（岩土工程专业论文）交通荷载对高速公路路基影响的试验研究.pdf

摘要 摘要 我国现行公路路基设计的理念均是基于静力学理论 这与实际情况有出入 特别 是在低路堤情况下 交通荷载是一种动力荷载 将其对路基的作用仅用静力近似替 代显然存在不足 随着我国经济建设和交通运输事业的发展 公路通车流量 行车速 度和载重量均不断增加 交通荷载对路基的影响也越来越大 因此 路基设计理论由 单纯的静力学方法向包含动力学方法发展已势成必然 本文通过路基动力响应的现 场试验 并结合室内循环三轴试验 对交通荷载对路基动力作用的问题进行了研究 论文的主要内容如下 1 根据低路堤的工程特点 从车辆对路基影响方面 分析交通荷载的作用机理 及变化规律 进行交通荷载的简化描述 对交通荷载对路基作用理论进行分析 从 静力角度讨论路面刚度 路堤刚度和路堤高度刘交通荷载应力传递的影响 从动力 角度对路基在交通荷载作用下的附加动应力变化模式 动力响应机理进行分析 为 现场试验进行前期的理论准备 2 对路基振动位移的测试方法进行探索 运用地震测试系统和应力传感器 对 路基在交通荷载下的动力响应进行现场试验 根据试验结果 讨论公路路基中动应 力和位移的衰减规律 分析车辆载重 行车速度对路基动应力和振动位移的影响 通过不同断面测试结果的比较 分析路面结构刚度对路基动力响应的影响 3 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 4 根据现场试验和室内试验的结论 分析交通荷载对路基动力影响的主要因 素 分析合理的路面结构及路基设计思路 初步探讨减少路基病害及降低路堤高度 的技术措施 关键词 交通荷载 路基 动力响应 现场试验 循环三轴试验 a b s t r a c t a b s t r a c t c u r r e n td e s i g nm e t h o d so fs u b g r a d ea r eb a s e do ns t a t i ct h e o r i e s t h i sd o e sn o ta c c o r d w i t ht h ef a c t e s p e c i a l l yf o rl o we m b a n k m e n t t h et r a f f i cl o a di sak i n do fd y n a m i cl o a d s oi ti so b v i o u s l yi n s u f f i c i e n tt or e g a r di ta ss t a t i cl o a dn e a r l y w ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n dt r a n s p o r t a t i o ni nc h i n a t r a f f i cv o l u m e v e h i c l es p e e da n dl o a d i n gc a p a c i t y a r ei n c r e a s i n ga n di n f l u e n c e so ft r a f f i cl o a do nt h es u b g r a d ei sh i g h e rt h a nb e f o r e t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r yt h a tt h ed e s i g nm e t h o do fs n b g r a d ec h a n g e sf r o ms t a t i ct h e o r yt o d y n a m i cm e t h o d t h r o u g hf i e l dt e s to nd y n a m i cr e s p o n s eo fs u b g r a d ea n dl a b o r a t o r yt e s t o nc y c l i ct r i a x i a le x p e r i m e n t t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r o b l e m st h a th o wt r a f f i cl o a da c to n t h es u b 2 r a d e t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s 1 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o we m b a n k m e n t t h i sp a p e ra n a l y z e st h e m e c h a n i s ma n dr o l eo ft r a f f i cl o a da c t i n go nt h es u b g r a d e a n dt h e na b b r e v i a t e sd e s c r i b i n g m e t h o d so ft h ev e h i c l el o a di nm a t h t h et h e o r yo