层状路基界面效应及其对运营期损伤评价的推广

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论文字数:42555 论文编号:sb2021091916143438238 日期:2021-10-03 来源:硕博论文网
笔者认为层间界面间的法向粘结系数和切向粘结系数的变化均会对层状路基界面处的界面效应产生影响。通过对法向粘结系数与切向粘结系数同时变化、固定切向粘结系数变法向粘结系数和固定法向粘结系数变切向粘结系数等三种方案进行对比,发现法向粘结系数变化对界面效应的影响也较为剧烈。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景和意义
党的十九大根据国内现状提出了 2020 年到 2035 年基本实现交通强国,2036 年到本世纪中叶全面建成交通强国的两步走战略[1]。在这两个目标的指导下,我国在交通基础设施建设方面加大了投资力度,取得了重大的成就[2]。我国公路的路基大部分为经过自然因素和人为因素作用而形成的不同性质土体交叠在一起的层状路基。在交通荷载的作用下,动力响应经过物理力学性质不同的两土层接触界面时会产生突变现象,即界面效应。当界面两侧的力学性质差异较大时可能会沿接触面产生相对的滑移和开裂[3],而造成层状路基的破坏。基于界面效应对层状路基土有很大影响,本课题将从界面层力学性质出发,分析其发生改变时对层状路基中界面效应的影响,并探讨运营期内层状路基损伤评价的工程应用。
层间界面力学性质的变化情况是产生界面效应的关键因素。目前,许多学者大都是基于桩-土接触、结构-土接触等界面在剪切过程中一侧不发生变形的“刚性”界面形式的力学性质,从理论推导[4]、室内试验[5]和数值模拟[6]等多种方式来探讨这些因素变化时对于界面力学性质的影响,得到了界面处的力学性质与埋设深度、两侧单元的力学性质和粗糙程度等多种因素有关的结论。然而这些结论是否满足界面两侧均是由散粒体的土层单元,还需要通过对层状路基土界面的直剪试验得到相关参数进行研究,并探讨它对界面效应的影响。
在我国现行的公路沥青设计规范中,弹性层间采用的是应力和位移完全连续连接方式。这种连接方式使得在计算外界荷载影响下层状路基动力响应的影响时忽视了层间界面层的力学性质而使结果较实际情况有所偏差。对于沥青层状路基而言,当交通荷载诱发的动力响应分别经过连续、不连续不光滑和光滑等不同层间切向界面形式时,动力响应的变化情况会有所差异。同样的,对于层状路基来说,当力学性质差异较大的上下土层受到交通荷载影响时(如:上硬下软双层路基),界面处两侧的应力水平存在着较大的差异[7]。因此,需要对土层间切向界面形式发生变化时对界面效应的影响进行分析和探讨。
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1.2 研究现状
1.2.1 层状路基界面特征
具有不同物理力学性质的两种土层结合交接在一起时会形成土层界面。据统计[12],不同土层间过渡层的界面约有 1-3cm 厚。虽然界面的厚度相对于土层来说有些“微不足道”,但土层界面处物理力学性质的变化影响着交通荷载诱发的动力响应在层状路基土中的传播,即不同物理力学性质的界面处所产生界面效应也各不相同。因此,需要从界面层的物理力学性质入手对路基的界面效应进行分析和研究。
目前,土层界面的理论通过土-结构模型的直剪试验所提出。1968 年 Goodman[13]提出应用于岩石力学中节理单元的无厚度薄层单元,由于其结构形式简单,参数较少,无多余耦合等原因而被推广到土和结构接触等其他形式的相互作用中。Clough等[14]在 1971 年通过相关的实验数据,总结出接触面上的剪应力与相对错动位移之间呈双曲线关系,该关系既适用于有厚度的接触面单元,又适用于无厚度的接触面单元。Desai[15]在引入剪切模量、弹性模量及泊松比等三个独立参量的基础上,建立了非线性的有厚度的薄层单元,解释了 Goodman 无厚度模型中无法描述上下土层相互嵌入的问题,但物理意义不是十分明确。层状土层的界面特征与土与结构界面模型相似。因此,也可以通过参考相关的研究方法从室内试验等宏观变形的方式和数值模拟等微观粒子流移动的方式两个方面进行研究。
在室内试验方面,相关文献对于土层接触面力学性质的探讨有:雷华阳[16]根据改装的固结仪对不同厚度的单层式样及不同厚度比的进行了一系列的固结试验,得到了双层试样的变形小于单层式样变形叠加的结论。Wang[17]等设置了在接触面的表面设置了平面、粗糙面和夯击面等三种形式,分别进行了剪切、张拉和压缩试验,得到了增加接触面的粗糙度是提高接触面抗剪强度的有效手段。梁师俊等[18]依据收集的嘉兴地区原状土样实测数据,研究土的沉积环境和地质年代对土的动剪切模量比和动阻尼比的影响及土的塑性指数分布规律。
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第 2 章 土层界面直剪试验

