交通荷载下层状道路系统动应力特征分析

 通过原位监测试验的相关数据,总结出层状道路系统在交通荷载下的动应力时空分布规律。在现有弹性层状体系理论基础上,采用传递矩阵方法,结合黏弹性运动方程,推导交通荷载下三维黏弹性层状道路系统的动力响应解答,采用Matlab矩阵分析软件进行数值计算,和原位监测试验的结果进行对比分析。在上述分析的基础上采用快速拉格朗日有限差分程序FLAC3D编制交通荷载下层状道路系统动力响应分析程序,对层状道路系统进行三维数值模拟计算,分析层状道路系统内部动应力和动位移时空分布规律,并将计算结果与现场原位监测试验进行对比分析,证明计算程序的有效性。研究结果表明：(1) 浅层动附加应力随深度增加加速衰减,而深层动附加应力的衰减率不大;(2) 路面结构能有效扩散动应力;(3) 车辆自身振动将使动应力明显增大;(4) 动附加应力具有累积效应。     

下卧基岩黏弹性地基上刚性条形基础的水平振动响应研究

文章考虑地基土厚度的影响,对水平动荷载作用下下卧基岩黏弹性地基上刚性条形基础的动力响应问题进行了理论研究。通过傅里叶积分变换求解土的动力控制方程,并结合基底和地基的混合边界条件及土层刚性基岩边界条件,得到了一组对偶积分方程,使用雅可比正交多项式将对偶积分方程转化为线性方程组并进行数值求解。将文章所得解退化至黏弹性半空间情况,与已有文献进行对比,验证了本文解的合理性。参数研究表明：地基土层厚度对条形基础动力柔度系数和地基表面位移的影响显著;由于驻波在地基土层中的共振,使得基础和土体动力响应的变化规律相较于半空间情况更为复杂。     

回传射线矩阵法分析桩的横向动力响应

将Timoshenko梁引入到弹性地基梁模型中 ,考虑地基土的分层变化 ,建立了桩顶作用一水平动荷载桩的横向动力响应的基本方程。采用Fourier变换和回传射线矩阵法 ,获得了桩基横向自由振动的频率方程 ;通过离散Fourier反变换 ,得到了冲击荷载作用下桩身的动力响应。经算例分析 ,桩基横向动力响应的传播深度与土层分布以及桩土之间的相对刚度密切相关     

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。     

上覆弹性板双层地基在移动荷载作用下的动力响应

 用Fourier变换及逆变换对移动荷载作用下路基路面系统的动力响应问题进行研究。考虑路基路面相互作用,假设一条形移动荷载作用在路面板的表面,地基以地下水位面为分界面分为双层,水位面以上为单相弹性土层,以下为饱和土层。考虑地基土层厚度有限,利用Lame对位移场的分解理论,引入势函数,并运用Fourier变换分别对弹性土层和饱和土层进行分析。在Fourier变换域内,结合边界条件,联立路面板、弹性土层和饱和土层的运动方程,得到土体竖向位移、应力和饱和土层内孔隙水压力的表达式;同时利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果。计算结果表明,荷载速度、频率,饱和土层的渗透系数对地表竖向位移的影响很大;弹性土层厚度对竖向位移的影响依赖于荷载速度;弹性土层厚度以及弹性土层和饱和土层的相对刚度比对孔隙水压力有非常明显的影响。     

长期交通荷载作用下路基沉降的实用计算方法

目前尚没有方法能很好地预测长期不规则交通荷载引起的路基沉降变形。土在长周次微小振幅荷载作用下产生塑性变形的机理尚不清楚,现有弹塑性理论也很难描述这种变形。基于等价黏弹塑性模型的理论,提出了一个实用的预测长期交通荷载作用下路基沉降的计算方法。等价黏弹塑性模型由两部分组成:一部分为黏弹性模型,用于计算地基的动力响应,采用了Ramberg–Osgood动剪切模量公式和Hardin-Drnevich阻尼比公式;另一部分为计算残余应变的经验公式。根据动三轴试验所揭示的无黏性土在长周次循环荷载作用下的变形特点,以及移动荷载作用下路基土单元动应力过程的特点,建立了本模型中计算残余应变的经验公式。在得到各单元的残余应变后,可结合有限元方法计算得到路基的沉降。     

