平原水网地区低路堤高速公路路基动力特性研究

　　平原水网地区低路堤高速公路路基动力特性研究第一章绪论1.1选题背景与意义高速公路作为在地表上修建的具有相当长度的带状构造物，给人们的交通带来了极大的便利。我国当前高速公路设计，多采用高于2.5m的高路堤设计方案。高路堤设计满足路基工作区深度要求，同时有效阻止路基毛细水的上升。我国东南沿海平原地区分布着深厚软土，此区域内修建高速公路容易产生较大的沉降变形，进而造成路基沉陷下沉、桥头跳车、路面开裂等病害，同时，采用高路堤设计还面临路基填筑稳定性、工后沉降控制、施工周期，环境协调等问题。针对上述高路堤的不足，低路堤设计理念产生。随着路堤高度的降低，不但克服上述几点确定，还可节约大量的土地资源，根据已建工程京津塘高速估算，每降低路基高度1m，工程造价可降低15-18%。简言之，低路堤具有节约土地、节省造价、行车安全、景观协调等优点。究竟路基填土高度达到多少可以称之为低路堤设计？目前并没有统一的标准。一般认为，以力求降低主线路基平均填土高度，通过增设辅道及支线上跨桥来沟通高速公路两侧，当平均填土高度小于符合当地情况的某一个规定值、下穿通道1降到比例时可称为低路堤。这里的最小填土高度是指填方路基最小填土（指填料为粘质土、粉质土或土质砂）高度，也就是路床顶面边缘标高与原地面标高之差值，其最小高度不应小于路床处于干燥、中湿状态的临界高度。平均填土高度是指在道路设计纵断面线上，一定范围内的道路设计标高与原地面标高之差的平均值。国外发达国家高速公路路堤高度普遍较低，平均在0.5-1.0m,几乎与原地面平齐，线路线形与地势协调，尽量减少人为的填挖。国外普遍采用低路堤设计是由于汽车比较普及，公路沿线人口密度小，较少穿越线路。1.2交通荷载对低路堤影响研究现状 针对交通动荷载累积作用问题，国内外研究人员分别从理论分析数值计算和试验等方面开展研究。这些研究主要包括以下几方面内容：路面设计规范中把车辆荷载看做集中点荷载或分布荷载，考虑行驶车辆多样性，《公路浙青路面养护技术规范》定义了车辆荷载轴载换算关系式，把车辆按公式换算为日标准轴载作用次数。再将车辆荷载作用换算为效果相同的路基土土层，换算土重与路基土相同。也有部分研究人员提出异议，认为换算结果与实际不符，该换算进行当量填土荷载等值换算，没有考虑到车辆荷载动力作用。常用汽车荷载模拟模型主要有以下几种：1)傅立叶级数。即用Fourier级数描述汽车荷载，考虑波动叠加性，Fourier级数表达的荷载模型适用于波传导单元；2)随机荷载模型。该模型考虑了路面平整度随机性，通过路面功率谱PSD来对汽车荷载进行描述，路面平整度以单位长度内波峰幅值表示。3)多自由度模型。该模型认为车辆荷载是多自由度振动系统。可分别用单自由度、双自由度、四自由度模型进行模拟。其中已有研究成果包括，Sun和l<enndy采用双自由度模拟车辆，并考虑车辆设计指标，车速，路面平整度等因素的影响。Hrovat模拟车辆动载采用了单轴双自由度模型，重点考虑车重以及悬挂体系对运行舒适度的影响。在此基础上，PAN等建立了三自由度车辆模拟系统。国内学者周华飞等采用了双自由度振动车辆简化模型，分析路面不平整引起的车辆附加动荷载。于清则建立了四自由度振动车辆简化模型，分析不同车速行驶的车辆动载。（4)波形模型。凌建明采用三角波形来模拟路基顶面竖向应力变化，得出<0.9的相关系数，由此认为可用三角波曲线来描述动土压力。Hyodo和Yasuhara将10吨卡车分别以0，10，20，30,35km/h的速度进行试验测试，得到地基不同深度竖向土压力。数据分析得到可用半波正弦曲线描述竖向土压力。上述研究或从路面力学或从车辆力学考虑，基于对路基作用的研究较少。.第二章交通荷载对低路堤影响试验2.1车辆荷载测试 为获取交通荷载作用下低路堤结构内动力响应分布与变化情况、水影响下路基干湿循环情况，研究拟选取具有代表性的低路堤试验段，公路建设时期在路面、路床、路堤、地基等不同深度内埋设用以测试动力响应、路基含水量、地下水位的元件，高速公路通车后采集动应力、动应变、含水量等关键指标，揭示低路堤高速公路的路基工作状态，从而为设计提供科学依据。通过磁铁固定6个压电式加速度传感器在前后车桥轴头用于量测垂向振动加速度。测试时将数据采集系统和笔记本电脑安置在行驶的汽车的驾驶室内，所有电源为汽车的蓄电池组（若不可行，则使用备用电瓶）。所有被记录在电脑中的信号，经软件处理后，便可得到所需要的数据。路面不平整度是车辆产生随机振动的激励，采用3米直尺法，对试验路段的路面不平度进行量测，从而可以更好的分析车辆随机振动的特性。