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深季节冻土区重载汽车荷载下路基动力响应和永久变形

收藏本文 2024-04-04 点赞:27725 浏览:122122 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:我国冻土面积分布广泛,冻融循环与重载汽车荷载是诱发季节冻土地区公路路基病害且引发路面破坏的两大主要原因。国内外关于季节冻土区重载汽车荷载下路基动力响应、长期重载汽车荷载下路基稳定性的研究罕有开展,公路路基病害机理认识不足。加之我国正处于高等级公路建设新时期,占国土面积超过一半的季节冻土地区内分布着纵横交错的国道、省道,如何评价季节冻土区(是深季节冻土区)高等级公路路基的稳定性与长期服役性能,降低路面、路基病害的发生且减轻运行维护难度,是制约我国寒区公路发展的瓶颈之一,也是面临的一大工程技术难题。此,本论文以深季节冻土地区高等级公路路基建造与运营维护为应用背景,室内试验、现场监测、理论分析、数值模拟相的技术手段,冻融循环与重载汽车荷载双重联合作用,开展重载汽车荷载下路基冻土与融土的动力参数、重载汽车-面层-基层-路基动力作用、重载汽车荷载下路基动力响应、长期重载汽车荷载下路基永久变形等科学问题研究,主要研究内容与取得的成果如下。(1)季节冻融循环与重载汽车荷载作用特点,基于低温动三轴试验研究了不同的含水量、冻融循环次数、荷载频率、负温、围压等条件下路基冻土动力参数;同时,基于常规动三轴试验研究了不同的含水量、冻融循环次数、荷载频率等条件下路基融土动力参数。以等效线性化模型描述冻土与融土的动应力~动应变关系,在经典双曲线模型基础上,了改进的Hardin双曲线模型以拟合冻土与融土的骨干曲线,分别研究了不同因素对最大剪切模量、剪应力幅值、最大阻尼比,以及剪应变幅值与剪切模量、阻尼比曲线的影响。(2)公路交通系统特点,在合理检测设基础上,建立了深季节冻土区重载汽车-面层-基层-路基动力作用简化分析模型,包括典型重载汽车行驶振动简化分析模型、面层-基层-路基动力作用简化分析模型、春融期面层-基层-路基动力作用简化分析模型、正常期面层-基层-路基动力作用简化分析模型。以路面不平度作为重载汽车-面层-基层-路基系统的附加激励,轮胎点接触模型和改进弹性滚子模型作为轮胎与路面的接触关系,实现了重载汽车-面层-基层-路基的动力作用,并Wilson-θ逐步积分法求解动力体系方程。(3)在第(2)项理论基础上,开发了深季节冻土区重载汽车-面层-基层-路基动力作用简化计算程序DATPS,并前人试验结果和数值结果验证了计算程序的可靠性和理论模型的正确性。进而研究了重载汽车荷载下行车因素与道路因素对轮胎接地压力、路面动位移、基层顶面压应力的影响,并了基层顶面动压应力荷载时程。(4)深季节冻土区高等级公路典型路基,现场动应力监测手段,研究了三轴重载汽车在不同的整车质量、行驶速度时行车迹线下路基内动压应力传播规律和分布特性。有限单元法,基于虚功原理,将重载汽车-面层-基层-路基动力作用简化分析模型计算的基层顶面压应力时程作为荷载输入,建立了基层-路基-场地粘弹性动力有限元分析模型,并验证了数值模型的可靠性。进而分析了不同的汽车类型、后轴轴重、行车速度、路面不平度等级、路基融化厚度对正常期和春融期路基内动应力分布规律的影响。(5)基于常用长期循环荷载下土体永久应变模型,了冻融循环与重载汽车荷载联合作用下路基融土永久应变模型,三轴固结不排水压缩试验和长期重载汽车荷载下动三轴试验确定该模型参数。以应力比为关联,上述第(4)项研究成果,研究了不同的汽车类型、后轴轴重、行车速度和路基融化厚度对路基永久变形发展的影响,据此了深季节冻土区长期重载汽车荷载下路基永久变形预测公式。关键词:深季节冻土区论文冻融循环论文重载汽车荷载论文动力响应论文永久变形论文高等级公路论文

