软土地区高速公路振动、累积变形特性与设计方法研究

摘要

高速公路大规模建设和运营一方面可以促进社会发展、满足人民日益增长的出行需求，另一方面它带来的负面影响也不容小觑，例如噪音、污染、振动、不均匀沉降等。目前，环境振动已是世界公害之一，引起了社会各界的广泛关注；此外，高速公路地基土体在交通荷载作用下产生的长期沉降会导致桥头跳车、地基失稳等不利后果，轻则降低乘客舒适度，影响乘车体验，重则引发安全事故，威胁人民生命、财产安全。因此，本课题具有巨大的科研价值与实际意义。基于以上背景，本文详细研究了交通荷载作用下软土地区高速公路的环境振动，在此基础上结合实测数据开展了软土地基累积变形特性及设计方法研究，主要研究工作如下： （1）建立重型卡车-不平顺路面-饱和半空间耦合模型研究交通荷载作用下不平顺路面引发的饱和地基动力响应，采用完全饱和多孔半空间介质模拟地基，Kirchhoff薄板理论模拟路面系统，正弦曲线模拟路面不平顺，通过线性Hertizian接触模型得到车轮-路面相互作用力，研究了车轮-路面相互作用力随激振频率的变化，以及分别由重型卡车轴重荷载和车轮-路面相互作用力（动力荷载）引发的地基土体不同深度处的应力与超静孔隙水压响应，并分析了交通荷载引发的地基土体单元总应力路径与有效应力路径。 （2）建立交通荷载-不平顺路面-双层地基动力响应模型研究路面不平顺对高速交通荷载引起的成层地基振动的影响，双层地基上层与下层土体分别采用单相弹性介质理论与Biot饱和两相介质理论进行模拟，车辆荷载模拟为四个矩形移动荷载。系统控制方程用Fourier变换求解，时域结果通过快速Fourier变换（FFT）求得。详细分析并对比了轴重荷载和动力荷载对成层地基土体竖向位移、振速、加速度、动应力及超静孔隙水压响应的影响。 （3）为研究软土地基高速公路累积变形特性，采用依据粘弹塑性理论建立的等时间线模型模拟软土地基固结沉降和蠕变变形，采用依据室内试验建立的循环累积应变模型模拟交通荷载引发的地基沉降，提出了一种可同时考虑土体蠕变变形和交通循环荷载作用的软土地基长期沉降预测模型。通过与浙江省申嘉湖高速公路实测沉降数据对比，验证了该模型可准确预测软土地基高速公路施工期与通车后的沉降，研究了交通荷载移动速度及路堤堆载等因素对道路沉降各组成部分的影响。 （4）针对软土地基上的高速公路经常发生工后沉降过大的情况，本文探索性地应用道路力学-经验设计法预测交通荷载引发的软土地基高速公路工后沉降，研究其在中国的适用性。采用交通荷载-路面-双层地基动态响应模型计算地基土体动应力，再将道路力学-经验设计法计算结果与国内不同地区多条高速公路工后沉降实测数据进行对比，验证了该方法在中国的适用性，为在中国推广应用道路力学-经验设计法积累了一定经验。 本文建立了一系列理论模型，深入研究了交通荷载作用下软土地区高速公路的环境振动，并在此基础上研究了软土地区高速公路累积变形特性与设计方法，为准确评估高速公路振动及预测其累积变形提供了科学指导和理论依据。

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摘 要

Abstract

目 次

第1章 绪论

1.1前言

1.2 研究现状

1.2.1 移动荷载引发的地基动力响应

1.2.2 车辆-道路耦合模型

1.2.3 软土地基固结特性

1.2.4 循环交通荷载作用下软粘土地基沉降研究

1.3 以往研究存在的问题

1.4 本文研究内容

第2章 交通荷载作用下不平顺路面-饱和半空间耦合系统的动力响应研究

2.1 引言

2.2 饱和多孔半空间控制方程及求解

2.3 薄板控制方程与求解

2.4 车辆模型的建立

2.5 路面-地基系统的求解

2.6重型卡车与不平顺路面-饱和地基系统的耦合求解

2.7 数值算例

2.7.1 模型验证

2.7.2 车轮-路面动力荷载

2.7.3 轴重荷载产生的饱和土体动应力响应

2.7.4 动力荷载产生的饱和土体动应力响应

2.7.5 饱和半空间土体的超静孔隙水压响应

2.7.6 应力路径

2.8. 本章小结

第3章 交通荷载作用下不平顺路面-成层地基振动影响研究

3.1 引言

3.2 模型建立

3.3 数值计算分析

3.3.1 模型验证

3.3.2 车轮-路面动力荷载随激振频率的变化

3.3.3 轴重荷载与动力荷载对地基表层土体竖向位移的影响

3.3.4 轴重荷载与动力荷载对地基表层土体振动速度的影响

3.3.5 轴重荷载与动力荷载对地基表层土体加速度的影响

3.3.6 轴重荷载和动力荷载对地基土体竖向应力的影响

3.3.7 轴重荷载和动力荷载对土体超静孔隙水压的影响

3.4 本章小结

第4章 循环交通荷载作用下软土地区高速公路长期沉降研究与工后沉降预测

4.1 引言

4.2依托工程简介

4.3 模型描述

4.3.1 路面-路堤-双层地基动力响应模型

4.3.2 等效时间线模型

4.3.3 循环累积应变模型

4.4 算例分析

4.4.1 交通荷载引发的地基中不同深度竖向动应力

4.4.2 循环交通荷载作用下软土地基工后沉降预测

4.4.3 参数分析

4.5 本章小结

第5章 道路力学-经验设计法在软土地区高速公路沉降预测中的应用研究

5.1 引言

5.2 力学-经验设计法

5.3 路面-路堤-双层地基耦合模型

5.4 数值算例

5.4.1 上海-嘉兴-湖州高速公路

5.4.2 连云港-盐城高速公路与崇明-启东高速公路

5.4.3 上海-成都高速公路

5.4.4 北京-珠海高速公路

5.4.5 嘉兴-绍兴高速公路（跨江通道南岸接线）

5.4.6 绍兴钱滨线道路试验段现场监测

5.5 讨论

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文总结

6.2 主要研究结论

6.2.1 交通移动荷载作用下不平顺路面引发的地基动力响应研究

6.2.2 路面不平顺对交通移动荷载引起的成层地基振动影响研究

6.2.3 交通移动荷载作用下软土地基高速公路长期沉降特性

6.2.4 力学-经验设计法在预测中国软土地基高速公路工后沉降中的应用

6.3 存在的不足与下一步展望

参考文献

附录A

作者简历及在学期间所取得的科研成果