具有黏弹性衬砌的深埋圆形隧洞饱和土动力响应

 由于混凝土衬砌具有黏弹性性质,以往的弹性曲梁、弹性壳体等理论都难以描述其蠕变的全过程。将土体和混凝土衬砌分别视为饱和多孔黏弹性介质和具有分数阶导数本构的黏弹性体,在频率域内研究饱和黏弹性土和分数导数型黏弹性衬砌系统耦合振动特性。根据Biot理论和黏弹性理论,通过位移势函数,分别得到简谐荷载作用下饱和土和衬砌的位移、应力和孔压解析通解,并通过衬砌内边界以及饱和土和衬砌接触面处的应力和位移协调条件,给出待定系数的具体表达式。考察饱和土和衬砌各物性和几何参数对系统动力特性的影响,研究表明：饱和黏弹性土和分数导数型黏弹性衬砌系统的动力特性与饱和黏弹性土和经典黏弹性衬砌系统的动力特性存在较大差异。另外,随着土骨架阻尼比的增加,响应幅值逐渐减小。     

循环荷载作用下吸力锚基础变形的数值分析方法研究

张紧式吸力锚是一种重要的深水海洋浮式平台锚固基础。静荷载与循环荷载共同作用下地基土体产生较大变形,严重影响吸力锚基础的稳定性。介绍了一种能够描述饱和软黏土不排水循环应力应变响应的拟动力黏弹塑性本构模型。该模型将等效黏弹性理论和蠕变理论相结合,利用等效黏弹性模型描述土单元循环应力应变关系中的非线性和滞回性,依据蠕变关系描述土单元的循环累积性。基于拟动力黏弹塑性本构模型,提出了一种分析静荷载与循环荷载共同作用下软土中张紧式吸力锚基础变形过程的拟动力黏弹塑性有限元方法。该方法并不详细追踪土单元的循环应力应变响应,而是将循环次数视为时间,通过等效黏弹性分析确定吸力锚基础的循环变形;根据土单元静应力和循环累积应变势,采用初应变法确定吸力锚基础的累积变形。结合循环变形和累积变形,确定吸力锚基础变形随时间的变化关系,即位移时程曲线。最后,将有限元计算结果与1g条件下吸力锚模型试验结果进行比较,结果显示两者基本一致。     

两种均布荷载作用下沥青混凝土路面结构力学响应的对比分析

针对沥青混凝土路面结构的弹性层状体系理论计算方法和简化二维有限元计算方法,采用BISAR程序和ABAQUS有限元程序,分别计算了双圆垂直均布荷载作用下沥青混凝土路面结构的力学响应和条形均布荷载作用下沥青混凝土路面结构的力学响应,对比了由两种不同方法计算的层底拉应力、层底拉应变和路基顶面压应变的异同。研究结果表明,沥青混凝土路面结构的简化二维有限元计算方法不能等同于弹性层状体系理论计算方法。     

移动简谐荷载作用下层状道路结构的安定下限分析

为了研究移动简谐荷载作用下层状道路结构的安定性问题,先通过傅里叶变换方法和数值积分求得三维层状道路结构在时间–空间域内的动力响应,然后考虑饱和土层的有效应力场而不是总应力场,对现有的静力安定理论和安定极限求解方法进行改进,提出了有效安定极限的概念,并与考虑总应力的安定极限求解方法进行了对比分析。此外,针对饱和土层选取不同的有效内摩擦角,分别研究了荷载移动速度、荷载频率以及道路面层刚度对层状道路结构的有效安定极限和有效临界深度的影响规律。结果表明：有效安定极限与考虑总应力的安定极限求解方法得到的安定极限有明显差异;而且在荷载移动速度较大时,有效临界深度比考虑总应力的安定求解方法得到的临界深度更深。有效安定极限的求解方法更适用于包含饱和土层的层状道路结构设计和安全评估。     

