移动荷载下土工加筋路堤动力响应特性及其分析方法研究

摘要

土工加筋路堤是由基层与土工合成材料所形成的一种软土地基处治形式，因其能够增加路堤的承载力和提高路堤的稳定性，对软土路堤具有良好的处治效果，以及在施工成本与时效方面的优势，被广泛应用于高速公路，高速铁路领域的地基处理。然而，目前其理论研究仍处于研究的初级阶段，特别是“路面结构层-路堤填土-加筋垫层”共同作用方面尚有待进一步研究。为此，本文通过理论分析，结合有限元数值模型，对移动荷载下土工加筋路堤动力响应特性及其分析方法进行深入系统的研究。　　首先分析了土工加筋体的作用机制，总结了土工加筋体的作用机理，探讨了“加筋体-垫层-填土”三者组成的复合体相互作用的变形机理以及荷载传递机制，提炼了常用土工加筋体的受力变形分析方法，为主要研究对象土工加筋路堤在移动荷载下的研究提供思路。　　其次，基于弹性地基上的Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁计算模型，讨论了静荷载下考虑梁-土界面摩阻效应的弹性地基梁变形分析方法，其摩阻力分布形式分别考虑为常数、线性分布、与侧向位移成正比以及考虑纵横位移耦合的幂级数解等。在此基础上，针对移动荷载作用下土工加筋路堤，将路面结构层视为黏弹性地基梁。在Kelvin地基梁模型的基础上，考虑路面结构层与路基填土的界面摩阻效应影响，进而分析交通荷载下黏弹性地基有限长梁的瞬态问题，通过三角级数展开法和Laplace-Fourier积分变换以及逆变换得到黏弹性地基梁在半正弦波荷载作用下的位移解析解。　　将路堤上部的路面结构层，路堤填土层，土工格室或多层土工加筋垫层视作一个复合系统，土工格室或多层土工加筋垫层视作一个路堤填土层以下的梁高较浅的复合地基梁。考虑路面结构层的抗弯刚度，提出了一个扩展的双层Euler-Bernoulli梁模型在对称垂直荷载作用下的受力变形分析方法。此方法综合考虑了梁-土界面摩阻力和水平位移与垂直位移耦合的影响，并且系统考虑了上部路面结构和路堤填土的性质对土工格室或多层土工加筋路堤系统的影响。　　再次，针对交通荷载的特点，基于前文的双层Euler-Bernoulli梁模型，考虑加筋垫层的抗弯刚度以及路堤填土的重度，改进Euler-Bernoulli双层地基梁模型去预测交通荷载作用下的土工加筋路堤系统的性能。首先获得了路面结构层的弯曲刚度和土工合成材料加筋碎石垫层的修正的弯曲刚度，然后建立了移动荷载下土工加筋路堤的双层地基梁分析模型。与此同时，还考虑了上、下两层梁的耦合效应对上、下梁的动力响应的影响，并利用一阶摄动理论推导了双层梁系统的控制微分方程并获得了相应的解答。　　最后，分析了交通荷载的特性，选取移动面荷载进行模拟，并且自行编制了Fortran子程序用于控制移动荷载的幅值、作用范围以及移动速度等等。在边界处采用无限元处理以减小由于模型尺寸带来的边界效应。针对路堤填土的黏弹性，利用ABAQUS的用户材料子程序，编制了等效线性黏弹性模型模拟路堤填土。　　土工格栅加筋体采用二维桁架单元模拟，土工格室采用三维膜结构模拟，由此建立了移动荷载下土工加筋路堤的有限元三维数值分析模型。并对数值模型的空间分布特性、平面分布特性进行了分析。基于有限元分析模型，探讨了不同加筋类型、车辆超载、移动荷载速度、路堤填土高度以及路面结构层刚度、双层梁抗弯刚度比、上下土层刚度比等因素对土工加筋路堤受力变形的影响，并给出了合理的设计施工建议。

