发信人: courieryboo (小凡·每天灌水多一些...), 信区: DC
标  题: 循环荷载作用下路面模型试验研究
发信站: BBS 水木清华站 (Wed May 24 16:50:06 2000)

摘　要：介绍了室内模拟交通荷载作用下路面和软土地基共同作用的模型试验，根据试
验结果得出了路面板的弯沉、应力以及永久变形。采用弹粘塑性有限元理论分析了路面
在竖向静荷载和循环荷载作用下的应力和变形特性，并与试验结果进行了比较。
关键词：交通荷载；模型试验；弹粘塑性理论
中图分类号：U416.01　　　文献标识码：A
Study on Model Experiment of Pavement under Cyclic Loads
WANG Lin-yu1，XIE Yong-li2，ZHU Xiang-rong1,ZHU Zan-ling1
（1.Institute of Geotechnical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 31002
7,China;
2.College of Highway Engineering, Xi′an Highway University, Xi′an 710064,
China）
Abstract: The model experiment of pavement and soft clay ground interaction
under traffic loads are introduced. According to the experimental results, t
he displacements,stresses and permanent deformations of pavement are obtaine
d.Stress and deformation characteristics of pavement under static and cyclic
 loads are analyzed with the elasto-viscoplastic finite element theory.The r
esults of calculation and experiment are compared.
Key words: cyclic loads;model experiment;elasto-viscoplastic theory
　　随着国民经济的快速增长，各地交通发展日益迅速，大型民航机场、高速公路、铁
路等一大批交通项目已建成或正在计划建设之中。受地理条件的限制，许多大型民用机
场和高速公路不得不建在深厚的软土地基上，如宁波机场、舟山机场、深圳国际机场和
杭甬、沪宁高速公路等。对软土地基来说，由于其含水量高，变形大，在建造前一般先
要进行较长时间的堆载预压，以消除绝大部分固结沉降和固结变形。尽管如此，使用过
程中在飞机、汽车等动力荷载作用下道面也会由于软粘土的变形而在很长时间内发生沉
降。因此，很有必要研究道面和地基在飞机和汽车等循环荷载作用下的应力、变形问题
。
　　路面和地基共同作用的研究工作国内目前开展得较少。WALTER R. BARKER(1972)将
飞机荷载考虑为静荷载，采用大型试验道面和数值分析相结合的方法，分析了单轮荷载
作用下道面和地基的共同变形问题［1］。叶国铮(1987)采用模型试验研究了柔性路面长
期重复荷载作用下的变形性状，试验在室内路面试槽中进行，试验装置为沿试槽两边钢
轨移动的反力钢架，钢架下装100 kN脉冲千斤顶，得到了土层变形与加荷次数的关系曲
线［2］。WHITE T D和ZAGHLOUL S M(1997)运用三维动力有限法分析了试验道面在飞机
荷载作用下的变形情况。采用位移计测定道路不同深度的位移情况，根据位移值修正有
限元模型，从则使测量值和计算值在不同时间和不同深度处的位移相一致［3］。
　　本文采用按一定比例缩小的室内试验模型模拟路面和地基的结构，并通过施加循环
荷载模拟路面竖向交通荷载，得到了路面板的挠度、应力以及地基的沉降和土压力值等
，并采用弹粘塑性有限元方法分析了循环荷载作用下道面的变形性状。
1　试验装置与原理
1.1　试验模型
　　试验模型采用与实际刚性路面相类似的材料和结构。路面下地基采用粉质粘土，放
置在2000 mm×2000 mm×600 mm的模型箱内。地基上辅厚度为2 cm的粗砂以模拟基层，
粗砂同时可起到找平的作用，路面板尺寸为1800 mm×1800 mm×55 mm的混凝土板，根据
几何似原理和模型试验实际情况确定结构尺寸。
　　土样在装入模型箱时加水调匀，分层击实，然后在土体上面放置砝码块进行预压。
预压时间为 80 d，预压荷载和混凝土板重量相等。模型箱内四周和底部铺有土工布，加
快排水并保持地下水位。模型箱的底部设有水管和外部塑料管相连，2个对角部还预留了
加水孔，塑料管内注入红色煤油，可以随时观察箱内的水位变化并保持地下水位。
1.2　循环荷载的施加
　　汽车或飞机对路面一般作用有水平荷载和竖向荷载。对刚性路面而言，路面水平荷
载在垂直方向衰减很快，对路面下地基的影响很小，因此加载系统仅施加竖向循环荷载
，如图1所示。竖向荷载由吊篮中的砝码块引起，吊篮和钢丝绳之间以弹簧连接，凸柄轮
和弹簧的共同作用使吊篮的荷载周期可变地作用在混凝土板上。
图1　试验设备总示意图
　　汽车或飞机轮胎作用在路面板上的荷载实际为椭圆形分布，荷载大小也不均匀。为
研究的方便，在不影响结构的情况下，可将荷载近似地转化为当量圆形均布荷载，接触
压力和轮胎内压力相等。
1.3　测量系统
　　测量系统包括荷载大小、路面板的沉降与应变以及地基中土压力等4部分。荷载的大
小用量力环测量，量力环放置在吊篮下。板的沉降和弯沉可用百分表测量，百分表的布
置如图2所示。板的应力可由应变片测得应变后经计算而得，在单圆荷载作用下，混凝土
薄板属于近似轴对称问题，测得某点径向切向2个方向的应变后，便可算出该点的大小主
应力，应变片的布置如图3所示。地基中土压力用压力盒测量，土压力盒主要布置在地基
表面。
图2　百分表布置示意图
图3　应变片布置示意图
2　动态弹粘塑性有限元理论［4］
　　在考虑材料的弹粘塑性问题时，可把总应变ε分为弹性应变εe和粘塑性应变εvp两
部分，土体采用Bingham粘塑性模型，总应变率可表示为
　　　　(1)
式中：D为弹性矩阵；γ为流动性参数；F为屈服数；分别表示在时刻tn时的总应变率、
弹性应变率和粘塑性应变率，粘塑性应变率采用相关的粘塑性流动法则
　　〈Φn(F)〉定义为
　　　　(2)
　　函数Φ(F)可取为
　　　　(3)
式中：N为与具体材料有关的常数，可通过试验确定。
　　采用简单的Euler时间积分法则即全显式法可得tn+1时刻的粘塑性应变为
εn+1vp=εnvp+εnvpΔt
(4)
内阻力矢量
　　　　(5)
在时刻tn，结构动力方程为
　　　　(6)
式中：M为总质量矩阵；C为总阻尼矩阵；pn为内阻结点力的总矢量；fn为作用的体力和
面力组合在一起而形成的一致结点力矢量；为结点加速度总矢量；n为结点速度总矢量。