    摘要5-7

    Abstract7-13

    Contents13-17

    第1章 绪论17-46

    1.1 课题背景与研究17-22

    1.1.1 课题背景17-19

    1.1.2 研究目的与19-22

    1.2 国内外研究进展22-42

    1.2.1 冻融循环后土的力学性能试验22-26

    1.2.2 汽车荷载下公路路面动力响应26-32

    1.2.3 汽车荷载下公路路基动力响应32-38

    1.2.4 交通荷载下路基永久变形38-42

    1.3 研究途径与内容42-46

    第2章 深季节冻土区重载汽车荷载下路基冻土与融土动力参数试验研究46-76

    2.1 试验简介46-50

    2.1.1 土样物理性质46-47

    2.1.2 试件制备与冻融循环47-48

    2.1.3 试验加载与终止标准48-50

    2.2 数据处理方法与改进Hardin 双曲线模型50-53

    2.3 冻土动力参数试验53-65

    2.3.1 动剪切模量54-60

    2.3.2 阻尼比60-65

    2.4 融土动力参数试验65-74

    2.4.1 动剪切模量66-71

    2.4.2 阻尼比71-74

    2.5 小结74-76

    第3章 深季节冻土区重载汽车-路面-路基动力作用简化分析模型76-117

    3.1 重载汽车-路面-路基-场地动力作用分析思路76-78

    3.2 重载汽车-路面-路基动力作用分析建模原则78-81

    3.3 重载汽车行驶振动简化分析模型81-93

    3.3.1 双轴重载汽车行驶振动方程82-83

    3.3.2 三轴重载汽车行驶振动方程83-86

    3.3.3 四轴重载汽车行驶振动方程86-88

    3.3.4 六轴重载汽车行驶振动方程88-93

    3.4 路面-路基动力作用简化分析模型93-111

    3.4.1 重载汽车-路面-路基动力作用简化分析模型93-100

    3.4.2 重载汽车-面层-基层-路基动力作用简化分析模型100-105

    3.4.3 春融期重载汽车-面层-基层-路基动力作用简化分析模型105-108

    3.4.4 正常期重载汽车-面层-基层-路基动力作用简化分析模型108-111

    3.5 重载汽车与路面之间作用关系111-114

    3.5.1 路面不平度激励111-112

    3.5.2 轮胎与路面接触关系112-114

    3.6 重载汽车-路面-路基动力作用简化分析模型求解114-116

    3.7 小结116-117

    第4章 深季节冻土区重载汽车-路面-路基动力作用分析117-142

    4.1 重载汽车-路面-路基体系动力作用分析计算程序117-120

    4.1.1 DATPS 计算程序结构与流程117-119

    4.1.2 DATPS 计算程序功能119-120

    4.2 DATPS 计算程序的验证120-132

    4.2.1 重载汽车荷载下路面动应变响应验证120-125

    4.2.2 重载汽车荷载下路面动应力响应验证125-129

    4.2.3 移动汽车荷载下路面动位移响应验证129-132

    4.3 重载汽车-路面-路基动力作用分析132-134

    4.3.1 模型参数选取132

    4.3.2 计算结果分析132-134

    4.4 重载汽车-路面-路基动力作用影响因素分析134-141

    4.4.1 行车因素134-139

    4.4.2 道路因素139-141

    4.5 小结141-142

    第5章 深季节冻土区重载汽车荷载下路基动力响应142-167

    5.1 重载汽车荷载下路基动应力响应现场监测142-151

    5.1.1 现场监测概况142-145

    5.1.2 监测结果与分析145-151

    5.2 重载汽车荷载下路基动力响应数值模拟途径151-161

    5.2.1 路基动力响应分析有限元方法简介151-155

    5.2.2 路基动力响应分析数值模型可靠性验证155-161

    5.3 重载汽车荷载下路基动力响应影响因素分析161-165

    5.3.1 汽车类型161-162

    5.3.2 后轴轴重162-163

    5.3.3 行车速度163-164

    5.3.4 路面不平度等级164

    5.3.5 路基融化厚度164-165

    5.4 小结165-167

    第6章 深季节冻土区重载汽车荷载下路基永久变形167-189

    6.1 路基土永久应变模型建立思路167-171

    6.1.1 典型的土体永久应变模型167-170

    6.1.2 路基永久应变模型建立思路170-171

    6.2 长期重载汽车荷载下路基融土永久应变模型171-179

    6.2.1 冻融循环作用下路基融土固结不排水压缩试验171-173

    6.2.2 长期重载汽车荷载下路基融土永久应变试验173-177

    6.2.3 长期重载汽车荷载下路基融土永久应变模型177-179

    6.3 长期重载汽车荷载下路基永久变形179-188

    6.3.1 路基永久变形计算179-182

    6.3.2 路基永久变形影响因素分析182-187

    6.3.3 路基永久变形预测公式187-188

    6.4 小结188-189

    与展望189-193

    创新点193-194

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