具体方法及测试步骤参照《公路路基路面现场测试规程》（jTJ059-95)。..2.2路基、路面结构层动力测试2.2.1试验目的基于实测行车荷载传播规律及路基、路面动力响应规律，探讨考虑交通荷载影响的路基沉降计算方法、确定低路堤合理的路基路面结构型式及软基处理方法，为浙北地区低路堤成套设计方法及施工技术的获得奠定基础。2.2.2测试内容通过钻机进行竖向钻孔，用速度型检波器在不同孔深处进行测试，获取路面、路堤及地基不同深度处的振动速度，进而通过微分换算成振动加速度，通过积分换算成振动位移，以此反映汽车动应力沿深度衰减情况及路基的动力响应情况。路基的动应力传播规律及影响范围、深度可通过在不同深度处埋设动土压力盒测得，但杭浦高速公路路基已填筑到位，路基面精平工作正在进行，不大可能将路基挖开埋设压力盒，即使挖开后在不同深度处埋设元件，也难以保证回填材料及其压实效果与原来一致，致使测试结果不能反应真实情况，为此，参照江苏省连盐高速公路现场测试经验，考虑采用钻机钻孔后通过速度型检波器对不同深度测点进行测试的方法来获取路基不同深度处的振动位移，以此反映动应力的衰减规律及路基土的动力响应规律；而动土压力盒及动应变计则随路面各结构层施工进度埋设在路基顶面和路面各结构层中。.第三章低路堤动力响应测试试验数据分析..........273.1现场测试工作.........273.2低路堤动力响应测试资料分析.........313.2.1路基路面结构内动土压力.........313.2.2路基路面结构内动应变测试.........333.2.3路面振动响应测试.........353.3小结.........39第四章低路堤动力响应数值分析.........424.1简化物理模型.........424.2有限元数学模型.........45 4.3计算结果分析.........474.3.1路基路面结构动力响应.........484.3.2交通荷载对低路堤沉降影响分析.........504.4小结.........55第五章结论与展望.........59第四章低路堤动力响应数值分析4.1简化物理模型嘉绍高速公路沿线地质土层分布大致为：表层（I层）为软硬塑状粘土或亚粘土，厚0.5-4.0m,容许承载力80-100kPa，为地表硬壳层；其下（11层）为流软塑状游泥质粘土、亚粘土层，厚0.6-31.5m，容许承载力60-80kPa，为本工程主要软土层。再下（m、IV层）主要是硬塑或可塑状态的亚粘土、粘土以及亚砂土，容许承载力140-220kPa，为相对硬层。嘉绍高速公路主要的不良地质问题是软土问题。线路穿越湖塘、鱼塘、水塘及沿河（塘）等，表层游泥给路堤稳定带来威胁。从土工试验分析结果看，游泥质粘土和亚粘土层（11)是本工程的软弱土，主要物理力学指标为：天然含水量39-44%,孔隙比1.06-1.24，压缩系数为0.6-0.9MPa-i，压缩模量2.3-3.3MPa，快剪C值13.4-19.7kPa，快剪cp值4.7-7.1°。公路的地基处理方法主要是插塑板和搅拌桩处理。综合考虑试验断面情况与计算需要，取地基计算深度22m，图4.2-4.5为本文计算模型。考虑车轮与路面接触处作用力最大，这两处网格划分加密。因为路基是长条基础，在此将其简化为等效应变二维问题求解；把独立分布塑料排水板等效为排水墙。结论 平原水网地区修筑低路堤，其使用功能与使用寿命面临的主要问题在于交通荷载作用和水的影响，长期循环交通荷载直接作用于路床以下地基部分，地下水位随季节与气候的变化以及毛细水作用造成的路基填料干湿循环，都对低路堤的强度与稳定性产生不良影响，为此，课题组在嘉兴高速公路现场选取两个代表性试验段，埋设应力、变形、含水量等测试元件，对通车后低路堤的工作状态进行测试，通过数据分析以揭示交通荷载作用在低路堤引起的动力响应分布以及程度、低路堤内干湿循环状况；此外，还通过有限元计算与理论分析的手段，对低路堤不同工况下的使用性能进行对比，取得了以下主要结论：测试成果动荷载响应测试结果表明：低路堤路面结构动应力响应体现出与一般高速公路类似规律，动应力范围在3-60kPa之间，动应力随深度增加衰减明显，从面层至底基层底部衰减可达60%;车辆荷载对动应力影响明显，在同一位置，20t大车产生的动应力是2t小车6-10倍；随车速的增加动应力也呈现增加的趋势，但车速达80-100km/h时，增幅不明显；车辆经过时动应变范围在10-220叫之间，随车荷载与车速增加，动应变也逐渐增大；大车是小车应变2-3倍，其中测试结果发现横向（垂直线路走向）动应变普遍小于纵向动应变。