（市政工程专业论文）交通荷载作用下软粘土复合路基的动力响应分析.pdf

浙江大学2 002 级硕士学位论文 交通荷载作用下软粘土复合路基的动力响 应分析 摘要 随着国民经济的发展，普通等级公路已经不能满足交通运输业的需要。近 年来， 我国高速公路得到了迅速的发展。 高速公路上行车速度快， 交通流量大， 与一般公路相比较，高速公路对路面、路基的要求更高。受地理位置的限制， 许多高速公路不得不建立在软土地段上，由于软土的强度很低，压缩性高，透 水性很小，而且还存在流变性，使得筑路工程技术变得困难和复杂。从已建软 土地基上高速公路运行情况来看，工后沉降普遍较大。交通荷载作用下路面的 沉降变形，一直是工程界普遍关心的问题，也是一值得深入研究的课题。 本文首先介绍了交通荷载的特性以及模拟实现问题，将分别采用半波正弦 荷载和移动恒载来模拟交通荷载。然后阐述了复合地基动力特性以及目 前研究 现状。最后，将研究的课题简化为平面应变问 题， 分别采用线弹性和弹塑性土 体本构关系，应用有限单元法来分析路基在交通荷载作用下的瞬态响应。具体 内容如下: 1 、 将以路基横断面为研究对象， 采用半波正弦荷载来模拟交通荷载。 首先， 考虑到数值计算的精度和代价问 题，确定了路基横断面内荷载的影响范围，研 究了荷载作用时间与路面竖向位移的关系。采用桩土分析法，计算分析在一个 荷载周期内，弹性路基内各研究节点的 位移、竖向应力、桩土应力比的瞬态响 应。再计算循环加载情况，考虑土体参数时变性，在不同路堤高度下，弹塑性 路基内各研究节点的应力位移响应以 及路面的最终沉降，分析了路堤高度对路 面沉降的影响。 2 、 以一定长度内的路基纵剖面为研究对象， 采用移动恒定荷载来模拟交通 荷载，先分别应用群桩分析法和复合模量法的思想，计算分析了在移动荷载作 用下，弹塑性路基上各研究节点的位移、竖向应力、桩土应力比的瞬态响应， 对两种方法所得结果进行比较分析。再采用不同车速和不同路堤高度，计算弹 塑性路基在移动恒载作用下产生的变形沉降，分析车速和路堤高度对路面变形 的影响。 本文提出的研究方法和成果，将为交通荷载作用下复合路基动力分析的进 一步研究提供一定的理论依据和参考作用。 关键词: 交通荷载动力响应时变性竖向位移竖向附加应力 桩土应力比 浙江大学2 0 0 2 级硕士学位论文 a n a l y s i so n d y n a mi c r e s p o n s e o f s o f t c l a y - c o mp o s i t e f o u n d a t i o n u n d e r t r a n s p o r t a t i o n l o a d s ab s t r a c t wi t h th e r a p i d d e v e l o p m e n t o f n a t i o n a l e c o n o m i c , h i g h w a y o f n o r m a l l e v e l h a s s a t i s fi e d t h e gr e a t n e e d o f t r a n s p o rt a t i o n b u s i n e s s . s o , m a n y fr e e w a y s h a v e b u i l t r e c e n t l y b e c a u s e o f t h e i r a d v a n t a g e s . a n d al s o b e c a u s e o f h i g h s p e e d o f v e h i c l e a n d h e a v y t r a ff i c , c o n t r a s t t o h i g h w a y o f n o r m al l e v e l , h i g h e r r e q u e s t s a r e p o s e d f o r t h e p a v e me n t a n d g ro u n d . r e s t r i c t e d b y g e o g r a p h y p o s i t i o n , m a n y f r e e w a y s h a v e t o b e b u i l t o n t h e s o ft - s o i l gr o u n d . b e c a u s e o f l o w i n t e n s i t y , h i g h c o m p r e s s i b i li ty , l o w p e r m e a b i l i ty a n d t h e o l o g y o f s o ft - s o i l , t e c h n o l o g y o f fr e e w a y c o n s t r u c t i o n b e c o m e s mo r e d i f fi c u l t a n d c o m p l i c a t e d . f r o m t h e i n v e s t i g a t i o n a b o u t r u n n i n g o f fr e