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体积 2021 |文章的ID 6668028 | https://doi.org/10.1155/2021/6668028

刘大鹏,王晶,杜峰 基于模型试验的长时间动力荷载作用下碎石土低路堤动力响应研究",材料科学与工程进展“, 卷。2021 文章的ID6668028 12 页面 2021 https://doi.org/10.1155/2021/6668028

基于模型试验的长时间动力荷载作用下碎石土低路堤动力响应研究

学术编辑器:安东尼奥Caggiano
收到了 2020年12月07
修改后的 06年4月2021年
接受 2021年4月12日
发表 2021年4月20日

摘要

低路堤因其填筑高度小,适用于新疆绿洲荒漠地区的自然景观,是路基工程中道路开发的一项重要技术。碎石土低路堤设计的合理开展,需要研究其在长时间动力荷载作用下的动力响应。本文建立了1:1全尺寸低路堤模型,在考虑18%、23%和28%三种地基含水率的情况下,进行了10万次荷载循环,峰值为50 kN的试验。试验结果表明,砂砾土低路堤的动应力随深度的增加呈非线性衰减。地基含水率为28%时,各深度处动应力最小。应力衰减速率与加载次数成反比,与地基含水量成正比。随着加载次数的增加,砂砾土低路堤的动应力和动应变表现出累积效应。应力和应变的累积速率在低加载循环时更快。当含水率为28%时,地基各结构层的应变积累效应最大。地基顶层应变累积速率达到2.648。 Based on the model test results, the dynamic stress calculation model for the gravel soil low embankment under dynamic loading is proposed. The calculation model was experimentally verified. The research results are important for the application of gravel soil low embankment in the oasis desert area of Xinjiang, China.

1.简介

低路堤以填筑高度低、对生态环境影响小而著称。确保人与自然和谐共处是道路建设的正确选择。然而,车辆荷载引起的应力不能有效地分散到整个地基,仍然很大。这将导致地基的较大沉降,导致道路的早期破坏。因此,道路的使用寿命并不显示预期的持续时间。此外,对长期车辆荷载作用下低路堤动力响应规律的研究还不广泛,限制了低路堤的发展。通过理论分析、现场试验、模型试验和数值模拟,对路基在荷载作用下的响应进行了研究,取得了良好的效果。

1.1.理论分析

Eason对弹性半空间在移动点荷载、移动圆形均布荷载和低速移动矩形均布荷载作用下的稳态响应进行了理论研究[1].金等人。[2]研究了无限大板在变幅移动荷载作用下对粘性基础的响应。钟等。[3.]假定地基为弹性层状半空间体,采用Laplace-Hankel积分变换和传递矩阵的方法推导出轴对称荷载作用下的动力响应公式。基于三维Navier方程,Lu等[4]建立了公路路基的求解模型,利用傅里叶变换技术求解了交通荷载作用下分层基础的动力响应。基于层状弹性系统理论,Tang等[5]用复柔度表示本构方程,用传递矩阵法建立力学分析模型,用拉普拉斯变换技术求解粘弹性半空间任意深度的动应力。卢等人。[6]将车辆模拟为一个多自由度系统,考虑轮-路动力作用,采用FFT(快速傅里叶变换)算法,研究轮-路动力、路面不均匀度和路面刚度对路堤动力响应的影响。

1.2.现场试验

戴等人。[7实验研究了柔性路面在车辆荷载作用下路基顶面的动应力。Hyodo等人[8]使用了一辆轴重为100千牛的车辆。考虑车辆静载和行驶速度分别为10 km/h、20 km/h和35 km/h时,得到车辆来回移动时路基不同深度处的动应力值。Shi等人。[9]测量了季节性冻土地区路基的动应力。获得了车辆荷载作用下路基不同深度处的动应力值,分析了车辆荷载和车速对路基动应力的影响。王等人。[10]进行了重荷载作用下路基动力响应的现场试验。卢等人。[11]通过现场试验研究了重型车辆荷载作用下路基的动力响应,分析了轴载和车速对结果的影响。得到了不同深度路基的竖向应力和加速度。

