桥台后回填差异沉降控制标准及设计方法研究

摘要

在地势不平坦地区或软土地区修筑公路时常建造桥梁以跨越沟、谷或软基路段的阻隔，这就形成了桥台后回填材料变形及稳定问题。路桥过渡段差异沉降发展至一定程度就会导致“桥头跳车”现象的发生。本文在桥台后回填材料工程特性及桥台后回填有限元模拟研究基础上，提出桥台后回填的差异沉降控制标准及回填设计方法与流程，旨在有效抑制差异沉降带来的公路结构物后路面的结构与功能性损害。本文主要研究内容与结论概述如下： 1．材料工程特性三轴试验研究。根据材料三轴试验，分析了路面结构材料(大粒径沥青碎石、水稳碎石与级配碎石)回弹模量与回填材料(粉质粘土与碎石)的静、动力变形特性，以及已有计算公式的适用性；提出了修正的Li-Selig永久变形计算公式、材料非线性强度破坏准则表达式和密实状态下材料的剪胀系数ζ表达式。 2．材料本构模型研究。依据材料性能试验成果，推导得到了细粒材料与粗粒材料的屈服面与硬化规则表达式；引入次加载面(Subloading Surface)概念，将模型拓展为相应动力形式。采用向后Euler算法以及Newton-Raphson迭代方法积分本构方程，并以UMAT的形式嵌入到ABAQUS软件中。通过碎石材料的三轴试验有限元模拟初步验证了本构模型的适用性和有效性。 3．桥台后回填差异沉降控制标准研究。通过ABAQUS大型有限元软件(交通荷载采用VDLOAD子程序模拟)，分析了桥台后回填区域上典型沥青路面结构的静、动力响应特性，以及差异沉降与路面结构损伤裂纹扩展直至破坏的发展规律，提出了路桥过渡段回填的差异沉降结构性控制标准。基于人-车-路振动模型及其相应解答，将结构性控制标准推广为可考虑公路等级差异的路桥过渡段差异沉降控制标准。 4．交通荷载作用下桥台后回填长期变形计算方法研究。参照路面结构多层体系理论，根据弹性动力平衡微分方程与Fourlier变换，推导得到移动条形荷载作用下弹性半平面多层体系动应力解答。根据修正的Li-Selig永久变形经验公式，推导得到平面应变条件下交通荷载作用引起的路表残余应力与残余变形计算公式，并采用Fortran语言编制相应计算程序RSTL.FOR。 5．桥台后路堤荷载作用下饱和成层地基固结变形计算方法研究。基于Boussinesq弹性解、Terzaghi固结微分方程与Kelvin粘弹性应力应变微分方程，推导了半无限路堤荷载分级施工条件下成层地基固结变形解答，并采用Fortran语言编写了相应计算程序CSSML.FOR。 6．桥台后回填设计方法研究。依据刚柔过渡设计思想与桥台后回填工后沉降设计计算方法，提出了设计年限为 15 年情况下桥台后回填(包括回填范围、回填材料选择与搭板设计)设计方法。根据桥台后回填工后沉降设计计算方法与差异沉降控制标准，提出了保证路桥过渡段正常工作的回填设计流程，并给出了相应的设计计算实例分析。 7．桥台后回填加筋处治与设计方法研究。根据桥台与回填区域水平位移的倒三角形分布特征，提出了加筋长度随高度方向有所变化(即回填区底部短上部长)的铺设建议。根据加筋复合体形成机理以及桥台后加筋回填特性，提出了拔出破坏条件下加筋复合体材料强度与变形参数的简化计算方法。以第7章回填设计方法为基础，提出了桥台后加筋回填设计方法。 本文开展的研究工作较为全面而深入地揭示了桥台后回填沉降变形规律，提出了相应沉降计算方法、差异沉降控制标准与回填设计流程，为相关工程实践提供了理论与技术支持。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1回填材料及其工程特性

