水泥混凝土路面路基工作状态与设计指标

摘要

路基回弹模量是现行水泥路面结构设计中的主要设计指标之一。该指标的科学测定与合理取值对提高结构设计准确性具有重要意义。土力学性质上的非线性决定了回弹模量是应力状态的函数，因此，明确路基的工作应力状态是制定回弹模量测试与取值方法的前提。
　　 本文以交通部西部交通建设科技项目(项目编号：200731822301-2)为依托，在总结国内外现有研究成果的基础上，根据水泥混凝土路面结构特点，采用库伦摩擦模型模拟层间接触条件，以弹簧模拟接缝传荷机制，并按结点贡献面积分配刚度，建立了路基-路面结构三维有限元模型。通过对模型几何尺寸、层间接触条件和接缝传荷能力等因素进行系统的参数敏感性分析，明确了各因素变化对路基-路面结构力学响应的影响规律，并确定了相应参数在模型中的合理取值。
　　 采用有限元模型对典型水泥混凝土路面结构进行静力分析，揭示了荷载轴重、轴型对路基中荷载应力大小与分布的影响规律，提出了路基工作区深度推荐值：采用荷载应力与自重应力叠加的方法来计算路基工作应力状态，通过对典型路面结构在不同荷载条件下计算结果的统计分析，确定了水泥路面路基工作应力水平。
　　 以波形荷载模拟车辆的作用，建立了水泥路面动力有限元分析模型。通过对FWD瞬态冲击荷载的模拟，验证了模型的正确性与可靠性。应用模型，详细讨论了阻尼比、阻尼系数、结构层阻尼、荷载大小、分布、波形、作用时间以及路面结构等参数对路基路面结构动力响应的影响。通过路基动、静应力的对比分析，建议以静力分析结果作为路基工作应力状态。
　　 借鉴已有沥青路面路基土动态回弹模量测试方法，根据本文计算与统计分析所获得的路基应力水平，制定了相应的应力加载条件，并以此形成了适用于水泥路面的路基土动态回弹模量测试方法。
　　 以大型通用有限元软件ABAQUS为平台，通过UMAT二次开发，将回弹模量三参数预估模型移植进程序，建立了反映路基土应力依赖性的三维非线性有限元模型，并以混凝土板底弯拉应力等效为原则，提出了考虑土非线性的路基当量回弹模量计算方法。
　　 依据交通等级分别确定相应的水泥路面典型结构，通过非线性有限元分析获得了不同典型结构与土组类型组合下的路基当量回弹模量；按交通等级和土组类型进行归并，提出了路基回弹模量设计参考值。
　　 在总结现有回弹模量参数取值方法，明确其特点的基础上，综合工程重要程度、设计资料完整性以及试验测试复杂度等因素的影响，对回弹模量层次化取值方法进行了初步探索，提出以试验测试、经验模型预估和参考取值三种方法来确定路基回弹模量在设计中的取值，从而满足不同工程设计的需要。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 路基荷载响应分析

1.2.2 路基回弹模量研究

1.2.3 研究现状评述

1.3 主要研究内容与技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 论文关键技术

1.3.3 研究技术路线

1.4 论文结构

第2章 水泥混凝土路面力学计算理论与方法

2.1 水泥路面结构力学模型

2.1.1 弹性地基板理论

2.1.2 弹性层状体系理论

2.2 路面力学计算方法

2.2.1 解析法

2.2.2 数值计算法

2.3 路面结构动力学分析原理

2.3.1 运动方程

2.3.2 Newmark-β算法

2.3.3 阻尼分析

2.4 本章小结

第3章 水泥混凝土路面-路基三维有限元模型

3.1 ABAQUS单元简介

3.1.1 单元的表征

3.1.2 实体单元

3.1.3 弹簧单元

3.2 三维有限元模型的建立

3.2.1 荷载模型

3.2.2 材料模型

3.2.3 模型尺寸

3.2.4 边界条件

3.2.5 网格收敛性分析

3.3 模型的验证

3.3.1 静力学模型

3.3.2 动力学模型

3.4 本章小结

第4章 路基工作区深度与静载应力分析

4.1 车辆荷载图式与大小

4.2 水泥混凝土路面典型结构

4.2.1 结构组合

4.2.2 材料参数

4.3 路基静载应力分析

4.3.1 荷载应力计算深度

4.3.2 静载应力分布规律

4.4 路基工作区深度

4.5 路基应力计算

4.5.1 荷载应力计算

4.5.2 自重应力计算

4.5.3 侧压力系数

4.5.4 总侧向应力

4.6 路基应力水平统计

4.6.1 标准轴载作用

4.6.2 单轴荷载作用

4.6.3 双轴荷载作用

4.6.4 三轴荷载作用

4.7 本章小结

第5章 行车荷载作用下路基动力响应分析

5.1 结构模态分析与阻尼计算

5.1.1 模态分析

5.1.2 阻尼计算

5.2 结构动态响应分析

5.2.1 阻尼分析

5.2.2 荷载分析

5.2.3 路面结构参数分析

5.2.4 路基动应力分布

5.3 路基动静响应对比

5.4 本章小结

第6章 路基设计指标与参数取值

6.1 路基设计指标的选取

6.2 路基土回弹模量测试与预估

6.2.1 试验仪器

6.2.2 试样与试件成型

6.2.3 测试应力条件

6.2.4 回弹模量预估模型

6.3 路基当量回弹模量计算方法

6.3.1 初始应力场的构建

6.3.2 应力重分布

6.3.3 本构模型的开发

6.3.4 当量模量等效原则与计算步骤

6.3.5 计算示例

6.4 路基当量回弹模量的设计应用

6.5 路基回弹模量设计参考值

6.5.1 交通等级划分

6.5.2 典型路面结构

6.5.3 土组模型参数范围

6.5.4 设计参考值

6.6 路基回弹模量取值方法

6.6.1 材料参数取值的层次划分

6.6.2 回弹模量三层次取值

6.7 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 主要成果和结论

7.2 主要创新点

7.3 有待进一步研究的问题

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与科研成果

附录