《路桥过渡段路基修筑技术数值仿真与优化》由会员分享，可在线阅读，更多相关《路桥过渡段路基修筑技术数值仿真与优化（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、西部交通建设科技项目合同编号： 2001 318 812 59路桥过渡段路基修筑技术研究报告简本长安大学OO五年二月1项目背景国外针对桥头跳车病害所造成的巨大养护和维修费用，及其所引起的不良社会反映，通过对大量桥头跳车病害的调查， 提出了一些预防措 施。发达国家由于高速公路起步早，现有的方法主要是补救维修。同时, 由于其高速公路的路堤填土高度较低，通道数量较少，且施工周期较长， 所产生的工后沉降较小，相应产生的危害就小，处治的思路与处治费用 就会大不一样。国内也开展了很多这方面的研究工作，提出了一些处治方法，并在工程中积极推广应用。但有些方法处治机理不清，治标不治本，故有成功的案例，也不乏失效
2、的报道。究其原因，主要是没有进行 系统的研究，对处治方法的作用机理和适应性没有搞清楚，即使立题研究，也往往投入较少，只有宏观调查资料，而缺少试验分析结果，现场 测试分析较少。因此，方法的推广应用就必然受到限制。当然，高速公 路的建设实践，也积累了不少经验，总结出一些很有效的处治手段，因此，对这些问题开展深入系统的研究， 对于保证高速公路车辆的交通安 全和舒适行驶，提高高速公路的社会效益、降低已建高速公路的养护维 修费用、改善待建高速公路的质量都具有十分重要的意义。2项目研究内容2.1主要内容(1) 路桥过渡段路基下地基沉降与沉降模拟试验系统研制(2) 车辆振动与冲击荷载作用性状与动载模拟系统研
3、制(3) 路桥过渡段路基处治技术的适应性与作用机理研究(4) 路桥过渡段路基填土动力特性与相关参数研究(5) 路桥过渡段路基处治技术的仿真与优化(6) 路桥过渡段路基设计与计算方法研究(7) 路桥过渡段路基施工工艺与质量控制体系研究(8) 路桥过渡段路基病害治理的适应性研究2.2关键技术(1) 研制地基沉降模拟试验台(2) 研制车辆动载模拟加载系统(3) 数值仿真分析的有效性2.3采取的技术路线3主要结论针对目前高等级公路路桥过渡段桥头跳车病害严重的现状，课题组在广泛调研的基础上，通过研制地基沉降模拟系统和动力加载模拟系 统，开展了大规模的足尺模型试验、小比尺模型试验、室内三轴试验、 数值仿真
4、分析和现场测试，对路桥过渡段路基修筑技术进行了深入研 究，得出了以下的研究结论。(1) 通过对不同地基条件的现场沉降实测，结合有限元分析，给出 了路基下地基的沉降特征和分布曲线。在总结室内压缩试验和现场测试 成果的基础上，研究了路基的沉降特征，推导了简捷准确的路堤变形计 算方法。 通过应用平面应变固结变形有限元分析程序SSE2,并结合实际工程项目对地基的固结沉降进行了分析， 得出了固结沉降变化曲线，并 就沉降曲线的特征作了分析，其沉降最大值与曲线斜率、角度变化的关 系可以应用于该类地基形式。图1试验平台概貌 通过对高填方路堤沉降规律的研究，结合实体工程测试结果得出 施工期沉降与填土高度关系预测
5、模型； 分析路堤沉降特征，认为填土高 度、施工速率、时间是影响沉降的主要因素。 在总结大量的室内压缩试验和现场测试成果基础上，采用割线模量法计算路堤填土的总沉降，并建立力、变形和时间的路堤沉降计算模 型，从而较好地解决了路堤填土的工后沉降计算问题。(2) 首创了独特先进的试验研究平台，该平台具有以下特点： 开发了大行程电动-手动两用千斤顶，满足了试验台的沉降要求， 实现了试验台既可以自动控制，也可以手动控制。在千斤顶的升降套筒 上增加刻度，便于观察，也是记录试验数据的一种方法。 利用接近开关测量位移，造价低廉， 不受行程限制，不会产生零 点漂移，不用信号放大设备，不用模数转换，直接将数据输入计