粉质粘土路基冲击压实动力响应数值模拟研究

依托实际工程,应用有限差分软件FLAC 3D分层建立高速公路粉质粘土路段路基模型;通过在路基模型顶面施加1次动力荷载和施加不同次数动力荷载,对路基模型的动力响应进行数值模拟分析,研究了冲击作用下动应力、竖向位移沿深度和径向距离的变化规律。结果表明:冲击轮冲击路基表面破坏土体结构,从而使路基土体密实,冲击碾压加固路基效果显著;土体中加固区近似为椭球体,其剖面为椭圆形;土体中动应力、竖向位移沿径向的衰减速度大于竖向的衰减速度,径向的影响宽度小于竖向影响深度;当冲击压路机保持正常的工作速度12 km·h^-1,路基填筑高度为1 m时,冲击碾压次数宜在20次左右。     

Application of the two-layer system theory to calculate the settlements and vertical stress propagation in soil reinforcement with geocell

This paper presents a methodology for determining the surface settlements of the geocell-reinforced soil layer and the vertical stresses propagated to the foundation subgrade at the layers interface, on the subgrade. Based on the theory of equivalent thicknesses, which is an approximation of the theory of elasticity for layered systems, a generalized equation for determining settlements was proposed in a two-layer system composed of geocell-reinforced soil layer over the subgrade. The equation obtained is dependent only on the relations between the elastic parameters of these two layers, such as the deformation moduli and Poisson's ratio, and geometric parameters, such as geocell layer thickness and loading width,. The proposed equation generated very close results with rigorous solutions of the two-layer system from the theory of elasticity. It was applied, together with rigorous methods, in an instrumented field Plate load test allowing the determination of the geocell-reinforced soil layer modulus of deformation by retro analysis and the vertical stresses propagated to the subgrade. The results showed that the two-layer system theory from theories of elasticity and equivalent thicknesses can be used in a simple and efficient way for determining settlements and the propagation of vertical stresses. The proposed methodology also satisfactorily calculated these results when compared with the rigorous methods and with the values obtained in the field test.     

中—强膨胀土地区铁路路堑基床动静态特性模型试验

为研究以中—强膨胀土为地基的高速铁路路堑基床在不同服役环境下的动静态特性,在实验室内进行1∶1大比例尺模型试验,分别对基床在干燥状态、降雨和地下水位上升3种服役环境下以4 Hz频率进行100万次激振,监测路堑基床不同位置的动态响应和变形规律。结果表明：轨道正下方位置基床范围内的动应力主要受服役环境影响,与激振次数关系不大;动应力沿深度的衰减曲线近似成二次曲线型;膨胀土路堑基床变形受服役环境的影响大于振动次数;干燥状态和降雨时,基床变形随着振动次数的增加先增大后趋于稳定,地下水位上升时,基底膨胀土膨胀变形,并引起基床产生回弹变形;基底膨胀土干缩湿胀过程中的“过程性变形差”会造成轨面标高反复变化,极大的增加线路维护工作量。     

PFWD模量控制的路基承载力动力学指标评价方法

针对当前动力学测定路基承载力难以形成统一标准、弯沉控制指标误差较大,无法精准测定的现状,提出基于便携式落锤弯沉仪(portable falling weight deflectometer,PFWD)模量控制的路基承载力动态力学指标评价方法。以冲击荷载作用下弹性半空间体力学模型,对PFWD动静力学测定指标的差异化进行理论分析,有限元数值模拟构建弹性路基土的动应力空间分布,依托工程实际揭示PFWD的检测特性,并提出精准测定方法。结果表明：PFWD的影响范围,深度方向2.5倍的承载板直径,水平方向以承载板圆心2倍直径的圆周;冲击荷载作用下路基土的动应力衰减规律为σz随深度方向衰减,σr呈45°衰减且速度更快;动静力学测试产生误差的根本原因为刚性承载板与路基土的不完全接触及非线弹性特质;PFWD的检测特性为高估路基刚度,但刚度越大动静差异越小;提出动力学指标预测模型,该模型的相关系数高,避免了线性模型对原点的修正,满足高精度检测的同时提高了检测效率。从而建立基于模量控制的快速检测方法与思路,为高速公路路基承载力的动力学精准测定及科学评价提供参考。     

