竖向突加力或谐和力作 用下的位移表达式。叶开沅、马国琳( 1 9 8 5 ) 在考虑行动载荷质量、惯性力及阻尼影响的情况下，研究了机 车通过连续梁时横向振动问题的整个方程，并得出在任意运动荷载p ( t ) 作用下的连续粱的动力方程的一般 第四章交通荷载作用下基底固化层响应机制 解。成祥生( 1 9 8 7 ) 使用变分法讨论了弹性地基上的薄板由运动荷载所引起的动力响应。文中计及运动荷载 的质量，讨论关于强迫振动、挠度的影响及内力的影响面、共振条件及临界速度等问题。 黄小明和邓学钧( 1 9 8 9 ，1 9 9 1 ) 对弹性半空间地基板和文克勒地基板受动荷载作用进行了力学分析。钟 阳( 1 9 9 2 ) 利用传递矩阵方法，得出勒多层弹性半空间轴对称问题在轴对称荷载作用下，层间完全接触的解 析解，并应用于柔性路面和层状地基的竖向附加应力分析中。钟阳( 1 9 9 8 ) 利用l a p l a c e - 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