e w a y , s e t t l e me n t o f e m b a n k m e n t a ft e r w o r k a r e u n i v e r s a l l y c o n s i d e r a b l e . t h e d e f o r m a t i o n a n d s e tt l e m e n t o f p a v e m e n t u n d e r t r a f fi c l o a d s a r e t h e p r o b l e m w h i c h i s c o n c e rn e d a b o u t a l l al o n g , a n d a l s o a p r o j e c t t o b e s t u d i e d d e e p l y . i n t h i s p a p e r , t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t r a n s p o r t a t i o n l o a d s a r e i n t r o d u c e d f i r s t l y , a n d t h e n m o v a b l e i n v a r i a b l e l o a d a n d s t a b l e s i m p l e h a r m o n i c l o a d a r e d e c i d e d o n a s t h e s i m u l a t i o n o f t r a n s p o r t a t i o n l o a d s . s e c o n d l y , t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t ic s o f s o ft - s o i l c o m p o s i t e gr o u n d a n d s t a t u s o f s t u d y o n t h e m a t p r e s e n t a r e e x p o u n d e d . a t l a s t , t h e p ro j e c t t o b e s t u d i e d i s s i m p l i f i e d a s a p r o b l e m o f p l a n e - s t r a i n , a n d u s i n g b o t h l i n e a r - e l a s t i c m o d e l a n d e l a s t i c - p l a s t i c m o d e l , t r a n s i e n t r e s p o n s e o f c o m p o s i t e gro u n d u n d e r t r a n s p o rt a t i o n l o a d s a r e a n a l y z e d w it h f e a m e t h o d . t h e m a i n c o n t e n t s a r e a s t h e f o l l o w in g : 1 . v i e w i n g th e c ro s s s e c t i o n o f s u b g r a d e a s t h e s t u d y i n g t a r g e t , t r a f f i c l o a d i s s i m p li fi e d a s h a l f - s in u s o i d a l l o a d . f ir s t l y , c o n s i d e r i n g t h e p r e c i s i o n a n d c o s t s o f n u m e r i c al c o m p u t i n g , t h e i n c i d e n c e o f l o a d ii i th e f o u n d a t i o n i s s p e c i f i e d b y c al c u l a t i o n a n d t h e r e l a t i o n b e t w e e n l o a d c y c l e a n d v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t o f r o a d s u r f a c e i s s t u d i e d . t h e n , t r a n s i e n t r e s p o n s e o f v e r t ic a l d i s p l a c e m e n t , v e r t i c a l s t r e s s a n d p i l e - s o i l s t r e s s r a t i o o f s o m e n o d e s i n t h e e l a s t i c s u b gr a