2.1 试验目的和方案设计
2.1.1 试验目的
为了探究层状土界面处的力学性质,通过对考虑法向应力、土层剪切位置等因素的原状土和考虑在上下土层类型、界面处理方式、法向应力大小、土层剪切位置和动荷载扰动时长等重塑土室内直剪试验,来探究土层界面处的力学性质,从而为探讨在交通荷载作用下土层界面处的界面效应影响做铺垫。
2.1.2 试验方案设计
不同因素下的原状土与重塑土室内直剪试验方案设计均按照《土工试验方法》上的步骤和要求来进行。
(1)原状土室内直剪试验方案
原状土室内直剪试验方案:原状土的室内直剪试验是通过剪切从现场取回的具有分层特性的粉土-粉质粘土来找到界面处的力学性质与上下土层力学性质的关系。原状土的切向粘结系数与法向应力和剪切的土样类型有关,因此设计如表 2-1 所示的直剪方案:
2-1 原状土室内直剪试验方案
2-1 原状土室内直剪试验方案
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2.2 试验材料和试验装置
2.2.1 试验材料
土体类型选择的是具有分层特性的粉土-粉质粘土和与这两种土性质差异较大的碎石土。粉土-粉质粘土这种具有分层性质的土体具有一定的代表性,可以较好地反映出在自然沉积一段时间后界面层的力学性质。这种土体一共采集了 7 组试样,如图 2-1 所示。
图 2-1 粉土-粉质粘土原状样
图 2-1 粉土-粉质粘土原状样
土柱的一端为粉土,另一端为粉质粘土,在两者土层之间存在着界面层,图 2-2为粉土-粉质粘土的土样类型。
图 2-2 土样类型
图 2-2 土样类型
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第 3 章 层状路基界面效应计算分析....................30
3.1 弹性层状地基模型基本理论........................................30
3.2 弹性层状体系中的界面效应理论计算............................32
第 4 章 运营期内层状路基损伤评价工程应用.............................52
4.1 现场监测..........................................52
4.1.1 监测方案.................................52
4.1.2 监测数据整理.........................53
结论.......................65

第 4 章 运营期内层状路基损伤评价工程应用

4.1 现场监测
4.1.1 监测方案
邢临高速公路河北段从 2003 年 7 月 28 日开始施工,于 2015 年建成通车。公路采用的是全长为 104.64km(含山东段),宽度为 26m(双向四车道),车辆的行驶速度为每小时 100 公里,全程均为封闭形式的设计标准。根据路基情况的不同路堤的高度也各有差异,路堤的最高处为 9.0m,而路堤的最低处约为 2.0m 左右。其中在K33+550~K39+990 和 K51+550~K60+455 区段采用的是低路堤的设计方案,其高度为 2m。
在邢临高速 K33+550~K39+990 和 K51+550~K60+455 的区段广泛分布着厚度为1.50m 到 4.10m 硬壳层的双层路基。为探测交通荷载影响下双层路基的动力响应特征,分别从 K33+650、K38+650、K39+990、和 K51+650 和 K39+750~K39+950 路段(监测面相隔 20m)共选择出 14 个典型的监测面,将动态土压力盒通过螺旋钻孔辅助自制夹具的方法分别埋设在硬壳层的底部和软土层的顶部,从而对交通荷载诱发在硬壳层和软土层界面处的动应力展开监测。其中这 14 个断面出硬壳层和软土层的物理力学参数见表 4-1。
监测数据从开始通车时为起点,每隔 10 天收集 1 次监测数据,到运营一年后结束。监测的结果显示,有效监控断面为 12 个。仪器布设如图 4-1 所示,其中,1#和2#分别代表着埋设于硬壳层底部和软土层顶部动态土压力盒。
表 4-1 土体物理力学参数
表 4-1 土体物理力学参数

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结论


本课题从界面层力学性质出发,分析其发生改变时对层状路基中界面效应的影响,并探讨运营期内层状路基损伤评价的工程应用。得到的主要成果如下所示:
(1)对不同法向应力大小和土层剪切位置等条件下的原状土进行室内直剪试验,得到层间界面土的剪应力-应变特性和粘结系数均介于粉土和粉质粘土之间;对不同上下土层类型、界面处理方式、法向应力大小、土层剪切位置和扰动时间等条件下的重塑土进行直剪实验,界面土层的剪应力-应变特性与界面的处理方式和上下土层力学性质等因素有关,且随着外界荷载扰动时间增长,不同土层形式和不同界面处理方式的重塑土室内直剪试验所得的剪应力-应变特性均有所下降。
(2)在一次交通荷载的影响下,层状土的界面效应受土层设置、界面粘结方式、传播距离和交通荷载类型等四种不同因素的影响,并对四种因素的影响程度进行排序,得到当以最大剪应力值作为评判标准时,各因素的排序为界面粘结方式、交通荷载类型、传播距离和土层设置和以最大拉应力值和应变作为评判标准时,各因素的排序为界面粘结方式、交通荷载类型、土层设置和传播距离的结论;在循环交通荷载的作用下,得到当界面粘结方式为连续时,下层路基界面土的应变大于上层路基界面土,当界面粘结方式为不连续不光滑时,上层路基界面土的应变大于下层路基界面土的结论。
(3)层间界面间的法向粘结系数和切向粘结系数的变化均会对层状路基界面处的界面效应产生影响。通过对法向粘结系数与切向粘结系数同时变化、固定切向粘结系数变法向粘结系数和固定法向粘结系数变切向粘结系数等三种方案进行对比,发现法向粘结系数变化对界面效应的影响也较为剧烈。
参考文献(略)


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