1.3.模型试验

邹等人。[12]采用模型试验研究路基的动力响应,包括不同深度的动应力、动应变和动位移。法塔赫等人[13]通过9个试验模型研究了循环荷载作用下加筋底基层的力学行为。与未加筋底层相比,加筋底层承载能力更大,破坏荷载更大,沉降更小。卢(14]采用自行研制的分离式变频激振器进行路基动力响应模型试验,研究了不同激励频率和动荷载水平下铁路路基体的动力响应规律。

1.4.数值模拟

基于数值模拟,Hall [15]利用二维和三维有限元模型分析了列车在路基和地基范围内引起的应变。法塔赫等人[1617]建立了弹性地基上板的三维有限元模型,分析了各种因素对板在冲击和偏心冲击荷载作用下的响应的影响。李等人。[18]采用有限元法分析了铁路路基在动荷载作用下的动力响应。孔等人[19]利用有限元软件建立了七层轨道路基三维数值分析模型。计算了路基的动应力。进一步分析了轴载和运行速度对路基动力特性的影响。

低路堤必须承受长期的车辆动载,在其使用寿命周期内,路基含水率会发生变化。为此,本文采用1:1全尺寸模型试验研究了低路堤在长期车辆荷载作用下的响应。通过对不同条件下的应力应变测试,得到长期荷载作用下低路堤的应力应变随深度、地基含水量和荷载循环次数的变化规律。为低路堤的合理设计和低路堤的长期稳定提供参考。

2.模型试验

2.1.模型建设

中国道路设计规范采用的标准轴重为BZZ-100,双轮组单轴重为100千牛,轨道宽度为1.8米。其中一个轮子在另一个轮子作用中心下对路基和地基的应力应变影响很小。因此,每个轮子都有自己的影响范围。此外,在道路上行驶的车辆会产生波浪。小型模型的波能没有完全沿边界消散,从而影响试验结果。通过复杂的计算,得到了车轮产生的波的传播范围。在此基础上加上一定的剩余量,设计了车轮影响范围的全尺寸模型箱。模型具体尺寸为3 m × 1.5 m × 1.5 m。

试验模型分为表层、基层、路堤、地基四层,如图所示1.表层由AC-16沥青混合料组成,厚度为0.12 m。基层由水泥稳定碎石层组成,并纳入模型的三层结构中。在三层0.4 m厚度范围内,从下到上水泥浓度分别为4%、5%和6%。采用碎石土作为路基填料。路基厚度为0.8 m,在最佳含水率条件下进行压实。地基采用粉质粘土。地基厚度为0.7 m,在最佳含水率条件下进行压实。通过级配试验结果计算了非均匀性系数和曲率系数。通过压实试验测定了最大干密度和最佳含水率。 The saturated water content could be calculated by taking the soil with ring knife method and then steaming the soil when it was saturated with water. Cohesion and internal friction angle were measured by triaxial test. Resilient modulus was calculated through bearing plate test. The basic physical and mechanical parameters of gravel soil and silty clay are shown in Table1


标本 不均匀系数 曲率系数 最大干密度(kg/m3. 最佳含水量(%) 饱和含水量 弹性模量(MPa) 凝聚力(kPa) 内摩擦角()

砾石土 One hundred. 1 2160 7.5 - - - - - - One hundred. - - - - - - - - - - - -
粉质粘土 - - - - - - - - - - - - 1725 18 28% 30. 20. 10

2.2.测试设备

5层应力传感器和4层应变传感器布置在路基内部。上下两层相距0.2 m。采用电阻动态土压力传感器作为应力传感器。采用嵌入式应变传感器作为应变传感器。这些是用整座桥连接起来的。在基础范围内布置三层应力传感器和三层应变传感器。上下传感器相距0.2 m。具体安排如图所示1.从上到下,应力传感器记为YL1-8。应变传感器记为YB1-7。采用协同动态数据采集仪进行数据采集。