ft r a f f i cl o a da c t i n go nt h es u b g r a d ei s a n a l y z e d t h er i g i d i t yo fp a v e m e n ta n de m b a n k m e n ta n dt h eh e i g h to fe m b a n k m e n t a f f e c t i n gt ot h ee x t r as t r e s st r a n s m i s s i o nf r o ms t a t i ca s p e c ta r ed i s c u s s e d c h a n g i n gp a t t e r n o fe x t r as t r e s sa n dm e c h a n i s mo fd y n a m i cr e s p o n s eu n d e rt h et r a f f i cl o a df r o md y n a m i c a s p e c ti sd i s c u s s e d a n dt h ef i e l dt e s tf r o mt h e o r i e si sp r e p a r e d 2 t h r o u g he a r t h q u a k es y s t e ma n ds t r e s ss e n s o r t h em e t h o do ft e s t i n gt h ev i b r a t e d i s p l a c e m e n to fs u b g r a d ea n dt e s t i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs u b g r a d ei ss t u d i e df i e d l y a c c o r d i n gt ot h er e s u l t t h ew e a k e nr u l eo fd v n a m i cs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ti nt h e s u b g r a d ei sd i s c u s s e d t h ei n f l u e n c eo fv e h i c l e1 0 a da n dv e h i c l es p e e da c t i n go nt h e d y n a m i cs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ti nt h es u b g r a d ei sa n a l y z e d a n dt h er i g i d i t yo fp a v e m e n t a c t i n go nt h ed y n a m i cs t r e s si nt h es u b g r a d et h r o u g hc o m p a r i n gt h et e s t i n gd a t a so f d i f f e r e n ts e c t i o n s 3 b a s e do nd a t ao ft h ef i e l dt e s t t h ec y c l i cd y n a m i cl o a do fv e h i c l ea c t i n go nt h e s u b g r a d et h r o u g hc y c l i ct r i a x i a lt e s ti ss i m u l a t e d t h ec h a r a c t e ro ft h ed i s t o r t i o na n dn a t u r e o ft h es u b g r a d eu n d e rt r a f f i cl o a di ss t u d i e d a n dt h e nt h em a j o re 疵c tf a c t o r si sa n a l y z e d 4 b a s e do nt l l ec o n c l u s i o n so ff i e l da n dl a be x p e r i m e n t s t h em a j o rf a c t o ro ft h e t r a f f i cl o a da c t i n go nt h es u b g r a d ea n dt h er e a s o n a b l ed e s i g nm e t h o do fp a v e m e n ta n d s u b g r a d ei sa n a l y z e d a n dt e c l m o t o g i e so fh o wt or e d u c ed i s e a s e so fs u b g r a d ea n dt h e h e i g h to fe m b a n k m e n ti sd i s c u s s e di n i t i a l l y k e yw o r d t r a