含土洞、溶洞的机场滑行道路基稳定性评估

某新建机场滑行道路基中存在土洞和溶洞，且路基上部土层承载力低。为了评估该滑行道路基稳定性，采用地层结构模型，按弹塑性有限元理论分析未加固和加固路基在飞机重力荷载作用下的力学响应，计算结果显示：(1)在飞机动载作用下，未加固路基表层土和上部土洞、溶洞产生较大的塑性变形，洞周岩土体出现塑性屈服，整个路基处于不稳定状态：(2)对路基表层土进行注浆加固，或同时对路基表层土、土洞、溶洞注浆加固，路基面和土洞、溶洞周边位移减少，路基中产生的塑性屈服区也大大减小，但路基表层土中仍存在塑性屈服区，路基面竖向变形仍较大，建议对滑行道路基采用其他加固措施。     

非饱和粘土路基平衡湿度空间分布特征及预估

通过室内外试验探讨了非饱和粘土路基平衡湿度沿道路横断面的空间分布特征，并基于非饱和土力学基本理论，采用滤纸法测定了不同含水量土样的基质吸力，标定了反映含水量与基质吸力单值函数关系的土水特征曲线模型，建立了大气降水/蒸发影响区以外非饱和粘土路基平衡湿度的预估方法。研究结果表明，近中央分隔带和路肩处的上部路基土的平衡湿度受大气降水/蒸发的影响显著；大气降水/蒸发影响区以外的路基土平衡湿度主要受控于地下水位的影响；Fredlund&Xing模型可较好地表征非饱和粘性路基土湿度和基质吸力的相关关系，模型参数拟合结果具有较高的可靠性；地下水位控制区粘土路基平衡湿度预估结果与试验测试值之间具有较高的一致性，预估方法合理可靠。     

高铁单线路基循环累积变形分析方法及其可靠度分析

 极限状态设计方法是我国铁路工程走向国际的重要步骤,而路基循环累积变形是设计中控制标准之一。基于永久应变经验公式,提出列车荷载作用下路基循环累积变形的预测模型,通过1∶1路基模型试验验证了该预测模型的适用性。在此基础上,引入动应力及路基填料参数的变异性,建立路基循环累积变形的极限状态方程,并根据武广线现场实测数据确定路基面动应力幅值的变异系数。通过可靠度指标对计算参数变异系数的敏感性进行分析,分析动应力及填料参数的变异性等控制因素的影响作用,并确定了变异程度控制范围作为实际工程中的控制标准。可靠度分析的方法考虑了荷载及填料参数的不确定性因素,使得理论预测更加接近工程实际。     

公路软基工后沉降研究进展

公路建成通车后,软基土受到的附加应力水平随即发生改变,除原来填土路堤静荷载作用外,还受行车动荷载的作用。因此,软基工后沉降应包含静荷载作用和动荷载作用两方面的贡献,这也是导致实际软基工后沉降量通常要大于仅根据静力学理论分析预测的软基工后沉降量的原因所在。在综合国内外学者对公路软基工后沉降方面研究成果的基础上,对比分析路基土在路堤静荷载作用和行车动荷载作用下的不同力学行为特征,探讨路堤静荷载作用与行车动荷载作用在公路软基工后沉降的不同贡献,总结当前公路软基工后沉降研究存在的主要问题,提出公路软基工后沉降的6个组成分量及研究发展趋势。     

模拟路基动力响应的原位激振试验研究

动荷载下路基动力响应规律是研究路基长期动力稳定性的基础。采用自行研制的分离式变频激振器,开展铁路路基动力响应的模型试验,研究不同激振频率、动载水平下铁路路基本体的动力响应规律,掌握石灰改良土+粉质黏土填筑的铁路路基本体的共振频率约为25 Hz,路基表层的振动加速度、动应力随着激振频率的增加而显著增大;弄清了振动加速度、动应力沿深度和水平方向的变化规律,两者在主要影响深度1.5 m处已衰减90%,表明其沿深度方向的衰减速度较无砟轨道路基情况下快,而两者沿水平方向的变化受到应力扩散效应的影响,在浅层水平面会迅速衰减,而一定深度(0.7 m)处反而比较稳定,反映了路基动力响应的空间变化特征。