2.3.装载设备

采用通道伺服测试系统(MTS)进行加载,如图所示2.通道伺服试验机(MTS)主要由液压源、伺服加载执行器和控制系统组成。载荷范围为0-100 kN。加载频率范围:0 ~ 10hz。通过控制系统编程产生不同波形的加载信号。

基于车辆在道路上移动时对路基和路面的响应的测量结果[91020.],路面上车辆荷载的波形近似于半正弦波。因此,本模型试验采用半正弦波作为加载波形。

2.4.测试计划

在道路的使用寿命中,由于地下水位的变化和地表水的渗入,地基的状态往往会发生变化。通过改变地基含水率,可以模拟地基的状态。本研究的模型试验中,地基含水率分别为18%、23%和28%。在模型试验中,最佳含水率、不饱和含水率和饱和含水率分别为18%、23%和28%。分别对压实基础、非饱和基础和饱和基础进行了数值模拟。

在中国现行的道路设计规范中,采用的标准轴载为双轮组单轴,轴载尺寸为100 kN,其中一侧为50 kN,轮胎接地压力为0.7 MPa。该模型试验模拟了峰值载荷尺寸为50kn时车轮一侧的载荷。加载板为直径0.302 m的单圆。这模拟了轮胎一侧的接地面积。加载频率与车辆加载的行驶速度和交通流量有关。模型试验加载频率为3hz,加载循环次数为100000次。具体试验方案如表所示2


地基含水率(%) 峰值负载/ kN 频率/赫兹 加载周期

18 50 3. 100 k
23 50 3. 100 k
28 50 3. 100 k

3.动力响应试验结果分析

3.1.压力

当地基含水率分别为18%、23%、28%时,加载循环次数分别为100、10000、20000、30000、…分别100000。以100次加载循环的结果为初值。为了减少数据的波动,在确定100次加载循环的每个深度的峰值应力时,取1-100次加载循环的每个深度的峰值应力的平均值。同样,当加载循环次数为10000 ~ 100000时,应取各深度处的峰值应力。例如,10000次加载循环的每个深度的峰值应力取加载循环为9950-10050时每个深度的峰值应力值的平均值。当基础含水率分别为18%、23%和28%时,在100 ~ 100000的加载循环中,应力与深度的关系如图所示3.

并绘制了各深度处应力与加载循环的关系,如图所示4.这是由数字得出的结论3.而且4在基础含水率分别为18%、23%和28%和固定加载周期下,应力随深度的增加呈非线性下降。这是因为应力向下扩散,扩散面积不断增大,导致应力不断减小。

应力衰减率定义为在固定的加载循环周期内,下层应力减去上层应力后的上层应力之比。根据试验结果,可计算出不同加载周期下三种地基含水率值的应力衰减速率。结果如图所示3.

从表中可以看出3.当基础含水率为一定值时,应力衰减速率总体上随着加载次数的增加而减小,尽管其变化速率较低。随着加载循环次数从10000增加到100000,三个含水率对应的衰减速率都有一定程度的减小。当加载周期一定时,应力衰减速率随地基含水量的增加而增大。地基含水量为28%时的应力衰减速率大于18%和23%时的应力衰减速率。


加载周期
地基含水量 10 k 20 k 30 k 40 k 50 k 60 k 70 k 80 k 90 k 100 k

18 0.715 0.713 0.708 0.704 0.699 0.698 0.696 0.695 0.693 0.692
23 0.748 0.747 0.747 0.744 0.745 0.745 0.744 0.740 0.738 0.737
28 0.818 0.816 0.812 0.807 0.805 0.804 0.803 0.803 0.802 0.801

这也是由数字得出的结论3.而且4在一定的加载周期内,各深度处的应力随地基含水量的增加而减小。地基含水率为18%时,应力最大。地基含水率为28%时,应力最小;