　　有限差分法对加速度和速度进行近似，从而对动平衡方程进行时间离散化，可表示
为
　　　　(7)
　　　　(8)
　　将式(7)、(8)代入式(6)整理，可得tn+1时刻的位移为
　　　　(9)
式中：质量矩阵M和阻尼矩阵C为对角线矩阵，上式可直接求解而得。
3　试验结果分析与比较
3.1　试验过程
　　本试验共进行46 d，荷载从200 kg到500 kg分级施加，每级荷载增量为100 kg。为
保证每级荷载下土体变形稳定，增加一级荷载的条件是在该级荷载作用下每天百分表的
读数变化不超过0.02 mm。试验的加荷周期T为1.2 min，模拟机场跑道的飞机起落频率，
荷载作用时间为1个周期的1/4，即18 s，见图4。
图4　荷载周期图
3.2　计算模型
　　相对荷载作用面而言，道面板可认为是无限大的，因此近似简化为轴对称问题进行
计算。分布荷载p=P/(πr)2，其中P为总荷载；r为荷载作用面半径。计算模型水平方向
取 0.9 m，竖直方向为板厚0.055 m、粘土地基厚0.6 m。混凝土板的弹性模量为1.8×1
04 MPa，泊松比为0.15；地基的回弹模量为10 MPa，泊松比为0.33 。计算模型见图5。