f f i cl o a d s u b g r a d e d y n a m i cr e s p o n s e f i e l dt e s t c y c l i ct r i a x i a lt e s t 学位论文独创性声明 本人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 与我一同工作的同事对本研 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 如不实 本人负全部责任 论文作者 签名 缮搜 学位论文使用授权说明 2 0 0 6 年6 月9 日 河海大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 中国学术期刊 光 盘版 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档 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 论文全部或部分内容的公布 包括刊登 授权河海大学研究生院办理 论文作者 签名 2 0 0 6 年6 月9 日 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题的研究背景和意义 1 1 1 课题的研究背景 在我国高速公路设计中 出于各种需求和限制 大多采用高路堤的设计方案 高路堤能够满足路基工作区要求 高度大于2 5i l l 的路堤可以有效延阻毛细水上升 使路基工作区处于干燥状态 对防止路基冻胀翻浆也有积极的作用 而且有利于设 置下穿通道 但高路堤方案存在着很多缺陷 首先 高路堤的设计方案 施工用土量大 占用土地多 易造成大量的优质高 产良田被占用或破坏 使本来用地紧张的矛盾更加突出 而且建设的征地费用和工 程造价高 其次 高路堤自重大 对地基产生的附加压力也大 我国沿海及部分内陆地区 广泛分布着深厚的软粘土沉积层 很多高速公路不得不建造在这种软土地基上 在 软土地基上修建高路堤 易引起地基产生较大的变形 造成路基沉陷 路面下沉 路面开裂和桥头跳车等病害 在技术上还存在建设填筑期的路基稳定和运营期的工 后沉降过大等问题 此外 高路堤还存在施工难度大 施工周期长 与周围环境不协调 不能满足 人们视觉 心理上的舒适和安全的需要等问题 由于高路堤存在着如上述的诸多缺点 而且随着经济的发展和建设水平的提高 这些缺点显得越来越突出 越来越与可持续发展的指导思想相违背 因此 从高路 堤存在的问题入手 选取合理的路堤填土高度 是当前高速公路设计中应着重解决 的重要问题 比之于高路堤 低路堤的设计方案可以有效避免上述弊端 低路堤与高路堤是 一个相对的概念 所谓低路堤 即在满足最小填土高度要求情况下 尽量降低路基 设计高度 一般概念上将填土高度低于2 5 m 的路堤称为低路堤 l l o 由于降低了路堤 填土高度 减小了对地基的附加压力 对于软土性质不是很差或具有天然 硬壳层 的路段 可以考虑不需特殊处理 并且由于土方大大减少 低路堤很少存在稳定性 侧向位移以及施工过程中大的沉降等问题 但是 如采用低路堤设计 路堤高度多高为合适 是否越低越好 在实际应用 中 路堤填土高度并非越低越好 降低路堤高度也会带来一系列新的问题 低路堤 第一章绪论 容易受地表水的冲刷和地下水的渗透 从而降低路基的承载力 由于路堤较低 交 通荷载在路堤中得不到充分扩散 加剧了地基的变形沉降 交通荷载引起的震动容 易直接传递到软土地基上 导致地基土层的不均匀沉降等等 因此 建在软土地基 上的低路堤公路 如果不采取有效的处理措施 在开放交通 受到交通荷载的往复 作用后 易出现路面不平整 路面破坏 水毁 翻浆等病害 低路堤的这些弊端涉及到以下几个方面 低路堤路基的防水问题 低路堤路基 土中应力分布及传递特性 不同高度 不同结构的路基工作区深度和范围 在交通 动荷载作用下 路基土的长期累积变形问题 路基土在交通荷载作用下的工程特性 变化问题等 可见 除了路基的防水问题外 其他问题都可以直接归结为交通荷载 对路基的作用问题 要推广应用低路堤的设计理念 有必要从理论上对该问题进行 深入探讨 本文拟从试验的角度展开交通荷载对路基作用问题的研究 1 1 2 研究意义 高速公路建设的快速发展 要求公路建设者不断提高高速公路的设计和建设水 平 我国现行公路路基设计的理念均是基于静力学理论 这与实际情况有出入 特 别是在低路堤情况下 交通荷载是一种动力荷载 将其对路基的作用仅用静力近似 替代显然存在不足 随着我国经济建设和交通运输事业的发展 公路通车流量 行 车速度和载重量均不断增加 交通荷载对路基的影响也越来越大 因此 路基设计 理论由单纯的静力学方法向包含动力学方法发展已势成必然 在这种背景下 本文 针对交通荷载对公路路基的动力作用问题进行相关研究显然具有现实意义 通过研 究 可进一步提高人们在交通荷载对路基作用方面的认识 了解交通荷载对路基的 作用特性 交通荷载作用下路基的响应性状 路基土体的长期变形特性及路基土的 工程特性变化等 为低路堤设计提供相关的技术支持 同时 也为路基的优化设计 提供理论指导 1 2 研究现状 针对交通荷载对路基的作用问题 国内外许多学者已从理论分析 数值计算和 试验等方面开展过研究 并取得了一些有价值的研究成果 下面结合本文的研究内 