d e a r e c o m p u t e d i n o n e s i n g l e l o a d c y c l e . f i n al l y , r e g a r d i n g h e i g h t o f e m b a n k m e n t a s p a r a me t e r , c o n s i d e r i n g t im e - v a r i a n t i o n o f c l a y , th e t r a n s i e n t r e s p o n s e o f s t r e s s a n d d i s p l a c e m e n t o f n o d e s i n t h e e l a s t i c - p l a s t i c s u b g r a d e a n d t h e p e r m a n e n t s e t t l e m e n t o f r o a d s u r f a c e a r e c o m p u t e d , s o t h a t t h e i n f l u e n c e o f 浙江大学2 0 0 2 级硕士学位论文 h e i g h t o f e m b a n k m e n t o n s e t t l e m e n t o f r o a d s u r f a c e i s a n a l y z e d 2 . v i e w i n g t h e l e n g t h w i s e s e c t i o n o f s u b g r a d e as t h e s t u d y i n g t a r g e t , t r a f f i c l o a d i s s i m p l i f i e d as m o b i l e i n v a r i a b l e l o a d . f i r s t l y , t r a n s i e n t r e s p o n s e o f v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t , v e r ti c a l s t r e s s a n d p i l e - s o i l s t r e s s r a t i o o f s o m e n o d e s in t h e e l a s t i c s u b g r a d e a r e c o m p u t e d u n d e r m o b i l e i n v a r ia b l e l o a d w i t h p i l e - s o il a n a l y s i s m e t h o d a n d c o m p o s i t e - m o d u l e m e t h o d r e s p e c t i v e l y , a n d t h e r e s u l t s o b t a i n e d w i t h t h e t w o m e t h o d s a r e c o m p a r e d a n d a n a l y z e d . t h e n , s e e i n g t h e v e l o c i t y o f v e h i c l e a n d h e i g h t o f e m b a n k me n t a s v a r i a n t s , s e t t l e m e n t s o f s u r f a c e o f e l a s t i c - p l as t i c s u b g r a d e u n d e r m o b i l e i n v a r i a n t l o a d a r e c o m p u t e d , a n d t h e i n f l u e n c e o f v e l o c i t y o f v e h i c l e a n d h e i g h t o f e m b a n k m e n t o n s e t t l e m e n t o f r o a d s u r f a c e i s a n a ly z e d t h e m e t h o d a n d r e s u lt s o f t h i s p a p e r w i l l p r o v i d e c e r ta i n t h e o r e t ic a l m e t h o d a n d r e f e r e n c e f o r c o n t i n u o u s r e s e a r c h o n d y n a m ic r e s p o n s e o f s o ft c l a y - c o m p o s i t e f o u n d a t i o n u n d e r t r a n s p o r t a t i o n l o a d s 访f u t u r e . k e y w o r d s : t r a n s p o rt a t i o n l o a d s , d y n a m i c r e s p o n s e , t i m e - v a r i a n t i o n , v e r t i c a l d i s p l a c e m e nt , v e rt i c a l s t r e s s , p i l e - s o i l s t r e s s r a t i o w 浙江大学2 0 0 2 级硕士学位论文 第一章绪 论 互 1 . 