图5　模型试验计算模型
3.3　试验结果与分析
　　混凝土路面板在500 kg和200 kg荷载作用下的挠度计算值与实测值比较见图6，500
 kg荷载作用下径向应力和周向应力的比较见图7，由图7可见，计算值与实测值非常接近
。
图6　路面板挠度计算值与实测值比较图
图7　路面板应力计算值与实测值比较图
　　在荷载作用下，地基发生弹性变形和粘塑性变形，弹性变形在荷载施加的瞬间产生
，荷载卸除后弹性变形恢复，而塑性变形则累积下来。土体具有典型的粘塑性特征，在
动力荷载作用下塑性变形累积并逐渐趋于稳定。试验表明，在500 kg荷载循环作用下，
加载10 d路面板变形趋于稳定，路面板5#百分表处最大挠度0.41 mm，累积永久变形0.2
2 mm。而由弹粘塑性静力有限元分析可得，路面板中心永久变形为0.13 mm；由弹粘塑性
动力有限元分析得路面板中心永久变形为0.20 mm，动力有限元计算值和实测值符合得较
好。图8和图9分别给出了有限元计算所得的路面板中心点位移-加载循环曲线和永久变形
-加载循环曲线。
图8　路面板中心点位移-加载循环曲线
图9　路面板中心点永久变形-加载循环曲线
4　结　语
　　本文采用模型试验和数值分析相结合的方法对路面和软土地基在循环荷载作用下的
变形机理进行了探讨，可以得出以下结论：
　　(1)采用本文提出的模拟交通荷载作用下路面和软土地基共同作用的模型试验可以较
好地对道面结构进行受力和变形分析。
　　(2)循环荷载作用下软土地基呈典型的粘弹性特性，本文采用动力有限元方法分析了
循环荷载作用下道面和软土地基的变形情况，考虑了荷载的动力特性和循环性，软土地
基的粘弹塑性以及道面和地基的协同变形，建立了弹粘塑性有限元计算模型。
　　(3)试验和计算表明，道面和地基的弹粘塑性变形随加载循环次数的增加而逐渐趋于
稳定，计算值和实测值符合得较好，道面永久变形要大于静载条件情况。
基金项目：国家自然科学基金提供资助
作者简介：王林玉(1972-)，男，河南林州人，浙江大学博士生文章编号：1007-4112(1
999)04-0011-04
作者单位：王林玉　朱向荣　朱赞凌　浙江大学　岩土工程研究所，浙江　杭州　3100
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　　　　　谢永利　西安公路交通大学　公路工程学院，陕西　西安　710064
参考文献：
［1］　WALTER R B. Nonlinear Finite Element Analysis of Heavily Loaded A irf
ield Pavement Systems［J］.Applications of the Element Method in Geotechnica
l Engineering,1972,9:657-693.
［2］　叶国静.路面永久变形的实验研究［J］.岩土工程学报，1987，9(1)：113-116.

［3］　WHITE T D, ZANGHLOUL S M. Pavement Analy-
sis for Moving Aircraf t Load［J］.Journal of Transpor-
tation Engineering,1997:436-446.
［4］　D R J 欧文，E 辛顿;曾国平，译.塑性力学有限元-理论与应用［M］.北京：兵
器工业出版社，1989.
［责任编辑　孙守增］
收稿日期：1998-10-06

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梧桐身旁的浮云里 飘出一弯朦胧的月亮    *        *
清清淡淡的月光 静静地飘落在我身旁         ●
   ahuang
在寂寞的晚上 我就是一只音乐虫子      ^^   *
飞呀飞呀找不到爱发源的地方... ...
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