《高速公路路基的动力特性研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高速公路路基的动力特性研究（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Y. 4 3 2 0 2 2硕 士 研 究 生 学 位 论 文摘要公路路面不平顺是引起车辆振动，影响车辆运营舒适性的重要因素。本文在主要考虑高速公路路面几何不平顺的基础上， 提出了一种简单的、能反映行车速度、荷载周期性和路面几何不平顺等因素的类似激励形式的力来近似地表达汽车荷载，并在此荷载的基础之上，利用有限元方法，探讨了高速公路路基的动态响应及下部结构不同设计参数对路基动力特性的影响，绘出了应力场、加速度场及应变场，使其振动规律表达的更为清晰。同时，简单讨论了高速公路下部结构对车辆运行品质的影响。为提出合理的高速公路路基设计参数提供了理论分析依据。 X #- 词 1 高 速 公 矿 路 塞几
2、何不平顺应力场加速度场、尸尹 动态响应 动 力 模 矿 la硕 士 研 究 生 学 位 论 文AB S T RACTT h e p a v e m e n t ir r e g u l a r i ty is t h e m a i n f a c t o r c a u s i n g t h e v e h i c l ev i b r a t i o n a n d c o m f o r t l e s s n e s s . I n t h is p a p e r , o n t h e b a s e o f a n a 加i n gt h e h ig h w a y p a
3、v e m e n t g e o m e t r ic i r r e g u l a r 你 a s i m p l e e x c i t i n gis p ro p o s e d t o s im u l a t e f a c t o r s s u c hv e h i c l e v e l o c i ty ,l o a dl o a dp e r i o d i c 仰 a n d p a v e m e n t i r r e g u l a r 心U s i n g a 加i t e e l e m e n tm e t h o d , t h e d y n a m
4、 i c r e s p o n s e o f t h e h ig h w a y s u b g r a d e s u b j e c t e d t ot h is l o a d is a n 的z e d a s w e l l a s t h e in f l u e n c e o f t h e s u b - s t r u c t u r e w i t hd if f e re n t d e s ig n p a r a m e t e r s o n t h e d y n a m i c c h a r a c t e r is t ic o f t h es
5、u b g r a d e , a n d d r a w i n g o u t t h e s t r e s s f i e l d , t h e a c c e l e r a t i o n f ie l d a n dt h e s tr a in 介城 t h e v i b r a t i o n l a w is d is t r i c t e d c l e a r ly m o r e . A t t h es a m e t im e , t h e in f l u e n c e o f t h e s u b - s t r u c t u r e o n t
6、 h e v e h i c l eis a n a ly z e d s i m p ly . T h e b a s is o f t h e o re t ic a l a n a ly s i s f o r p r o p o s i n gr e a s o n a b l e h ig h w a yd e s ig n p a r a m e t e r s is p ro v i d e d K e y Wo r d h i g h w a yi r r e g u la r i tytt h e s t re s s f i e l dt h e s t r a i n f
7、 t e 城d y n a m ic r e sp o n s ed y n a m i c m o d e lt h e a c c e l e r a t i o n f i e l d硕士研究生I丝A - 主一一一一一一一一一一第一章概述1 . 1 引言高速公路是第二次世界大战结束以后，各国为了 适应经济发展及汽车运输急剧增加的需要而兴起的。我国起步较晚，是在改革开放以后才开始兴建高速公路的。高速公路以其快速、直达、通行能力巨大等特点而受到各国的青睐。关于高速公路的定义，国外将公路等级划分为一般公路、高等级公路和高速公路， 我国通常将高等级以 上的公路统称为高速公路。高速公路为专供汽车分
8、向、分车道行驶并全部控制出入的干线公路;高速公路一般能适应各种汽车折合成小客车的远景设计年限平均昼夜交通量为:四车道2 5 0 0 0 5 5 0 0 0 辆，六车道4 5 0 0 0 -5 0 0 0 0 辆，八车道6 0 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 辆; 其“ 最 低额 定 速 度” ( N o m in a l M in im u m S p e e d )为1 2 0 K m / h l .高速、便捷工程技术的发展和实践，使现代公路设计的某些技术观念发生了重大改变。高速归结而言是在一个限定范围 和时间内 通过的轴载数量或车辆密度。如此高的速度对于过去传统的运营管理和运营速度