1.2.2材料本构模型

1.2.3地基沉降计算

1.2.4交通荷载作用永久变形计算

1.2.5桥台后回填加筋

1.2.6差异沉降影响因素

1.2.7桥台后回填差异沉降控制标准

1.2.8桥台后回填设计

1.3问题的提出

1.4本文主要研究内容

1.5论文研究技术路线

第2章材料工程特性三轴试验研究

2.1引言

2.2动三轴试验

2.2.1 UTM试验简介

2.2.2回弹模量

2.2.3动三轴试验与永久应变分析

2.3静三轴试验

2.3.1大型三轴试验简介

2.3.2强度非线性分析

2.3.3变形与剪胀剪缩特性分析

2.4小结

第3章材料本构模型研究

3.1引言

3.2弹塑性本构模型表达式

3.2.1非线性弹性

3.2.2粗颗粒类材料屈服面表达式

3.2.3细颗粒材料屈服面表达式

3.2.4硬化规则表达式

3.3本构模型的三维化

3.4本构方程的向后Euler隐式积分算法

3.5动力本构模型的Explicit解法

3.6本构模型的试验验证

3.7小结

第4章桥台后回填差异沉降控制标准研究

4.1引言

4.2交通荷载作用模式

4.2.1交通荷载作用模式的简化计算方法

4.2.2交通荷载的静力等效计算方法

4.3 ABAQUS有限元计算模型

4.3.1几何模型

4.3.2材料特性参数

4.4动力响应分析

4.4.1单次荷载作用下的动力响应

4.4.2反复荷载作用下的动力响应

4.5差异沉降结构性控制标准研究

4.5.1差异沉降分布规律

4.5.2动荷载下路面结构裂纹扩展分析

4.5.3静荷载下路面结构开裂分析

4.5.4差异沉降的结构性控制标准

4.6考虑公路等级差异的差异沉降控制标准研究

4.6.1考虑行车舒适性的系统振动模型

4.6.2差异沉降控制标准

4.7差异沉降控制标准的适用性研究

4.8小结

第5章交通荷载作用下桥台后回填长期变形计算方法研究

5.1引言

5.2弹性半平面内移动条形荷载的动力响应

5.2.1移动正弦荷载的解答

5.2.2移动条形荷载的解答

5.3平面应变下弹性多层体系解答

5.4交通荷载作用下长期变形计算方法

5.4.1永久应变场的计算

5.4.2残余沉降的计算

5.5永久变形计算程序与算例分析

5.6自重应力作用下路堤压缩变形计算方法

5.6.1压缩变形计算

5.6.2路堤压缩变形计算程序与算例分析

5.7 小结

第6章路堤荷载作用下桥台后成层地基固结变形计算方法研究

6.1引言

6.2桥台后地基附加应力计算

6.2.1矩形均布荷载引起的路堤中心线下地基附加应力计算

6.2.2矩形均布荷载引起的路堤下地基任意位置附加应力计算

6.2.3横截面上三角形分布荷载引起的路堤下地基任意位置附加应力计算

6.3粘弹性层状地基固结变形控制方程及其Laplace变换解答

6.3.1固结变形微分控制方程

6.3.2 Laplace变换下的有效应力解答

6.4考虑分层填筑的路堤荷载及其Laplace变换

6.4.1变速加载下路堤荷载及其Laplace变换

6.4.2等速加载下路堤荷载及其Laplace变换

6.5 Laplace逆变换下粘弹性层状地基固结变形解

6.5.1 Laplace逆变换的数值解法

6.5.2桥台后成层地基固结变形解答

6.5.3桥台后成层地基固结度、沉降速率与剩余沉降计算

6.6粘弹性层状地基沉降计算程序与算例分析

6.6.1计算程序简介

6.6.2算例分析

6.7小结

第7章桥台后回填设计方法研究

7.1引言

7.2桥台后回填设计计算程序

7.2.1桥台后回填工后沉降组成

7.2.2桥台后回填设计原则

7.3桥台后回填范围设计

7.3.1回填区域顶部长度设计

7.3.2回填区域与正常路堤交接坡度设计

7.4桥台后回填材料选取

7.4.1桥台后回填设计计算方法验证

7.4.2桥台后回填工后沉降影响因素

7.4.3桥台后回填材料选取设计方法

7.5桥台后回填搭板设计

7.5.1桥头搭板选取原则

7.5.2桥头搭板长度设计方法

7.6回填设计算例分析

7.6.1高填方路堤回填设计计算条件

7.6.2软土地基低路堤回填设计计算条件

7.6.3回填设计计算结果分析

7.7小结

第8章桥台后回填加筋处治与设计方法研究

8.1引言

8.2桥台后回填加筋有限元计算模型

8.2.1几何模型

8.2.2材料特性参数

8.3加筋处治技术研究

8.3.1筋材间距

8.3.2筋材长度

8.3.3填土性质

8.3.4筋材弹性模量

8.3.5地基刚度

8.4加筋回填设计方法研究

8.4.1加筋复合体材料参数简化计算方法

8.4.2加筋回填设计算例分析

8.5小结

第9章结论与展望

9.1主要研究结论

9.2本文主要创新点

9.3有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

攻读博士期间发表与录用的学术论文