6、算机。 利用计算机对138台电动机进行实时检测，发现问题立刻自动停 机报警，及时，可靠。在电路里省略了大量的热继电器，简化了电路， 节约了费用；而且可以容易地查出故障点。 开发了沉降试验平台的台板支座。利用单轴球面滚子支撑试验面 板，使滚子对面板的支撑点受力稳定， 极大的减少了面板相对滚子运动 时产生的附加力，同时也可以保证在试验要求范围内面板稳定。 将支座 的加强肋与滚子轴座制成一体，结构简单、强度大、重量轻。 采用三角形平板模拟地基下沉曲面，运动自如，便于控制。 将普通交流异步电动机与谐波减速机、 接近开关相结合，制成超 低速大扭矩步进电动机。 通过计算机控制，使超低速大扭矩步进电动机以不
7、同的步数分次 运动的方式进行沉降，实现了试验台以极低的平均速度运行， 而且之间 的相互关系协调。 利用一台工业控制计算机( PC)同时控制两台可编程控制器(PLC),使系统既用工业控制计算机的操作方便性，又有可编程控制 器的可靠性。 通过合理布置线路，合理设计电路，合理设计计算机程序解决了 多台电动机同时动作时电路里出现的相互干扰。 成功地设计了消弧电路，实现了利用继电器控制138台电动机，经过实践证明可行，节约了费用，为以后设计性能可靠、价格便宜、体 积小的控制电路积累了经验。(3) 采用先进的石英式载荷传感器，测试了轿车、卡车两个不同车型、 不同车速的荷载谱曲线，得到了车辆振动与冲击荷载的
8、作用性状。 试验结果表明，车辆对道路的载荷冲击，是一个持续但不连续的脉冲链。脉冲数和作用间隔与车速、车型密切相关。此外，模拟脉冲载 荷的构造还和车辆的通过模式和交通流量有关，从车型来看，越大型的车辆(载货车，大型车)轴距越长，前后轴作用载荷脉冲的时间间隔就 越长，反映在模拟加载装置的设计上，其载荷频率就越低。也就是说， 车辆越小，模拟加载装置的频率就越高。这也就意味着如果模拟加载装 置的载荷作用频率满足小型车的要求，则必然能够满足大型车辆的加载 频率要求。从车速看，车速越高，脉冲作用时间间隔越短，也即载荷作 用频率越高。同样道理，满足高频要求的加载装置，必然满足低频要求。 因此，以小轿车的试验
9、数据为基础确定加载装置的频率完全满足要求。 模拟载荷谱由以下三个元素构成：a. 幅值：取决于车型(小型、大客、载重、超大型)，选取代表性 的车辆测量得到；b. 双轴、三轴或多轴不同车速下的轴载测量时间差：选取代表性 的车辆测量得到；c. 交通流量：不同车型的统计，决定载荷谱的作用时间。 对于三轴车辆或多轴车辆而言，通过考虑载荷的实际作用形状和 模拟加载装置的实现能力，将第二、三轴的载荷加权叠加，以一个半正弦脉冲来表达，载荷幅值为两者之和，作用时间为两者的算术平均。对于特大型载货列车，由于载荷大，车速慢，对桥头跳车不敏感，而且交 通流量小，所以，加载模拟中，可暂时不加考虑。(4) 开发了全新灵巧
10、的车辆动荷加载系统基于车辆振动与冲击荷载的测试结果，通过对加载方式和道路荷载 的理论模拟分析，选用在振动压路机基础上加装模拟加载部分的箱体来 模拟动力加载的方案，并开发了相应的加载箱体，有效地实现了车辆动 力荷载的模拟。且结构比较简单，开发成本大幅度下降。 在改造过程中 对原压路机的振动部分未进行改动， 在不需要模拟加载时，关闭模拟加 载部分，压路机恢复到原始状态，可以作为普通振动压路机使用。(5) 基于先进的GDS动三轴试验系统，对压实黄土、压实石灰土和 砂土三种路基填料开展了动力特性试验，研究了不同填料的动力特性、 获得了相关参数，得出了以下主要结论。 一般情况下，土的动应力应变关系呈双曲