容 对荷载对路基作用的理论分析 路基动力响应现场试验 室内动力试验等方面 的研究进行介绍 2 河海大学硕士学位论文 1 2 1 交通荷载的研究现状 对于交通荷载的描述 不同领域的研究者们从各自的角度进行了不同的假定和 简化 从事车辆力学研究的人员是运用结构动力学的方法 对简化的车辆模型进行 动力分析 这方面 c e n b o u 2 详细分析了车辆参数对轮胎压力的影响 并给出了动 荷系数和动载系数的具体计算实例 s u n 和k e n n d y 3 将车辆模拟为两个自由度体系 研究了车辆参数 车辆速度 路面不平顺性对地面响应的影响 h r o v a t l 4 1 用单轴双自 由度体系来模拟移动的车辆 研究了车体重量和车辆悬挂体系对车辆运行舒适度的 影响 p 锄1 5 等用三轴多自由度体系来模拟移动的车辆 提出了动力车辆法 得到了 车辆 结构相互作用体系在时间域内的瞬时响应 w u l 6 等采用有限元法 基于车辆及 其悬挂体系的动力平衡 推导了车辆的动力特性矩阵 分析了多轮车辆作用下轨道 和车辆的动力响应 其中 考虑了车辆惯性力 车辆悬挂体系对体系响应的影响 而道路方面的工作者则一般将交通荷载视为静止的荷载 来分析路面设计的问题 目前 国内外的路面 公路路面和机场跑道 设计规范中 都是把车辆荷载作为静 止的集中点源荷载或图形分布荷载 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数 8 1 也有研究者将车辆力学与路面力学结合起来研究 但这方面的研究不多 h a r d y 2 把车辆附加动压力假设为p t 1 0 5 s i n t 用实验方法 计算并指出了荷载运动速度和荷载变化频率对路面动力响应的影响 邓学钧 孙璐 一j 研究了车辆一地面结构系统动力学 考虑了路面平整度 车辆速度 车辆荷载的 加载方式及车辆与地面接触形态等因素 给出了车辆荷载的分类描述 认为是同时 作用在车辆和地面结构的随机振动荷载 可见 以上对交通荷载的研究大都基于各自的研究角度 或者从车辆力学 或 者从路面力学 或是进一步将两者结合起来考虑 但是基于对路基作用的车辆荷载 的研究则较少 而考虑对路面作用的车辆荷载描述 由于涉及路面平整度 车辆的 空间移动等问题 用于研究对路基的作用并不是很合适 对于低路堤问题 人们关 心的主要是交通荷载对路基的影响 因此 有必要从路基受荷的角度 考虑合适的 交通荷载描述 1 2 2 交通荷载对路基作用的理论研究现状 关于交通荷载对路基作用的理论研究 主要集中在对半无限大体系的力学解答 上 把这些理论推广到路基的受荷分析上 将路基视作半无限大的均质或层状体系 第一章绪论 再考虑路基土不同的应力应变关系 那么根据这些理论解答就得到了路基在静荷载 作用下的应力 变形情况 或路基在动荷载作用下的应力 位移等动态响应情况 在静载对路基作用方面 前人已进行了比较深入的研究 取得了一些重要成果 早期有h e r t z 1 8 8 4 提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w i n k l e r 地基模型 b o u s s i n e s q 1 8 8 5 推导出了均质 弹性半空间弹性体在表面竖向集中荷载作用下的理论解 c e r r u t i 1 8 8 8 提出了单个水 平力集中作用下 均质弹性半空间体内应力和位移计算的理论解 t e r a s a w a 1 9 1 6 对轴对称荷载下的半空间体 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 f 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 r m i s t e r 求出了双层和多层弹性体系应力和位移计算的理论 解 s c h i f f m a n l l 2 等学者对层状体系的理论求解及数值计算作了比较详尽的研究 在动载对路基作用方面 c o l e h u t h i 1 和b a r o n 1 4 等提出考虑线荷载和有限长度 的移动在半空间表面的线荷载的轴对称的解 b r u k e j f l k i n g s b u r g 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 但是他们的解没有考虑到惯性和衰减 并只适用于单层 j o n e s 和p e t y t l l 6 1 7 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响应 竹宫宏和 1 8 l 等用g r e e n 法和分层 法计算了移动简谐荷载作用下轨道 地基协同工作时体系的响应 h u n g 1 9 将地基模 拟为粘弹性半空间 研究了不同车辆荷载形式和不同车辆速度时地面的响应 a b c 2 0 1 等研究了成层粘弹性介质中二维瞬时波的传播 l e f e u v e l 2 1 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 钟阳 2 2 利用传递矩阵方 法 得出了多层弹性半空间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 利用b p