1研究的背景和意义 1 . 1 . 1 软土路基工程的发展概况 随着我国国民经济的高速发展，道路交通事业的发展显得相对滞后， 所以 当 前国家对道路交通建设方面给予较大的重视， 各地也都有较大的 投入， 已 经建 设了或正在建设一大批公路与市政道路项目。 由 于受地理条件的限制， 许多项目 不得不建在软土地基上， 处在软土地区的公路与城市道路更是如此。 在软土地区 修建公路与市政道路有时 要对地基进行处理以 形成复合地基， 以 此来提高地基的 承载力和稳定性。 在我国， 软粘土主要分布在沿海和河流的中下游及湖泊附 近地区， 其主要力 学特性是强度低、 压缩性高、 渗透性差等， 而且还存在流变性， 使得筑路工程技 术变得困难和复杂。 通常在正式铺筑路面前一般都会进行较长时伺的堆载预压， 以 消除地基大部分的固结沉降 和次固结沉降。 尽管如此，公路路堤在使用期间， 仍会在路面构筑物荷载和交通荷载反复作用下， 由 于软粘土的塑性变形而在很长 时间内继续沉降。 近年来， 我国高速公路得到了迅速的发展。 高速公路路堤一般较高， 且桥涵 通道较多。 高速公路上行车速度快， 交通流量大， 与一般公路相比 较， 高 速公路 对路基、 路面的要求更高。 高速公路不仅要求路堤稳定， 而且对工后沉降有较高 的要求， 特别是需要严格控制工后不均匀沉降。 从已建软土地基上高速公路的运 行情况来看， 工后沉降普遍较大。 随着地基处理技术的发展和各种地基处理方法川的使用，复合地基 ( c o m p o s i t e f o u n d a t io n ) (2 的 概 念己 得 到 工 程 界 和 学 术 界 的 认同 与 深 化. 复合地基是指天然地基在地基处理过程中， 部分土体得到增强，或被置换， 或在天然地基中 设置 加筋 材料， 从 而形成的由 两 种刚 度( 或模量 ) 不同 的 材 料( 土体 和增强钧所组成的人工地基。 加固区整体看是非均质的和各向异性的。 根据增 强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。 竖向增强体 复合地基通常称为桩体复合地基。 根据竖向增强体性质， 桩体复合地基又可分为 三类: 散体材料桩复合地基， 柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。 复合地基主要 有两个基本特点: ( 1 ) 加固区 是由 基体和增强体两 部分组成的， 是非 均质的， 各 向异性的;( 2 ) 在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。 浙江大学2 0 0 2 级硕士学位论文 处理软土路基比 较适宜的 方法有混凝土灌注桩和深层搅拌法( 湿喷和粉喷) 。 与混凝土灌注桩相比， 深层搅拌法具有成本低、 机械化程度高、施工无噪音、 无 振动、不污染环境等优点。 粉喷桩(3 ) 是深层搅拌法加固软土地基的其中一种。由 于其施工难度不大， 而且能快速有效的提高地基强度， 减少工后沉降， 保证地基 的稳定性。粉喷桩比旋喷桩造价低，故在我国高等级公路建设中得到广泛应用。 粉喷桩一般作为柔性桩， 它与周围被加固土体相互作用， 共同承担上部荷载， 形 成粉喷桩复合地基。 粉喷桩加固软基， 主要适用于处理淤泥、 淤泥质土、 粉土等， 在我国华东、 华南地区应用较为广泛。 众所周知， 桥头跳车现象一直是困扰工程 界的一大难题。 沪宁高速公路的实践证明， 采用粉喷桩加固桥头路基， 减少了工 后沉降，避免了桥头搭接路段的不均匀沉降。 1 . 1 . 2交通荷载对路基的作用 随着国民经济的快速增长， 社会对交通的需求正在日 益提高， 各地交通发展 日益迅速， 大型民航机场、 高速公路、 铁路等一大批交通项目已经建成或正在建 设之中。 一方面， 世界各国的公路交通都突出 表现为交通量增大、 汽车载重增加、 车速加快， 高速公路的建设更是加速了这种状况的出现; 另一方面，国防建设与 民航事业的发展， 高速重型飞机大量使用， 作用在机场跑道上的飞机荷载也朝着 重型高速化方向发展。 然而受地理条件的限制， 许多工程不得不建在深厚的软土 地基上， 如宁波机场、 舟山 机场、 深圳国际机场和杭甫、 沪宁高速公路等。 对软 土地基来说， 由于其含水量高， 变形大， 在建造前一般先要进行较长时间的排水 固结，以 消除绝大部分固结沉降和次固结变形。 尽管如此，使用过程中 在飞机、 汽车 等动力荷载作用下 路基也 会由 于软 粘土的 变形而在 很长时间内 发生 沉降 a 1 研究表明， 路基的不均匀沉降主要是由于土体固结和交通荷载反复作用路基土累 积残余变形而产生。 