目录

声明

目 录

符号表

第 1 章 绪论

1.1 概述

1.2 土工加筋路堤概述

1.2.1 土工加筋路堤概念及特性

1.2.2 土工加筋材料分类及特性

1.3 土工加筋路堤研究现状

1.3.1 土工加筋路堤试验研究

1.3.2 土工加筋路堤数值研究

1.3.3 土工加筋路堤理论研究

1.4 主要研究内容与技术路线

1.4.1 本文研究意义

1.4.2 本文主要研究内容

1.4.3 研究技术路线

第 2 章 土工加筋体作用机理及其常用分析方法

2.1 概述

2.2 土工加筋体作用机理

2.2.1 侧向约束作用

2.2.2 调整不均匀沉降

2.2.3 网兜效应和柔性筏基效应

2.2.4 应力扩散作用

2.2.5 土工加筋路堤破坏模式

2.3 加筋体-垫层-土共同作用

2.3.1 协调变形、共同承载

2.3.2 提高稳定性

2.3.3 构成良好的排水体系

2.4 土工加筋体受力变形分析

2.4.1 基于弹性地基梁理论的分析方法

2.4.2 基于弹性地基板理论的分析方法

2.4.3 基于弹性薄膜理论的分析方法

2.4.4 土工加筋体数值分析方法

2.5 本章小结

第 3 章 考虑梁土界面摩阻效应的弹性地基梁变形分析方法

3.1 概述

3.2 地基梁模型简介

3.2.1 Winkler 地基—Euler-Bernoulli 梁模型

3.2.2 Winkler 地基-Timoshenko 梁模型

3.2.3 弹性半空间—Timoshenko 梁模型

3.3 静荷载下考虑梁土界面摩阻效应的弹性地基梁变形分析方法

3.3.1 考虑摩阻力为常数

3.3.2 考虑摩阻力沿地基梁呈线性分布

3.3.3 考虑摩阻力与地基梁侧向位移成正比

3.3.4 考虑纵横位移耦合的水平摩阻效应的弹性地基梁的解

3.4 移动荷载下考虑梁土水平摩阻效应的弹性地基梁变形分析方法

3.4.1 计算模型

3.4.2 控制方程建立

3.4.3 方程求解

3.5 算例分析

3.6 参数分析

3.6.1 水平摩擦系数

3.6.2 移动速度

3.6.3 黏性阻尼

3.6.4 单元弹簧刚度

3.6.5 路面抗弯刚度

3.7 本章小结

第 4 章 基于双层弹性地基梁理论的土工加筋路堤受力变形方法研究

4.1 概述

4.2 基于双层地基梁模型受力变形分析

4.2.1 基本模型与假定

4.2.2 控制方程的建立

4.2.3 控制方程求解

4.3 算例验证

4.4 参数分析

4.4.1 界面抗力

4.4.2 路堤填土弹性模量(Ee)

4.4.3 路面结构抗弯刚度(E1I1)

4.5 本章小结

第 5 章 移动荷载下土工加筋路堤双层弹性地基梁解析方法研究

5.1 概述

5.2 交通荷载的特性

5.2.1 静态均布荷载

5.2.2 移动恒定荷载

5.2.3 移动简谐荷载

5.2.4 半正弦波荷载

5.2.5 冲击荷载

5.2.6 经验模型

5.2.7 随机荷载

5.3 基于双层弹性地基梁理论的土工加筋模型受力变形分析

5.3.1 计算模型与假定

5.3.2 控制方程的建立

5.3.3 方程组求解

5.4 算例验证

5.4.1 算例 1

5.4.2 算例 2

5.5 参数分析

5.5.1 上下土层刚度比(αk)

5.5.2 上下梁的弯曲刚度比(αD)

5.5.3 上层填土的高度(he)

5.5.4 移动荷载的速度(v)

5.5.5 黏滞阻尼(ξ)

5.6 本章小结

第 6 章 移动荷载下土工加筋路堤数值模型

6.1 概述

6.2 数值模型相关概念

6.2.1 材料本构

6.2.2 相互作用(Interaction)

6.3 模型建立

6.3.1 基本假设

6.3.2 分析方法

6.3.3 模型尺寸与参数取值

6.3.4 初始条件与边界条件设置

6.3.5 单元类型与网格

6.4 模型验证

6.4.1 算例 1

6.4.2 算例 2

6.4.3 算例 3

6.5 本章小结

第 7 章 移动荷载下土工加筋路堤动力响应数值分析

7.1 概述

7.2 移动荷载作用下土工加筋路堤路面结构层的空间特性

7.2.1 动应力空间特性

7.2.2 动应变空间特性

7.3 路基动态响应平面特性

7.3.1 横断面动应力

7.3.2 纵断面动应力

7.3.3 横断面动变形

7.3.4 竖向动应力

7.3.5 竖向动应变

7.4 影响因素分析

7.4.1 不同加筋类型

7.4.2 车辆超载

7.4.3 移动荷载速度

7.4.4 路堤填土高度(he)

7.4.5 双梁的抗弯刚度比(αD)

7.4.6 上下土层刚度比(αk)

7.5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间论文、科研及获奖情况