重载作用下层状水泥混凝土路基路面弹性状态计算分析

建立水泥混凝土路面结构在荷载和环境因素作用下力学响应的定量模型,是路面结构设计理论的基本依据,水泥混凝土路面是一种弹性层状结构,可应用弹性层状体系理论求解水泥混凝土路面问题。当混凝土面层下为具有基层、底基层或垫层的层状地基时,可用弹性层状体系理论求解基层顶面的当量回弹模量。水泥混凝土路面板在荷载作用下会产生微小变形,在力学分析时将其视为弹性板,地基视为弹性地基,将水泥混凝土路面视为弹性地基上的弹性板,简称弹性地基板。     

交通荷载下层状路基动附加应力的弹性计算模型

 针对路基路面系统成层性的特点,应用弹性层状体系理论对车辆循环动载下路基动附加应力的计算模型进行探讨。首先假设路基路面各层为弹性层状体,将弹性动力学控制方程中的应力和位移变换为模态坐标下的状态矢量,分离并消去动附加应力表达式中的时间变量;然后借助Laplace变换将偏微分动力学方程转化为含积分变量的线性方程组,再用矩阵方法求得层状路基在变换域中的传递矩阵,结合路面车辆动载边界条件,建立层状道路系统动附加应力量化模型;最后采用Matlab编程语言对模型进行数值计算。算例表明,所建议的模型在路面结构层中产生的误差较小,不超过12%,而在路基层中产生的误差较大,将近35%,但总体上,本模型能较好模拟交通荷载下,路基路面层中动附加应力的分布规律,具有实际工程应用的价值。     

车辆超载对路面使用性能的影响分析

以面层和基层层底最大容许弯拉应力为控制指标，分别利用弹性层状体系和弹性地基薄板分析程序对湖南某二级公路的两种路面结构进行了应力分析，得到了两种路面结构的极限承载力，并利用Miner法则，研究了在当前轴载谱下，不同路面结构层增厚对路面使用寿命的影响。     

水泥混凝土路面加铺沥青面层的技术探究

水泥混凝土路面是现代公路最为典型的路面形式,但是很多修建在20世纪末的水泥混凝土路面受到当时施工条件、交通量的增加、汽车载荷量的提升有所破损,需要对其进行修护。在既有水泥混凝土路面加铺沥青面层是最为常见的形式,但是沥青加铺面层是较为特殊的路面结构,其应力应变特性和常规的弹性层状体系存在较大的差异,所以需要对其施工技术进行严格管理才能确保加铺施工的有效性。本文主要探究水泥混凝土路面加铺沥青面层的相应内容,希望能够对相关人士有所帮助。     

层间结合对沥青路面温度应力的影响

分析冬季降温过程中沥青面层温度应力的演化规律,是沥青路面低温抗裂设计方法的理论基础,但现有研究未揭示路面结构的层间结合能力对温度应力的影响规律.因此,首先依据热传导理论,采用ABAQUS有限元软件建立路面温度场数值分析模型;其次,依据热弹性理论,建立路面温度应力分析模型;进而选取典型冬季日气温实测值,分析三种层间结合能力下沥青路面温度应力的日演化规律,计算结果表明层间结合能力对温度应力的影响较为显著.     

位移函数法求解饱和层状地基中的抽水问题

运用Biot固结理论,对饱和层状地基中的抽水问题进行了求解。从轴对称问题的Biot固结方程出发,通过引入位移函数以及将各个量进行Laplace和Hankel变换,得到了位移、应力、孔压和流量在z=0和任意深度处的传递矩阵关系。将这个传递矩阵关系应用于多层地基的每一层,并结合多层地基的连续条件、边界条件以及抽水作用面的连续条件,求得了饱和层状地基的抽水问题在Laplace-Hankel变换域内的解答。通过相应的逆变换,得到了该问题的真实解答,并分析了泊松比、抽水形式和时间对饱和层状地基地表位移的影响。     

动荷载下饱水沥青路面黏弹性分析

为深入剖析沥青路面动水损坏机理,基于多孔介质理论,建立饱水沥青路面有限元模型,比较分析面层为弹性和黏弹性,以及面层饱水和表面层饱水的动力响应,并分析孔隙水压力峰值的发展规律和周期荷载对孔隙水压力的影响。结果表明,黏弹性面层的竖向变形和负孔隙水压力较大,正孔隙水压力较小,面层底部未出现水平拉应力;孔隙水压力峰值的大小及出现的位置发生改变,正、负孔隙水压力峰值出现的最终位置分别在底基层内和下面层内;与路面完全饱水相比,面层饱水和表面层饱水的竖向变形较大,面层饱水的面层层底的负孔隙水压力较大,而表面层饱水的表面层底负孔隙水压力较小;周期荷载的作用使孔隙水压力出现明显的周期性正、负交替,面层间的负孔隙水压力峰值变化率较基面层间的大。据此分析得出,面层特性对饱水沥青路面的动力响应有较大影响,面层饱水对基面层的损害严重,沥青路面的水损坏主要发生在面层的中下部。     