国内已 有关于路基不均匀沉降对沥青路面受力变形影响的研 究 6 8 。 在车辆荷 载作用下， 铁路和高 速公 路下复 合路基土的 变形 特性也是当 前 岩土工程领域关注的课题。 交通荷载导致的地基沉降 ( 特别是不均匀沉降) 一旦超过容许变形值， 就会 影响交通运行，引发交通事故，给社会带来严重的经济损失。 目 前国内外对交通荷载对软土地基变形影响的研究甚少， 因为它涉及到土动 力学、 结构动力学、 振动理论等，同时涉及非线性、 大变形、接触面、 局部不连 续等众多前沿性研究课题，其影响因素多而复杂，特别是关于交通荷载的模拟、 地面结构的动力响应的研究等， 所建立的数学模型还不完善， 还有很大的局限性。 因此， 研究交通荷载作用下软土地基的变形以及桩土工作性状是很有必要的， 具 有重要的经济效益和社会效益。 浙江大学2 0 0 2 级硕士学位论文 圣 1 .2目 前研究的现状 1 . 2 . 1 路基沉降 研究现状 目 前 研 究 软 土 路 堤 工 后 沉 降 的 方 法 很 多 16 1 ， 大 概 主 要 有以 下6 种: ( l ) 传 统的 计 算 方法: ( 2 ) 应力 路 径 法; ( 3 ) 有限 单 元 法; ( 4 ) 曲 线 拟合 法; ( 5 ) 反 演 分析 法; ( 6 ) 人工神经网络法。 前三类为沉降及沉降速率的预估， 用于施工前的设计， 而后三 类根据前期沉降实测资料进行后期沉降的推算， 指导后续施工， 确定路面的最佳 铺筑时间， 减少工后沉降量。目 前， 工程中最为常用的沉降预估还是采用常规计 算方法，沉降推算采用曲 线拟合法， 这是由于这两类方法较其它方法来得简单， 工程技术人员便于应用。 虽 然其它方法可能精度更高， 但由 于过于复杂， 对试验 技术和参数选取的要求过高或需要高深的数学理论， 因此即使在将来， 也不会在 工程中完全替代常规分析法。 尽管工程中常用的软土路基沉降计算方法含有许多简化假定， 与实际情况不 完全符合， 但近一步研究新的计算理论和计算方法， 尽可能考虑多种因素的影响， 又做到简单直观，以方便工程设计人员使用， 还是非常必要的。 土力学问题的分 析与计算， 目 前仍处在半理论半经验阶段， 土体计算参数的选用可能比 计算方法 更为重要，因 此有必要进行广泛的试验研究，深入了解各地区软土的基本特性。 由于高速公路路堤的设计一般以 变形控制为主， 对工后沉降量的要求很高。 因此 有高速公路专家设计系统正处于研究开发中， 以指导信息化施工， 有效地控制工 后沉降量。 李 世 壮6 0 1 分 析了 软土路基上复合地基的机理 及其沉降 研究的 现状， 以 护宁高速公路k 2 十 0 0 0断面为 例， 阐 述了 有限元法利用应力一应变曲 线模型计算 地基沉降的基本方法和过程， 并对目 前的复合地基研究提出了建设性意见。 钟辉 虹7 2 ， 等通过对饱和软翁土进行一系列应力控制的 循环三轴试验， 结合各向同 性 弹塑性边界面模型数值模拟， 得出了 软a土在不排水条件下受循环荷载作用时的 累积残余变形规律。 1 .2 .2 交通荷载下软土路堤变形特点 路堤软基的变形特点与其他工程有所不同， 路堤的总沉降， 除了由路堤静荷 载引起的部分沉降外， 还应包括交通荷载引 起的 部分沉降: s l = s a + s g +s c s +s t s r路堤荷载和交通荷载作用引起的最终沉降量; s a 静荷载引起的瞬时沉降量; 浙江大学2 0 0 2 级硕士学位论文 s g 静荷载引起的固结沉降量; 5 。 静荷载引起的次固结沉降 量; s t 交通荷载引起的沉降量; 路堤的预压应该设法尽量减小上述各部分的沉降 值，才能满足工程的要求。 但是在历时不长的 预压期内， 在荷载作用下， 一般只产生瞬时沉降和主固 结部分 沉降，超载预压不能完全消除主固结、 次固结和交通荷载引起的部分沉降。 关于 消除交通荷载引起的沉降问题， 根据日 本藤川和之 ( 1 9 9 6 ) 的 研究， 交通荷载引 起的部分沉降约占工后总沉降的5 %， 约为4 0 0. 6 0 0 m m ( 日 本佐贺空港路堤) 。 可见，由交通荷载引起的沉降量是一个不可忽略的量值. 1 .2 .3 路基路面相互作用研究现状 随着各地交通基础设施建设发展迅速， 尤其是在有深厚软粘土地基分布的东 南沿海地区， 已经或者计划兴建一大批交通项目， 如飞机场、 高速公路、 高速铁 路等。与此同时，有关道路路基与路面共同作用的研究也取得了一些重要成果， 为道路工程的设计与施工提供了有力的理论支持。 道路结构体系复杂， 要对其进 行完善的理论分析是比 较困 难的， 其研究方法一般包括理论研究、 室内 外试验和 数值模拟等。 h e r z ( 1 8 8 4 ) 提出了著名的液体支承板理论，假设竖向 支承力与板的弯沉成 正比， 该理论应用于土力 学中， 就产生t w i n k l e r 地 基模型。 b o u s s i n e s q ( 1 8 8 5 ) 推导出了 均质弹性半空间 弹性体在表面竖向 集中荷载作用下的理论解， c e r r u t i ( 1 8 8 8 ) 提出了 单个水平力集中 作用下， 均质弹性半空间体内 应力和位移计算的理 论解，这些都为土力学的发展提供了理论基础。