基于横观各向同性的路面设计理论及方法的研究

摘要

自1999年起，分别在长安大学胡长顺教授和同济大学郭忠印教授的指导下进行考虑材料横观各向同性特性路面设计理论与方法的研究。对轴对称荷载作用下，层间完全连续的半空间体、多层弹性体系、工程应用等方面进行了探讨。硕士阶段主要完成了：(1)导出完整的状态转移矩阵的显式表达式；(2)给出了半无限体表面位移Hankel积分变换表达式；(3)分析了材料横观各向同性5个独立的弹性参数对(2)中位移Hankel积分变换表达式的影响(双因素分析)。在博士论文阶段完成的工作主要有：(一)理论建立方面(1)半空间体：完善并提高了硕士阶段的工作内容。又分别导出半空间体一般解的Hankel变换式；半空间体一般解的积分式(类似于布辛尼斯克公式)；得到了垂直集中力和圆形轴对称荷载作用下的表面位移显示表达式。(2)多层弹性体系：首次给出多层体系的初始值解，解决了多层体系计算中的关键技术问题，建立了基于横观各向同性的多层体系计算理论。(二)工程应用方面(1)问题的提出国内外已有较多的试验验证了路面材料具有明显的横观各向同性特性。美国等研究人员试验结果表明：粘性土的水平模量与垂直模量的比值约为0.9～4，沥青混合料的水平模量与垂直模量比值为0.2～0.5，碎石材料的水平与垂直的模量比值为0.03～0.21。但基于横观各向同性的路面响应模型还未建立起来(Tutumluer，2002)。运用现行的路面设计理论预测碎石基层底部的拉应力，往往得到较大的数值，而拉应力是不能够靠碎石颗粒间来传递的。因此，需寻求一种新的路面计算理论来比较准确地描述路面的实际受力状况。(2)路面结构分析程序现有国际上的基于横观各向同性的路面结构分析程序主要有：澳大利亚的路面设计程序和美国伊利诺伊大学的分析程序等，但大都基于有限元数值法。本文基于(一)中所建立的多层弹性体系理论首次编制了基于解析解的路面结构分析程序ANISOLAYER。(3)土基表面弯沉盆分析较多的土基表面弯沉实测数值要比现行理论计算值小，因此有研究人员分析时在土基一定深度内人为地放置一刚性层等，采用上述所建立的理论，结合粘性土试验数据，当土基材料的水平与垂直模量比大于1.0时，土基表面的理论计算弯沉值将变小。(4)半刚性基层路面结构分析无论从弯沉的角度，还是基层底部拉应力，路基项部压应变等设计指标来看，随着土基水平模量的变化，对他们的影响都不大。土基横观各向同性的变化与路表弯沉有较好的线性相关性。(5)含有碎石层的路面结构分析a∶AC+碎石层：考虑碎石材料的横观各向同性特性，可较好地解决现行路面设计理论在预测碎石层底部过大拉应力的问题。总的来讲，从路表弯沉、沥青层底部拉应变、路基顶部压应变来看，碎石材料的这一特性都将使路面的使用寿命降低。建议设计规范考虑碎石基层横观各向同性特性所带来的不安全性。从给出的一个“AC+碎石层”的例子分析来看，主要控制此类路面寿命的设计指标为路基顶部的压应变；b∶AC+碎石层+半刚性层：对于此类路面的结构分析认为，较厚的沥青面层，受碎石的横观各向同性特性影响较少。对于“AC+碎石层+半刚性层”的例子分析来看，主要控制其使用寿命的指标为沥青层底部的拉应变。c∶AC+半刚性层+碎石层：碎石的横观各向同性特性都将使路面的使用寿命下降，其中对于半刚性基层底部拉应力影响较大。AC+半刚性层+碎石层”的例子分析认为，控制路面寿命的指标主要为半刚性基层底部的拉应力。关键词：轴对称，横观各向同性，多层体系，响应模型，半刚性基层，设计方法，碎石基层，路面设计理论，力学模型

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1问题的提出

1.2现阶段的研究

1.3研究的目的

2.1路面设计理论概述

2.2路面结构分析和计算程序概况

2.3我国柔性路面设计理论的回顾

2.4我国柔性路面设计新指标的构建和讨论

第3章轴对称横观各向同性半无限体的通解及应用

3.1横观各向同性弹性力学的基本方程

3.2硕士阶段研究工作总结

3.3轴对称横观各向同性半空间体一般解的Hankel变换式

3.5可化简为任意轴对称荷载作用下的“布辛尼斯克解”

3.6半无限体表面位移的显式

3.7半无限体理论的应用-弯沉盆分析

第4章基于横观各向同性的多层体系计算理论及ANISOLAYER程序编制

4.1轴对称横观各向同性多层体系初始值解的研究

4.2轴对称横观各向同性多层体系的理论解

4.3程序Anj solayer编制及与已有解的对比

4.4本章小结

第5章基于横观各向同性的我国半刚性路面结构分析

5.1路面材料横观各向同性的研究综述

5.2半刚性路面路表弯沉分析

5.3半刚性路面结构分析

第6章基于横观各向同性的碎石基层路面结构分析

6.1问题的提出

6.2路面材料特性的主要测试仪器

6.3粒状类材料横观各向同性参数的影响分析（Tutumluer et al.,2002）

6.4碎石类基层路表弯沉分析

6.5碎石类基层路面结构分析

第7章考虑土基横观各向同性特性的半刚性路面结构设计分析

7.1路面模型

7.2轴载换算

7.3设计指标

7.4考虑土基横观各向同性特性的路面厚度设计诺谟图示例

7.5考虑土基横观各向同性特性的Anisolayer程序设计分析

7.6山西省大运二级路弯沉调查及理论方法验证

7.7本章小结

第8章考虑土基和碎石基层横观各向同性特性的路面结构设计分析

8.1路面模型

8.2设计指标

8.3考虑土基和碎石基层横观各向同性特性的路面厚度设计诺谟图示例

8.5本章小结

第9章主要结论和建议

9.1主要结论

9.2进一步研究的建议

致谢

参考文献

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果