层状地基中隧道开挖对临近既有隧道的影响分析

首次采用弹性层状半空间地基模型,建立了多层地基中隧道开挖对临近既有隧道影响的连续弹性分析方法,改变了过去采用简化分析方法仅能在均质地基中求解此类工程问题的状况。首先,采用Laplace积分变换得到了直角坐标系下单层地基应力和位移的初始函数,在此基础上,运用矩阵递推技术,给出了竖向荷载作用下层状地基中应力和位移的解析表达式并将其作为分析该问题的基本解。然后,采用弹性层状半空间地基模型将既有隧道视为Euler-Bernoulli梁,地基土体连续位移采用弹性层状半空间体系的基本解进行计算,并引入临近隧道开挖引起的土体自由位移场影响建立该问题的连续弹性求解方程,从而可以求得隧道纵向位移和内力。最后,结合离心模型试验和有限元数值模拟算例进行分析,验证了本文方法的有效性。此外,为考察地基土成层性对既有隧道性状的影响,还对几种典型层状地基中的隧道进行了参数分析。成果可为合理制定地下工程施工对临近既有隧道的保护措施提供一定的依据。     

非轴对称垂直荷载下弹性半空间体理论解及力学分析

为反映轮胎实际接地压力形式下路面结构受力状态,以非轴对称层状弹性体系理论一般解为基础,针对非轴对称垂直荷载下弹性半空间体的边界条件,求解荷载函数的Hankel积分变换,完成非轴对称垂直荷载作用下弹性半空间体理论求解,并与圆形均布荷载下弹性半空间体力学响应进行对比分析。结果表明,非轴对称垂直荷载与圆形均布荷载下应力与位移的场分布差异显著,圆形均布荷载下最大拉应变、最大剪应力和最大弯沉值显著提高,表明荷载的非轴对称特性将加剧沥青路面的断裂和变形破坏。     

沥青混凝土路面面层与基层间破坏数值分析

市政公路是国民经济建设的基础设施,然而,此种路面结构在路面面层较薄的情况下,很容易发生剪切滑移现象。基于固体力学与弹性力学理论,采用有限元方法,对沥青混凝土面层的力学行为进行数值模拟。结果表明:在受到车辆荷载与温度荷载时,均可能造成沥青混凝土路面面层—基层层间破损,且这种破损也会改变面层、层间的应力分布,使其加速破坏,因此,沥青混凝土路面面层—基层层间剥离的早期检测与维修至关重要。     

复合式长寿命路面结构分析探讨

采用路面结构的三维参元法以及弹性层状体系理论,对PCC+AC复合式路面进行了荷载应力分析,并对复合长寿命路面结构进行了验算,结果表明,复合式长寿命路面改善了层弹性模量对PCC板底温度应力的影响,提升了路面的实际使用寿命。     

旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构温度应力分析

依据弹性层状体系理论,采用Abaqus程序建立三维有限元分析模型,从降温幅度、加铺层厚度、模量变化等方面,分析了旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构在温度荷载作用下的应力变化状况,结果表明:随降温幅度的增加,沥青加铺层底温度应力显著增大;随加铺层厚度的增加,沥青加铺层底部温度应力迅速降低;随加铺层模量的增大,加铺层底温度应力呈上升趋势。     

高等级公路沥青路面剪应力分布研究

基于线弹性层状体系理论，采用路面结构有限元法，主要探讨高等级公路沥青路面剪应力的分布规律及其影响因素。数据分析结果表明：在各结构层材料性能和厚度允许选择范围内，最大剪应力均分布在距路表3cm深度范围内；影响剪应力大小的最主要的因素是沥青层模量、泊松比和基层模量。通过计算数据与试验测试抗剪强度对比分析可知：对于普通三层沥青层面层结构，上面层和中面层应进行剪应力验算，且验算时需找到准确的计算点位才能得到各层内最大剪应力值。     

温度场与荷载对沥青路面车辙的影响及解决方案研究

研究温度场与交通荷载作用对沥青路面车辙变形的影响。通过实地测试沥青路面结构层内温度场分布,运用WITCZAK模型计算分析沥青路面结构层内混合料动态模量波动规律,并采用Bisar 3.0软件模拟计算不同荷载下路面结构层内的应力应变分布。研究结果表明,沥青混合料动态模量随路面温度场波动变化,高温下衰减量可达70%～90%。在温度场和荷载作用下,沥青路面上、下面层内应力应变明显。在路表向下温度递减的温度场下,路面上面层剪应变和竖向压应变等形变较大;在路表向下温度递增的温度场下,路面下面层剪应变和竖向压应变等形变较大。高温与重载的耦合作用易在上面层产生车辙变形;低温下长期荷载作用易在下面层产生车辙变形。在道路中下面层采用硬质沥青,并加强道路管理养护,可有效提升沥青路面的抗车辙性能。     