o l d e r ( 1 9 2 4 ) 根据板角隅最易破 坏的 观察结果， 假设板角完全失去土基支承且把它作为端点受集中 荷载作用宽度 变化的悬臂梁， 建立了 理论计算公式。 w e s t e r g a a r d ( 1 9 2 5 ) 以h e r z 液体支承板理 论为基础， 把液体反应系数改为地基反应系数， 作为衡量地基土强度的指标， 从 而提出了 著名的威氏 路面板应力和位移计算方法。 经过多次试验修正和理论上的 不断完善， 直到现在， 威氏 荷载应力计算公式在道路混凝土路面和机场混凝土路 面设计中仍得到广泛的应用。 美国联邦公路局在阿灵顿进行了大规模的混凝土路 面板足尺试验， 得出实测应力与威氏理论公式计算结果基本一致。 俞建荣( 2 3 1 采 用空间有限元理论与弹性半空间解析解相结合的方法将半刚性基层和刚性路面 视为弹性半空间地基上的双层弹性体， 分析了半刚性基层和刚性面层层间连接状 态对荷载应力的影响。 许金余2 4 1 将飞机一 道面一 土基作为一个相互作用的动力系 统， 对飞机滑行状态下弹性半空间地基上刚性道面板的动力响应采用有限元法进 行了计算分析。 该文献考虑了荷载的动力特性， 但未考虑循环荷载， 也未考虑道 浙江大学 2 0 0 2 级硕士学位论文 面与地基的相互作用。 t e r a s a w a ( 1 9 1 6 ) 对轴对称荷载下的半空间体， 采用贝 塞尔 函数法求得了应力和位移计算的完整表达式。 l o v e ( 1 9 2 9 ) 采用势能法得出了均质 弹性半空间体在圆 面积荷载作用下任意点 应力计算的 近似解. h o g g ( 1 9 3 8 ) 求出了 弹性地基无限大薄板的解。 舍赫捷尔( 1 9 3 9 ) 提出了 弹性地基土无限大板在圆面积 均布荷载下板底中心处最大弯拉应力的计算公式。b u r m j s t e r ( 1 9 4 5 ) 求出了双层 和多层弹性体系应力和位移计算的理论解。此后，f o x和 a c u m ( 1 9 5 1 ) . j e u f f r o y ( 1 9 5 9 ) 、 s c h i f f m a n ( 1 9 6 2 ) 等学 者对层状体 系的理论求解 及数值计算作 了比较详尽的研究。 黄晓明 和邓 学 均 7 ) 8 1对弹 性半 空间 地 基板 和w i n k l e r 地基 板受 动 荷 载 作用 进 行了 力学分析，推导了 w i n k l e r地基上无限大板的纵向振动微分方程，然后用 h a n k e l -l a p l a c e 变换 获 得了 任意 轴 对称 荷 载作 用 下的 挠度 解。 黄晓明 9 1 利 用粘 弹性w i n k l e r 地基板的挠曲振动方程， 借助于傅立叶变换方法， 推导了路面结构 在移动荷载作用下的挠度表达式。 钟阳 1 0 1 利用传递矩阵方法，得出了多 层弹性 半空间在轴对称荷载作用下， 层间完全接触情况的 解析解， 并应用于柔性路面和 层 状 地基的 应 力 分 析中 。 钟阳 和孙 林1 1 1等 利 用l a p l a c e - h a n k e l 积分 变 换 和 传递 矩阵相结合的方法推导出了轴对称半空间弹性层状体系动态反应的理论解， 并对 某高 速公路试验路段进行了理论计算和现场实测的比 较。 c o l l i n s 等 1 2 1 采用振动 理论并利用h a n k e l 变换和l a p l a c e 反变换技术得到了 三维层状路面体系的临界 振动荷载， 考虑了 荷载分布形式、 路面各层厚度以 及每层材料的强度对临界振动 荷载的影响。 当荷载小于临界振动荷载时， 路面塑性变形随加载循环次数的增加 而逐渐趋于稳定， 继续施加荷载时不再产生永久变形， 而只产生弹性变形; 当荷 载大于临界振动荷载时， 路面永久变形随作用次数而累积， 变形持续发展， 直到 破坏。 c h e n 和s h e n 1 3 姗究了 粘弹 性 地基 上t i m o s h e n k o 梁在 轴向 荷 载 作 用 下的 动力响应， 得到了 动力形函数和动力刚度矩阵的表达式。 杨建斌等 1 4 1 由w i n k l e r 地基上无限大板的垂直振动微分方 ， 程， 通过h a n k e l - l a p l a c e 积分变换推导了 考 虑轴对称动荷载情况下 薄板的 变形解析解。 倪光乐 1 s 提出 一种考虑地基非线性 特性的地基模型， 并把它应用到弹性板基础与非线性地基共同 作用的 分析中， 计 算结果表明: 考虑地基非线性特性时， 地基反力及弹性板基础的受力大为改善且 结果更接近于实际。 叶国 铮 1 6 1 采用模型试验研究了 柔性路面在长期重复荷载作用下的 变形性 状。 曹 新文 和蔡 英 1 7 1采用 室内 模型试 验 研究了 路 基的 动 应力、 永久 变形、 弹 性 变形和加速度随列车荷载的重复作用次数、 轴重及运行速率的变化规律。 结果表 明: 在列车重复荷载作用下， 路基累积永久变形能否稳定取决于列车荷载产生的 路基动应力与填土临界动应力。 路摹动应力与荷载成正比， 大荷载加快路基填土 的变形速度并产生大的永久变形， 同时会加剧列车与路基的相互作用和振动。 