9、无疑是一个巨大的冲击，撒开运营管理， 如何从技术上实现这一高速度? 显然需要解决公路运输形式所包括的所有问 题。作为土木专业，我们所关心的是下部结构 ( 包括路面、路基、地基)在车辆荷载作用下的动态响应及该响应对车辆运行品质所产生的影响，但由于实际测试困难等原因，尽管许多学者已在该方面做了一第 t页硕 士 研 究 生 学 位 论 文些探讨，但还远远不够。9 0 年代，日 本学者T o s h i k a z u . H等在三维动态弹性有限元基础上引入了一数值解法2 1 ， 通过引入波传导单元和完全的能量分析边界，利用波动的可迭加性， 将动载进行了狄拉克函数模拟，利用 F o u r i e r
10、级数形式表达了汽车荷载，以分析车辆引起的地面振动。中国学者孙璐、 邓学 均 等 提出 了 路 面功 率 谱P S D的 概 念 3 1 ， 利 用 描 述路 面 平整 度的 随 机函 数， 以 时间 频率表 达了 路面P S D 。 钟阳( 1 9 9 2 ) 14 1 、 郑京 杰( 1 9 9 9 ) 11 1等也分别用随机过程理论得到了 路面不平整度的功率谱密度，并以此为输入，把车辆简化为两个自由度体系，利用随机振动的方法分析了行驶车辆作用于路面的随机动压力。但这些研究大都局限于低速范围，并且重点是分析路面的动态响应问题，没有把车辆一路面一路基一地基作为一个统一的系统进行考虑。作为公路工
11、程领域，在确定了面层结构和构造以后，路基的性能将起主要作用。传统的分析方法一般没有将车辆、路基作为一个系统加以考虑，其缺陷往往是不能反映面层以下基础对车辆运行的影响。过去由于车辆和公路的成本相对较低加之车速不高，因此很少关注路基设计参数包括路面厚度和刚度、基层构造形式、路基和地基构成等对车辆行驶或运行品质的影响以及上下部系统的相互作用问题。实际上，由于下部系统承受车辆所产生的多次重复荷载作用，使得下部结构中的某一点不断有加载和程度不同的卸载，这一过程的日积月累，会使下部结构产生各种变形，加之由于各部分的刚度、密度等分布不均匀而形成的不均匀沉降，进一步加大了路面的不平顺，从而影响到车辆运行的舒适
12、性和安全性。尤其是路基是由散体材料组成第 2更A主RF t生生竺竺 is 一一一一一一一的，散体材料容易 产生变形，且其抵抗振动的能力较弱。因此，作为线路结构这一最薄弱环节一部分的路基而言，一直是各国高速公路工作的主要研究对象之一。1 .2 高速公路的组成路面、路基是公路的主要结构物，它们不仅要求道路能全天侯通行，而且要求车辆能以一定的速度，安全、舒适而经济地在道路上行驶。有关高速公路的组成见图1 - 1 6 7 .面层25 . 路肩面层荃层3 .垫层4 . 水泥混凝土面层板6 .路肩墓层7 .路基8 . 地墓图 1 - 1 高速公路的组成第 3页硕 士 研 究 生 学 位 论 文路面、路基的
13、质量要求主要体现在以下几个方面:1 . 路基及地基变形小;2 . 路面、路基整体稳定;. 路面要有足够的强度、刚度、平整度和抗滑性:.加强排水系统;为了后面计算的需要，这里针对路面、路基的构造进行简要阐述。( 一) 、 路面的要求及类型路面做为高速公路的重要组成部分，其整体及各组成部分必须有足够的强度以 抵抗行车作用在路面结构内 产生的压应力、拉应力和剪应力，否则路面会出现断裂、沉陷、波浪和磨损等破坏，影响道路的使用质量。 同时， 路面也应具有足够的刚度， 即路面抵抗变形的能力，使路面各组成部分的变形控制在最小的范围内。否则过量的变形会构成车辙、沉陷、 波浪等破坏。一般认为高 速公路上形成的积
14、累变形不超过l o c m e其次，路面要有足够的平整度，汽车在不平整的路面上行驶时，车轮对路面会产生一个附加的动荷载，它对路面的使用性能和寿命有很大的影响。不平整的路面会增大行车阻力并使车辆产生附加的振动作用，造成行车颠簸，影响行车的 速度和安全、 驾驶的 平稳性和乘客的舒适性。尤其是行车的舒适性越来越成为现代公路设计的首要考虑因素。高速公路的路面结构有三种类型:即 柔性路面、半刚性路面和刚绍 4页硕 士 研 究 生 学 位 论 文性路面f6 71 .柔性路面柔性路面的面层、基层和底基层都是柔性材料，如用沥青做结合料的沥青混合料、 级配碎石、 未筛分碎石和优质级配砾石等。 但柔性路面的刚度相
15、对较小，在荷载作用下所产生的变形较大，路面本身抗弯拉强度较低，轮载通过各结构层向下传递，使路基、地基受到较大的单位压力，因而路面以下部分的强度和稳定性对路面结构整体强度有较大的影响。 一些国家高速公路柔性路面的结构见表1 - 1 0一些国家高速公路柔性路面的结构表 1 - 1国名沥青材料的厚度( C 0 )底基层材料和厚度( C m )垫层和厚度( c m )意大利2 5级配砾石 3 5砂层 3 0 4 0瑞士1 8级配砾石 6 0 8 0娜威2 0级配砾石 5 0美国3 0 . 5水泥碎石 1 6法国1 9级配砾石 7 5砂砾 2 5日本2 5 - 3 5级配碎石 1 5 2 2级配砾石2
16、0 2 52 .半刚性路面半刚性路面是在1 9 8 3 年的第1 7 届世界道路会议上正式从柔性路面中划分出来的。半刚性路面的面层是沥青混合料，基层用水硬性结第 5页硕 士 研 究 生 华 位 论 文合料，底基层也是用水硬性结合料稳定的材料。由 于半刚性材料层的承载能力和分布荷载的能力较柔性材料层大的多，国外的高速公路上越来越多地采用半刚性路面。表1 - 2 列出了 一些国家在高速公路上用过的半刚性路面的实例。一些国家高速公路半刚性路面的结构表 1 - 2国名沥青材料的厚度( c m )半刚性层( c m )垫层瑞士1 8级配砾石 ， 3 0 + 水泥砂防冻层瑞典1 2 . 5水泥稳定粒料西班牙1 3 - 2 1水泥稳定粒料英国9 . 5 , 1 6 . 9贫混凝土法国2 3水硬结合料处治基层日本2 0 3 0水泥碎石3 0 2 03 .刚性路面刚性路面的面层是水泥混凝土板，基层较多的是采用水硬性结合料稳定的材料， 也有的用无结合料的粒料。 刚性路面的刚度相对较大，在轮载作用下变形较小，荷载通过混凝土板体的扩散分布作用