随着加载次数的增加,各深度处的应力均增大。这表明各深度处的应力随着加载次数的增加有一定的累积效应。这是由于与动荷载的时间间隔相比,路基和地基的动应力释放时间更长。这样,各个路基和基础的动应力不能充分释放和积累。应力累积率定义为某一加载周期下各深度的应力与初始应力/初始应力之差之比。地基含水率分别为18%、23%、28%时,不同加载周期下路基顶面累积应力率见表4


加载周期
地基含水量 10 k 20 k 30 k 40 k 50 k 60 k 70 k 80 k 90 k 100 k

18 0.075 0.114 0.136 0.147 0.153 0.158 0.162 0.164 0.167 0.169
23 0.043 0.077 0.104 0.127 0.147 0.162 0.169 0.172 0.174 0.177
28 0.058 0.091 0.116 0.130 0.140 0.146 0.149 0.153 0.157 0.159

如图所示4和表4路基顶部的应力积累速率较快,尤其是前20000次加载周期,对于小加载周期;随着加载次数的增加,应力累积速率逐渐减小。其他深度的应力也以同样的方式变化。

3.2.应变

本文中的应变是指一定深度范围内的平均应变。当加载循环为100、10000、20000、30000、…,One hundred.000, the peak strain of each structural layer in the subgrade and foundation was the same as that of the stress. To reduce the fluctuation of the data, when determining the peak strain of each structural layer of 100 loading cycles, the average value of the peak strain of each structural layer of 1–100 loading cycles was taken. Similarly, the peak strain of each structural layer should be taken as the loading cycles were 10000–100000. For example, the peak strain of each structural layer of 10000 loading cycles was taken to be the average of the peak strain values of each structural layer when loading cycles were 9950–10050. The relationships between the strains and depths of each structural layer were plotted for the corresponding values of 18%, 23%, and 28%, respectively, for the water content of the foundation and under the different dynamic loading cycles, as shown in Figure5.各结构层应变与土壤含水率3个值加载循环的关系曲线如图所示6

从图中可以看出5而且6在一定的加载周期内,路基范围内各结构层的应变随深度的增加而逐渐减小;这是由于应力随深度的增加而非线性减小,而路基强度却在不断保持。地基范围内各结构层的应变变化趋势一致。虽然地基范围内的应力小于路基范围内的应力,但在固定的加载周期内,地基内的应变大于路基范围内的应变。这是由于地基强度低于路基强度所致。从图中也可以看到5而且6随着加载次数的增加,各结构层的应变积累与应力相似。这是由于应力累积的不断增加导致塑性应变的不断增加。应变累积率定义为某一加载周期下某一层的应变与初始应变之差之比。确定不同加载循环下路基顶层0.2 m和基础顶层0.2 m范围内的应变累积速率,见表5而且6


加载周期
地基含水量 10 k 20 k 30 k 40 k 50 k 60 k 70 k 80 k 90 k 100 k

18 0.413 0.553 0.673 0.773 0.873 0.967 1.033 1.087 1.120 1.153
23 0.368 0.507 0.603 0.676 0.735 0.794 0.846 0.949 1.066 1.147
28 0.409 0.609 0.696 0.774 0.870 0.939 1.017 1.096 1.174 1.235


加载周期
地基含水率(%) 10 k 20 k 30 k 40 k 50 k 60 k 70 k 80 k 90 k 100 k

18 0.531 0.738 0.894 1.031 1.144 1.250 1.344 1.413 1.444 1.488
23 0.819 1.015 1.147 1.243 1.332 1.405 1.471 1.529 1.579 1.629
28 1.416 1.956 2.211 2.349 2.414 2.462 2.513 2.570 2.607 2.648

从表5而且6和图6,可以得出,在小的加载周期内,应变迅速增加。这在10000次加载循环之前尤其明显,这对应着最快的增量。随着加载次数的增加,各结构层应变的增加速率减小。在一定的加载周期内,路基范围内各结构层的应变累积速率小于基础范围内各结构层的应变累积速率。随着地基含水量的增加,应变的累积效应更加明显。虽然在含水率范围内动应力较小,但沉降变形最大,这与地基强度最小有关。