运 浙江大学2 0 0 2 级硕士学位论文 行速度的增加提高了列车荷载的频率， 路基动应力增大， 累积永久变形速度加快， 也会加剧列车与 路基的 振动。 y a s u h a r a i $ 总结了日 本部分学者1 9 9 1 年至1 9 9 8 年间在土体循环固结方面的 研究成果， 分析了 软土地基在循环荷载作用下的固结 和沉降问题，他将该问题按照变形特性分为一维沉降和二维沉降或三维沉降问 题， 其中一维沉降问 题包括 季节变化导致地下水位改 变、 油罐地基中 燃油重量的 改变以及谷仓中粮食的 变化所引起的变形; 二维或三维沉降问题包括地震、 海浪、 交通荷载等循环荷载作用 猜或作用过程中引起的变形。 采用室内动力试验对这些 问 题进行了 研究， 并对循环荷载作用产生的孔压利用固结理论进行了 分析。 该文 献还给出了 某一实际高速公路在投入使用几年内的沉降发展过程曲线。 为了 进一 步研究交通荷载作用下道路沉降发展过程， 修建了 不同 基层厚度的试验道路， 根 据试验结果得到了 沉降随 加载次 数的 经验关系式。 b r o w n 1 9 2 0 1 在第3 6 届r a n k i n e 讲座中综述了土力学在道路工程中的应用， 讨论覆盖了 道路设计思想、 弹性层状 理论和非线性有限元理论分析、 重复荷载作用下地基层和碎石层的 材料特性、 实 验室试验方法、 模型试验和现场试验等情况并对路面破坏的力学特性进行了分 析。 b a r k e r 2 1 将飞 机荷载考虑为静荷载， 采用增量加载方法，考虑了单轮荷载 作用下道面与地基的共同变形问题。 根据跑道及荷载的对称性， 取跑道的一半来 考虑， 假设为平面应变情况。 采用大型试验和数值分析相结合的方法， 通过试验 量测了试验路段不同深度的位移和应力， 考虑了荷载作用位置的影响。 通过有限 元计算， 考虑加载和卸载不同 情况， 用标准三轴试验得到的弹性模量值代表初始 加载情况， 用动三轴试验测得的动态初始模量代表回弹和再加载模量。 s u b e i 2 2 7 提出了一种有限元和边界元相结合的方法， 用于分析路面、 路基和地基在力学荷 载( 包括汽车、火车和飞机的轮载) 和环境荷载( 包括温度变化、地基含水量的变 化等) 作用下的 变形及应力情况。 采用有限 元法分析荷载作用点区域的变形，而 采用边界元法分析场地较远区域的变形， 还考虑了道面板连接缝的传荷能力。 文 献只考虑了材料的弹性变形， 未考虑塑性变形， 交通荷载作为静荷载考虑， 与实 际情况有较大差别。 m i c h a e l和 e d w a r d ( 1 9 9 0 ) 分析了 粘弹性地基上矩形薄板在移动荷载作用下 的瞬态响应。 粘弹性地基由 一系列不连续的弹簧和粘壶组成， 交通荷载由 两个独 立的弹粘性体系组成， 两者具有相同的速度， 荷载和板的接触假定为点接触。 w h i t e 和 z a g h l o u l 2 5 运 用 三 维 动 力 有限 元 法分 析了 试 验 道面 在飞 机 荷 载 作 用下 的 变形情况。 文献视沥青混合料面层为粘弹性材料， 考虑了温度的影响， 视基层 和路基为弹塑性材料，采用d r u c k e r - p r a g e r 模型，并通过试验得到了基层和粘 土路基的应力应变关系。 文献认为边界条件对有限元模型有着显著的影响， 较为 详细地研究了移动荷载作用下道面和基层、 路基的共同作用问题， 考虑了弹性边 浙江大学2 0 0 2 级硕士学位论文 界问题，但未详细考虑软土地基的塑性变形及地基的流变性状。 王林玉2 6 1 采用动态弹塑性有限元法， 对交通荷载作用下道面和软土地基共 同作用问 题进行了分析， 研究了单层地基、 成层地基及机场跑道在单次动力荷载 和循环荷载作用下的 变形规律， 讨论了 土体弹性模量、 塑性参数、 加载形式和阻 尼等对道面、 路基和软土地基的应力和变形的影响。 该文献中采用的是总应力动 力分析法，未考虑动荷载作用下软土地基中 孔隙水压力对软土动力特性的影响， 有限元计算结果明 显偏大。吊 润华 2 7 1 运用弹性层状体系理论， 对飞 机荷载下场 道地基顶面及地基内不同深度处的附加应力进行了计算和分析， 给出了飞机荷载 作用下地基顶面附加应力的平面分布规律及附加应力在深度方向的变化特征。 h u a n g 等 2 8 1采用 有限 条 分 法 和弹 簧系 统 分 析了w i n k l e r 弹 性地 基上 作 用 移 动的 加 速度荷载时 矩形板的变形响应， 动荷载简化为点荷载，同时还探讨了 起始速度、 加速度及起始位置对矩形板的影响， 通过分析得出: 初始速度和加速度对板的响 应 有 影响， 远 离 边 界 位置 处 板的 响 应与 无限 大 板 相 似。 c h a i j i n - c h u n 2 9 1提出 了 一个预测低填方路基在交通荷载作用下的沉降计算方法， 利用多层弹性理论计算 交通荷载引起的软土地基中的 应力， 软土地基中竖向塑性应变的计算采用经验方 程， 方程系数与土的力学特性相关。 低填方路基上交通荷载在软土地基中引起的 永久变形预测较合理， 对于低填方路堤( 0 . 7 5 - 2 . 7 m ) ， 交通荷载在基层下软土地 基中的有效影响深度为6 . am. 