l a c e h a i l l e l 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 某高速公路试验路段进行了理论计算和现场实测的比较 有关交通荷载对路基作用的理论研究己经取得不少成果 但由于道路工程问题 的复杂性 还远未达到完全解决问题的程度 交通荷载对路基作用的理论是随着数 学 力学等基本理论的发展而发展的 在发展的过程中理论不断完善 解答越来越 接近于实际 但在某个阶段总是存在着一定的局限性 在实际工作中 理论分析仍 然需要与现场试验和室内试验相联系 以作出必要的修正 更好地付之于运用 这 d 河海大学硕士学位论文 也是本文开展现场试验和室内试验的目的所在 1 2 3 路基动力响应现场试验的研究现状 针对路基在交通荷载下的动力响应 国外学者已较早地开展了现场试验研究 b a t k e r 2 4 1 将飞机荷载考虑为静荷载 对单轮荷载作用下道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 英国工程与科学研究委员会在b o t h k e n n a r 的软土 地基上建立一个全尺寸的试验路段 吲 研究了交通荷载下的公路的力学和沉降特性 日本建设省在a r i a k e 粘土上进行了低路堤的交通荷载试验 2 6 对车辆动载作用下的 路基土中的附加动应力进行了研究 在国内 路基动力响应的现场试验较多的是针对铁路路基展开的 刘尧军 2 7 等 在秦沈客运专线测试了列车荷载下路基的动力响应 通过布置压力传感器和位移计 测得了路基的动应力和动位移 得到了路基不同深度处动应力和动位移随列车荷载 及速度的变化规律 并据此计算了不同路基填料的动刚度 对填料的选择提供了一 定的借鉴 聂志红 冽等进一步对秦沈客运专线路基振动进行了频谱分析 得到了列 车荷载作用频率 路基自振频率与列车荷载作用下路基振动频率 分析了路基振动 频率及振动加速度与列车速度的关系 结果表明 列车荷载作用下路基振动与路基 自振频率与列车速度密切相关 在一定列车速度下路基振动加速度达到最大值 国内针对公路路基进行动力响应测试的则相对较少 凌建明f 2 9 j 对上海城市外环 线吴中路一沪青平路段在行车荷载下路基顶面及路基土中的竖向应力进行了现场测 试 结果表明 行车荷载作用下路基顶面的竖向应力一般在5 1 0 k p a 之间变化 路 基土中的竖向应力均小于路基顶面的竖向应力 崔伯华 3 0 j 等对某高速公路路基汽车 动荷载作用下的动响应进行了测试 分析了路基动应力随车辆荷载和路基深度的变 化规律 可见 这些现场试验主要是对路基的动应力进行了测试 此外 还有一些研究者对公路进行了交通荷载下的振动测试 梁铁成1 3 1 等采用 三分量检波器和2 4 道工程地震仪 对公路两侧路面不同车辆的振动情况进行了试验 研究 结果表明 测点上振动幅度随与公路的距离增加而减小 刘奉喜p 2 等对青海 省盐湖公路在车辆动载作用下距离公路中心线不同远近地点的振动速度进行了测 试 然后进行微积分换算得到相应点的加速度和地表位移 结果表明 振动加速度 与位移随着车辆速度的增加而不成正比的增加 振动加速度与位移随距离的增大而 5 第一章绪论 衰减 王平安1 3 3 等人对城市干道上行驶的汽车动信号进行了采集 根据实测的位移 时程曲线得到了各测点在同一车辆振源影响下的最大位移和主频 再通过微分得到 各点的速度和加速度时程 测试结果表明 汽车行驶引起的地面振幅与车速有关 但随距离的衰减规律基本一样 但是 以上这些振动测试均是在路面或公路附近地 面上进行的 交通荷载作用下路基表现出的动态特性 动应力 动位移和加速度等 是引起路面 及路基工作特性变化的重要因素 因此 对路基在交通荷载作用下的动力响应进行 试验 应是对路基中不同深度处附加动应力及动位移等参量的传递和变化均进行测 试 上述公路路基响应的现场试验仅就某一方面进行 因而是不够全面的 有必要 对现场试验的内容和方法进行改进 1 2 4 土体循环加载变形的室内试验研究现状 对循环荷载作用下软粘土变形性状的研究已取得较多的成果 但在一些方面尚 未取得一致的认识 a n d e r s e n 3 4 等就北海重力式石油平台建设的需要 曾对d r a m m e n 粘土 i p 2 6 进行了系统而广泛的研究 结论认为 当加载频率在0 0 5 1 i z 0 1h z 之 间变化时 对要达到循环应变值 3 所需的加载次数 不论其超固结比的大小 都 没有影响 m a t i s u i 3 5 对塑性指数1 p 5 5 的s e n t i 粘土进行了应力控制式的三轴双幅 循环剪切试验 所采用的频率为0 0 2 o 5 h z 试验结果表明 孔隙水压力和轴向应 变均随循环次数的增加而增加 对于给定的循环次数而言 低频荷载产生较高的孔 隙水压力和轴向应变 y a s u h a r a 3 6 对a r i a k e 粘土0 p 5 8 进行的应力控制式三轴试验 结果也认为 加载频率 o 1h z lh z 对孔压有一定影响 但结论是 频率愈高 孔 压愈大 与上述结果有所不同 b r o w n l 3 7 1 等人的研究也得出类似的结论 在循环加载后软粘土的特性变化方面 t h e i r s 3 8 m a t s u i 3 9 等研究了不排水条件 下正常固结粘土在周期荷载作用后的强度问题 