4.长期动荷载作用下砂砾土低路堤动应力计算模型

4.1.路基顶部动应力计算

长期车辆荷载作用下低路堤动应力的准确计算是确定路面沉降和稳定性的基础。因此,确定长期动荷载作用下低路堤动应力计算模型具有重要意义。根据模型试验中动应力的变化规律,建立了动应力累积计算模型 设长期动荷载作用下路基顶部,公式如下: 在哪里 为路基顶部的初始动应力, 是动应力累积后的值吗 车辆加载周期, 是加载循环,和一个b,c是否与路面结构层数、地基状态、车辆荷载峰值、路基填料、车辆荷载循环次数等因素有关。

动态应力累积模型参数一个b,c在地基含水量分别为18%、23%、28%和100000次加载循环下,通过编程计算得到路基顶面。相应的路基顶面动应力累积模型可表示为公式(2)- (4),分别。

当地基含水率为18%时,

当地基含水率为23%时,

当地基含水率为28%时,

以上三种计算模型地基含水率分别为18%、23%、28%。计算不同加载周期下路基顶面动应力值,并与实测值进行对比,如图所示7.从图7,可以看出,路基顶部动应力实测值与公式(1),三种地基含水量差异均小于5%。这表明公式(1)可用于计算不同动荷载循环下低路堤顶部的动应力。

4.2.任意深度动应力的计算

根据模型在不同深度测得的动应力变化规律,提出了动应力 在任何深度都可以从累积的动应力得到 和衰减系数 在路基顶部进行固定循环加载。对应的公式如下:

在(5),衰减系数 可以使用以下方法获得 在哪里 距离路基的顶面和 而且 是否与结构层厚度、材料等参数有关的系数。

公式(1), (5)和(6)用于计算动应力 在低路堤的任意深度处,不同的动荷载循环作用下。

公式(7),计算地基含水量分别为18%、23%和28%,加载循环次数为50000次时,低路堤各深度处的动应力。模型试验的计算值与实测值对比如图所示8.图1、图3、图5分别为地基含水量三个值的动应力实测值。图2、图4、图6分别对应地基含水量三个值的动应力计算值。

从图8,得到不同深度动应力实测值与用式(7),当动态加载循环次数为50000时,差异约1必威24900%。因此,公式(7)可用于计算不同动荷载循环下低路堤任意深度处的动应力。

5.结论

(1)在车辆加载周期固定的情况下,砾石土低路堤各深度处的应力随深度的增加呈非线性减小。同一深度处的应力随地基含水量的增加而减小。在地基含水量一定的情况下,随着车辆加载次数的增加,应力衰减率略有下降。在固定车辆加载周期下,应力衰减速率随地基含水量的增加而增大。(2)在长期车辆荷载作用下,路基和地基的应力应变表现为累积效应。加载周期越小,累积的应力和应变速率越快。随着加载次数的增加,累积应力和应变率降低。(3)随着地基含水量的增加,各结构层的应变积累效应更加明显。当地基含水量为28%时,地基顶层应变累积率达到2.648。(4)将路基顶部动应力与固定加载周期的衰减系数相乘,得到任意深度处的动应力。路基顶部动应力 是利用累积计算模型得到的。(5)针对具体的低路堤结构,从模型试验结果中得到了应力积累和应变积累的现象。其他低路堤结构的应力应变积累规律有待进一步研究。参数的值一个bc 而且 需要从实验数据中确定。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据包含在论文中。

的利益冲突

作者声明本论文的发表不存在任何利益冲突。

致谢

感谢江苏省教育厅自然科学基金重大项目(18KJA560001)、江苏省建筑节能与建筑技术协同创新中心博士点(SJXTBS1706)、徐州市科技计划项目(KC17156)、江苏省建筑系统科技计划项目(2017ZD085)对本工作的支持。江苏省建筑职业技术学院科研项目(SJXTY1508)、江苏省青兰工程项目。

参考文献

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