基于位移控制边界单元法盾构隧道开挖引起分层土体变形分析

 考虑地基土体非均质性的影响,基于弹性层状半空间地基模型,提出分析多层地基中盾构隧道开挖引起周围土体不排水变形的位移控制边界单元法,改变了过去采用简化分析方法仅能在均质地基中进行求解的状况。针对盾构隧道开挖边界引入椭圆化非等量径向土体位移移动模式,建立层状地基中洞周边值问题的边界积分求解方程,并采用高阶等参单元代替低阶常分布单元得到边界离散方程,同时以弹性层状半空间地基模型的基本解代替常规均匀介质体的Kelvin或Mindlin基本解,最终求得隧道洞周给定位移条件下的土体位移场。算例分析表明：位移控制边界单元法在计算均质地基和非均质层状地基中都具有较好的精度;对于非均质层状地基,如果采用以往的将不同土体参数近似折算成平均值进而按照弹性均质地基进行求解会带来较大的计算误差。研究成果可为合理评估盾构隧道施工对周围环境的影响提供一定的理论依据。     

基于ANSYS的简易路基横断面力学分析

采用ANSYS有限元软件,建立了道路结构模型,通过弹性假设及荷载添加,研究了面层模量对路面应力和位移的影响,根据其试验结果,指出随着面层模量的增大,位移逐渐减小,路面应力先减小后增大,为路基路面的合理设计提供了必要的理论依据。     

沥青路面永久变形预估研究

为了精确预估沥青路面的永久变形,以十天高速公路陕西汉中段为试验路段,通过实地观测统计获得了全年路面温度区间分布频率和全年不同温度区间的轴载等级分布频率,采用有限元建模并计算路面结构的偏应力,计算表明,偏应力随深度的增加呈先增大后减小趋势,且路面的中面层偏应力最大.通过不同温度及偏应力的三轴重复荷载试验,建立了SMA-13,AC-20,ATB-30沥青路面重复荷载永久变形黏弹性力学模型,其拟合相关系数大于0.980 0.综合考虑路面温度、路面厚度、荷载作用次数、荷载大小、路面结构中各点偏应力及沥青混合料蠕变柔量等因素,提出了沥青路面永久变形预估方法,试验表明,该预估方法可模拟沥青路面结构实际受力状态,准确预估其容许永久变形寿命.经计算,十天高速公路陕西汉中段的容许永久变形寿命为13a.     

土工格栅加筋对沥青路面影响的数值分析

应用复合材料力学原理和层状弹性体系理论对土工格栅沥青路面进行了力学分析。通过对计算结果中的应力、应变和位移分析,揭示了土工格栅的增强机理和防裂作用,同时还计算出加筋可以减薄路面厚度,而且 C-AC 层模量越大对加筋效果的影响越明显,但是同时也增大了基层底部的弯拉应力,可为路面设计提供参考。     

层状地基中盾构隧道开挖非均匀收敛引起临近管道变形预测

采用弹性层状地基模型来考虑地基土体的非均质性,并针对隧道开挖边界引入椭圆化非等量径向土体位移模式;采用基于位移控制技术的边界单元方法来求解土体自由位移场,提出层状地基中盾构隧道开挖非均匀收敛引起临近管道变形影响的位移控制分析方法。结合位移控制有限元数值模拟和既有离心模型试验结果进行对比分析,验证该方法的有效性。算例分析结果表明,土体自由位移场计算对管道纵向变形性能的评估具有较大影响;对于非均质层状地基,如果采用以往的将不同土体参数近似折算成平均值,进而按照弹性均质地基进行求解会带来较大的计算误差。研究成果可为合理制定城市地铁隧道施工对周围环境影响的保护措施提供一定理论依据。     

弹性多层地基刚性路面板的力学分析

本文根据工程实践的需要,提出了多层弹性地基刚性路面板的力学分析方法。该方法以弹性薄板理论与弹性层状体系理论为基础,通过汉克尔积分变换,推导了由于轴对称圆形均布垂直荷载所引起的板内应力以及层状地基内各个层次的应力与位移计算公式。该方法已编制成计算机程序,在南京工学院计算中心的DPS-8计算机上应用。得到了满意的结果。本文提出的方法,可以直接用于多层地基的刚性路面或机场道面的设计,也可用于分析刚性路面下基层的工作状态,从而研究刚性路面下基层的计算方法。