取得了比较一致的认识 随孔压上 升 有效应力减小 土的不排水强度会出现衰减的现象 y a s u h a r a 4 0 研究发现 随 残余孔压的增大 强度衰减程度增大 剪切过程中变形模量显著降低 且模量的衰 减比强度的衰减更大 如果给予合适的排水条件 孔压消散固结 则土的不排水抗 剪强度反而有所提高 同时 剪切过程中变形模量也相应增大 且变形模量的增加 比强度的增加还要大 o h a r a l 4 1 也得出了相同的结论 此外 有学者认为公路软基在交通荷载作用下处于长期部分排水状态 从这个 河海大学硕士学位论文 角度出发 对软粘土进行了排水固结的循环三轴试验 y a s u h a r a 4 2 考虑了反复荷载 作用下排水固结对地基变形的影响 从一系列的砂质粘土循环三轴压缩试验结果出 发 将总变形d 分为可恢复变形6 和不可恢复变形6 两部分 并定义了应变比 d 9 d 然后讨论亭和循环次数n 之间的相互关系 认为 和l o g n 成较好的线 性关系 这一关系取决于土的物理性质 初始结构 荷载集度和诸如加载频率 循 环次数等荷载条件 f u j i w a r a 4 3 研究了总荷载 荷载周期 荷载增量比 加荷方式 胶结程度和循环次数对变形的影响 研究认为 循环荷载作用下的固结变形量大于 静荷载作用下的固结变形量 这是由循环荷载作用过程中次固结变形引起的 而次 固结变形与重复荷载的大小 荷载增量比 荷载周期 有机质含量成正比 我国以往在土体动力特性方面的研究基本上局限于砂土地基抗液化特性等方 面 关于软粘土动力特性的研究只到近些年才受到重视 阎澎旺i 运用动三轴试验 分析了正常固结土在反复荷载作用下累积轴应变和累积孑l 隙水压力随振动次数的变 化规律 试验结果表明 在循环荷载作用下 累积轴向残余应变与平均固结压力归 一化的累积孔隙水压力之间存在唯一对应关系 而与固结压力的大小 加载方式以 及动应力的大小 频率无关 杨起敬1 4 5 在室内试验的基础上建立了多级不排水反复 荷载作用下 级问允许完全排水固结 的残余变形计算模式 强调了预剪的重要性 周 健i 拍 等通过试验 提出了动力荷载作用下软粘土残余变形的计算模式 计算结果与 不排水和部分排水情况下观测到的孔隙水压力及残余应变吻合较好 白冰m 对饱和 软粘土在冲击荷载作用下的性状进行了比较系统的研究 周建 柏 对饱和软粘土应变 软化特性进行了试验研究 建立了循环荷载作用下饱和软粘土孔压发展模型和应变 软化模型 蒋军 4 9 对循环荷载作用下软粘土的排水与不排水性状作了系统的试验研 究 分析了循环应力比 超固结比 频率 加载次数等因素的影响 建立了软粘土 的残余应变计算模式 蔡英 5 0 l 等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 可见 在土体循环加载变形方面的室内试验研究己取得很多成果 但上述室内 试验中 针对交通荷载对路基土体单向循环剪切作用的试验并不多 模拟交通荷载 作用的加载频率 幅值等参数的数值依据不是很充分 交通荷载对路基土体是一种 单向循环剪切作用 以上文献中对土体在这种单向循环剪切作用后力学性质的变化 第一章绪论 也没有充分考虑 1 3 本文的主要工作 通过对研究现状的回顾可以了解到 交通荷载对路基动力作用的相关研究已取 得不少成果 但研究的内容和方法尚不够全面 对实际应用的指导还存在着一定的 不足 尤其是试验研究方面 针对公路路基动力响应的现场试验不多 试验的手段 不够先进 考虑的因素不够全面 室内试验方面 采用的加载频率 幅值等参数的 数值依据不是很充分 对路基土体受单向循环剪切作用后土体性质的变化也欠缺考 虑 因此 本文拟从以上几方面着手 开展如下研究工作 1 根据低路堤的工程特点 从车辆对路基影响方面 分析交通荷载的作用机理 及变化规律 进行交通荷载的简化描述 对交通荷载对路基作用理论进行分析 从 静力角度讨论路面刚度 路堤刚度和路堤高度对交通荷载应力传递的影响 从动力 角度对路基在交通动载作用下的附加动应力变化模式 动力响应机理进行分析 为 现场试验进行前期的理论准备 2 对路基振动位移的测试方法进行探索 运用地震测试系统和应力传感器 对 路基在交通荷载下的动力响应进行现场试验 根据试验结果 讨论了公路路基中动 应力和加速度的衰减规律 分析车辆载重 行车速度对路基动应力和振动位移的影 响 通过不同断面测试结果的比较 分析路面结构刚度对路基动力响应的影响 3 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 4 根据现场试验和室内试验的结论 分析交通荷载对路基动力影响的主要因素 分析合理的路面结构及路基设计思路 初步探讨减少路基病害及降低路堤高度的技 术措施 8 河海大学硕士学位论文 第二章交通荷载特性和对路基作用的分析 2 1 引言 由于降低路堤高度会带来一系列新的问题 因此采用低路堤设计 前提必须是 路基满足受力要求 这就关系到路基的强度和刚度问题 目前 对一般道路的路基 刚度 强度研究虽已取得很多成果 但距离实际应用还很不够 由于各高速公路建 设地区地质条件的复杂性和差异性 对于复杂地质条件下的低路堤填筑研究还没有 很有效的方法 尤其在软基路段 采用低路堤方案的设计 施工 质量控制等指标 还没有完全合理的确定 技术处理措施没有规范可遵循 对这些问题的解决 