张兴强6 7 1 通过建立双弹簧模型来模拟桥台对台背填土变形的影响，同时编 制了相应的弹塑性动力有限 元分析程序， 分析研究了 交通荷载反应作用下在不考 虑桥台对填土的影响和考虑桥台对填土的影响， 这2 种工况下台背填土的变形特 性，为工程实践提供了理论依据。 有关路基工程的研究已 经取得了一些成就， 但由于道路工程问题十分复杂， 还远未达到完全解决问 题的程度。 高速公路或机场跑道， 通常由路面、 基层和软 土复合地基、 天然地基等部分构成。 与软土地基及复合地基相比， 面层和基层都 是相对刚性材料， 在交通荷载作用下变形很小。因此， 路面或道面的破坏， 往往 是由 于软土地基和复合地基产生过大沉降或不均匀沉降造成的。 在车辆或飞机等 动荷载作用下， 软土地基或复合地基将产生不可恢复的塑性变形， 从而影响路面 或道面的应力及变形; 反过来， 路面或道面材料的性质及结构类型等， 对地基中 的应力分布和永久变形的发展将产生重大影响。 因此， 在车辆或飞机等动荷载作 用下， 应该把路面结构、 路堤和复合地基视为一有机的整体， 研究它们的相互作 用及共同工作性状。目 前， 通过对文献的搜索， 国内外尚未有人对这一问题进行 过深入研究， 路基的很多由 交通荷载引起的问题有待去探究和解决， 因此， 开展 交通荷载作用下路面与软土复合地基的共同作用性状研究，具有重大的现实意 义。 浙江大学2 0 0 2 级硕士学位论文 1. 2 . 4 复合地基动力特性研究现状 自六十年代国外首次提出“ 复合地基” 的概念以 来， 国内外学者在复合地基 的基本特性、 强度、 变形以及稳定性和施工技术等方面进行了一系列的研究， 提 出了关于复合地基的 基本理论及相关的计算公式， 这些研究成果已 成为诸多 地基 处理方法在实际工程中应用的依据。 随着复合地基内涵的发展和工程应用范围的 扩大， 关于复合地基的基本理论、 强度和变形计算方法等已明显落后于工程实践， 有待于进一步发展和完善。 关于静荷载作用下复合地基的力学特性，前人已 经进行了比较深入的研究， 取得了一些重要成果。 林琼3 0 1 利用萧山 粘土进行了不同置换率的水泥土一 土复合 土样的一维固结试验， 试验结果表明复合土体的压缩变形随置换率的增大而减 小， 两者并不是线性关系。 在一定的荷载条件下， 存在一个有效的置换率。 刘一 林(3 1 1 利用宁 波 粘土进行了 水泥土 一土复合土样的固 结不排水三轴剪切试 验， 探 讨了复合土体的应力一应变关系及强度特性， 认为水泥土一土复合土样应力应变 关系呈现出 超固 结土的 特点。 龚晓 南3 2 (3 3 1 对复 合地基的 基本理论及工程应用进 行了比较系统深入的研究。 江静贝 3 4 1 运用二维有限 元土层地震反 应程序， 利用建筑抗震设计规范中 基 岩加速度反应谱拟合的人工地履波作为基底层的输入运动， 分别对四种常见的复 合地基进行了 计算。 计算分析表明， 经过加固的复合地基， 地面的地震反应都有 不同程度的降低，加固的方法不同，降低的程度也不相同。 黄明 聪3 5 1 编制了 可进行复 合地基振动反应与 地震响 应分析的 有限元程序， 该程序应用等价粘弹性模型， 考虑阻尼和模量随剪应变呈非线性变化， 程序可实 现总应力动力分析和不排水有效应力动力分析， 还可实现对震后附加沉降的计 算。 利用该程序计算分析了周期荷载作用下复合地基的振动反应， 结果表明， 振 动荷载作用区边缘的振动比中心的振动大， 复合地基加固区振动明显减小， 但是 加固区外侧土体振动部分增强。 他还分析了 地震荷载作用下天然地基和复合地基 的地震响应， 用线性、 非线性、 分时 段线性方法分析了 加固区、 加固区边缘、 下 卧层以 及桩间土和桩顶的振动位移、 速度、 加速度时程曲 线和振动幅值。 结合有 效应力动力分析和和固结分析， 计算分析了地震附加沉降的组成。 他还就复合地 基加固区的深度、 宽度、 模量的变化对地面振动反应和地震响应的影响规律进行 了计算分析， 分析认为，复合地基加固深度的影响最明显。 钱建固3 6 1 根据软土地基上某大型油罐水泥土复合地基的监测成果，分析了 水泥土群桩复合地基附加应力传递规律及传递机理， 并给出了 估算水泥土复合地 基下卧层附加应力的简化方法。 陈善民、王立忠等(3 7 )3 8 ! 通过室内 动三轴试验和共振柱试验，首先研究了水 浙江大学2 0 0 2 级硕士学位论文 泥土材料的动应力应变骨干曲 线以 及水泥土的阻尼特性， 探讨了 水泥土材料的初 始动弹性模量和水泥掺合比、 围压的相互关系， 建立了 经验方程。 还研究了 水泥 搅拌桩加固地基的抗震特性， 软土地基用水泥搅拌桩加固后， 土体刚度增加， 对 于减小土体对地展的放大效应十分有效。 李海晓3 9 编制了上部结构和复合地基相互作用的动力反应分析有限 元程 序， 分析了复合地基、 土体受地震作用的动力反应， 考虑了复合地基模量、 土体 模量及复合地基加固深度的影响。 研究了复合 地基和上部结构相互作用时的地震 动力反应。 研究表明， 当复合地基加固深度不大时， 地震动力反应随加固深度变 化不明显: 当加固深度较大时， 地震动力反应规律比 较复杂， 要与复合地基模量 和土体模量等因素综合考虑， 土体模量较小时， 体系的 地震动力反应幅度较大， 土体模量较大时， 体系的 地震动力反应幅度较小。