11、线形态，高含水量时， 特别是含水量接近饱和时，土的动应力应变关系呈软化特性。土的动 模量随着固结应力、干密度的增大而增大，随着含水量的增大而减小， 且偏压时的动模量较均匀时大。土的动阻尼随动应变、含水量的增大 而增大，随干密度和固结应力的增大而减小。 土的振陷系数一般呈弱 线性关系，但对含水量特别敏感，随含水量的增大， 振陷系数曲线趋向 非线性。土破坏时的动应变一般不会超过 3%,对石灰土，其破坏时 的动应变基本都小于1%。(6) 研发了新型的桥头路堤处治手段-楔形柔性搭板处治技术，并 对柔性搭板的材料特性进行了深入研究；通过模型试验、仿真分析及优 化，构建了完整的设计体系，并成功开展了楔形柔
12、性搭板处治技术的实 施应用。(b)肋板式(c)桩柱式图2楔形柔性搭板结构型式根据应用实例的不同工程特性，提出了台后楔形柔性搭板的设计 方案，并开展了系统的现场试验和观测。现场试验和沉降观测结果表明， 楔形柔性搭板技术协调桥头差异沉降作用明显， 是一种成功的处治桥头 跳车病害的方法。通过模型试验、仿真分析及优化，构建了完整的设计 体系。该项技术已在甘肃柳忠高速、古永高速、陕西靖王高速、山西及 福建厦门等公路桥头中得到成功应用。 通过实体工程的实施，相应提出 了楔形柔性搭板处治技术整套的施工工艺和质量保证措施。实体工程的 观测资料表明：楔形柔性搭板能够较好地协调桥台与路堤的沉降差，从 而消除桥头跳
13、车现象，且对于缺乏换填料地段的台背处理经济效益显 著。(7) 建立了科学有效的数值仿真计算模型在大型通用有限元程序 MARC软件基础上，基于Visual Fortran平台 和用户子程序接口，对软件进行深度二次开发，实现专业理论与通用程 序的有机结合，研编了三维和二维的接触面单元、非线性邓肯-张模型、 脱空区材料模型、地基沉降模拟等用户子程序。分析中充分利用大型通用程序优秀的前后处理能力， 优越的非线性 分析功能、强大的计算能力和求解技术，针对桥头加筋路堤具有空间效 应的特点，建立了相应的三维计算模型，较好地解决数值分析对桥头路 堤的有效模拟，提高了分析计算的速度和可靠性，为路桥过渡段路基处
14、治技术的研究提供了很好的分析平台。(8) 针对现有桥头跳车的处治措施，以处治手段消化地基沉降能力作为一条主线索，以变形协调和控制作为主要目标，通过仿真分析，拓扑优化、设计优化，深入开展了路桥过渡段处治方法的适应性和作用机 理研究。 应用基于直接约束的迭代算法 Con tact和单元生死技术，通过模 拟搭板与填土之间的不同接触状态和地基不同沉降模式，首次开展了搭 板处治方法的适应性研究，并得出以下结论：a. 搭板与路基不同接触状态的力学性状分析表明， 当搭板弹性支承 于路基土上时，板底弯拉应力较小；当脱空区长度小于 1.08m时，其对 搭板受力没有影响，随着脱空区长度的增加，板底弯拉应力显著提高
15、，当搭板与路基土完全脱空时，其受力状态与简支板相似。因此，搭板脱 空长度是影响搭板受力状态的主要因素。 设计时，可保守地按简支板进 行搭板的内力计算。b. 搭板对地基沉降的适应性表现为：6m长度的搭板适用于处理地 基沉降在2.8cm以内的桥头路段；8m长度的搭板适用于处理地基沉降 在4cm以内的桥头路段，而10m搭板适用于处理地基沉降在 5.1cm以内 的桥头路段。 基于不同地基沉降模式，对常见换填料台背路堤进行了弹塑性 分析，研究了其适应性差异，主要表现在以下两个方面：a. 桥头路堤换填压缩模量大的填料可以明显减小路堤的压缩变形， 同时沿路堤高度1:1的楔性“刚柔过渡”换填方式不仅可以大大减少 换填量，更有利于协调其沉降差。b. 当地基为均匀沉降模式时，路堤沉降量主要体现在地基沉降值的大小，换填方式无法起到消化地基沉降的作用。当桥头地基存在局部软弱区域时，桥头路堤换填抗剪强度高、具有一定整体性的填料，如灰土，能够较好地消化地基的不均匀沉降，而砂粒填料次之，粘土最差。 针对桥头加筋路堤具有空间效应的特点，建立了相应的三维计算 模型；应用