需要 从理论分析 试验 数值计算等多方面入手 研究交通荷载对路基的作用 分析路 基参数变化对其承载特性的影响 为采用低路堤设计提供理论依据 本文是从试验 的角度展开问题的研究 但在试验前有必要先对交通荷载对路基的作用问题从理论 上进行分析 为试验方案的制定进行前期的理论准备 由于车辆与道路结构是一个相互作用的系统 车辆荷载作为外加激励 其作用 特性直接影响路基土体动力响应的性状和程度 因此 理论分析应先从交通荷载的 作用特性 如频率 幅值等等 以及变化规律展开 对作用于路基的交通荷载描述 及计算方法进行研究 2 2 交通荷载特性及描述 目前 国外的路面 公路路面和机场跑道 设计规范中 都是把车辆荷载作为 静止的集中点源荷载或图形分布荷载 5 l 荷载的公式及示意图如下 叫 浆r l f r 0r o 图2 1 车辆静载模型 9 第二章交通荷载特性和对路基作用的分析 式中 r o 为荷载分布边界至荷载中心的距离 p 为均布荷载集度 这种荷载描述方法考虑到了荷载分布形式的不同 如果r o 很小 趋向于0 则 f 扛 成为集中荷载 如果荷载是线状分布 那么2 r 0 就是线源分布长度 如果荷载是 面状分布 那么r o 就是面源分布半径 考虑到路面上行驶车辆的多样性 公路沥青路面设计规范 8 l 中定义了车辆荷 载的轴载换算关系 垂直荷载采用标准轴载 b z z x 0 0 路面设计以双轮组单轴轴载 1 0 0 k n 为标准轴载 根据不同类型的车辆对道路结构的损坏作用各不相同 在计算 交通荷载时 根据交通量统计的各种轴载车辆的作用次数 按等效原则换算成标准 轴载的作用次数 各种轴载等效换算所依据的原则是 同一种路面结构在不同轴载 作用下达到相同的损坏程度 通过室内或室外的荷载重复作用试验 可以推导出不 同轴载的等效地换算成标准轴载当量作用的次数 换算系数如下 礼2 阿 式中 r 一第i 级轴载换算成标准轴载的换算系数 只 m 一标准轴载重0 e a 2 乏其作用次数 只 i 级轴重 k n 及其作用次数 a 一反映轴型 单轴 双轴或多轴 和轮胎组数 单轮或双轮 的影响系数 n 一与路面结构特性有关的系数 各类车辆可按式 2 2 得到与标准轴载的等效换算系数 再由各类车辆的曰交 通量乘以相应的等效换算系数 累加后即得到各类车辆的日标准轴载作用次数 从车辆荷载对路基作用的角度出发 可以将作用在路基上的车辆荷载换算成作 用效果相同的土层 换算土的重度与路基土相同 等效土柱高度1 1 0 的换算式如下 h 盟 2 3 y b l 式中 一当量土柱高度 m y 一土的重度 k n m 3 一横向分布车辆数 单车道n i 双车道n 2 多车道按实际布置 q 一每一辆重车的重量 k n 工一汽车前后轮胎距离 m 1 0 河海大学硕士学位论文 曰一横向分布车辆轮胎最外缘之间总距 m 根据2 3 式 可以对高速公路的车辆荷载进行拟静力的换算 这里进行一定的 简化 将换算土柱荷载的分布宽度取为行车道宽度 对单个行车道上的车辆荷载计 算 根据现行 公路水泥混凝土路面设计规范 1 52 j 对交通量的分级 特重交通件下 单向一个车道的标准荷载 1 0 0 k n 作用次数大于1 5 0 0 次 日 假定车辆的运行速 为8 0 k r n h 单车道的宽度为3 7 5 m 路堤填料的容重为1 9 k n m 3 那么由该车道上 交通荷载换算出的填土高度仅为0 0 0 1 m 即使按临界时间车头间隔2 s 道路交通量 为1 8 0 0 辆 d 时来计算 换算的填土高度也只有0 0 3 m 左右 显然 以这种换算方 法得到的交通荷载是很小的 在计算路基附加沉降时没有过多考虑的必要 这与交 通荷载对道路工后沉降影响的实际情况不符 笔者认为 上述静载换算的结果与实际情况不符的原因是 它是基于对标准轴 载进行当量填土荷载的等值换算 而非考虑到车辆荷载动力作用的等效换算 有研 列9 壤明 将交通荷载按静止的车辆荷载考虑 这在荷载不太大 车速较低的情况 下基本上是合理的 但是 随着车速的增加 静力荷载模式与车辆行驶过程中对路 面的实际作用力之间的差异越来越大 车辆荷载在地基中产生的竖向附加应力也与 静止时不一样 日本建设省在a r i a k e 粘土上进行的低路堤交通载荷试验 表明 车 辆跑动时在土中产生的竖向附加应力为车辆静止时的三倍 基于以上理论 在路面 设计时 有设计者将静荷载乘以冲击系数 动轮载和静轮载的比值 作为设计轮载 对 于路基的设计及附加变形计算 可以参照这种做法 但这种近似偏于保守 将车辆 静载乘以冲击系数作为设计车辆动载 仍然是基于静力的等效 只是增大了静力的 幅值 而路基的动力学特性不是静力学特征所能描述的 车辆荷载的拟静力描述只 是一种近似手段 有其局限性 无法从根本上解决车辆动载对路基的作用问题 因 此 研究交通荷载对路基的作用 尤其是在低路堤的情况下 必须将其作为动载考 虑 下面对车辆荷载动力作用的机理及作用特性进行分析 2 2 2 车辆荷载的变化机理 车辆在地面上行驶时或多或少都会产生垂直于地面方向的振动 引起车辆振动 的原因很多 主要来说可分为 9 1 由车辆本身各种因素造成的振动 包括发动机偏心转动引起的周期性振动 由轮胎花纹引起周期性振动 以及由驾驶员操纵不稳定性 如变速 刹车 转向等等 第二章交通荷载特性和对路基作用的分析 引起的不均匀振动等 2 由地面表面的不平整造成的振动 地面表面的凹凸不平和高低起伏给在它上 面行驶的车辆的轮子施加位移扰动 这种不规则激励导致了车辆的振动 本文这里对车辆荷载的分析主要是基于对车辆和道路相互作用的考虑 对由车 辆自身各种因素引起的振动不予考虑 即认为车辆的垂直振动主要是由路面的不平 整度引起的 由于车辆的垂直振动 在该方向产生了垂直加速度 使得路面除了承受车辆本 身的重力荷载以外 还必须额外地承担由垂直加速度产生的惯性力荷载 即车辆动 荷载 两部分荷载组合即构成了车辆荷载 也就是行驶车辆作用于路面的总荷载 由于车辆自重荷载是不变的 因此车辆荷载的变化是由其动载部分所致 下面对车 辆动荷载的变化过程进行分析 汽车以一定的速度行驶时 路面的随机不平整通过轮胎 悬架等弹性 阻尼元 件传递到车身上 使车辆发生垂直振动 对车辆这种因路面不平整产生的振动 可 通过把车辆简化为四分之一车辆模型进行分析 根据 般车辆结构动力体系的特点 将车辆简化为双自由度振动模型 5 3 l 如图2 2 所示 m k 白c 与 l l 卅 l t 之 k 中l c f 卜 巧乒磅 矽丁 位移y o 基准面 位移y f 基准面 图2 2 简化的车辆模型 按照上图的车辆力学模型 车轮动荷载满足下式 p f k y o y c 0 o 一夕 2 4 再分析车轮动载的构成 根据d a l e m b e r t s 原理 图2 2 所示的双自由度振动系 统的运动方程为 1 2 河海大学硕士学位论文 j m y c 夕一y j c p o k y y 七 y 一 o 2 5 im y c 一y 一r y y 0 式中 m 一非悬挂部分质量 仁一悬挂部分质量 世一板簧刚度 七一轮胎刚度 c 一悬挂部分阻尼 缓冲器 c 一轮胎阻尼 旷一路面平整度 y 和y 和m 的垂直位移 i 和i 卅的垂直速度和加速度 矿和穸 m 的垂直速度和加速度 将方程组 2 4 两式相加并移项整理得 k y o y c o 一岁 一 m y m y 2 6 对照2 4 式 不计符号之差别 车辆动荷载p t 可以由下式给出 e t m y t 删o 2 7 可见 车辆动荷载p t 的作用特性及变化规律由车辆自身的力学参数 负担荷 载及路面平整度y o 共同决定 由于路面平整度如的变化是一个随机过程 因此车辆 动荷载v o 也具有不规则的随机性 从而使车辆荷载的变化也具有随机性 2 2 3 交通荷载的特性 1 动载特性 通过上面车辆荷载变化的机理分析 可以看出车辆荷载的动载特性 由于车辆 是一个多质点的振动系统 车辆在路面上行驶时 受到路面不平整的激励 车轮实 际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动着 作用在路面上的车辆荷载呈现时而大 于静轮载 时而小于静轮载的波动状态 车辆荷载的这种动态变动的变异系数 标 准偏差同静载的比值 主要随三方面因素变化 5 4 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 第二章交通荷载特性和对路基作用的分析 同时 车辆行驶于路面时 车轮对路面上一点的作用时间很短 大约在0 0 1 o 1 s 左右 在路面以下一定深度持续的时间略长 但仍然是十分短暂的 车辆荷载 对路基的作用时间长短与汽车行驶速度有关 随着汽车速度的增加 路基承受荷载 的时间相应减少 2 长期性 尽管车辆对路基某一点的作用时间很短 但从公路的整个使用年限看 则具有 长期性 一条双向四车道的高等级公路 设计使用年限为1 5 年 设计日车流量为 2 0 0 0 0 辆 日 假设在设计使用年限内 日平均车流量为1 0 0 0 0 辆 日 则每个车道要 受到1 5 x 3 6 5 x 1 0 0 0 0 4 1 3 7 x 1 0 7 次的车辆荷载的重复作用 可见 交通荷载一个 重要特点是荷载作用的时间长 次数多 2 2 4 车辆动荷载的描述分析 邓学钧 5 5 根据路面平整度的变化情况 将车辆动荷载p t 大致分为以下几类 f f p o l 一 p o 一一 7 l 一 1 一 0t0 t a a 型一一恒定荷载 b b 型 一稳态 谐和 荷载 f p o c c 型 一冲击荷载 产一 d d 型一一随机荷载 图2 3 典型动力荷载 图2 3 中 a 型为移动恒载 可以用于地面相当平整 车辆振动很小时的荷载描 述 c 型为冲击荷载 可以用于荷载作用时间很短 行驶中突然出现剧烈振动时的 荷载描述 b 型是波动荷载 它是假设路面平整度变化服从某一特定规律的曲线 一 般是正弦变化曲线 相应地车辆给路面施加的荷载也服从这种变化规律的曲线 可 以用于简单描述车辆的振动 由于它关于路面不平整的描述是一个确定函数而不是 1 4 f p 河海大学硕士学位论文 随机过程 因此也属于移动确定性荷载 d 型荷载为随机荷载 它的描述是通过以 路面平整度变化的振动谱作为路面系统的输入 采用随机振动理论求解路面系统的 输出 显然 d 型的随机荷载描述 最接近于实际的车辆动荷载 但是 由于路面不 平整是一个典型的随机过程 车辆行驶时对路面和路基的附加动荷载会因路面激励 的随机性以及车型 车速的不同而差别很大 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 不仅是大小变化的而且在空间分布上也具有瞬态特征 虽然借助统计学的方法 可以对车辆随机荷载进行测